X70厚壁海管DWTT減薄試樣與全壁厚試樣的對比分析

王長安 ， 楊專釗 ， 王高峰 ，聶向暉 ， 余國民 ， 楊昆岳

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710065;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

X70厚壁海管DWTT減薄試樣與全壁厚試樣的對比分析

王長安1，2， 楊專釗1，2， 王高峰1，2，聶向暉1，2， 余國民1，2， 楊昆岳1，2

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710065;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

使用常規落錘試驗機與大能量擺錘沖擊試驗機兩種機型，對φ762mm×31.8mm X70MO直縫埋弧焊厚壁海管進行了DWTT減薄試樣（單面減薄及雙面減薄）與全壁厚試樣系列溫度試驗，利用Boltzmann函數對試驗數據進行了擬合，得出了試驗溫度與斷口剪切面積的關系曲線，確定了減薄試樣與全壁厚試樣的韌脆轉變溫度，對其進行了對比分析。結果驗證了厚壁鋼管使用減薄試樣時，應降低相應的試驗溫度；同時得出在相同試驗溫度下，單面減薄試樣的試驗結果優于雙面減薄試樣（壁厚中心試樣）等結論，并提出了相關建議，希望對以后的試驗研究有借鑒作用。

落錘撕裂試驗（DWTT）；剪切面積；單面減薄試樣；雙面減薄試樣；韌脆轉變溫度

0 前 言

在管線鋼領域中，通常以夏比沖擊試驗和落錘撕裂試驗（DWTT）進行韌性測試和評價，雖然夏比沖擊試驗簡單易行，在管線鋼制造中得到了廣泛應用，但不能把沖擊所測得的韌脆轉變溫度等同于管線鋼管實物的韌脆轉變溫度。研究表明，韌脆轉變溫度受試樣形狀、尺寸、應力狀態和加載速度等多方面因素的作用，由于夏比沖擊試驗尺寸小，其幾何約束遠小于實際構件，因而不能反映構件的真實情況，其測定值過高地估計了構件的實際韌性。由于DWTT所獲得的結果與全尺寸氣爆試驗結果相吻合[1]，因此，可使用DWTT對夏比沖擊試驗進行延伸和擴展。

目前，國內管線鋼管生產中DWTT常用的標準有GB/T 8363—2007《鐵素體鋼落錘撕裂試驗方法》，SY/T 6476—2007《輸送鋼管落錘撕裂試驗方法》和API RP 5L3—1996《管線鋼管落錘撕裂試驗推薦作法》。對于DWTT，上述標準均規定：對于壁厚大于19.0mm的鋼管可采用規定原壁厚試樣或是減薄至19.0mm的試樣，減薄試樣可以從試樣的1個或2個表面減薄至19.0mm[2-4]。而DNV-OS-F101—2007《Submarine Pipeline Systems》中要求，DWTT盡量使用全壁厚試樣，若要使用減薄試樣需征得客戶的同意，且減薄試樣必須雙面減薄，雙面減薄量應相同[5]。

本研究就φ762mm×31.8mm X70MO直縫埋弧焊厚壁海管DWTT減薄試樣與全壁厚試樣進行了試驗對比與分析。通過常規落錘試驗機與大能量擺錘沖擊試驗機兩種試驗機型，建立DWTT斷口形貌與溫度關系曲線，確定其韌脆轉變溫度，研究減薄試樣與全壁厚試樣斷裂韌性的差別。

1 試驗方法

本研究所用試樣共4組。3組減薄試樣，其中2組為單面減薄，分別是從鋼管外表面與鋼管內表面減薄，另1組為雙面減薄，減薄試樣尺寸為305mm×76.2mm×19mm；最后1組試樣為全壁厚試樣，尺寸為305mm×76.2mm×31.8mm。試樣缺口形式為壓制V形缺口，缺口角度為45°±2°，缺口深度為（5.1±0.51）mm；試驗溫度為 20℃，0℃，－10℃，－30℃，－50℃及－70℃，試驗采用API RP 5L3標準。試驗分別使用JL－50000落錘試驗機與HIT 50KP大能量擺錘沖擊試驗機（以下分別簡稱落錘與擺錘），兩種試驗機最大功率為50 000 J。為了便于描述，對每組試樣進行編號，具體情況見表1。

表1 試樣信息

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

用落錘試驗及擺錘試驗分別對減薄試樣和全壁厚試樣在規定溫度下進行試驗，然后對試樣斷口按照API RP 5L3進行評判，每個溫度做兩個試樣，取其平均值，其試驗數據見表2，兩種試驗設備下試樣斷口形貌如圖1所示。

表2 試驗結果

圖1 兩種試驗下試樣斷口形貌（－50℃，內外減薄）

2.2 數據對比分析

筆者利用韌脆轉變溫度曲線對上述試驗數據進行對比分析，但是金屬材料韌脆性轉變溫度擬合曲線模型的選擇應符合試驗數據三階段的分布特征，且擬合度要高，模型各參數的物理意義要明確。在這方面，國內外科技工作者作了大量的研究比對工作，結果認為雙曲正切函數與Boltzmann函數兩種數學模型是同一模型同一函數的不同表達式[6]，都可以作為材料韌脆轉變溫度擬合曲線的模型。因此筆者利用Origin軟件中的Boltzmann函數對表1中的試驗數據進行了擬合，韌脆轉變溫度曲線如圖2和圖3所示。

圖2 落錘試驗韌脆轉變曲線

圖3 擺錘試驗韌脆轉變曲線

在實踐中應用最廣泛的是50%剪切斷口所對應的溫度，稱為50%FATT[1]，即韌脆轉變溫度。由圖2可以看出，若由落錘試驗所測數據來確定其韌脆轉變溫度，該材質的50%FATT溫度為－33～－44℃，其中雙面減薄試樣50%FATT約為－44℃；從鋼管內表面減薄試樣約為－41℃；外表面減薄試樣大約為－34℃；全壁厚試樣大約為－33℃。總體來說，全壁厚試樣的50%FATT大于減薄試樣的50%FATT。

由圖3可以看出，若由擺錘試驗所測數據來確定其韌脆轉變溫度，該材質的50%FATT溫度為－24～－39℃，其中從鋼管內表面減薄試樣的50%FATT約為－39℃；從鋼管外表面減薄試樣約為－32℃；雙面減薄試樣約為－30℃；全壁厚試樣約為－24℃。全壁厚試樣的50%FATT大于減薄試樣的50%FATT。

由于長輸管線服役的特殊性和要求的嚴格性，也經常采用80%或85%剪切斷口所對應的溫度作為韌脆轉變溫度，記為80%FATT或85%FATT[1]。 在 DNV－OS－F101—2007 中要求每組試驗的平均剪切面積≥85%[5]。由圖2和圖3可以得出該鋼管的85%FATT，其結果見表3。

表3 85%剪切斷口對應的溫度

綜上所述，無論是使用落錘試驗機還是使用大能量擺錘沖擊試驗機，所得到的該材料全壁厚試樣50%FATT（85%FATT）總是大于減薄試樣。這是因為當試樣變厚時，在外力作用下，沿厚度方向的收縮和變形所受到的約束會增加，沖擊時產生較大形變硬化。這就使試樣斷口的脆性區增加，剪切面積下降，且結果分散性增加[7-8]。同時，這說明在進行大壁厚海管DWTT試驗時，若是使用減薄試樣，則應降低相應的試驗溫度。這驗證了API RP 5L3等標準要求，即 “若采用減薄試樣，則實際試驗溫度應低于規定試驗溫度”。對于該規格鋼管，若是使用減薄試樣，按照API RP 5L3等標準要求，其溫度應該降低17℃。由圖2與圖3可以看出，全壁厚試樣與減薄試樣85%FATT的平均溫差分別約為25℃（落錘）與17.7℃（擺錘）。

圖4 兩種試驗結果比較

此外，API RP 5L3等標準要求，對于減薄試樣，可對試樣的1個或2個表面進行機械加工。相關文獻指出，單面減薄試樣韌性優于雙面減薄試樣韌性。這是因為材料在厚度方向上具有性能不均勻性，鋼板在熱機械控軋工藝(TMCP)生產過程中，由于鋼錠邊部冷卻速度較快，此處材料晶粒較細，軋制得到的鋼板表面晶粒較細，材料韌性也較好，而相應于鋼錠中心由于是偏析雜質富集區，晶體顆粒粗大，軋制獲得的鋼板中部韌性也較差。這樣，當采用減薄試樣進行DWTT時，由于單面減薄試樣保留了一側韌性較好的部分，雙面減薄試樣將兩側韌性較好部分均進行去除，而保留中間韌性較差部分，所以單面減薄試樣測得的剪切面積好于雙面減薄試樣[9-10]。就本次兩種試驗方法來看，僅擺錘試驗表現出這樣的規律，這可能與影響DWTT評定的其他因素有關，如斷口剪切面積評判方法、試驗設備及缺口形式等。

2.3 兩種試驗設備試驗結果對比

對兩種試驗設備的試驗結果進行比較，如圖4所示。由圖4可見，兩種試驗設備試驗結果中，單面減薄試樣的50%FATT（85%FATT）較為接近，而雙面減薄及全壁厚試樣的50%FATT（85%FATT）較大。此外，落錘試驗機所得結果的韌脆轉變曲線總體上靠左，既落錘試驗機與擺錘試驗機在相同的試驗溫度下，落錘試驗機的試驗剪切面積較大。由此可知，落錘試驗機所確定的50%FATT（85%FATT）總體上較低。這種現象可能是因為落錘試驗與擺錘試驗在沖斷試樣的瞬間，錘頭與試樣之間的接觸方式不同，因而導致試樣的受力狀態不同，最后表現出來的剪切面積有所差異。

3 結論與建議

（1）在相同試驗溫度下，減薄試樣的DWTT結果優于全壁厚試樣的試驗結果，即厚壁鋼管（＞19mm）在進行DWTT試驗過程中，試樣需要減薄時，應降低相應的試驗溫度，該結論驗證了API RP 5L3等標準對減薄試樣試驗溫度的要求；

（2）雖然本次擺錘試驗減薄試樣相對全壁厚試樣平均下降溫度與標準基本一致，但是單組試驗以及落錘試驗的下降溫度與標準還有差距，減薄試樣溫度的降幅還需進一步深入研究；

（3）本次擺錘試驗中，內、外單面減薄試樣試驗結果優于雙面減薄試樣（壁厚中心試樣）；

（4）本研究中，落錘試驗機與擺錘試驗機在相同的試驗溫度下，落錘試驗機的剪切面積較大；

（5）對于厚壁海管，在進行DWTT時，如果設備能力滿足要求，建議使用全壁厚試樣進行試驗，否則嚴格按照DNV－OS－F101要求，在客戶允許下使用雙面減薄試樣。

［1］高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國石化出版社，2012.

［2］GB/T 8363—2007,鐵素體鋼管落錘撕裂試驗方法[S].

［3］SY/T 6476—2007,輸送鋼管落錘撕裂試驗方法[S].

［4］API RP 5L3—1996,管線鋼管落錘撕裂試驗推薦作法(第 3版)[S].

［5］DNV-OS-F101—2007， Submarine Pipeline Systems[S].

［6］羅曉蓉，陳晨楓.基于Origin軟件正確評定韌脆性轉變溫度[J].物理測試， 2010， 28（02）： 39－43.

［7］何小東,李愛萍,楊肅，等.厚壁X70高鋼級管線鋼落錘撕裂試驗斷口分析[J].理化檢驗－物理分冊，2005，41（06）： 286－288.

［8］藺衛平，李娜.落錘撕裂試驗與大能量擺錘沖擊試驗的對比與分析[J].焊管， 2014， 37（02）:44－47.

［9］吳金輝，王樹人.X70高鋼級大壁厚管線鋼管落錘撕裂試驗的影響因素[J].理化檢驗－物理分冊，2011，47（02）： 85－87.

［10］吳金輝，王樹人，楊專釗，等.高鋼級大壁厚管線鋼管DWTT影響因素探討[J].焊管，2010，33（12）：60－62.

Comparative Analysis on DWTT of Reduced Thickness Specimens and Full Thickness Specimens for X70 Submarine Pipe

WANG Changan1，2,YANG Zhuanzhao1，2,WANG Gaofeng1，2,NIE Xianghui1，2,YU Guomin1，2,YANG Kunyue1，2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710065,China；2.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.,Ltd.,Beijing 100101,China）

The series of temperature tests for DWTT of reduced thickness specimens(single-side thinned and double-side thinned)and full thickness specimens for φ762mm×31.8mm X70MO SAWL pipe were conducted,by adopting conventional DWTT machine and big energy pendulum impact test machine.The experimental data were fitted by Boltzmann function,the relation curve between the temperature and shear fracture area was obtained,the ductile-brittle transition temperature of reduced thickness specimens and full thickness specimens was determined,and carried on contrast analysis.The results validated the heavy wall thickness pipe using reduced thickness specimens should lower the test temperature accordingly;It is concluded that under the same test temperature,the sample test result of single-side thinned specimen is superior than the double-sided thinned specimen(wall thickness center specimen).And some relevant suggestions were put forward,which can provide reference for experimental study in future.

drop weight tear test(DWTT)； shear area； single-side thinned thickness specimens;double-side thinned thickness specimens；ductile-brittle transition temperature

TG115.57

B

1001－3938（2015）04-0062-05

王長安（1966―），注冊設備監理師，高級工程師，主要從事油氣輸送管道工程用管材設備監造工作。

2015－01－15

李紅麗