試樣減薄對厚壁管線管DWTT性能影響研究

楊專釗，魏偉榮，王高峰，王長安

(1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司　北京　100101；2.中國石油集團石油管工程技術研究院　陜西　西安　710077；3.中海石油(中國)有限公司深圳分公司　廣東　深圳　518067)

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·試驗研究·

試樣減薄對厚壁管線管DWTT性能影響研究

楊專釗1,2，魏偉榮3，王高峰1,2，王長安1,2

(1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司北京100101；2.中國石油集團石油管工程技術研究院陜西西安710077；3.中海石油(中國)有限公司深圳分公司廣東深圳518067)

摘要：采用擺錘式試驗機和落錘試驗機分別測試了厚壁鋼管在20℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃以及-70℃等溫度下DWTT性能，試樣包括外表面減薄、從鋼管內表面減薄、雙面減薄以及全壁厚等4類試樣。通過測量剪切面積，擬合出各類試樣相應韌脆轉變曲線，并推測出各類試樣韌脆轉變溫度FATT50%。結果顯示，同樣試驗條件下，減薄試樣測試結果優于全壁厚試樣結果，而且落錘試驗機測試結果優于擺錘試驗機結果。

關鍵詞：落錘撕裂試驗(DWTT)，擺錘撕裂試驗，韌脆轉變曲線，減薄試樣，管線鋼管

0引言

韌性是管線鋼的一個重要力學性能指標，它被定義為管線鋼在塑性變形和斷裂過程中所吸收的能量，從物理意義上講，韌性是對變形和斷裂的綜合表述。在管線鋼領域中，通常以夏比沖擊試驗、落錘撕裂試驗進行韌性的測試和評價，雖然夏比沖擊試驗簡單易行，在管線鋼中得到了廣泛的應用，但不能把沖擊所測得的韌脆轉變溫度等同于管線鋼管的實物的韌脆轉變溫度。研究表明韌脆轉變溫度受到試樣的形狀、尺寸、應力狀態和加載速度等多方面的因素的作用，由于夏比沖擊試驗尺寸小，其幾何約束遠小于實際構件的幾何約束，因而不能反映構件的實際韌性情況。為了進一步解決管線鋼韌性評定問題，使得實驗室試驗更好地模擬實物，從而使試驗結果進一步符合實際服役條件，可使用落錘撕裂試驗(DWTT)對夏比沖擊試驗進行延伸和擴展。落錘試驗(DWT) 是美國海軍研究所(NRL)W.S.Pellini 和P.P.Puzak 等人在1950 年開創的,用來研究具有溫度轉變行為的鐵素體結構鋼的抗脆性斷裂性能的一種工程試驗方法[1]。

DWTT試驗的優點在于：(1)采用了全壁厚板狀試樣，因而更接近管道實際的應力、應變狀態；(2)試樣寬度增加，裂紋擴展路徑較長，可更好地反映實際管道中裂紋長程擴展的性質。DWTT的試驗結果主要是建立斷口形貌與溫度的關系，從而確定管線鋼的韌脆轉變溫度，DWTT被廣泛應用的原因是因為這種試驗所獲得的結果與全尺寸氣爆試驗結果吻合程度較高。

目前,國內管線鋼管生產中落錘撕裂試驗常用的標準有GB/T 8363-2007《鐵素體鋼落錘撕裂試驗方法》[2-4]、SY /T 6476- 2007《輸送鋼管落錘撕裂試驗方法》[5]和API RP 5L3-1996《管線鋼管落錘撕裂試驗推薦作法》[6]。對于DWTT,不同的標準均規定,對于大壁厚管線鋼管可采用規定原壁厚試樣或是減薄至19 mm的試樣，試樣減薄可以是單面減薄或雙面減薄。

ASTM E436只規定了壁厚范圍為3.18～19 mm的試樣[7]，對于厚壁試樣，API 5L RP3-1996和GB/T 8363-2007，鋼管壁厚大于19 mm的，可以選擇：1)全壁厚；2)采用機械加工方法減薄至19 mm(單面或雙面)，而DNV-OS-F101，明確推薦采用雙面減薄試樣[8]。若采用減薄試樣，試驗溫度應該相應降低。降低幅度隨壁厚減薄量臺階而增加。對于高鋼級高韌性厚壁管線鋼的DWT試驗，在管線鋼產品標準和DWT試驗標準中均未給出特殊規定。在產品標準中，只給出“由檢驗用戶和承包商協商”的建議。隨著國內外高鋼級、厚壁鋼管的產品開發，對于大于19 mm及以上對各類鋼管產品標準和試驗應該補充和完善[9]。

因此，本研究就Ф762×38.1 mm X70厚壁海管減薄試樣與全壁厚試樣DWTT試驗展開研究與分析，通過落錘試驗機與擺錘試驗機兩種試驗機型，通過DWTT系列溫度確定其韌脆轉變溫度，研究減薄試樣與非減薄試樣斷裂韌性的差別。

1試驗方法、材料與設備

本研究所使用試樣來源于Φ762×31.8 mm X70直縫埋弧焊管，試樣在距焊縫90°處橫向截取。試樣設計四組，分別為從鋼管外表面減薄、從鋼管內表面減薄、雙面減薄和全壁厚試樣。減薄試樣尺寸為305 mm×76.2 mm×19 mm，全壁厚試樣，試樣尺寸為305 mm×76.2 mm×31.8 mm。試樣缺口形式均為壓制V型缺口，缺口角度為45°±2°，缺口深度為5 mm±0.5 mm；試驗溫度為20℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃和-70℃，每個溫度點測試2個試樣，分析測定每個試樣的單個剪切面積及其平均剪切面積。

本次試驗分別使用JL-50000型落錘試驗機以及HIT 50KP型擺錘試驗機，兩種試驗機最大能量為50 000 J。

2結果分析與討論

對落錘試驗機及大擺錘試驗機所測數據進行分析，擬合出相應韌脆轉變曲線，如圖1、圖2所示。由圖1可見，若由落錘試驗機所測數據來確定其韌脆轉變溫度，該材質的FATT50%溫度范圍約為-35℃～-44℃，其中雙面減薄試樣的FATT50%約為-44℃，其次是從鋼管內表面減薄試樣，約為-41℃，接下來是全壁厚試樣，約為-37℃，最后為從鋼管外表面減薄試樣，約為-35℃。總體來說，全壁厚試樣的FATT50%大于減薄試樣的FATT50%。

由圖2可見，若由大擺錘試驗機所測數據來確定其韌脆轉變溫度，該材質的FATT50%溫度范圍約為-25℃～-45℃，其中從鋼管內表面減薄試樣的FATT50%約為-45℃，其次是從鋼管外表面減薄試樣，約為-33℃，接下來是雙面減薄試樣，約為-30℃，最后為全壁厚試樣，約為-25℃。從該圖可以看出，全壁厚試樣的FATT50%大于減薄試樣的FATT 50%。

圖2　擺錘試驗機所測數據韌脆轉變曲線

綜上所述，無論是使用落錘試驗機還是使用大擺錘試驗機，所得到的該材料全壁厚試樣FATT50%總是大于減薄試樣的FATT50%，這就說明在進行大壁厚材料的DWTT試驗時，若是使用減薄試樣，則應降低相應的試驗溫度。這正驗證了API RP 5L3-1996《管線鋼管落錘撕裂試驗推薦作法》等實驗標準的要求，既“若采用減薄試樣，則實際的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 5L3-1996《管線鋼管落錘撕裂試驗推薦作法》等試驗標準的要求，其溫度應該降低17℃，由圖1與圖2可以看出，全壁厚試樣與減薄試樣FATT50%的最大溫差分別約為9℃(落錘)與20℃(擺錘)。

此外，API RP 5L3-1996《管線鋼管落錘撕裂試驗推薦作法》等試驗標準要求，對于減薄試樣，可對試樣的一個或兩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,此處材料的晶粒較細,軋制得到的鋼板表面晶粒較細,材料的韌性也較好,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 試驗時,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。就本次兩種實驗方法來看，并沒有表變現出這樣的規律。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的影響、試驗設備的影響、缺口型式的影響等。

3兩種試驗設備實驗結果的比較

對兩種試驗設備的試驗結果進行比較，如圖3所示。可見，兩種試驗設備實驗結果中，單面減薄試樣的FATT50%較為接近，而雙面減薄及全壁厚試樣的FATT50%較大。

此外，從圖中的比較可知，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，圖4為兩種試驗機在相同的溫度(-50℃)雙面減薄試樣斷口照片。由此可知，就本次試驗來說，落錘試驗機所確定的FATT50%總體上較低。

圖3　不同類型試樣兩種試驗設備試驗結果

4結論

1)雖然通用的鋼管標準允許采用全壁厚試樣或減薄試樣降溫測試性能指標，但通過試驗對比研究，采用減薄試樣降溫測試更容易達到性能指標要求；

2)為確保鋼管安全運行，更全面真實地反映鋼管的落錘性能，對于厚壁鋼管盡量選擇全壁厚DWTT試樣；

3)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；

圖4　兩種試驗設備試驗結果斷口

4)由于研究期限限制以及試驗數據量相對不足，上述結論尚需進一步試驗驗證和研究。

參 考 文 獻

[1] 馬建坡,方 亮,吉嘉龍.落錘試驗試樣厚度尺寸效應對TNDT的影響[J].材料開發與應用，2004,19(1):5-8.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.鐵素體鋼落錘撕裂試驗方法：GB 8363- 2007 [S].北京：中國標準出版社，2007.

[3] 王樹人,陳宏達,楊蔚東.落錘撕裂試驗新舊標準的對比分析[J].焊管，2009，32(9)：67-70.

[4] 孫宏.GB/T 8363-2007鐵素體鋼落錘撕裂試驗方法簡介[J].焊管，2010，33(5):64-66.

[5] 國家發展改革委員會.輸送鋼管落錘撕裂試驗方法：SY /T 6476- 2007 [S].北京：石油工業出版社，2007.

[6] American Petroleum Institute.Recommended Practice for Conducting Drop-Weight Tear Tests on Line Pipe :API RP 5L3-1996[S].1996.

[7] American Society of Mechanical Engineers.Standard Test Method for Drop-Weight Tear Tests of Ferritic Steels: ASTM E436 - 03(2008) [S].2008.

[8] DET Norske Veritas.Submarine Pipeline Systems :DNV-OS-F101 [S].2007.

[9] 楊專釗,李安強,楊溪,等.關于DWTT的管線鋼產品標準和試驗標準對比分析[J].焊管，2011,34(08)：59-62.

Influence of Specimen Thickness Reducing on the DWTT Properties of the Heavy Wall Thickness Linepipe

YANG ZhuanZhao1,2,WEI Weirong3,WANG Gaofeng1,2,WANG Changan1,2

(1.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.Ltd.,Beijing 100101,China; 2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi′an,Shaanxi 710077,China； 3.Shenzhen Branch of China National Offshore Oil Corporation,Shenzhen,Guangdong 518067,China)

Abstract：The series DWTT properties of the heavy wall thickness linepipe were tested by both traditional drop weight tear test machine and the 50000J pendulum impact testing machine at the temperature of 20℃,0℃,-10℃,-30℃,-50℃ and-70℃ respectively.The series specimens were designed as the reduced specimen from the outside surface,reduced specimen from the inside surface,reduced specimen from the both side and the whole scale thickness specimen.The shear area of each specimen was measured and calculated,and the ductile-brittle transition curve of each sorts of specimen was fitted,so that the ductile-brittle transition temperature (FATT50%) was estimated.The results showed that the reduced specimens were better than the whole scale thickness specimen,so did the drop weight tear test.

Key words：drop weight tear test;pendulum impact test;ductile-brittle transition curve;reduced thickness specimen;line pipe

第一作者簡介：楊專釗，男，1979年生，研究生，高級工程師，主要從事石油管工程研究開發、技術咨詢和技術支持服務工作。E-mail:yangzhuanzhao@163.com

中圖法分類號：TG115.5+7

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0045-04

(收稿日期：2015-12-27編輯：葛明君)