藺衛平，李 娜，張庶鑫，梁明華，張華佳

(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，對石油、天然氣的需求日益增加，油氣管道也得到了長足發展。近幾年，油氣管道特別是天然氣管道發展的一個重要趨勢是采用高鋼級、大口徑管線進行輸送。隨著石油天然氣管道運行壓力的增高，管徑不斷加大，發生管道延性斷裂的風險也就越大。這就要求高鋼級管線鋼在提高管道輸送能力的同時，具有足夠高的韌性，以保證管道運行的安全性[1-4]。

夏比沖擊試驗已成為評價管材韌性的重要指標，管道安全評價中也常采用沖擊韌性和斷裂韌性的經驗關系式換算得到材料斷裂韌性數據。但是，沖擊吸收功的大小并不能直接反映材料的韌性，材料韌性的好壞主要取決于裂紋擴展功的大小。這就需要采用示波沖擊試驗，對沖擊試驗的全過程進行詳細描述[5,6]。

本文研究了X100管線鋼管體、焊縫和熱影響區在不同溫度下的示波沖擊曲線，對進一步研究X100管線鋼的韌性具有參考價值。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用規格為Φ1 219 mm×14.8 mm X100直縫埋弧焊鋼管。鋼管母材的化學成分和拉伸性能(橫向板狀試樣)分別見表1和表2。

1.2 試驗方法

沖擊試樣在距焊縫90°管體處和焊縫處橫向截取，試樣的幾何尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。試驗溫度為20、0、-20、-40、-60、-80和-100 ℃，試驗采用MPM9700示波沖擊試驗機，依據ASTM E23-16b[7]進行試驗。用MEF4M金相顯微鏡進行金相組織分析。示波沖擊曲線特征值按照GB/T 19748—2005[8]中的定義來確定。

表1 鋼管母材的化學成分(質量分數) %

表2 鋼管母材的拉伸性能

2 試驗結果及分析討論

2.1 管體橫向

管體組織為粒狀貝氏體和彌散分布的M-A島，如圖1所示，晶粒度為12.0級。

圖1 鋼管母材微觀組織

不同溫度下沖擊試樣的示波曲線如圖2所示。隨著溫度的降低，最大力Fm逐漸增大，到-40 ℃時達到最大，然后隨著溫度的降低逐漸減小。隨著溫度的降低，最大力下的位移Sm逐漸變小，最大力下的能量Wm也逐漸變小，載荷-位移曲線變得越來越陡峭。不穩定裂紋擴展起始位移Siu和不穩定裂紋擴展終止位移Sa逐漸變小，不穩定裂紋擴展越來越明顯。

在20 ℃，位移為10 mm時，沖擊載荷還很高(12.58 kN)，說明在裂紋擴展過程中受到的阻礙較多；當溫度為-80 ℃，位移為10 mm時，沖擊載荷已經接近0。在-80 ℃時，試樣剛過最大力就發生不穩定裂紋擴展。說明試驗溫度越低，試樣在沖擊過程中所受阻礙越小。

X100管線鋼母材具有良好的室溫和低溫沖擊韌性。室溫沖擊吸收能量的平均值為292 J，韌脆轉變曲線具有明顯的上平臺，如圖3所示。以剪切斷面率達到50%來規定韌脆轉變溫度，X100管線鋼母材韌脆轉變溫度約為-60 ℃。

2.2 焊縫

焊縫組織為針狀鐵素體、少量粒狀貝氏體、多邊形鐵素體和珠光體如圖4所示。

圖2 鋼管母材不同溫度下的示波沖擊曲線

圖3 鋼管母材韌脆轉變曲線

不同溫度下沖擊試樣的示波曲線如圖5所示。隨著溫度的降低，最大力Fm逐漸增大，最大力下的位移Sm和最大力下的能量Wm先逐漸增大，到-20 ℃達到最大值后再逐漸變小。20 ℃時曲線的不穩定裂紋擴展不明顯，隨著溫度的降低，不穩定裂紋擴展越來越明顯，不穩定裂紋擴展起始位移Siu和不穩定裂紋擴展終止位移Sa逐漸變小，曲線變得越來越陡峭。在20 ℃，位移為10 mm時，沖擊載荷為7.45 kN；在-60 ℃，位移為10 mm時，沖擊載荷已經接近0。

圖4 鋼管焊縫微觀組織

焊縫室溫沖擊吸收能量的平均值為219 J，韌脆轉變曲線具有明顯的上平臺，如圖6所示。以剪切斷面率達到50%來規定韌脆轉變溫度，X100管線鋼管焊縫韌脆轉變溫度約為-60 ℃。

圖5 鋼管焊縫不同溫度下的示波沖擊曲線

圖6 鋼管焊縫韌脆轉變曲線

2.3 熱影響區

熱影響區粗晶區組織為粒狀貝氏體，如圖7所示，細晶區組織為多邊形鐵素體、M-A島和珠光體，如圖8所示。

不同溫度下沖擊試樣的示波曲線如圖9所示。隨著溫度的降低，最大力Fm沒有明顯的變化，最大力下的位移Sm和最大力下的能量Wm先逐漸增大，到-40 ℃達到最大值后再逐漸變小。不穩定裂紋擴展起始位移Siu和不穩定裂紋擴展終止位移Sa逐漸變小，不穩定裂紋擴展越來越明顯，曲線變得越來越陡峭。在20 ℃，位移為15 mm時，沖擊載荷為2.91 kN；在-60 ℃，位移為15 mm時，沖擊載荷已經接近0。

圖7 粗晶區組織

熱影響區室溫沖擊吸收能量的平均值為260 J，韌脆轉變曲線具有明顯的上平臺，如圖10所示。以剪切斷面率達到50%來規定韌脆轉變溫度，X100管線鋼管熱影響區韌脆轉變溫度約為-50 ℃。

圖8 細晶區組織

圖9 鋼管熱影響區不同溫度下的示波沖擊曲線

圖10 鋼管熱影響區韌脆轉變曲線

3 結 論

1)X100管線鋼管體、焊縫和熱影響區在不同溫度的示波沖擊曲線都產生不穩定裂紋擴展。隨著試驗溫度的降低，不穩定裂紋擴展越來越明顯，載荷-位移曲線變得越來越陡峭，，試樣在沖擊過程中所受阻礙越來越小。

2)X100管線鋼具有良好的低溫沖擊韌性。管體韌脆轉變溫度約為-60 ℃，焊縫韌脆轉變溫度約為-60 ℃，熱影響區韌脆轉變溫度約為-50 ℃。

[1] 李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應用中的幾個熱點問題[J].中國機械工程,2001,12(3):349-352.

[2] 馮耀榮，李鶴林.管線鋼及管線鋼管的研究進展與發展方向[J].石油專用管,2005,(1):1-23.

[3] 李延豐,王慶強,王慶國.X90鋼級螺旋縫埋弧焊管的研制結果及分析[J].鋼管,2011,40(2):25-28.

[4] 夏佃秀,王學林,李秀程.X90級別第三代管線鋼的力學性能與組織特征[J].金屬學報,2013,49(3):271-276.

[5] 周 民,杜林秀,劉相華.不同溫度下X100管線鋼的沖擊韌性[J].塑性工程學報,2010,17(5):108-113.

[6] 王樹人,吳金輝,張克修.示波沖擊試驗在螺旋埋弧焊管檢驗上的應用[J].焊管,2010,33(10):46-51.

[7] 美國材料與試驗協會.金屬材料缺口試樣沖擊標準試驗方法:ASTM E23-16b [S]. 北京：中國標準化研究院.

[8] 唐振廷，李久林，張鈺彥. 鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法:GB/T 19748-2005 [S]. 北京：中國標準出版社.