基于主曲線法的高鋼級管道環焊縫韌性表征

李雨恒，馬 強，羅海寶，孟維健，宿彥通，孫 偉，李德軍，孟致遠

（1.國家管網集團天津天然氣管道有限責任公司，天津 400657；2.國家管網集團河北建投天然氣有限公司，石家莊 050000）

0 前 言

為了滿足國內日益增長的能源需求，高壓、大直徑、大輸量成為我國油氣管道建設的主要方向。但隨著高鋼級、大直徑管道的應用，我國油氣長輸管道環焊縫問題日益突顯，環焊縫事故不斷增多[1-2]。在環焊縫質量控制中，業內普遍關注的重點之一是環焊縫的韌性。目前，管線鋼管環焊縫的韌性表征試驗方法主要有夏比沖擊試驗（CVN）、斷裂韌性試驗（KIC、CTOD、JIC）等。夏比沖擊試驗反映的是材料的沖擊韌性，主要通過吸收功和剪切斷面率對韌性進行表征，試驗過程較方便，應用廣泛，但沖擊試驗無法直接獲取關鍵的斷裂力學參數，如KIC、JIC、δ。斷裂韌性試驗可以直接獲取斷裂力學參數，但需要進行多組試驗，并且試驗過程復雜、費時費力。因此，國內外很多學者都在進行沖擊韌性和斷裂韌性轉化關系的研究，并在Q345R、16Mn 和管線鋼上有成功的應用[3-5]。有些成果已經被寫入相關標準中，如BS 7910[6]、API 579[7]、ASTM E1921[8]等。但 在 管 線鋼環焊縫方面，相關研究鮮有報道。

環焊縫沖擊韌性與斷裂韌性轉化關系對于焊接工藝評定、焊縫適用性評價、斷裂評估等具有重要意義。因此，本研究對現有的沖擊韌性與斷裂韌性轉化關系方法進行了對比分析，確定不同方法的適用范圍和限制條件，并通過試驗分析了主曲線方法在管線鋼管環焊縫韌性表征上的可行性。

1 韌性表征與轉換關系研究進展

鐵素體鋼有韌脆轉變的現象，其沖擊韌性韌脆轉變曲線分為三個部分：上平臺、下平臺和韌脆轉變區。在上平臺區，材料具有較高的韌性；在下平臺區，材料表現為脆性；在韌脆轉變區，材料斷裂韌度呈現分散性和離散性。

1.1 基于經驗的轉化關系

近幾十年來，國內外研究學者對鐵素體鋼韌脆轉變情況下的沖擊韌性與斷裂韌性的關系進行了大量研究。總體來看，沖擊韌性與斷裂韌性之間的經驗公式可以分為一步法和兩步法。其中，一步法公式見表1 中公式（1）～公式（5）。公式（1）是Barsom 和Rolfe[9]通過研究一些不同強度的鋼得到的夏比沖擊上平臺和韌脆轉變區的沖擊功與斷裂韌性之間的經驗公式。公式（2）是Sailors 和Corton[10]得出的韌脆轉變區的沖擊功與斷裂韌性經驗公式，后被API 579 收錄。Roberts[11]在分析了大量的沖擊功以及斷裂韌度數據后得出公式（3），也被稱為WRC265 關系式。公式（4）和公式（5）是BS 7910[6]給出的下平臺和上平臺的轉化公式。

表1 韌脆轉變區主要經驗公式

兩步法考慮了加載速率的影響，首先根據經驗公式將CVN 數據轉換為動態斷裂韌性KId，然 后 將KId轉 化 為KIC。表1 中 公 式（6） 為WRC265 給 出的KId轉 化公 式，公 式（7） 為Roberts 和Newton[11]給出的KId轉化公式。

KId與KIC轉化公式由Barsom 等[9]通過對250～965 MPa 屈服強度范圍內多種材料的研究得出，具體表達式為

式中：σys——常溫下的屈服強度，MPa。

1.2 主曲線轉化關系

由于鐵素體鋼轉變溫度區內斷裂韌性的高度分散性，導致韌脆轉變區內的斷裂韌性數據處理成為困擾工程界的一大難題。20世紀80年代，芬蘭科學家Wallin 等[12-14]提出了主曲線法（Master Curve），該方法基于統計學角度科學地描述了材料斷裂韌性的分布規律。因此，該方法也受到國際重視，并逐漸納入標準規范ASTM E1921、API 579和BS 7910中。

Wallin 采用三參數Weibull 分布描述斷裂韌性的離散性，通過少量斷裂韌性試驗確定參考溫度T0，得到不同累積失效概率下斷裂韌性隨溫度的分布規律，建立韌脆轉變區域斷裂韌性隨溫度分布的主曲線，即

式中：KIC——平面應變斷裂韌性，MPa·m1/2；

T——溫度，℃；

T0——為參考溫度，℃；

TK——溫度常數，℃；

B——為實際試樣厚度，mm；

Pf——失效概率，取50%時即為主曲線。

2 X80管線鋼管環焊縫韌性測試試驗

為了研究高鋼級管道環焊縫的韌性轉化關系，本研究制備了規格為Φ1 219 mm×25.7 mm 的X80鋼管環焊縫。焊縫坡口為22°單V形坡口，焊接方法采用STT+FCAW-S組合工藝。焊接完成后進行化學、拉伸、沖擊、SENB等相關測試。焊縫化學成分分析結果見表2。

表2 環焊縫化學成分 %

對管體母材和焊縫金屬分別做系列溫度拉伸試驗，拉伸試樣為Φ10 mm 的圓棒拉伸樣，測試結果如圖1 所示。通過圖1 可以看出，焊縫及母材的拉伸屈服強度和抗拉強度都隨試驗溫度降低而升高。

圖1 環焊縫系列溫度的拉伸性能分布曲線

依據ASTM E1921-20，采用SENB 試樣對焊縫的斷裂韌性進行了測試。SENB 試樣斷口形貌如圖2 所示，試樣尺寸如圖3 所示，其中W=20 mm，B=10 mm，L=120 mm，a0/W=0.5，疲勞裂紋長度為2 mm，裂紋處于內表面根焊中心線。試驗溫度為-60 ℃，試驗結果見表3。

圖2 SENB試樣斷口示意圖

圖3 SENB試樣尺寸示意圖

表3 SENB試驗結果

3 X80管線鋼環焊縫基于主曲線的韌性轉化分析

根據ASTM E1921，采用主曲線法對X80 管線鋼環焊縫的韌性轉化關系進行分析。

主曲線法要求試樣裂尖保持高拘束度應力狀態，這樣得到的T0與尺寸無關，ASTM E1921 要求采用以下公式對KJC進行有效性檢查，即

式 中：KJC（limit）——標 準 測 試KJC的 上 限 值，MPa·m1/2；

b0——初始韌帶尺寸（W-a0），mm；

W——試件厚度，mm；

a0——預制裂紋深度，mm；

σys（Ta）——試驗溫度下的材料屈服強度，MPa；

Mlimit——標準規定的無量綱變形極限，取30；

v——泊松比。

非標準尺寸（25.4 mm）的試樣，均根據公式（12）進行轉換成1T厚的斷裂韌性值，即

式中：B0——人為規定的標準試樣厚度，25.4 mm；

KJC(1T)—— 標 準 試 樣 測 試 得 到 的KJC，MPa·m1/2。

本研究采用單溫度法（-60 ℃）進行主曲線計算。首先采用公式（13）計算三參數Weibull分布尺度參數K0，即

式中：N——總試樣數;

r——有效試樣數。

將K0代入公式（14）中，得到累積失效概率為50%的中值斷裂韌性KJC（med），即

將公式（14）的結果帶入公式（10）中，便得到參考溫度T0。

通過公式（11）～公式（14）得到KJC（limit）、KJC(1T)、K0和KJC（med）的結果，見表4。

表4 主曲線關鍵參數計算結果

基于表4 計算結果，可知參考溫度T0為-84.7 ℃，參考溫度檢驗有效。因此可以得到，該X80管線鋼半自動焊環焊縫的主曲線公式為

圖4 為斷裂韌性測試結果、失效概率為95%與5%的上下邊界曲線和主曲線的繪制圖。通過圖4可以看出，大部分試驗數據都落在累計失效概率為5%和95%的曲線之間，表明主曲線法能夠較好地描述高鋼級管道環焊縫韌脆轉變區的韌性離散情況。

圖4 環焊縫主曲線圖

4 結束語

本研究針對高鋼級管線鋼管環焊縫韌性表征問題，分析對比了現有沖擊韌性與斷裂韌性轉化關系方法，確定不同方法的適用范圍和限制條件。通過試驗分析了主曲線方法在管線鋼管環焊縫韌性表征上的可行性。結果表明，主曲線法能夠較好地描述高鋼級管道環焊縫韌脆轉變區的韌性離散情況，高鋼級管道環焊縫可以采用基于主曲線的韌性表征方法。