落錘撕裂試驗與大能量擺錘沖擊試驗的對比與分析

藺衛(wèi)平，李 娜，王亞龍，梁明華，張 翔

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710065；2.國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，西安710065）

0 前 言

落錘撕裂試驗是測試管線鋼材料韌性的一種方法，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于抗脆性斷裂擴展性能的評價[1]。試驗?zāi)康闹饕墙嗫谛蚊才c溫度的關(guān)系，從而確定管線鋼材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，以保證管線在韌性溫度區(qū)內(nèi)工作，避免發(fā)生脆性斷裂事故。由于該試驗方法獲得的結(jié)果與管道實物爆破試驗結(jié)果相吻合，因此被廣泛應(yīng)用于管線鋼的韌性評價，并作為鋼管的質(zhì)量驗收指標(biāo)之一[2-5]。

落錘試樣可以通過落錘試驗完成斷裂，也可以通過大能量擺錘沖擊試驗完成[6-7]，通過對這兩種試驗結(jié)果的對比分析，研究了兩種試驗結(jié)果剪切面積的差異，以及剪切面積與吸收能量之間的關(guān)系。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用X70級φ762 mm×31.8 mm直縫埋弧焊管，鋼管母材的化學(xué)成分和拉伸性能分別見表1和表2。金相分析結(jié)果表明，母材的晶粒度為8.0級，其顯微組織如圖1所示。

表1 X70鋼管母材的化學(xué)成分 %

表2 X70鋼管母材的拉伸性能

圖1 X70鋼管母材的微觀組織

1.2 試驗方法

在距焊縫90°處橫向截取試樣，采用壓制缺口，壁厚分為原壁厚和減薄壁厚，減薄壁厚試樣為單側(cè)減薄。原壁厚試樣幾何尺寸為305 mm×76.2 mm×31.8 mm，減薄試樣的尺寸為305 mm×76.2 mm×19.0mm。試驗溫度分別為20℃，0℃，-10℃，-30℃，-50℃和-70℃，根據(jù)GB/T 8363-2007，減薄試樣的實際試驗溫度比規(guī)定試驗溫度低17℃。試樣自離開保溫裝置至打斷的時間不得超過10 s，試驗采用JL-50000落錘試驗機和HIT 50KP擺錘試驗機，HIT 50KP擺錘試驗機可以測出沖擊時的吸收能量。用MEF4M金相顯微鏡進行金相組織分析。

2 試驗結(jié)果及分析討論

2.1 落錘試驗與大能量擺錘試驗結(jié)果

用落錘試驗機和大能量擺錘試驗機分別對原壁厚和減薄試樣在規(guī)定溫度進行試驗，然后對試樣的斷口按照GB/T 8363-2007進行評判，每個溫度做兩個試樣，取其平均值。其結(jié)果如圖2所示。在試驗溫度為20℃時，原壁厚試樣未斷裂，數(shù)據(jù)無效，因此原壁厚試樣試驗溫度只有5個。

圖2 落錘試驗與大能量擺錘試驗結(jié)果

從圖2中可以看出，減薄試樣經(jīng)過落錘與擺錘試驗后，其剪切面積的結(jié)果基本一致。對原壁厚試樣而言，落錘試驗與擺錘試驗的結(jié)果稍有差別。這是因為當(dāng)試樣變厚時，在外力作用下，沿厚度方向的收縮和變形受到的約束會增加，沖擊時產(chǎn)生較大形變硬化。這就使試樣斷口的脆性區(qū)增加，剪切面積下降，且結(jié)果分散性增加。落錘試樣和擺錘試樣的斷口形貌如圖3和圖4所示。

圖3 減薄試樣0益時的斷口形貌

圖4 原壁厚試樣0益時的斷口形貌

2.2 力-位移曲線

試驗采用大能量擺錘沖擊試驗機，可以通過示波測量系統(tǒng)，采集試樣斷裂過程的數(shù)據(jù)，形成力-位移曲線，通過積分得出沖擊吸收能量。全壁厚試樣在0℃時的力-位移曲線如圖5所示。

圖5 全壁厚試樣在0益時的力-位移曲線

表3 大能量擺錘試樣剪切面積與吸收能量的結(jié)果

擺錘試樣的剪切面積與吸收能量結(jié)果見表3?？梢钥闯?，剪切面積與吸收能量之間存在一定的比例關(guān)系，剪切面積越大，吸收能量越大。當(dāng)剪切面積大于50%時，剪切面積與吸收能量之間的比例系數(shù)趨于穩(wěn)定。

2.3 試驗結(jié)果分析

對于沖擊試樣，GB/T 9711和API SPECIFICATION 5L都規(guī)定，小尺寸試樣的吸收功值應(yīng)為全尺寸試樣的值乘以小尺寸試樣寬度與全尺寸試樣寬度的比值。但對落錘試樣并沒有此規(guī)定。沖擊試樣都是標(biāo)準(zhǔn)試樣，寬度值只有規(guī)定的幾種。而落錘試樣的厚度沒有標(biāo)準(zhǔn)值，都是原壁厚，只有在試驗機能力達(dá)不到時才會減薄至19 mm，因此不容易形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

大能量擺錘試樣厚度比值與吸收能量比值見表4。從表4可以看出，吸收能量比值與厚度比值不一致，吸收能量的比值普遍偏高。

表4 大能量擺錘試樣厚度比值與吸收能量比值

3 結(jié)論

（1）落錘試驗與大能量擺錘沖擊試驗的試樣剪切面積結(jié)果基本一致；

（2）對大能量擺錘試樣，剪切面積與吸收能量之間存在一定的比例關(guān)系；

（3）對不同厚度的大能量擺錘試樣，其吸收能量的比值與厚度的比值不一致。

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