X80管線鋼斷裂韌性測試方法探討

趙天嬈，張 華，李麗鋒，羅金恒，趙新偉

(1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077)

X80管線鋼斷裂韌性測試方法探討

趙天嬈1，張 華2，李麗鋒2，羅金恒2，趙新偉2

(1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077)

采用GB/T 21143—2007規(guī)定的鈍化線方法測試了X80管線鋼延性斷裂韌度JIC，并與采用微觀斷口裂紋伸張區(qū)方法確定的表觀啟裂韌性Ji對比。結(jié)果表明：GB/T 21143—2007規(guī)定的左邊界線判定條件存在數(shù)據(jù)有效性誤判情況，用鈍化線方法確定的X80管線鋼斷裂韌性值偏高，建議在X80管線鋼延性斷裂韌性測試時保留GB/T 21143—2007中的鈍化線形式，左邊界線由鈍化線偏置量0.1mm調(diào)整為0.03mm，鈍化線偏置量由0.2mm調(diào)整為0.035mm。

管線鋼；斷裂韌性；阻力曲線；伸張區(qū)寬度；鈍化線

0 前 言

近年來，隨著天然氣管道向著大直徑、高壓、大壁厚的方向發(fā)展，由于裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化，管道發(fā)生斷裂的風(fēng)險也在不斷提高，管材的斷裂控制就顯得至關(guān)重要。合適的管線鋼斷裂韌性表征在管道設(shè)計、安全評價中有著重要意義。J積分作為彈塑性斷裂力學(xué)參量被提出后，廣泛應(yīng)用于研究和解決工程實際問題[1-8]。在材料領(lǐng)域，關(guān)于J積分測試和表達(dá)方法取得了一些進(jìn)展，也頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，但在啟裂點的確定上，已有的標(biāo)準(zhǔn)還是存在一些差異。到目前為止，對延性金屬由鈍化到啟裂過程的認(rèn)識以及啟裂點的確定方法仍處于不斷完善之中[9-11]。筆者依據(jù)GB/T 21143—2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》，采用J積分測試方法測定X80管線鋼斷裂韌性，并與采用微觀斷口裂紋伸張區(qū)(SZW)方法確定的表觀啟裂韌性進(jìn)行了驗證對比，同時對基于鈍化線的X80管線鋼JIC確定方法提出了改進(jìn)建議。

1 斷裂韌性試驗

試驗材料為X80管線鋼，其常規(guī)力學(xué)性能見表1。試驗采用多試樣法，試樣為三點彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣，共7個，試樣尺寸如圖1所示。制樣時先在試樣長度中心劃線，在線切割機(jī)上用0.12mm的鉬絲沿寬度方向加工長為16mm，寬為0.12mm的機(jī)械缺口，然后預(yù)制疲勞裂紋。預(yù)制疲勞裂紋的加載載荷為正弦波形的循環(huán)應(yīng)力，初期的最大載荷Ffmax=20 kN，最小載荷Ffmin=2 kN；最后階段的Ffmax=17 kN，F(xiàn)fmin=1.7 kN，應(yīng)力循環(huán)的總周次11 000～16 000。預(yù)制疲勞裂紋長度4mm，使a/W 約為0.5。試驗依據(jù) GB/T 21143—2007在MTS810疲勞試驗機(jī)進(jìn)行，分別對7個三點彎曲試樣按照預(yù)先設(shè)定的各不相同的裂紋擴(kuò)展量進(jìn)行加載。

表1 試驗用X80管線鋼的常規(guī)力學(xué)性能

圖1 三點彎曲試樣示意圖

1.1 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)GB/T 21143—2007規(guī)定的J積分值計算公式(1)，分別計算7個X80管線鋼三點彎曲試樣的不同裂紋擴(kuò)展量對應(yīng)的J積分值，其中塑性變形功UP根據(jù)各試樣的施力點位移曲線計算，結(jié)果見表2。

式中：F—試驗力；

S—三點彎曲加載裝置兩支撐輥之間跨距，S=4W±0.2W；

BN—開側(cè)槽試樣兩側(cè)槽之間的凈厚度，對無側(cè)槽試樣BN=B；

v—泊松比；

E—彈性模量；

Up—塑性變形功；

Δa—裂紋擴(kuò)展量。

有效的數(shù)據(jù)點是正確擬合R阻力曲線的前提。根據(jù)GB/T 21143—2007規(guī)定的上、左、右界限及數(shù)據(jù)間距有效性判定后，只有6＃試樣的數(shù)據(jù)點在左界限以外。即根據(jù)這一判定，6＃試樣的數(shù)據(jù)點是無效的。

表2 X80管線鋼三點彎曲試驗數(shù)據(jù)

1.2 伸張區(qū)方法確定Ji

韌性金屬的裂紋在開裂之前會先產(chǎn)生鈍化，在掃描電鏡下觀察斷口所顯示的裂紋擴(kuò)展量Δa，不但包括裂紋的真實擴(kuò)張量，也包括裂紋鈍化形成的伸張區(qū)(SZW)。當(dāng)伸張區(qū)寬度達(dá)到飽和時，裂紋啟裂，這時的伸張區(qū)寬度也稱為鈍化區(qū)。因此，用飽和伸張區(qū)寬度確定的表觀啟裂韌性被認(rèn)為最接近材料的真實斷裂韌性[12-13]。

對加載后的試樣進(jìn)行二次疲勞后壓斷，斷面如圖2所示，分為初始裂紋區(qū)(線切割+疲勞裂紋區(qū))、伸張區(qū)(SZW)、延性穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)(DZW)和壓斷區(qū)。裂紋擴(kuò)展量Δa=aSZW+aDZW。采用掃描電鏡放大試樣斷口測量伸張區(qū)寬度，結(jié)果見表3。根據(jù)GB/T 21143—2007，裂紋擴(kuò)展量 Δa＜aSZW+0.2mm的數(shù)據(jù)點不能用于飽和伸張區(qū)寬度ΔaSZW的計算。6＃試樣的數(shù)據(jù)不符合上述要求，如圖3所示，在計算飽和伸張區(qū)寬度ΔaSZW計算時去掉該點。用剩余數(shù)據(jù)點計算平均有效飽和伸張區(qū)寬度結(jié)果ΔaSZW=0.134mm。

圖2 1#試樣伸張區(qū)微觀形貌 200×

表3 斷裂伸張區(qū)寬度測量數(shù)據(jù)

圖3 6#試樣伸張區(qū)微觀形貌 200×

根據(jù)國標(biāo)左、右、上界限及數(shù)據(jù)間距有效性判定和裂紋擴(kuò)展量Δa＜aSZW+0.2mm的數(shù)據(jù)點不能用于飽和伸張區(qū)寬度ΔaSZW的計算的規(guī)定都將6#試樣數(shù)據(jù)點排除，從表面上看，GB/T 21143—2007的有效條件嚴(yán)密合理。但是6#試樣的裂紋擴(kuò)展量 Δa=0.19mm，而用符合 GB/T 21143—2007規(guī)定的測量數(shù)據(jù)計算出的飽和伸張區(qū)寬度ΔaSZW=0.134mm小于0.19mm，從這個意義上講裂紋擴(kuò)展量0.19mm也發(fā)生了啟裂，并擴(kuò)展了0.056mm，即存在誤判情況。

因此，6#試樣的裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)應(yīng)判定為有效，重新計算飽和伸張區(qū)寬度ΔaSZW=0.127mm。用所有的數(shù)據(jù)點擬合R阻力曲線，曲線公式見式(2)。如圖4所示，在阻力曲線坐標(biāo)系中平行于縱坐標(biāo)軸通過平均飽和伸張區(qū)寬度的平均值作一條直線，與R曲線的交點所對應(yīng)的J值Ji=226.981 kJ/m2，經(jīng)計算驗證Ji符合GB/T 21143—2007的有效性要求。所以，X80管線鋼表觀啟裂韌性Ji=226.981 kJ/m2。

圖4 X80管線鋼表觀啟裂韌性確定

1.3 鈍化線偏置確定JIC

用飽和伸張區(qū)寬度確定的表觀啟裂韌性雖真實可信，但需多次測量每個斷口顯微照片的裂紋長度，方法相對繁瑣[5]。GB/T 21143—2007規(guī)定鈍化線向右偏置0.2mm與R阻力曲線的交點對應(yīng)的J0.2BL(B)值，在符合有效性驗證條件和非尺寸敏感性判據(jù)時，記為J0.2BL即材料的斷裂韌度JIC。但需注意的是，GB/T 21143—2007中判斷J0.2BL(B)為J0.2BL的非尺寸敏感性判據(jù)不合理，應(yīng)將“等號”修改為“小于等于”[11]。經(jīng)驗證符合有效性條件和非尺寸敏感性條件，依照GB/T 21143—2007確定的X80管線鋼延性斷裂韌性 J0.2BL,即 JIC為418.450 kJ/m2，如圖5所示。

圖5 鈍化線偏置確定JIC

2 分析討論及改進(jìn)建議

用鈍化線確定斷裂韌性時有三個關(guān)鍵因素，即R阻力曲線、鈍化線和鈍化線偏置量。在R阻力曲線已確定和符合有效性條件的前提下，鈍化線的斜率和鈍化線偏置量成為影響JIC確定的關(guān)鍵因素。

不同標(biāo)準(zhǔn)中的鈍化線形式見表4。鈍化線實際上是一種形式上的線，其斜率在一定范圍內(nèi)變化，取決于材料的強度、塑性和形變強化能力，因此不能用一條特定的鈍化線表達(dá)所有材料的鈍化行為。也就是說，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鈍化線方程并不一定能準(zhǔn)確地描述不同材料的鈍化行為。GB/T 21143—2007規(guī)定，鈍化線的斜率為材料抗拉強度的3.75倍，相比舊版標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2038—1980和GB/T 2038—1991中的鈍化線斜率做了大幅調(diào)整，在偏置量均為0.2mm的情況下，GB/T 21143—2007結(jié)果最接近真實值，但仍遠(yuǎn)大于Ji，如圖6所示。因此，建議在依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21143—2007測試X80管線鋼斷裂韌性時，保留GB/T 21143—2007中的鈍化線形式J=3.75RmΔa。

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)中的鈍化線形式

圖6 不同鈍化線形式確定的X80管線鋼斷裂韌性對比

在GB/T 21143—2007未發(fā)布前，有文獻(xiàn)反映舊版標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2038—1991中的鈍化線斜率過低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)有效性條件過于苛刻，建議仍采取GB/T 2038—1980規(guī)定的鈍化線及左邊界線[14-16]。對于 GB/T 2038—1980，GB/T 2038—1991以及GB/T 21143—2007規(guī)定的左邊界線偏置量分別為0.03mm，0.15mm和0.1mm。采用GB/T 21143—2007鈍化線形式，對比三種偏置量情況下的左邊界線，偏置量為0.15mm和0.1mm時均判定6＃試樣的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)點，偏置量為0.03mm時，均為有效數(shù)據(jù)，這與前面分析的結(jié)論一致，同時偏置量為0.03mm的左邊界線與R阻力曲線的交點對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展量為0.121mm，小于飽和伸張區(qū)0.127mm，如圖7所示。為保守起見，建議測試X80管線鋼斷裂韌性時左邊界線采取GB/T 2038—1980中的左邊界線偏置量，即將左邊界線調(diào)整為鈍化線向右偏移0.03mm。

圖7 不同偏置量的左邊界線對比

用GB/T 21143—2007確定的X80管線鋼延性斷裂韌度J0.2BL與表觀啟裂韌性Ji=226.981 kJ/m2相差較大，基于GB/T 21143—2007測定的X80管線鋼斷裂韌性值偏高，主要原因是確定J0.2BL的鈍化線偏置量為0.2mm，與R阻力曲線交點處對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展量Δa為0.374mm，與飽和伸張區(qū)寬度0.127mm相比，已啟裂并發(fā)生一定的裂紋擴(kuò)展量，因此J0.2BL大于真實的JIC。另外，過(aSZW，Ji)做鈍化線的平行線，確定相比鈍化線的偏置量為0.035mm，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中確定J0.2BL的鈍化線偏置量0.2mm。因此，建議將鈍化線偏置量0.2mm調(diào)整為0.035mm。

3 結(jié) 語

通過試樣斷口分析和裂紋伸張區(qū)寬度方法確定的X80管線鋼斷裂韌性JIC與依據(jù)GB/T 21143—2007測得JIC存在較大差異。斷口分析表明在采用GB/T 21143—2007確定的JIC值處，裂紋已經(jīng)有了一定的穩(wěn)定擴(kuò)展，同時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定左邊界線判定為無效的數(shù)據(jù)點實際已啟裂并有一定的裂紋擴(kuò)展量。GB/T 21143—2007中JIC值是由鈍化線偏置0.2mm與R阻力曲線交點來確定，而鈍化線方法不能準(zhǔn)確測量X80管線鋼斷裂韌性JIC。建議在X80管線鋼斷裂韌性JIC測試時，左邊界線由鈍化線偏置量0.1mm調(diào)整為0.03mm，鈍化線偏置量由0.2mm調(diào)整為0.035mm。調(diào)整后與R阻力曲線交點對應(yīng)的J值與伸張區(qū)方法確定的Ji對應(yīng)，且裂紋擴(kuò)展量與裂紋飽和伸張區(qū)寬度相吻合。

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Discussion on Test Method of X80 Pipeline Steel Fracture Toughness

ZHAO Tianrao1,ZHANG Hua2,LI Lifeng2,LUO Jinheng2,ZHAO Xinwei2
(1.College of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

Adopting the blunting line method specified in GB/T 21143—2007 Specification to test the ductile fracture toughnessJICof X80 pipeline steel,and compared with macro fracture crackJidetermined by the micro fracture crack extension zone methods.The results showed that the left border line stipulated in GB/T 21143—2007 misjudged the data,the JICvalue of X80 pipeline steel determined by the blunting line method is much higher.It is suggested keep the blunting line form in GB/T 21143—2007 during the ductile fracture toughness test,adjust the left border line offset from 0.1mm to 0.03mm,and adjust the blunting line offset 0.2mm to 0.035mm.

pipeline steel;fracture toughness;resistance curve;stretching zone width;blunting line

TG113.25

A

1001-3938(2015)03-0011-05

趙天嬈(1989—)，女，西安石油大學(xué)材料與科學(xué)工程研究院材料工程專業(yè)碩士研究生。

2014-11-05

羅 剛