單試樣柔度法在管線鋼斷裂韌性測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用

姚登樽 ，范玉然 ，汪 鳳 ，張希悉

(1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)石油天然氣油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊065000)

單試樣柔度法在管線鋼斷裂韌性測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用

姚登樽1，2，范玉然1，2，汪 鳳1，2，張希悉1，2

(1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)石油天然氣油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊065000)

介紹了單試樣柔度法的基本原理，并系統(tǒng)對(duì)比分析了該方法在不同斷裂韌性測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用情況。單試樣柔度法是利用彈性柔度技術(shù)通過1個(gè)試樣得到斷裂韌性阻力曲線上多個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)方法。單試樣柔度法理論基礎(chǔ)強(qiáng)，計(jì)算過程復(fù)雜，涉及到測(cè)試柔度校正、裂紋擴(kuò)展尺寸計(jì)算、斷裂韌性公式推導(dǎo)等內(nèi)容。健全和完善單試樣柔度技術(shù)，有利于推動(dòng)各種斷裂韌性測(cè)試方法的發(fā)展，有利于更加便捷、準(zhǔn)確的獲得管線鋼及環(huán)焊縫的斷裂韌性值，對(duì)管線鋼焊接技術(shù)的發(fā)展和環(huán)焊縫性能評(píng)估具有重要意義。

柔度法；斷裂韌性；管線鋼；單邊缺口拉伸試驗(yàn)；寬板拉伸試驗(yàn)

0 前言

隨著世界范圍內(nèi)對(duì)石油、天然氣輸送壓力要求的不斷提高，管線鋼也向著更高強(qiáng)度的方向發(fā)展，管道及環(huán)焊縫的受力情況也日趨苛刻。管道中存在有缺陷的，容易引起裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，易導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。正確評(píng)估焊縫中的各種缺陷，能夠確保管道運(yùn)行的安全性，從而有效降低焊縫返修率，降低施工成本[1-3]。而各種缺陷評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)是準(zhǔn)確測(cè)試和評(píng)價(jià)管線鋼及環(huán)焊縫的斷裂韌性。

斷裂韌性是指材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，是材料安全評(píng)估和缺陷評(píng)定的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)。當(dāng)裂紋尺寸一定時(shí)，材料的斷裂韌性值愈大，其裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力就愈大；當(dāng)給定外力時(shí)，若材料的斷裂韌性值愈高，其裂紋達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的臨界尺寸就愈大。衡量材料斷裂韌性的指標(biāo)參數(shù)有線彈性條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子KC和彈塑性條件下的COD和J積分。

管線鋼斷裂韌性測(cè)試技術(shù)是隨著斷裂力學(xué)進(jìn)步逐步發(fā)展起來的。斷裂韌性測(cè)試方法有很多種，而且各國(guó)都有不同的標(biāo)準(zhǔn)，目前用于管線鋼斷裂韌性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)包括：ASTM E1820，BS 7448，ISO 12135以及GB/T 21143。隨著人們對(duì)管線鋼斷裂韌性測(cè)試技術(shù)的深入研究，斷裂韌性測(cè)試技術(shù)不斷完善和發(fā)展，測(cè)試方法不斷豐富，同時(shí)由于單試樣柔度法在斷裂韌性測(cè)試方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也被越來越多應(yīng)用在管線鋼斷裂韌性測(cè)試方法中。

筆者回顧了管線鋼斷裂韌性測(cè)試技術(shù)的發(fā)展歷程，介紹了單試樣柔度法原理及其在各種測(cè)試技中的應(yīng)用情況，進(jìn)而完善國(guó)內(nèi)管線鋼斷裂韌性測(cè)試技術(shù)，并推動(dòng)單試樣柔度法在管線鋼斷裂韌性測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 管線鋼斷裂韌性測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀

斷裂韌性測(cè)試方法有很多種，目前用于測(cè)試管線鋼及環(huán)焊縫斷裂韌性的方法有三點(diǎn)彎曲法(SENB)、緊湊試樣法(CT)、單邊缺口拉伸法(SENT)、寬板拉伸試驗(yàn)法(CWP)和全尺寸試驗(yàn)法(FS)。

SENB和CT試驗(yàn)法是最早用于管線鋼及環(huán)焊縫斷裂韌性測(cè)試的方法，也是應(yīng)用最為成熟的技術(shù)，有完整系統(tǒng)的斷裂韌性測(cè)試和數(shù)據(jù)處理流程。但研究發(fā)現(xiàn)，SENB和CT試樣裂紋尖端約束較高，與管道實(shí)際工況不相符，應(yīng)用于管線鋼斷裂韌性評(píng)估時(shí)存在很大局限性，極大地低估了管材和焊縫的斷裂韌性水平，造成了資源嚴(yán)重浪費(fèi)[4-5]。隨著技術(shù)發(fā)展，新的管線鋼斷裂韌性測(cè)試技術(shù)不斷被提出。

研究表明，SENT和CWP試驗(yàn)方法裂紋尖端約束水平更接近于真實(shí)管道服役情況[6-7]，能夠更加準(zhǔn)確的反應(yīng)管道的真實(shí)斷裂韌性水平。因而，SENT和CWP越來越多的用于管線鋼及環(huán)焊縫的斷裂韌性測(cè)試中。圖1是不同斷裂韌性測(cè)試方法測(cè)試試樣裂紋尖端拘束度水平對(duì)比情況，圖2是不同測(cè)試方法的斷裂韌性測(cè)試結(jié)果對(duì)比情況[6]。從圖1可以明顯看出，CT試驗(yàn)法的裂紋尖端約束水平最高，SENB試驗(yàn)法其次，SENT和CWP方法的情況與真實(shí)管道情況最為接近。通過對(duì)比可以看到的SENT和CWP方法得到的斷裂韌性值更能夠反應(yīng)真實(shí)的管道情況，但SENT和CWP方法作為新的管線鋼斷裂韌性測(cè)試技術(shù)，發(fā)展尚不成熟，體系尚不健全，仍有許多方面需要完善。

圖1 不同測(cè)試方法測(cè)試試樣裂紋尖端拘束度水平對(duì)比情況

圖2 不同方法的斷裂韌性測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2 單試樣柔度法

單試樣柔度法是利用彈性柔度技術(shù)通過1個(gè)試樣的試驗(yàn)得到試樣阻力曲線上多個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)方法。由于該方法試驗(yàn)過程中僅需要1個(gè)試樣，大大節(jié)省了試驗(yàn)成本、試驗(yàn)周期和試驗(yàn)偏差，具有多試樣法無可比擬的優(yōu)越性，因而被廣泛應(yīng)用于各種斷裂韌性測(cè)試技術(shù)中[7]。

單試樣柔度法借助卸載柔度技術(shù)，試驗(yàn)過程中在特定的時(shí)間間隔進(jìn)行試樣部分卸載后再加載操作。通過分析卸載/加載彈性柔度，計(jì)算曲線斜率，用于估算卸載時(shí)的裂紋長(zhǎng)度[8]。

彈性柔度 Ci由式(1)計(jì)算出來[8]，

式中：Δq-位移變化量；

ΔF-載荷變化量。

裂紋長(zhǎng)度 ai由式(2)確定[8]，

式中：W-試樣寬度。

不同測(cè)試方法其裂紋長(zhǎng)度ai的計(jì)算公式不同，需要通過大量的理論和試驗(yàn)研究來確定，因而也成為單試樣柔度法在各種測(cè)試方法中應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

利用計(jì)算得到的ai可以計(jì)算試樣J積分值，計(jì)算公式見式(3)。對(duì)計(jì)算得到的不同裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的J積分值進(jìn)行匯總，可以繪制出試樣的裂紋擴(kuò)展阻力曲線。

式中：J-J積分；

Jel-J積分的彈性分量；

Jpl-J積分的塑性分量；

K-應(yīng)力強(qiáng)度因子；

ν-材料泊松比；

E-材料的彈性模量；

η-J積分中載荷/塑性CMOD曲線中的因子；

bi-裂紋擴(kuò)展后剩余試樣厚度；

BN-試樣兩側(cè)凈厚度；

γ-J積分評(píng)估中裂紋擴(kuò)展因子；

Apl-力和施力點(diǎn)位移曲線下面積塑性分量。

3 單試樣柔度法的應(yīng)用

3.1 在CT法中的應(yīng)用

在CT試驗(yàn)法中，緊湊拉伸試樣通過施力點(diǎn)位移計(jì)算的裂紋尺寸公式為[8]

塑性旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)卸載柔度產(chǎn)生顯著影響，尤其是深層裂縫試樣。韌帶的塑性形變對(duì)幾何結(jié)構(gòu)造成影響，導(dǎo)致裂紋口不沿載荷線擴(kuò)展，CMOD柔度也因此降低，縮頸將導(dǎo)致韌帶尺寸變小。試驗(yàn)過程中，CT試樣往往會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對(duì)測(cè)得的柔度產(chǎn)生影響，計(jì)算時(shí)需對(duì)測(cè)量的施力點(diǎn)柔度需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)修正，修正公式可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

根據(jù)以上裂紋擴(kuò)展計(jì)算公式，可進(jìn)一步計(jì)算臺(tái)階型緊湊拉伸試樣(CT)J積分值，其計(jì)算公式為[8]

式中：F-施加力；

ηp=2+0.522(1-a0/W)；

Δa―裂紋擴(kuò)展量。

對(duì)于直通形缺口，緊湊拉伸試樣不能直接測(cè)量加載線位移量q，可以通過缺口張開位移計(jì)算得到；如果能證實(shí)計(jì)算得到的q與直接測(cè)量的q相差在1％以內(nèi)，J可按臺(tái)階型計(jì)算公式計(jì)算。

3.2 在SENB法中的應(yīng)用

在SENB試驗(yàn)法中，通過試樣表面張開缺口位移計(jì)算的裂紋尺寸公式為[8]

通過施力點(diǎn)位移計(jì)算的裂紋尺寸公式為[8]

g5(a0/W)為彎曲試驗(yàn)力與施力點(diǎn)位移關(guān)系式的彈性柔度因子。

根據(jù)以上裂紋擴(kuò)展計(jì)算公式，可進(jìn)一步計(jì)算三點(diǎn)彎曲試樣的J積分值，其計(jì)算公式為[8]

式中：S―三點(diǎn)彎試樣跨距；

ν―彈性模量。

3.3 在SENT法中的應(yīng)用

SENT方法是近幾年興起的一種斷裂韌性測(cè)試方法。國(guó)際研究組織CANMET等對(duì)SENT方法中裂紋尖端約束度、試樣長(zhǎng)寬比、加載/卸載柔度計(jì)算、裂紋擴(kuò)展計(jì)算公式、斷裂韌性計(jì)算公式進(jìn)行了大量研究[9]。目前，PRCI組織通過總結(jié)國(guó)際研究成果已經(jīng)出版了一項(xiàng)SENT試驗(yàn)規(guī)范,可供參考。

SENT試驗(yàn)法中，通過試樣表面張開缺口位移計(jì)算的裂紋尺寸公式為[9]

SENT試驗(yàn)中同樣需要考慮試樣旋轉(zhuǎn)造成的影響，需要對(duì)測(cè)得的柔度進(jìn)行校正，校正公式為[9]

式中：Cicorr―校正柔度值;

根據(jù)以上裂紋擴(kuò)展計(jì)算公式，SENT方法中J積分的計(jì)算公式為[9]

式中：

tj,φ, ψj為系數(shù)。

3.4 在CWP法中的應(yīng)用

寬板拉伸試驗(yàn)用于焊接缺陷的評(píng)估已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的歷史，直到最近20年，寬板拉伸試驗(yàn)得到了管線鋼斷裂韌性研究領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可。與小尺寸試樣相比，寬板拉伸試驗(yàn)允許的測(cè)試材料尺寸更大，能夠在更加接近實(shí)際工況的情況下反映出工程中存在的問題，如材質(zhì)不均勻性、焊接殘余應(yīng)力和板厚等對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響[10]。由于寬板拉伸試驗(yàn)的獨(dú)特性，每次試驗(yàn)所需的時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用高，因此單試樣柔度法在寬板拉伸試驗(yàn)方法中得到了大量的應(yīng)用。Wang等人對(duì)寬板拉伸試驗(yàn)方法中的柔度法進(jìn)行了大量研究，并提出了通過試樣表面張開缺口位移計(jì)算裂紋擴(kuò)展尺寸公式及J積分計(jì)算公式，但這些結(jié)果尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，研究中也未考慮試樣旋轉(zhuǎn)造成的影響，其結(jié)果僅供參考[11]。

CWP試驗(yàn)法中，通過試樣表面張開缺口位移計(jì)算的裂紋尺寸公式為[11]

式中：A1=1.61×10-4×(2c)2-2.19×10-2×2c＋0.678；

A2=-2.12×10-4×(2c)2＋2.80×10-2×2c＋0.945 。

根據(jù)以上裂紋擴(kuò)展計(jì)算公式，CWP方法中J積分的計(jì)算公式為[11]

式中：M和φ為系數(shù)。

4 結(jié) 語

單試樣柔度法作為管線鋼斷裂韌性測(cè)試技術(shù)中的一項(xiàng)重要方法，具有試驗(yàn)量小、效率高、費(fèi)用低等特點(diǎn)，隨著SENT和CWP方法越來越多的應(yīng)用于管線鋼及環(huán)焊縫斷裂韌性測(cè)試，單試樣柔度法也越來越被重用。單試樣柔度法是一項(xiàng)理論基礎(chǔ)較強(qiáng)的計(jì)算方法，涉及到測(cè)試柔度校正、裂紋擴(kuò)展尺寸計(jì)算、斷裂韌性公式推導(dǎo)等內(nèi)容，每次試驗(yàn)過程需要進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)，該方法特別適用于管線鋼及環(huán)焊縫斷裂韌性阻力曲線的繪制。研究和完善現(xiàn)有各種管線鋼斷裂韌性測(cè)試方法中單試樣柔度技術(shù)對(duì)于推廣SENT和CWP等新試驗(yàn)手段，準(zhǔn)確測(cè)試實(shí)際情況下的管線鋼及環(huán)焊縫斷裂韌性值具有重要意義。

[1]GB 2358-1994，裂紋張開位移試驗(yàn)方法[S].

[2]羅金恒，趙新偉.X80管線鋼斷裂韌性研究[J].壓力容器，2007，24(08)：6-9.

[3]張華，趙新偉.X80管線鋼斷裂韌性及失效評(píng)估圖研究[J].壓力容器，2009，26(12)：1-4.

[4] PARK D Y，TYSON W R，GIANETTOJ A，et al.Small scale low constraint fracture tough-ness test discussion and analysis，PHMSA Report 277-T-07[R].[s.l.]:U.S.Department of Transportation Pipeline and Hazardous MaterialsSafetyAdministration，2011.

[5] SHEN G，GIANETTOJ A，TYSON W R.Development of procedure for low-constraint toughness testing using a single-specimen technique，PHMSA Report 277-T-03[R].[s.l.]:U.S.Department of Transportation Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration，2011.

[6] WANG Y，HONG G.Curved wide plate test results and transferability of test specimens，PHMSA Report 277-T-11[R].[s.l.]：U.S.Department of Transportation Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration,2012.

[7]金蕾.基于數(shù)值分析的金屬材料斷裂力學(xué)柔度測(cè)試方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[8]GB/T21146,金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法[S].

[9] SHEN G，GIANETTOJ A，TYSON W R.Development of procedure for low-constraint toughness testing using a single-specimen technique，PHMSA report 277-T-03[R].[s.l.]：U.S.Department of Transportation Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration,2011.

[10]薛河,史耀武.強(qiáng)度組配對(duì)焊接寬板拉伸試驗(yàn)影響的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,1998,10(09)：22-26.

Application of Single Specimen Compliance Method in the Field of Pipeline Steel Fracture Toughness Test

YAO Dengzun1,2,FAN Yuran1,2,WANG Feng1,2,ZHANG Xixi1,2

(1.Pipeline Research Institute of CNPC,Langfang 065000,Hebei,China;2.National Engineering Laboratory for Pipeline Safety,Langfang 065000,Hebei,China)

It introduced the basic principle of the single sample compliance method in this article.Furthermore,the application of this method in different fracture toughness test was systematically contrasted and analyzed.The single sample compliance method used elastic compliance technology to obtain different data points in fracture toughness resistance curve by one test sample.This method is with strong theoretical foundation,the calculation process is complex,involves test compliance correction,crack propagation size calculation and fracture toughness formula derivation,etc.To improve and perfect the single sample compliance method is beneficial to promote the development of all kinds of fracture toughness test method,is conducive to conveniently and accurately obtain the fracture toughness value of pipeline steel and circumferential weld,which is with great significance for pipeline steel welding technology development and circumferential weld performance evaluation.

compliance method；fracture toughness；pipeline steel；unilateral notch tensile test；wide plate tensile test

TE973.6

B

1001-3938(2015)01-0028-05

姚登樽(1982—)，男，博士，工程師，主要從事長(zhǎng)輸管道與儲(chǔ)罐工程用材料、管件、焊接工藝研究以及材料失效分析與預(yù)防控制等工作。

2014-08-07

李紅麗

蘭鄭長(zhǎng)管道年輸量突破500萬t

截至2014年12月31日，蘭鄭長(zhǎng)管道全年累計(jì)輸油總量達(dá)到516.3萬t，首次突破500萬t，較上年年輸量254萬t翻一番，創(chuàng)2009年管道投產(chǎn)以來年輸量之最。

蘭鄭長(zhǎng)成品油管道是目前國(guó)內(nèi)輸送成品油距離最長(zhǎng)的管道，承載著國(guó)家“西油東送”的重要戰(zhàn)略任務(wù)。蘭鄭長(zhǎng)成品油管道起自甘肅省蘭州，途經(jīng)甘肅、陜西、河南、湖北和湖南5省67個(gè)市縣，止于湖南省長(zhǎng)沙市。管道支干線總長(zhǎng)3 214km，全線共劃分為22個(gè)施工標(biāo)段，干線管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力從6.3～14MPa，管徑從508～660mm；支線管道設(shè)計(jì)壓力和管徑與干線相比較小；管道全線選用3PE防腐，采用強(qiáng)電流保護(hù)為主、犧牲陽極保護(hù)為輔的陰極保護(hù)方案；管道需穿越大中型河流70條，穿越鐵路74次、高等級(jí)公路234次，隧道穿越15條；管道途經(jīng)黃土高原、黃土丘陵區(qū)、六盤山、水網(wǎng)沼澤等復(fù)雜地形，多處還需經(jīng)過自然保護(hù)區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、礦區(qū)等難點(diǎn)地段；管道沿線共設(shè)各類站場(chǎng)17座、閥室96座；通信光纜與輸油管道同溝敷設(shè)，采用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

2014年，蘭鄭長(zhǎng)管道沿線各站加大巡檢力度，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作，設(shè)備故障率明顯下降。各站完善風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別制度，加強(qiáng)隱患排查和整改，控制輸差損耗，為管道增輸上量、安全平穩(wěn)生產(chǎn)提供了有力保障。

(李 超 摘自冶金信息網(wǎng))