X90管線鋼管示波沖擊試驗研究

藺衛(wèi)平，張庶鑫，解學(xué)東

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

X90管線鋼管示波沖擊試驗研究

藺衛(wèi)平，張庶鑫，解學(xué)東

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

對X90管線鋼管管體、焊縫和熱影響區(qū)在不同溫度下進(jìn)行示波沖擊試驗，并對曲線的特征值進(jìn)行分析。結(jié)果表明：X90管線鋼管管體示波沖擊曲線隨著試驗溫度的降低，由只產(chǎn)生穩(wěn)定裂紋擴展逐漸變?yōu)楫a(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋擴展，管體韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－90℃；焊縫示波沖擊曲線都產(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋擴展，隨著試驗溫度的降低，不穩(wěn)定裂紋擴展愈發(fā)明顯，焊縫韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－50℃；熱影響區(qū)示波沖擊曲線隨著試驗溫度的降低，由穩(wěn)定裂紋擴展逐漸變?yōu)椴环€(wěn)定裂紋擴展，熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－60℃。

焊管；X90管線鋼管；示波沖擊試驗；穩(wěn)定裂紋擴展；不穩(wěn)定裂紋擴展

油氣管道特別是天然氣管道發(fā)展的一個重要趨勢是采用高鋼級、大直徑管線輸送。但隨著石油天然氣管道運行壓力的增高，管道直徑不斷加大，發(fā)生管道延性斷裂的風(fēng)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方法，管道安全評價也常采用沖擊韌性和斷裂韌性的經(jīng)驗關(guān)系式換算得到材料斷裂韌性數(shù)據(jù)。但是，沖擊吸收功的大小并不能直接反映材料韌脆性能，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(jìn)行詳細(xì)描述[5-9]。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用φ1 219 mm×16.3 mm規(guī)格 X90直縫埋弧焊鋼管。鋼管母材的化學(xué)成分和拉伸性能（橫向板狀試樣）見表1和表2。

表1 試驗用X90鋼管母材的化學(xué)成分 %

表2 試驗用X90鋼管母材的拉伸性能

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(jù)ASTM E23-12c[10]進(jìn)行試驗。用MEF4M金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析。

2 試驗結(jié)果及分析討論

2.1 管體橫向

X90鋼管母材的微觀組織如圖1所示，由圖1可見，管體組織為粒狀貝氏體和彌散分布的MA島，晶粒度為11.6級。

圖1 X90鋼管母材的微觀組織

不同溫度下X90鋼管母材沖擊試樣的示波曲線如圖2所示。由圖2可見，當(dāng)溫度為20℃時，沖擊吸收能量增長較慢，隨著溫度的降低，能量－位移曲線的斜率增大，吸收能量增長變快。

隨著溫度的降低，最大力Fm逐漸增大，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(wěn)定裂紋擴展起始位移Siu和不穩(wěn)定裂紋擴展終止位移Sa逐漸變小，不穩(wěn)定裂紋擴展越來越明顯。

圖2 不同溫度下X90鋼管母材沖擊試樣的示波曲線

溫度20℃、位移為15 mm時，沖擊載荷還很高（12.78 kN），說明裂紋擴展過程中受到的阻礙較多；當(dāng)溫度為－80℃、位移為15 mm時，沖擊載荷已經(jīng)接近0。在－80℃時，試樣剛過最大力就發(fā)生不穩(wěn)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。

X90鋼管母材的韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖3所示。由圖3可見，X90鋼管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325 J，韌脆轉(zhuǎn)變曲線具有明顯的上平臺。以剪切斷面率達(dá)到50%來規(guī)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，X90管線鋼母材韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－90℃。

圖3 X90鋼管母材的韌脆轉(zhuǎn)變曲線

2.2 焊縫

X90鋼管焊縫的微觀組織如圖4所示。由圖4可見，焊縫組織為針狀鐵素體、粒狀貝氏體、多邊形鐵素體和珠光體。

圖4 X90鋼管焊縫的微觀組織

不同溫度下X90鋼管焊縫沖擊試樣的示波曲線如圖5所示。由圖5可見，隨著溫度的降低，能量－位移曲線的斜率增大，吸收能量增長變快。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－40℃達(dá)到最大值后再逐漸變小。所有曲線都有不穩(wěn)定裂紋擴展過程，隨著溫度的降低，不穩(wěn)定裂紋擴展起始位移Siu和不穩(wěn)定裂紋擴展終止位移Sa逐漸變小，不穩(wěn)定裂紋擴展愈發(fā)明顯。在20℃、位移為15 mm時，沖擊載荷為3.77 kN；在－60℃、位移為15 mm時，沖擊載荷已經(jīng)接近0。

圖5 不同溫度下X90鋼管焊縫沖擊試樣的示波曲線

X90鋼管焊縫的韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖6所示。由圖6可見，焊縫室溫沖擊吸收能量的平均值為234 J，韌脆轉(zhuǎn)變曲線具有明顯的上平臺。以剪切斷面率達(dá)到50%來規(guī)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，X90鋼管焊縫韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－50℃。

圖6 X90鋼管焊縫的韌脆轉(zhuǎn)變曲線

2.3 熱影響區(qū)

X90鋼管熱影響區(qū)的微觀組織如圖7所示。由圖7可見，熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織為粒狀貝氏體（圖7（a）），細(xì)晶區(qū)組織為多邊形鐵素體、MA島和珠光體（圖 7（b））。

不同溫度下X90鋼管熱影響區(qū)沖擊試樣的示波曲線如圖8所示。由圖8可見，隨著溫度的降低，吸收能量增長變快。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(dá)到最大值后再逐漸變小。不穩(wěn)定裂紋擴展起始位移Siu和不穩(wěn)定裂紋擴展終止位移Sa逐漸變小，不穩(wěn)定裂紋擴展越來越明顯。在20℃、位移為15 mm時，沖擊載荷為8.40 kN；在－60℃、位移為15 mm時，沖擊載荷已經(jīng)接近0。

圖7 X90鋼管熱影響區(qū)的微觀組織

圖8 不同溫度下X90鋼管熱影響區(qū)沖擊試樣的示波曲線

X90鋼管熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖9所示。由圖9可見，熱影響區(qū)室溫沖擊吸收能量的平均值為323 J，韌脆轉(zhuǎn)變曲線具有明顯的上平臺。以剪切斷面率達(dá)到50%來規(guī)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，X90鋼管熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－60℃。

圖9 X90鋼管熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變曲線

3 結(jié) 論

（1）X90鋼管管體示波沖擊曲線表明，隨著試驗溫度的降低，由只產(chǎn)生穩(wěn)定裂紋擴展逐漸變?yōu)楫a(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋擴展。管體韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－90℃。

（2）X90管線鋼管焊縫示波沖擊曲線都產(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋擴展。隨著試驗溫度降低，不穩(wěn)定裂紋擴展愈發(fā)明顯。焊縫韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－50℃。

（3）X90管線鋼管熱影響區(qū)示波沖擊曲線表明，隨著試驗溫度的降低，由穩(wěn)定裂紋擴展逐漸變?yōu)椴环€(wěn)定裂紋擴展。熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－60℃。

［1］李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應(yīng)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(jìn)展與發(fā)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(jié)果及分析[J].鋼管，2011，40（2）：25-28.

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

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［10］ASTM E23-12c，金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗方法[S].

Instrument Impact Experiment Study of X90 Line Pipe

LIN Weiping,ZHANG Shuxin,XIE Xuedong
（CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China）

The X90 line pipe,weld and HAZ were studied by instrumental impact experiment at different temperature,and the characteristic value of curve was analyzed.The result showed that as temperature decreases,the curve of X90 grade steel pipe changes gradually from only generating stable crack growth to unstable crack growth.The ductile-brittle transition temperature is about－90℃;The weld demonstrates unstable crack growth,with lower temperature,unstable crack growth is becoming increasing apparent.The ductile-brittle transition temperature is about－50℃.As temperature decreases,the curve of HAZ changes gradually from generating stable crack growth to unstable crack growth.The ductile-brittle transition temperature is about－60℃.

welded pipe;X90 line pipe;instrument impact experiment;stable crack growth;unstable crack growth

TG115.5

A

1001－3938（2015）12-0046-05

藺衛(wèi)平（1975—），女，碩士，高級工程師，主要從事金屬材料性能的測試與研究。

2015-07-30

修改稿收稿日期：2015-09-28

謝淑霞