X70/X80管線鋼厚板低溫CTOD韌性研究

劉文月，任 毅，高 紅，王 爽，張 帥

（鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧 鞍山114009）

1 概 述

隨著油氣管道長距離、大直徑、高壓輸送技術(shù)的發(fā)展，工程應(yīng)用對管線鋼的強度、韌性和焊接性等綜合性能提出了越來越高的要求[1-3]。X70管線鋼現(xiàn)已成為輸氣管道的主流鋼級，高性能X80管線鋼也進入了規(guī)?；膽?yīng)用階段，西氣東輸一線及二線工程引發(fā)了國內(nèi)高鋼級管線鋼的研發(fā)熱潮[4-5]。目前，X80高性能管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)日益成熟，為保證管線的運營安全，特別是在寒冷地區(qū)管線用鋼的低溫韌性至關(guān)重要。采用TMCP（熱機械軋制工藝）生產(chǎn)的管線用鋼可同時具備較高的強度和良好的低溫韌性。對于管道材料低溫韌性的檢測與評價手段，主要是夏比沖擊試驗（CVN）、落錘撕裂試驗（DWTT）和裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗3種[6-10]。CVN常作為質(zhì)量控制和檢驗手段，DWTT多用于評定材料的止裂性能，而CTOD試驗常用于評定材料的抗開裂能力。

CTOD是指I型裂紋受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面所張開的相對位移[6,9]。CTOD值的大小，反映了裂紋尖端材料抵抗開裂的能力。在給定低溫條件下其值越大，表示裂紋尖端材料的抗開裂性能越好，即低溫韌性越好。CTOD試驗所確定的特征CTOD值可用來表征在給定溫度下，材料抵抗裂紋的起裂和早期擴展的阻力，用于評價新產(chǎn)品開發(fā)和研究中冶金因素及工藝因素對金屬材料斷裂韌性的影響，以及作為母材、焊接金屬和焊接熱影響區(qū)的制造質(zhì)量控制和驗收規(guī)范的依據(jù)[7]。本研究的主要內(nèi)容是確定在-20℃條件下，X70/X80管線用鋼厚規(guī)格平板的低溫韌性，用于評價其抵抗裂紋起裂的能力。

2 試驗方法

試驗用鋼的生產(chǎn)依據(jù)“西氣東輸用管線鋼技術(shù)條件”，采用TMCP工藝?；瘜W(xué)成分按API SPEC 5L要求設(shè)計（見表1），其最大碳當量為0.43%，主要力學(xué)性能見表2。

表1 X70/X80厚規(guī)格管線鋼化學(xué)成分 %

表2 X70/X80厚規(guī)格管線鋼力學(xué)性能

試樣的截取與制備依照GB/T 2358—1994[9]進行，同時參照了ISO 12135與ASTM E 1290等管線用鋼CTOD檢測規(guī)范。試樣為三點彎曲試樣SE（B），試樣形狀如圖1所示。詳細尺寸及試樣平行度、垂直度、表面光潔度及疲勞裂紋預(yù)制等依據(jù)GB/T 2358—1994進行，裂紋的擴展方向平行于軋制方向。由于同一種材料、不同厚度的試樣測得的CTOD值不盡相同，厚度越大，CTOD值越小。因此，為使CTOD值能準確反映鋼板的整體韌性，試樣厚度采用原始鋼板厚度，即X70板厚為21 mm，編號X70-21；X80板厚為22 mm與15 mm，編號分別為X80-22與X80-15。

圖1 三點彎曲SE（B）型CTOD試樣示意圖

試樣加工好后先平面磨削，再用線切割截取切口，然后用應(yīng)力比R=0.1的交變載荷在室溫條件下預(yù)制約3 mm的疲勞裂紋。CTOD試驗在低溫環(huán)境箱中進行，冷卻介質(zhì)為酒精加液氮，用低溫溫度計測量溫度，待試樣達到試驗溫度-20℃后等溫保存15 min，使試樣內(nèi)外溫度均勻一致，然后加載。試驗所用的加載速度為2 mm/min，在整個加載并記錄P－V曲線過程中，環(huán)境箱中的介質(zhì)溫度一直保持在-20℃。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果有效性檢驗

CTOD值δR與裂紋擴展量Δa之間的關(guān)系如圖2所示。根據(jù)GB/T 2358—1994要求，CTOD試驗有效性判斷應(yīng)當滿足如下條件：①試樣斷口上任意兩點裂紋擴展量Δa之間的差不得超過0.05W（W為試樣的寬度），否則為無效試樣；②有效試樣的裂紋擴展量Δa測量值在0.15 mm和1.5 mm之間至少應(yīng)有6個數(shù)據(jù)點，其中在0.15 mm與0.5 mm之間和1.0 mm與1.5 mm之間至少各應(yīng)有1個數(shù)據(jù)點；③當有效數(shù)據(jù)點數(shù)及分布不滿足條件②時，0.15 mm與0.5 mm之間的數(shù)據(jù)點應(yīng)至少有3個[9]。

圖2 CTOD試樣的δR－Δa關(guān)系

從圖2可以看出，本試驗中X80－15、X80－22與X70－21三個試樣最大裂紋擴展量分別為0.70 mm（0.023W）、1.53 mm（0.036W）與 1.58 mm（0.036W），滿足條件①的要求；X80－22與X70－21的數(shù)據(jù)點個數(shù)與分布符合條件②，X80－15符合條件③。因此，可確定本次試驗獲得的CTOD數(shù)據(jù)有效。

3.2 確定特征CTOD值

CTOD特征值有5個，分別為表觀起裂CTOD值δ0.05、條件起裂 CTOD值δi、脆性起裂CTOD值δc、脆性失穩(wěn)CTOD值δu與最大載荷CTOD值δm[7]。每次CTOD試驗中，并不是所有的CTOD特征值都能夠獲得[6,9]。本次試驗僅獲得了δ0.05、δi與δm。

要確定特征CTOD值，首先要計算δR－Δa最佳回歸曲線（δR曲線），即利用式（1）對δR－Δa 數(shù)據(jù)點進行回歸分析[9]，確定式中常數(shù) C1、C2和C3。

當C2=0時，式（1）轉(zhuǎn)化為冪指數(shù)形式，即

當C3=1時，式（1）轉(zhuǎn)化為線性形式，即

回歸分析利用Origin軟件中的Nonlinear Curve Fit功能實現(xiàn)，回歸結(jié)果如圖3所示。為了表征結(jié)果的好壞，選用統(tǒng)計相關(guān)因子R2作為判據(jù)，R2取值為0～1，其值越接近于1，表示回歸所得方程的計算值越接近于試驗值。式（1）對應(yīng)的R2取值均不低于0.91，可見計算值與試驗值間的線性相關(guān)度極其顯著?；貧w所確定的C1、C2和C3值， 以及相關(guān)因子R2、特征 CTOD值δ0.05、δi與δm見表3。從表3可以看出，特征CTOD值δ0.05與δi均小于δm，滿足國標對特征CTOD值的有效性判定條件。

圖3 試驗數(shù)據(jù)與式（1）回歸曲線的關(guān)系

表3 阻力曲線方程常數(shù)取值與特征CTOD值

從圖3可以看出3組試驗數(shù)據(jù)與δR曲線的吻合程度，厚度在20 mm以上的兩組試樣的置信度為 0.95，置信帶較窄（圖 3（a）與圖 3（b）），說明試驗對象性能同板差較小，所測得試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。相比較而言，X80－15阻力曲線的置信帶較寬（圖3（c）），數(shù)據(jù)分散性更大一些。此外，回歸曲線的形式與圖3（a）與圖3（b）不同，呈上凹而不是上凸。為了改善這一狀況，得到δR曲線的最優(yōu)表達形式，分別采用式（2）與式（3）分析試驗結(jié)果，如圖4所示。

圖4 X80-15試樣的試驗數(shù)據(jù)與式（2）、 式（3）的回歸曲線關(guān)系

圖 4給出了 X80－15試樣對應(yīng)式（2）與式（3）的回歸分析結(jié)果。從圖4可以看出，擬合曲線的置信帶變得均勻且相對圖3（c）要窄一些，而R2=0.916與式（1）的0.917沒有顯著區(qū)別，所以選擇式（3）所代表的線性阻力方程作為X80－15的阻力曲線回歸方程。

回歸方程確定后，將相應(yīng)的裂紋擴展量值Δa帶入，所得的δR值即為所需的特征CTOD值。 X70－21、X80－22 與 X80－15 的 δ0.05與 δi分別為0.19 mm、0.44 mm，0.21 mm、0.44 mm與0.26 mm、0.41 mm。因為X80－15的測試結(jié)果不能滿足試驗數(shù)據(jù)有效性判定的第一條件，以第二條件作為有效性接受準則，所以其δi的確定不能采用回歸方程計算得到，而是采用裂紋擴展量為0.15～0.5 mm中最小的 CTOD值作為 δi的取值，即0.41 mm，本試驗中兩者取值相同。

可見，所測試的管線用鋼的CTOD特征值較大，δ0.05不低于0.19 mm，δi不低于0.41 mm，具有較好抗裂紋起裂的能力，低溫韌性良好。

3.3 特征CTOD值評價

本次試驗中，3種關(guān)系式所確定的條件起裂值相差很小，為0.01～0.04 mm；表觀起裂相差很大，為0.11～0.17 mm，其中極大值約為極小值的兩倍，而它們所對應(yīng)的R2并沒有明顯差異。這與回歸過程所用的數(shù)據(jù)分布范圍有關(guān)，裂紋擴展量R的分布范圍為0.076～1.576 mm，對δ0.05而言R=0.05 mm是通過外插法獲得的，不同擬合方程的計算值就有較大差異；δi的R=0.2 mm是內(nèi)插法獲得的，各方程間的差值就不明顯。利用差值法獲取數(shù)值是不推薦使用外插法的，其原因之一就是誤差難以保證，這與試驗結(jié)果的變動情況是一致的。

基于這種觀點，作者認為在回歸計算過程中，應(yīng)該優(yōu)先選用國標指定的式（1）來分析，在裂紋擴展量的數(shù)據(jù)分布上也應(yīng)該增加R≤0.05 mm的數(shù)據(jù)測量點。若試驗過程中無法實現(xiàn)，也應(yīng)該提供盡量與之接近的測量值，以降低外插法引入的較大誤差。另外，數(shù)據(jù)點的分布應(yīng)盡量均勻而廣泛，以正確反應(yīng)阻力曲線的變化趨勢。如本試驗中的X80－15試樣，在R＞1.0 mm范圍內(nèi)沒有數(shù)據(jù)點存在，在一定程度上影響了阻力曲線凹凸走向的精確判斷。

CTOD特征值有5個，每次CTOD試驗中，并不是所有的CTOD特征值都能夠獲得。除δm可以在所有溫度點得到外，其他4個特征值的測定需要特定的條件。δ0.05和δi需要比較高的溫度或比較小的試樣厚度，δc需要在低溫或大厚度的條件下測得，而δu需要在溫度比較低或試樣厚度中等的條件下能夠測得。鋼材的這4個CTOD特征值均隨著溫度的降低或厚度的增加而降低，表明鋼材的韌性隨著溫度的下降而減小。但是并不是所有的鋼材所對應(yīng)的測試條件是一致的，不同的鋼種有不同的韌脆轉(zhuǎn)變形式。韌脆轉(zhuǎn)變溫度低，即鋼的本質(zhì)韌性較好的鋼種，則需要更加嚴格的測試條件或更多的試驗量才能同時獲得所有CTOD 特征值[6－10]。

本次試驗中測得了除δm之外的2個CTOD特征值，從其取值可以看出，所研制的管線用鋼X70/X80厚規(guī)格鋼板具有良好的低溫抗裂紋起裂能力，管線鋼的CTOD值對母體材料而言一般要求為0.20 mm。因此，鞍鋼新開發(fā)的厚規(guī)格管線用鋼平板能較好地滿足油氣輸送管道用鋼的要求，可用于制備管線用管。

4 結(jié) 語

CTOD試驗在TMCP管線用鋼安全性評價工作中具有重要作用。研究結(jié)果表明，鞍鋼生產(chǎn)的管線用X70/X80鋼板具有良好的低溫韌性，能夠滿足制管要求。本研究給出了管線用厚鋼板CTOD認證試驗的思路、方法、實踐經(jīng)驗及改進意見。

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