X80管線鋼不同試驗(yàn)溫度下沖擊性能研究

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(1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077; 2.派格石油工程技術(shù)有限公司 遼寧 大連 116033；3. 中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830000)

X80管線鋼不同試驗(yàn)溫度下沖擊性能研究

封輝1，楊天爽2，楊明3，尚臣3，李鶴1

(1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077; 2.派格石油工程技術(shù)有限公司 遼寧 大連 116033；3. 中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830000)

研究了X80管線鋼在不同試驗(yàn)溫度下的擺錘沖擊性能和夏比沖擊性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨試驗(yàn)溫度從10℃降低至-10℃，X80管線鋼夏比沖擊性能并無顯著降低，而擺錘沖擊性能下降明顯，且斷口出現(xiàn)脆性斷裂特征。分析認(rèn)為，試驗(yàn)溫度降低，增加了沖擊變形過程中位錯(cuò)滑移的難度，另一方面擺錘沖擊試樣為全壁厚試樣且錘頭沖擊速度相對于夏比沖擊試驗(yàn)顯著升高，這是擺錘沖擊試驗(yàn)在10℃和-10℃沖擊性能出現(xiàn)明顯差異的主要原因。

X80管線鋼；擺錘示波沖擊；夏比沖擊；斷口形貌

0 引 言

為確保天然氣供應(yīng)滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，高鋼級、大口徑、長距離輸送成為我國天然氣輸送管道技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，但這必須以管道材料的高強(qiáng)度、高韌性作為安全保障。目前，X80級別管線鋼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并在西氣東輸二線干線上得到應(yīng)用，其斷裂性能指標(biāo)及斷裂控制方案已有諸多文獻(xiàn)報(bào)道[1-4]。然而在即將開工建設(shè)的中俄東線天然氣管道工程[5, 6]中，采用了更大口徑的OD1 422 mm的X80管線鋼管，輸送能力更高，并且管線所處環(huán)境溫度更低，對管線鋼的斷裂性能提出了更高的要求。

夏比沖擊試驗(yàn)(Charpy impact V-notch test, CVN)和落錘撕裂試驗(yàn)(Drop weight tearing test, DWTT)是用于測定管線鋼韌性的主要試驗(yàn)方法，以及在常規(guī)夏比沖擊試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的夏比示波沖擊試驗(yàn)，研究人員據(jù)此進(jìn)行了大量管線鋼韌性測試試驗(yàn)。然而，傳統(tǒng)的CVN及DWTT測試方法僅給出沖擊吸收功值，而無法反映材料受外力條件下裂紋的萌生及擴(kuò)展過程；夏比示波沖擊試驗(yàn)雖然可以反映裂紋的萌生及擴(kuò)展過程，但其試樣韌帶寬度只有8 mm，遠(yuǎn)低于大口徑X80管線鋼管的實(shí)際壁厚，以致不能準(zhǔn)確反映整個(gè)壁厚范圍內(nèi)鋼管的斷裂性能。本研究采用大能量擺錘示波沖擊試驗(yàn)機(jī)對全壁厚的X80管線鋼管斷裂性能進(jìn)行了研究，深入研究X80管線鋼管斷裂行為，為保障油氣輸送管線安全運(yùn)營提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用壁厚為21.4 mm的OD1 422 mm X80螺旋埋弧焊管，其對應(yīng)尺寸規(guī)格及化學(xué)成分如表1所示。在鋼管上距焊縫180°位置截取加工棒狀拉伸試樣，試樣標(biāo)距50 mm，標(biāo)距段試樣直徑12.7 mm。拉伸試驗(yàn)在UTM5305試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)ASTM A370-2012進(jìn)行，拉伸速率為2 mm/min。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示

表1 X80鋼級試驗(yàn)用管線鋼規(guī)格及化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 試驗(yàn)用X80管線鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

本研究采用擺錘示波沖擊試驗(yàn)進(jìn)行研究。

采用Zwick公司HIT50KP大能量擺錘示波沖擊試驗(yàn)機(jī)，最大沖擊能力可達(dá)50 000 J，具備示波測試系統(tǒng)，能夠完成數(shù)據(jù)全過程實(shí)時(shí)采集，提供載荷—時(shí)間、位移—時(shí)間和載荷—位移曲線。

在鋼管上距焊縫180°位置截取加工落錘撕裂試樣，試樣長305 mm，寬76.2 mm，厚度為鋼管壁厚，試樣長度中心壓制缺口，缺口深度5 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織

X80螺旋埋弧焊管的顯微組織，如圖1所示，主要有粒狀貝氏體(GB)組成，含有少量多邊形鐵素體(QF)，表面和內(nèi)部組織形態(tài)略有差異，表面由于軋制過程中承受變形量更大，因而晶粒更細(xì)小，而內(nèi)部多邊形鐵素體較多。總體來看，該管線鋼在微合金化基礎(chǔ)上，通過采用加速冷卻技術(shù)抑制先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，使得管線鋼在整個(gè)壁厚尺寸范圍內(nèi)形成針狀鐵素體組織，從而獲得優(yōu)良的強(qiáng)韌性。

2.2 沖擊斷裂性能

本研究采用擺錘示波沖擊試驗(yàn)深入研究X80管線鋼斷裂過程中裂紋的形成及擴(kuò)展。試驗(yàn)材料在不同測試溫度下的示波沖擊(沖擊載荷/沖擊吸收能力-位移)曲線如圖2所示。示波沖擊曲線各物理量含義如圖中所示[7, 8]?？偽漳芰堪ǎ赫T發(fā)裂紋形成吸收能E1，韌性斷裂階段吸收能E2，脆性裂紋擴(kuò)展吸收能E3，脆性裂紋擴(kuò)展終止后的止裂能E4；沖擊載荷-位移曲線分為：最大載荷Pm，脆斷開始載荷Pf，脆斷終止載荷Pe，沖擊結(jié)束時(shí)位移d0。

圖1 試驗(yàn)用X80管線鋼微觀組織

從圖中可以看出，整個(gè)擺錘沖擊斷裂過程包含誘發(fā)裂紋形成、韌性斷裂和脆性斷裂等階段。其中10℃和-10℃測試條件下裂紋形成和韌性擴(kuò)展階段的吸收功(E1+E2)相差不大，但脆性斷裂階段的吸收功E3和脆性裂紋擴(kuò)展終止后的止裂能E4，10℃測試結(jié)果明顯高于-10℃。從沖擊載荷曲線來看，Pf-Pe段為脆性斷裂階段，該階段載荷-位移曲線的斜率k表征材料阻礙斷裂的能力。k的絕對值越小，表明試樣的脆性斷裂過程受到了較強(qiáng)的抑制，裂紋擴(kuò)展速率?。籯的絕對值越大，說明試樣脆性斷裂迅速擴(kuò)展，試樣對裂紋擴(kuò)展的阻力較小。本試驗(yàn)中，-10℃測試所得k值絕對值為27.8，遠(yuǎn)高于10℃測試所得k值3.9，如表3所示，由此可見，隨測試溫度降低，試驗(yàn)用X80管線鋼管止裂性能明顯下降。

從擺錘沖擊斷口來看，如圖3所示，10℃沖擊斷口主要為韌性斷裂，其斷裂方式為韌窩撕裂斷裂，并且在裂紋擴(kuò)展末端(圖片所示試樣上端)存在較大變形；而-10℃沖擊斷口則在試樣中上部出現(xiàn)了明顯的解理斷裂特征，即脆性斷裂，該脆性斷裂區(qū)域的出現(xiàn)與圖2(b)所示載荷-位移曲線中E3段特征剛好對應(yīng)，此外裂紋擴(kuò)展末端試樣變形程度也較小。以上特征也表明與10℃相比，-10℃測試所得X80管線鋼管止裂性能明顯較低。

圖2 不同測試溫度下X80管線鋼擺錘示波沖擊曲線

表3 不同測試溫度下X80管線鋼擺錘沖擊斷裂性能

圖3 X80管線鋼擺錘示波沖擊斷口形貌

3 討 論

1)試驗(yàn)溫度對沖擊斷裂性能影響

試驗(yàn)溫度對管線鋼材料沖擊斷裂性能的影響主要包含對裂紋形核和裂紋擴(kuò)展的影響。對于X80管線鋼，裂紋的形核位置一般位于夾雜物界面處、貝氏體板條束與M/A 島界面處及M/A 島內(nèi)部。在加載初期，非金屬夾雜與基體剛性相差較大且結(jié)合力較差時(shí)，容易在該處形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋在非金屬夾雜與基體截面處形成。此外，M/A 島作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，使得運(yùn)行的位錯(cuò)在相界處塞積，造成應(yīng)力集中，當(dāng)界面上的剪切應(yīng)力分量達(dá)到界面強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致界面分離而萌生為微裂紋。裂紋擴(kuò)展主要受正應(yīng)力影響，裂紋形核后，在沖擊彎曲載荷作用下，隨應(yīng)變程度增加，微裂紋通過彼此連通而擴(kuò)展[9, 10]。本試驗(yàn)中，±10℃的溫差對裂紋萌生及塑性擴(kuò)展階段影響不大，但在裂紋脆性擴(kuò)展階段，-10℃測得的沖擊吸收功明顯低于10℃，試驗(yàn)溫度的降低，增加了沖擊變形過程中位錯(cuò)滑移的難度，使得位錯(cuò)更容易塞積，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致沖擊斷裂性能降低。

2)沖擊斷裂性能的尺寸效應(yīng)

除了擺錘沖擊試驗(yàn)，夏比沖擊試驗(yàn)也可以表征材料的沖擊斷裂性能，但是與擺錘沖擊采用全壁厚試驗(yàn)不同，夏比沖擊試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的10 mm×10 mm×55 mm試樣。不同壁厚的試樣測得材料沖擊斷裂性能存在差異。表4給出了10℃和-10℃測試溫度下X80管線鋼夏比沖擊斷裂性能，可以看出，兩個(gè)測試溫度下夏比沖擊試樣斷口剪切面積均為100%，為韌性斷裂，并且10℃測得沖擊功均值為347 J，-10℃測得沖擊功均值為329 J，二者相差約5%，說明試驗(yàn)溫度在±10℃范圍內(nèi)對夏比沖擊功的影響較小；而擺錘沖擊在10℃和-10℃測得沖擊功均值分別為18.7 kJ和15.2 kJ，相差約20%，如表3所示，試驗(yàn)溫度對擺錘沖擊功的影響顯著增加。

通常認(rèn)為，試樣厚度較薄時(shí)，如夏比沖擊試樣，在沖擊斷裂過程中，裂紋尖端附近為平面應(yīng)力狀態(tài)，而試樣厚度較厚時(shí)，如擺錘沖擊試樣，在沖擊斷裂過程中，裂紋尖端附近趨向平面應(yīng)變狀態(tài)，裂紋尖端塑性變形收到抑制，因而在斷裂過程中表現(xiàn)為脆性特征[11-13]。從試驗(yàn)結(jié)果來看，試樣壁厚的增加提高了管線鋼材料對溫度的敏感程度，使得試樣在測試溫度降低不大(10℃～-10℃)的情況下，沖擊吸收功降低約20%，并且在試樣斷口中心出現(xiàn)明顯脆性斷裂特征。另一方面，擺錘試驗(yàn)中錘頭錘擊試樣時(shí)速度約為9 m/s，而夏比沖擊試驗(yàn)中由于擺臂相對較短，錘擊速度約為5 m/s，兩種試驗(yàn)錘擊速度不同，試樣變形速率也就不同，一定程度上提高了管線鋼材料對溫度的敏感程度。

表4 不同測試溫度下X80管線鋼夏比沖擊斷裂性能

4 結(jié) 論

本文研究了X80管線鋼在不同試驗(yàn)溫度下的沖擊性能，得到結(jié)論如下：

1)X80管線鋼隨試驗(yàn)溫度降低，擺錘示波沖擊吸收功下降明顯，沖擊斷口出現(xiàn)脆性斷裂特征。試驗(yàn)溫度的降低，提高了沖擊變形過程中位錯(cuò)滑移的難度，使得位錯(cuò)更容易塞積，從而導(dǎo)致沖擊斷裂性能降低。

2)與擺錘沖擊測試結(jié)果不同，試樣夏比沖擊功隨溫度降低并無顯著降低，分析認(rèn)為擺錘沖擊試樣壁厚的增加和錘擊速度的增加提高了X80管線鋼材料對溫度的敏感程度，是擺錘沖擊性能隨試驗(yàn)溫度降低而明顯降低的主要原因。

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StudyonImpactPropertiesofX80PipelineSteelatDifferentTemperatures

FENGHui1,YANGTianshuang2,YANGMing3,SHANGChen3,LIHe1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructuralSafetyofOilIndustryEquipmentMaterials,Xi’an,Shaanxi710077,China；2.PagOilfieldEngineeringCo.Ltd.,Dalian,Liaoning116033,China;3.PetroChinaWestPipelineCompany,Urumqi,Xinjiang830000,China)

Pendulum impact and Charpy impact properties of X80 pipeline steel were investigated at different experimental temperatures in this study. Results show that the pendulum impact absorbed energy decreases significantly and the brittle appearance arises on the impact fracture morphology as the testing temperature lower down from 10oC to -10oC while the Charpy impact test result shows little difference when tested at the given temperatures. It is deduced that the increase of the specimen thickness, the relative high impact velocity and the fact that dislocations are more difficult to slide during the impact deformation as temperature lowers down are the main reasons of the pendulum tested difference at different experimental temperatures.

X80 line pipe； pendulum instrumented impact test； Charpy impact test； fractural morphology

封 輝，男，1985年生，博士，2014年畢業(yè)于中國科學(xué)院金屬研究所，現(xiàn)主要從事油氣管道組織性能及服役行為研究。E-mail: rainfall012003@126.com

TE832

A

2096-0077(2017)05-0043-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.011

2017-04-20編輯馬小芳)