X100管線鋼示波沖擊試驗研究

藺衛(wèi)平，李 娜，張庶鑫，梁明華，張華佳

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對石油、天然氣的需求日益增加，油氣管道也得到了長足發(fā)展。近幾年，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、大口徑管線進行輸送。隨著石油天然氣管道運行壓力的增高，管徑不斷加大，發(fā)生管道延性斷裂的風險也就越大。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指標，管道安全評價中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的韌性，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行詳細描述[5,6]。

本文研究了X100管線鋼管體、焊縫和熱影響區(qū)在不同溫度下的示波沖擊曲線，對進一步研究X100管線鋼的韌性具有參考價值。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用規(guī)格為Φ1 219 mm×14.8 mm X100直縫埋弧焊鋼管。鋼管母材的化學成分和拉伸性能(橫向板狀試樣)分別見表1和表2。

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 E23-16b[7]進行試驗。用MEF4M金相顯微鏡進行金相組織分析。示波沖擊曲線特征值按照GB/T 19748—2005[8]中的定義來確定。

表1 鋼管母材的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 鋼管母材的拉伸性能

2 試驗結(jié)果及分析討論

2.1 管體橫向

管體組織為粒狀貝氏體和彌散分布的M-A島，如圖1所示，晶粒度為12.0級。

圖1 鋼管母材微觀組織

不同溫度下沖擊試樣的示波曲線如圖2所示。隨著溫度的降低，最大力Fm逐漸增大，到-40 ℃時達到最大，然后隨著溫度的降低逐漸減小。隨著溫度的降低，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。

在20 ℃，位移為10 mm時，沖擊載荷還很高(12.58 kN)，說明在裂紋擴展過程中受到的阻礙較多；當溫度為-80 ℃，位移為10 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。

X100管線鋼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292 J，韌脆轉(zhuǎn)變曲線具有明顯的上平臺，如圖3所示。以剪切斷面率達到50%來規(guī)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，X100管線鋼母材韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-60 ℃。

2.2 焊縫

焊縫組織為針狀鐵素體、少量粒狀貝氏體、多邊形鐵素體和珠光體如圖4所示。

圖2 鋼管母材不同溫度下的示波沖擊曲線

圖3 鋼管母材韌脆轉(zhuǎn)變曲線

不同溫度下沖擊試樣的示波曲線如圖5所示。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-20 ℃達到最大值后再逐漸變小。20 ℃時曲線的不穩(wěn)定裂紋擴展不明顯，隨著溫度的降低，不穩(wěn)定裂紋擴展越來越明顯，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，曲線變得越來越陡峭。在20 ℃，位移為10 mm時，沖擊載荷為7.45 kN；在-60 ℃，位移為10 mm時，沖擊載荷已經(jīng)接近0。

圖4 鋼管焊縫微觀組織

焊縫室溫沖擊吸收能量的平均值為219 J，韌脆轉(zhuǎn)變曲線具有明顯的上平臺，如圖6所示。以剪切斷面率達到50%來規(guī)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，X100管線鋼管焊縫韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-60 ℃。

圖5 鋼管焊縫不同溫度下的示波沖擊曲線

圖6 鋼管焊縫韌脆轉(zhuǎn)變曲線

2.3 熱影響區(qū)

熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織為粒狀貝氏體，如圖7所示，細晶區(qū)組織為多邊形鐵素體、M-A島和珠光體，如圖8所示。

不同溫度下沖擊試樣的示波曲線如圖9所示。隨著溫度的降低，最大力Fm沒有明顯的變化，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，曲線變得越來越陡峭。在20 ℃，位移為15 mm時，沖擊載荷為2.91 kN；在-60 ℃，位移為15 mm時，沖擊載荷已經(jīng)接近0。

圖7 粗晶區(qū)組織

熱影響區(qū)室溫沖擊吸收能量的平均值為260 J，韌脆轉(zhuǎn)變曲線具有明顯的上平臺，如圖10所示。以剪切斷面率達到50%來規(guī)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，X100管線鋼管熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-50 ℃。

圖8 細晶區(qū)組織

圖9 鋼管熱影響區(qū)不同溫度下的示波沖擊曲線

圖10 鋼管熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變曲線

3 結(jié) 論

1)X100管線鋼管體、焊縫和熱影響區(qū)在不同溫度的示波沖擊曲線都產(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋擴展。隨著試驗溫度的降低，不穩(wěn)定裂紋擴展越來越明顯，載荷-位移曲線變得越來越陡峭，，試樣在沖擊過程中所受阻礙越來越小。

2)X100管線鋼具有良好的低溫沖擊韌性。管體韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-60 ℃，焊縫韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-60 ℃，熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-50 ℃。

[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.

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[8] 唐振廷，李久林，張鈺彥. 鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法:GB/T 19748-2005 [S]. 北京：中國標準出版社.