管線鋼管沖擊試樣斷口分離評(píng)價(jià)方法探討*

李為衛(wèi)

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065)

管線鋼管沖擊試樣斷口分離評(píng)價(jià)方法探討*

李為衛(wèi)

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065)

針對(duì)油氣輸送用管線鋼管在進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的斷口分離現(xiàn)象，分析了夏比沖擊試樣斷口分離的特征、產(chǎn)生原因及其對(duì)管道運(yùn)行帶來(lái)的安全隱患。提出了沖擊試樣斷口分離程度的分級(jí)評(píng)價(jià)方法，以及用于斷口分離評(píng)定的上升平臺(tái)系數(shù)的確定方法。采用這兩種方法對(duì)西氣東輸二線試制的L555/X80管材的斷口分離情況進(jìn)行了分析，對(duì)斷口分離嚴(yán)重的鋼廠提出了改進(jìn)意見(jiàn)。并建議將該方法作為補(bǔ)充評(píng)定方法納入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

管線鋼管；斷口分離；分級(jí)；評(píng)價(jià)

1 概 述

斷口分離形貌是控軋板材及其制品在進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)(包括拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)、COD試驗(yàn)等)和爆破試驗(yàn)時(shí)在斷口處發(fā)現(xiàn)的二次裂紋或分層現(xiàn)象。斷口分離形貌一般垂直于斷口表面、平行于鋼板(板卷)表面。管線鋼夏比沖擊試樣和DWTT試樣典型的斷口分離形貌如圖1所示。油氣輸送管線鋼管韌性試驗(yàn)斷口經(jīng)常出現(xiàn)斷口分離現(xiàn)象，國(guó)際上進(jìn)行了大量的研究[1-9]，盡管有不同的看法，但主流觀點(diǎn)認(rèn)為，斷口分離的出現(xiàn)對(duì)鋼管的韌性會(huì)帶來(lái)不利影響，必須進(jìn)行限制，但至今仍然沒(méi)有提出一套可行的評(píng)判方法。

圖1 斷裂韌性試驗(yàn)中出現(xiàn)的典型斷口分離

天然氣輸送管道隨著壓力、直徑、壁厚和鋼級(jí)的提高，安全性要求也越來(lái)越高，有必要對(duì)斷口分離提出控制措施。筆者從西氣東輸一線開(kāi)始，就對(duì)X70管線鋼管的斷口分離現(xiàn)象、產(chǎn)生原因等進(jìn)行了大量的研究分析。在西氣東輸二線科研和檢測(cè)評(píng)價(jià)工作中，對(duì)500多個(gè)φ1 219mm×18.4mm/22mm的L555/X80管線鋼管夏比沖擊試樣斷口進(jìn)行了研究，分析了大量沖擊試驗(yàn)斷口分離的特征及其產(chǎn)生原因，提出了沖擊試樣斷口分離的分級(jí)方法。采用該方法對(duì)西氣東輸二線試制的L555/X80管材斷口分離情況進(jìn)行了分析?，F(xiàn)對(duì)有關(guān)工作進(jìn)行歸納，提出一套夏比沖擊試驗(yàn)斷口分離評(píng)價(jià)方法，擬作為L(zhǎng)415/X60及其以上鋼級(jí)鋼管以及制管用鋼板和板卷沖擊試驗(yàn)斷口分離的控制方法。建議將該方法納入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從而促使鋼廠、管廠減少斷口分離，改進(jìn)產(chǎn)品的韌性性能，保證高壓油氣管道的安全。

2 斷口分離的分級(jí)評(píng)價(jià)方法

管線鋼管夏比沖擊試驗(yàn)斷口分離有時(shí)有1個(gè)、有時(shí)有2個(gè)或多個(gè)。1個(gè)沖擊出現(xiàn)多個(gè)斷口分離時(shí)一般表現(xiàn)為1個(gè)大的(主)和多個(gè)小的(次)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斷口分離程度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，有的是按數(shù)量分級(jí)，有的是按總長(zhǎng)度分級(jí)。如果單獨(dú)按數(shù)量分級(jí)，有些斷口分離數(shù)很多但均很小，分離程度很低，但指數(shù)很高；如果按總長(zhǎng)度分，可以看出分離的嚴(yán)重程度，但這只是一個(gè)數(shù)字，不是分級(jí)，不便于進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)價(jià)。鑒于深度難以測(cè)量，因此，一般不考慮分離裂紋深度的影響。筆者在對(duì)大量φ1 219mm×18.4mm/22mm L555/X80螺旋和直縫埋弧焊鋼管管體沖擊試樣斷口分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)分離裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量提出了夏比沖擊試樣斷口分離程度分級(jí)方法。

鋼管在規(guī)定溫度下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)后，對(duì)試樣斷口分離裂紋進(jìn)行測(cè)量和分級(jí)，具體如下：

(1)首先測(cè)量試樣斷口上分離裂紋的長(zhǎng)度，并根據(jù)長(zhǎng)度從大到小排序，賦予其不同的分值m，見(jiàn)表1。分離裂紋一般不規(guī)則，測(cè)量誤差較大，因此不直接用測(cè)量結(jié)果，而進(jìn)行初步分檔，這樣減少了測(cè)量誤差而引起的最終結(jié)果差異。

表1 不同長(zhǎng)度分離裂紋的分值

(2)根據(jù)每個(gè)斷口上裂紋的長(zhǎng)度從大到小進(jìn)行排序 (No.1，No.2，No.3……)，賦予不同排序的斷口分離裂紋不同的權(quán)重系數(shù)k，見(jiàn)表2。也就是區(qū)分大、小分離對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。大的分離裂紋權(quán)重高，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響大，小的分離裂紋權(quán)重低，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響小。

表2 不同排序的分離裂紋的權(quán)重系數(shù)

(3)將試樣斷口上每個(gè)斷口分離裂紋的分值mi與權(quán)重系數(shù)ki的乘積相加，得到該試樣斷口分離的總分值M，即

式中：n—每個(gè)斷口分離裂紋的數(shù)量。

(4)根據(jù)總分值M將斷口分離程度分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ共4個(gè)級(jí)別，級(jí)別越高，斷口分離程度越嚴(yán)重，見(jiàn)表3。

表3 試樣斷口分離程度分級(jí)

上述測(cè)量和計(jì)算方法比較麻煩，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中也可將具體的試樣斷口與典型斷口分離程度分級(jí)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行斷口分離程度分級(jí)。

為控制管線鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量，減少斷口分離給管道安全帶來(lái)的不利影響，產(chǎn)品制造過(guò)程應(yīng)給出具體的鋼管質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，但直至目前還未看到公開(kāi)的文獻(xiàn)記載。筆者提出初步的設(shè)想供大家探討：對(duì)于L485/X70及其以上鋼級(jí)的鋼管，在規(guī)定試驗(yàn)溫度(一般-10～0℃)下的夏比沖擊韌性試驗(yàn)，若是輸送原油、成品油的鋼管，沖擊試驗(yàn)斷口分離程度評(píng)為4級(jí)，則沖擊試驗(yàn)結(jié)果不合格；若是輸送天然氣的鋼管，沖擊試驗(yàn)斷口分離程度評(píng)為3級(jí)，則沖擊試驗(yàn)結(jié)果不合格。

對(duì)于評(píng)為不合格的鋼管，由制造商選擇可以對(duì)該批鋼管予以報(bào)廢，也可以選擇進(jìn)行系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)，并確定相應(yīng)的斷口分離上升平臺(tái)特征系數(shù)μ。如果規(guī)定試驗(yàn)溫度下的夏比沖擊功≥上升平臺(tái)綜合系數(shù)μ與夏比沖擊功規(guī)定值的乘積，則該批鋼管予以接收，否則予以判廢。

3 上升平臺(tái)系數(shù)的確定

在管道設(shè)計(jì)中，按標(biāo)準(zhǔn)ISO 3183附錄G采用Battele雙曲線法預(yù)測(cè)管線鋼的止裂能力時(shí)，夏比沖擊功成為衡量材料止裂韌性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，而斷口分離現(xiàn)象往往表現(xiàn)為材料沖擊功曲線的上升上平臺(tái)(RUS)行為(見(jiàn)圖2)，會(huì)對(duì)鋼管的止裂帶來(lái)不利影響[1-2]。一般認(rèn)為，當(dāng)材料有上升平臺(tái)行為，且CVP/CV100＞1.25(CV100為剪切面積達(dá)到100％時(shí)的夏比沖擊功，CVP為上平臺(tái)夏比沖擊功)時(shí)，按照BMI雙曲線法計(jì)算的止裂韌性預(yù)測(cè)值不能保證管線安全，必須在預(yù)測(cè)值基礎(chǔ)上乘以系數(shù)CVP/CV100。

圖2 夏比沖擊試驗(yàn)轉(zhuǎn)變曲線上升平臺(tái)行為

針對(duì)已有止裂經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)高壓天然氣管線止裂韌性值的不安全性，Wilkowski(美國(guó))、Leis(美國(guó))、Kanninen(德國(guó))等學(xué)者進(jìn)行了有價(jià)值的研究工作。Leis提出了在原有公式基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的方法[10]。截至目前，在實(shí)際工程中，普遍采用Leis方法。Leis經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，止裂韌性的預(yù)測(cè)值超過(guò)94 J時(shí)，用BMI公式預(yù)測(cè)的結(jié)果偏于危險(xiǎn)，他提出了如下修正公式：

當(dāng)鋼管材料斷口分離和上平臺(tái)現(xiàn)象比較嚴(yán)重(CVP/CV100＞1.25)時(shí)，應(yīng)對(duì)Leis修正公式預(yù)測(cè)值進(jìn)行全尺寸實(shí)物爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。因故不能進(jìn)行氣爆試驗(yàn)，出現(xiàn)斷口分離，保守做法是對(duì)沖擊功要求值乘以1.5。

對(duì)于出現(xiàn)斷口分離現(xiàn)象而具有上升平臺(tái)行為的管線鋼，其上升平臺(tái)行為常用一些特征參數(shù)來(lái)表征。根據(jù)材料系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果，表征沖擊曲線上升平臺(tái)行為的特征參數(shù)如下：

(1)CVN100—斷口剪切面積達(dá)到100％時(shí)，對(duì)應(yīng)的最低夏比沖擊能。

(2)CVP—夏比沖擊上平臺(tái)能。進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)，記錄每個(gè)試樣斷口剪切面積和沖擊功。做系列溫度SA和CVN轉(zhuǎn)變圖，在轉(zhuǎn)變圖上存在明顯平臺(tái)能時(shí)，對(duì)應(yīng)的平臺(tái)能即為CVP。若無(wú)明顯平臺(tái)能時(shí)，取1～3組最高試驗(yàn)溫度沖擊功的平均值作為CVP。

(3)CVNmax—試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)最大夏比沖擊能。

(4)CVI—夏比截距能。進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)，記錄每個(gè)試樣斷口剪切面積和沖擊功，做剪切面積與沖擊功的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。對(duì)剪切面積為20％～95％的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，所得直線延伸至100％剪切面積時(shí)對(duì)應(yīng)的沖擊能即為CVI，如圖3所示。要求在20％～95％剪切面積之間至少有3個(gè)以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖3 斷口分離上升平臺(tái)特征參數(shù)示例

表征材料上升平臺(tái)行為包含CVNmax/CVI，CVNmax/CV100，CVP/CVI，CVP/CV100等4個(gè)系數(shù)，究竟那個(gè)更合理、更能準(zhǔn)確反映材料出現(xiàn)斷口分離時(shí)的上升平臺(tái)行為，尚無(wú)定論。但總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，這些特征參數(shù)可以反映出現(xiàn)斷口分離現(xiàn)象時(shí)材料的上升平臺(tái)行為。由于管線鋼管材料在低溫時(shí)對(duì)試驗(yàn)溫度敏感，試驗(yàn)溫度選取點(diǎn)和間隔的不同，以及斷口剪切面積評(píng)價(jià)的人為因素，使得這些特征參數(shù)的測(cè)量結(jié)果存在一定偏差，甚至有些參數(shù)個(gè)別情況下難以確定，即使能夠確定，參數(shù)差異也會(huì)很大。因此，提出了采用平均值方法來(lái)衡量材料出現(xiàn)斷口分離的上升平臺(tái)行為，即采用CVP/CVI，CVP/CV100，CVNmax/CVI，CVNmax/CV100這4個(gè)特征系數(shù)的平均值作為上升平臺(tái)綜合系數(shù)μ來(lái)衡量材料出現(xiàn)斷口分離的上升平臺(tái)行為。

4 西氣東輸二線試制L555/X80鋼管斷口分離分析

分析樣品為西氣東輸二線工程小批量試制的φ1 219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管和φ1 219mm×18.4mm/22.0mm直縫埋弧焊管，共14根鋼管，涉及8家鋼廠和8家管廠。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼管沖擊試樣分離情況不太嚴(yán)重，基本上未出現(xiàn)或有時(shí)在低溫出現(xiàn)，分離程度也較輕，但個(gè)別廠家的產(chǎn)品出現(xiàn)較嚴(yán)重的斷口分離情況，如No.27-166Y的鋼管。

No.27-166Y螺旋埋弧焊管在系列溫度下管體橫向夏比沖擊功、斷口剪切面積、斷口分離裂紋長(zhǎng)度和分級(jí)情況見(jiàn)表4，試樣斷口形貌如圖4所示。這是試驗(yàn)中見(jiàn)到的最嚴(yán)重的斷口分離，沖擊試樣斷口從低溫到高溫都可以看到明顯的分離裂紋，-40℃和-60℃下最為嚴(yán)重。No.27-166Y鋼管夏比沖擊試驗(yàn)斷口分離特征參數(shù)見(jiàn)表5，從表中可以看到CVP/CVI，CVP/CV100，CVNmax/CVI，CVNmax/CV100及其平均值(即綜合系數(shù)μ)均很高。

表4 No.27-166Y管體橫向夏比沖擊系列溫度試驗(yàn)結(jié)果

西氣東輸二線工程大量采用了L555/X80管線鋼管，管道設(shè)計(jì)壓力、鋼級(jí)、直徑、壁厚以及長(zhǎng)度等綜合參數(shù)在國(guó)際上史無(wú)前例。在確定西氣東輸二線斷裂控制的方案時(shí)，是否考慮斷口分離問(wèn)題以及如何處理斷口分離問(wèn)題，曾是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。筆者就西氣東輸二線工程使用的φ1 219mm L555/X80鋼埋弧焊管的斷口分離情況進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

圖4 No.27-166Y鋼管在系列溫度下夏比沖擊試樣斷口形貌

表5 No.27-166Y鋼管夏比沖擊試驗(yàn)斷口分離特征參數(shù)

5 結(jié) 論

(1)在對(duì)大量試樣斷口分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)斷口分離裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量，將沖擊試樣的斷口分離程度分為4個(gè)級(jí)別，提出了沖擊試樣斷口分離的分級(jí)方法及鋼管質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

(2)表征材料上升平臺(tái)行為有CVP/CVI，CVP/CV100，CVNmax/CVI，CVNmax/CV100等 4 個(gè)參數(shù)，究竟那個(gè)更合理、更能準(zhǔn)確反映材料出現(xiàn)斷口分離時(shí)的上升平臺(tái)行為尚無(wú)定論。由于試驗(yàn)和材料等多種因素，使得這些特征參數(shù)的測(cè)量結(jié)果存在一定偏差，甚至有些參數(shù)個(gè)別情況下難以確定，即使能夠確定，參數(shù)差異也會(huì)很大。因此提出了采用平均值的方法來(lái)衡量材料出現(xiàn)斷口分離的上升平臺(tái)行為。

(3)采用提出的斷口分離程度分級(jí)方法和上升平臺(tái)特征參數(shù)確定方法，對(duì)西氣東輸二線試制的L555/X80管材斷口分離情況及上升平臺(tái)系數(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)斷口分離嚴(yán)重的鋼廠提出改進(jìn)建議。

(4)斷口分離是一種常見(jiàn)現(xiàn)象，對(duì)管道斷裂韌性有不利影響，應(yīng)進(jìn)行控制。尤其是對(duì)高鋼級(jí)、高壓輸氣管道，應(yīng)作為一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，建議納入相關(guān)輸送管標(biāo)準(zhǔn)中。

[1] DEMOFONTI G，MANNUCCI G.Arrest assessment of X100 TMCP linepipe used for high pressure gas pipeline[C]∥Proceedings of International Seminar on Fracture Control Technology for X80 High Pressure Gas Transmisssion Pipeline.Xi’an：[s.n.]，2007：25-28.

[2] FELBER S，SCH NEESEISS G，VARGA T.Crack-arrest in a pipeline steel[C]∥Proceedings of the 2nd International Pipeline Technology Conference.Ostend：[s.n.]，1995：30-32.

[3] KAZU TOSHIK，F(xiàn)UKDA M，SUGISAWA S.Separations occur in controlled rolled hot strips[J].Transaction ISIJ，1979，19(01)：23-31.

[4] EMBURY J D，PETCH N J，WRAITH A E，et al.The fracture of mild steel laminates[J].Transactions of the Metallurgical Society of ASME，1967(06)：51-67.

[5] WIKOWSKI G M，WANG Y Y，RUDLAND D.Recent effect on characterizing propagation ductile fracture resis tance of line pipe steels[J].Pipeline Technology，2000(01)：32-39.

[6]李鶴林.油氣輸送鋼管的發(fā)展動(dòng)向與展望[J].焊管，2004，27(06)：1-11.

[7]馮耀榮，李鶴林，馬寶鈿，等.X52輸送管材料沖擊轉(zhuǎn)變特性與斷口分離的研究[J].鋼鐵,1998(06)：41-45.

[8]李榮鋒，余立.關(guān)于鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)試樣斷口厚向開(kāi)裂的若干問(wèn)題[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2013(03)：5-12.

[9]馮耀榮，譯.可控軋制的熱軋帶鋼中的斷口分離[J].石油專用管，1991(04)：29-40.

[10] LEIS B N.Relationship between apparent(total)Charpy Vee-notch toughness and the corresponding dynamic crack propagation resistance[C]∥International Pipeline Conference.Calgery，Canada：ASME，1998：41-43.

Discussion on Fracture Separation Evaluation Method of Line Pipe Impact Specimen

LI Weiwei
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710065,China)

Aiming at the fracture separation phenomena appeared in mechanical properties testing of oil and gas transportation pipeline,the characteristics,causes and the potential safety hazard to pipeline operation by Charpy impact tests fracture separation were analyzed,and a rating method for fracture separation degree of Charpy impact test was put forward.As well as the determination method of the lift platform coefficient.The fracture separation of L555/X80 line pipes in trial production for the Second West-to-East Pipeline Project were analyzed by the above two methods,some suggestions were given for steel makers whose product are with severe fracture separation.It’s suggested that this study results can be added into the standard as supplementary assessment method.

line pipe;fracture separation;grading;evaluation

TE973

B

1001-3938(2015)03-0038-05

本研究受中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“西氣東輸二線工程關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目(2007-05Z-01-01)資金的支持。

李為衛(wèi)(1965—)，男，碩士，高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于西安交通大學(xué)焊接專業(yè)，主要從事油氣輸送管材料研究及標(biāo)準(zhǔn)化工作。

2014-10-13

李紅麗