管線鋼與鋼管落錘撕裂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

陳 松

（華油鋼管揚(yáng)州分公司， 江蘇 揚(yáng)州225000）

落錘撕裂試驗(yàn) （DWTT） 用于檢測(cè)材料的韌性， 主要用于金屬材料的低溫脆性研究和評(píng)價(jià)， 目的是建立斷口形貌與溫度的關(guān)系， 被廣泛應(yīng)用于管線鋼及鋼管斷裂韌性的評(píng)價(jià)， 同時(shí)作為衡量管線鋼和鋼管抵抗脆性開裂的韌性指標(biāo)。 管線鋼和鋼管常用的落錘撕裂試驗(yàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要有API RP 5L3—2014 《輸送鋼管落錘撕裂試驗(yàn)推薦做法》[1]、 SY/T 6476—2017 《管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法》[2]和GB/T 8363—2018 《鋼材落錘撕裂試驗(yàn)方法》[3]。 各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間既有共同點(diǎn)又有不同點(diǎn)， 經(jīng)過對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)研究， 從適用范圍、 試樣制備、 設(shè)備參數(shù)、試驗(yàn)溫度、 結(jié)果評(píng)價(jià)等方面對(duì)三項(xiàng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍上不盡相同， API RP 5L3—2014 適用于API SPEC 5L 管線鋼管規(guī)范中規(guī)定的所有鋼種， 無厚度要求； SY/T 6476—2017 適用于管線鋼管和制管用鋼板、 板卷， 無厚度要求； GB/T 8363—2018 適用于厚度3～40 mm的鋼板和管材。 因此， 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都可用于管線鋼管和制管用鋼板、 板卷的落錘撕裂試驗(yàn)和結(jié)果評(píng)定， 但也應(yīng)關(guān)注GB/T 8363—2018 對(duì)厚度的要求。

2 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于試樣制備的比較

三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在試樣制備方面的主要差異見表1。由表1 可知， 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣及缺口尺寸的要求基本一致， 尺寸偏差略有不同， API RP 5L3—2014 要求較為寬松， GB/T 8363—2018 要求相對(duì)嚴(yán)格。 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)之間存在的差異主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： ①三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定缺口幾何形狀可選用壓制缺口或人字形缺口， 但GB/T 8363—2018增加了一種新的試樣類型作為輔助試樣——人字形缺口背后開切口加墊片試樣。 ②三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于缺口形狀的選擇原則不同， API RP 5L3—2014和SY/T 6476—2017 中規(guī)定： 缺口形狀優(yōu)先選用壓制缺口， 對(duì)出現(xiàn)異常斷口的管線鋼可選用人字形缺口進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。 而GB/T 8363—2018 中規(guī)定：低韌性管線鋼應(yīng)選用壓制缺口， 高韌性管線鋼優(yōu)先選用人字形缺口。

對(duì)于減薄試樣， 其實(shí)際試驗(yàn)溫度應(yīng)低于規(guī)定的試驗(yàn)溫度， 其降低量見表2， 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相同。 按照標(biāo)準(zhǔn)要求， 試驗(yàn)報(bào)告仍按規(guī)定的試驗(yàn)溫度填寫并注明減薄方法。 同時(shí)不同減薄方法可能會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果， 故不能將全壁厚試樣與減薄試樣、 不同減薄方法的試樣所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[4]。

表1 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于試樣制備的要求

表2 減薄試樣試驗(yàn)溫度的降低量

3 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)的要求

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求總體一致， 但也有一定的差異。 GB/T 8363—2018對(duì)兩支座間距離和錘刃曲率半徑2 個(gè)參數(shù)的要求更為嚴(yán)格， 另外公英制單位轉(zhuǎn)換也造成一些參數(shù)有微小差異[5]， 具體參數(shù)見表3。

三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面。

（1） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018對(duì)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)有要求， 可為擺錘式或落錘式[6]；而API RP 5L3—2014 對(duì)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)形式無要求，試驗(yàn)機(jī)可將試樣一次沖斷即可。

（2） GB/T 8363—2018 對(duì)試樣支承裝置的規(guī)定更加詳盡， 規(guī)定支座應(yīng)有足夠的硬度（HRC＞56） 及兩支座應(yīng)平齊、 等高， 且規(guī)定試樣支承裝置應(yīng)具有足夠的空間確保試樣被一次沖斷并順利通過支座， 具體規(guī)定為： 兩支座內(nèi)側(cè)距離減去錘刃直徑以及2 倍試樣寬度不小于5 mm。

表3 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

（3） GB/T 8363—2018 給出了夏比V 形缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣總吸收能量與壓制缺口、 人字形缺口DWTT 總吸收能量的近似關(guān)系圖， 為試驗(yàn)機(jī)沖擊能量的選用提供了參考[7]。 而API RP 5L3—2014 取消了舊版（API RP 5L3—1996） 的對(duì)應(yīng)圖。

（4） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018都以附錄形式給出了儀器化分析要求， 給出了試樣沖擊能的測(cè)定方法。 隨著管線鋼的發(fā)展， 高鋼級(jí)大壁厚管線鋼將成為以后發(fā)展的趨勢(shì)， 落錘撕裂試驗(yàn)將不僅需要對(duì)剪切面積進(jìn)行評(píng)價(jià)， 還會(huì)要求落錘撕裂能量值， 因此示波落錘將逐步取代傳統(tǒng)落錘試驗(yàn)機(jī)。

4 標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)試樣保溫

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在保溫介質(zhì)、 介質(zhì)溫度、 試樣間距、 最短保溫時(shí)間、 試樣的重新加熱和冷卻等方面存在較大差異， 在使用過程中應(yīng)予以注意。 具體差異見表4。

表4 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于試樣保溫的主要差異

從表4 可以看出， SY/T 6476—2017 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣最短保溫時(shí)間的規(guī)定進(jìn)行了細(xì)化， 增加了總保溫時(shí)間和到溫保溫時(shí)間。 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的保溫時(shí)間見表5， 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在試樣總保溫時(shí)間的規(guī)定總體一致， SY/T 6476—2017 標(biāo)準(zhǔn)增加了對(duì)到溫保溫時(shí)間的規(guī)定。 同時(shí)SY/T 6476—2017 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)總保溫時(shí)間和到溫保溫時(shí)間給出了明確定義， 避免了對(duì)保溫時(shí)間的理解疑義。

表5 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于試樣在介質(zhì)中的保溫時(shí)間

5 落錘試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定

5.1 斷口剪切面積評(píng)定

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均給出了3 種斷口剪切面積評(píng)定方法： 求積法、 比對(duì)法、 測(cè)量法[8]。采用求積儀測(cè)量剪切面積雖然準(zhǔn)確但較為費(fèi)時(shí)。測(cè)量剪切面積較為準(zhǔn)確又快速的方法是測(cè)量法，測(cè)量法的采用取決于斷口形貌， 3 種典型斷口形貌如圖1 所示。 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量法的規(guī)定差異較大， 在使用過程中應(yīng)予以區(qū)分。 當(dāng)斷口形貌介于圖1 （a） ～ 圖1 （b） 時(shí)， API RP 5L3—2014 標(biāo)準(zhǔn)采用公式 （1） 計(jì)算剪切面積百分比。 SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： 壁厚t≤19.0 mm 采用公式（1） 計(jì)算剪切面積； 壁厚t＞19.0 mm 采用公式 （2） 計(jì)算剪切面積百分比。 若斷口形貌呈圖1 （c） 時(shí)， API RP 5L3—2014 標(biāo)準(zhǔn)采用測(cè)量剪切唇寬度均值的方法來確定剪切面積； SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 標(biāo)準(zhǔn)則是采用測(cè)量解理區(qū)寬度均值的方法來確定剪切面積。 由于斷口剪切唇的可壓縮性和解理區(qū)的不可壓縮性， 采用測(cè)量剪切唇寬度均值的方法得到的SA要小于采用測(cè)量解理區(qū)寬度均值的方法得到的SA[9]。

式中： SA1、 SA2——剪切面積（精確到1%）；

T——斷口上缺口根部和錘擊側(cè)不被計(jì)入有效區(qū)域的長(zhǎng)度；

ts——試樣厚度；

A——缺口下方“T” 線處解理斷裂區(qū)寬度；

B——“T” 線間解理斷裂區(qū)長(zhǎng)度。

圖1 典型DWTT斷口形貌

5.2 異常斷口評(píng)定

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于異常斷口的規(guī)定存在很大差異。

（1） API RP 5L3—2014 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定異常斷口為無效試樣[10]， 需取樣重新試驗(yàn)。 對(duì)于重新試驗(yàn)過程中依舊出現(xiàn)異常斷口的情況沒有進(jìn)一步說明， 給試驗(yàn)評(píng)判造成很大困難， 這是API RP 5L3—2014 在實(shí)際應(yīng)用中的局限性。 對(duì)于異常斷口的評(píng)定， API 和其他機(jī)構(gòu)正在開展聯(lián)合研究，目前仍沒有一致的觀點(diǎn)和處理辦法。

（2） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018標(biāo)準(zhǔn)均以附錄形式給出了異常斷口的評(píng)定方法。試樣的異常斷口是伴隨高鋼級(jí)管線鋼的發(fā)展出現(xiàn)的， 特別是在高鋼級(jí)大壁厚管線鋼中經(jīng)常出現(xiàn)。異常斷口的評(píng)定方法全面系統(tǒng)的闡述了異常斷口的定義及評(píng)定方法， 并規(guī)定了異常斷口評(píng)定不合格時(shí)允許采用人字形缺口試樣重新試驗(yàn)。

（3） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于異常斷口的評(píng)定方法也不一致， 在使用過程中應(yīng)加以區(qū)分。 SY/T 6476—2017 根據(jù)裂紋擴(kuò)展過程中形成的脆性區(qū)的形態(tài)和分布將異常斷口分為4 類， 根據(jù)異常斷口分類采用不同的評(píng)定區(qū)域進(jìn)行脆性面積計(jì)算的方式更易理解和使用。脆性區(qū)分布接近錘擊側(cè)的異常斷口（第Ⅰ類） 多是由于試樣在試驗(yàn)過程在承受過大的壓縮變形以及局部增厚產(chǎn)生的。

6 結(jié) 論

（1） API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017及GB/T 8363—2018 標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、 試樣制備、 設(shè)備參數(shù)、 試樣保溫、 結(jié)果評(píng)定等方面均存在一定差異， 在使用過程中應(yīng)加以區(qū)分。

（2） 不同減薄方法可能會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果， 故不能將全壁厚試樣與減薄試樣、 不同減薄方法的試樣所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比。 對(duì)于壁厚大于19 mm 的產(chǎn)品， 在試驗(yàn)機(jī)能力允許的情況下，應(yīng)首選全壁厚試樣， 其更能反映產(chǎn)品真實(shí)性能。

（3） SY/T 6476—2017 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣最短保溫時(shí)間的規(guī)定進(jìn)行了細(xì)化， 增加了總保溫時(shí)間和到溫保溫時(shí)間。

（4） API RP 5L3—2014 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定異常斷口為無效試樣， 在實(shí)際應(yīng)用中具有局限性； SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 標(biāo)準(zhǔn)均以附錄形式給出了異常斷口的評(píng)定方法， 但異常斷口的評(píng)定方法并不一致； SY/T 6476—2017 根據(jù)異常斷口分類采用不同的評(píng)定區(qū)域進(jìn)行脆性面積計(jì)算的方式更易理解和使用。