基于小厚度小沖桿試驗(yàn)的管道鋼力學(xué)性能表征

方迎潮 祖毅真 曹宇光 李旭陽(yáng) 韓雷

摘要：為解決常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試手段無(wú)法對(duì)高鋼級(jí)管道局部區(qū)域材料的力學(xué)性能進(jìn)行精細(xì)表征的問(wèn)題，對(duì)小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)表征管道鋼材料力學(xué)性能的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)方法進(jìn)行了研究。對(duì)不同鋼級(jí)管道鋼材料分別開(kāi)展了單軸拉伸試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣小沖桿試驗(yàn)，通過(guò)兩者數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到了標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣小沖桿試驗(yàn)確定高鋼級(jí)管材屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式。在此基礎(chǔ)上，以X80鋼為例開(kāi)展了系列非標(biāo)小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)，對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了厚度效應(yīng)修正，最終形成了基于小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)的高鋼級(jí)管材力學(xué)性能表征方法，并進(jìn)行了適用性驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：考慮厚度效應(yīng)的力學(xué)性能經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式對(duì)于不同批次的X80鋼非標(biāo)小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)結(jié)果適用性良好；關(guān)聯(lián)所得屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果相比最大誤差分別為9.87%和5.61%，均滿足工程需求。研究結(jié)果可為不同高鋼級(jí)管材力學(xué)性能研究提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：高鋼級(jí)管道；力學(xué)性能；小沖桿試驗(yàn)；強(qiáng)度；經(jīng)驗(yàn)公式；厚度效應(yīng)；屈服強(qiáng)度

0 引 言

高鋼級(jí)管道材料具有強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)良特點(diǎn)，但由于管道輸送壓力不斷提高，且服役環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致材料性能可能出現(xiàn)不均勻性，局部區(qū)域材料發(fā)生劣化甚至失效［1-2］。同時(shí)，焊接作為長(zhǎng)輸油氣管道連接的主要手段，焊縫處容易出現(xiàn)未焊透、孔洞等焊接缺陷與熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，容易導(dǎo)致設(shè)備失效并引發(fā)安全事故［3-4］。因此，評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)管道當(dāng)前性能和剩余壽命，以及精確表征焊接接頭處的力學(xué)性能至關(guān)重要。

高鋼級(jí)管道材料的力學(xué)性能一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試驗(yàn)得到［5-6］，然而管道部分結(jié)構(gòu)關(guān)注區(qū)域受其尺寸限制，無(wú)法為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)提供足夠材料。同時(shí)，常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法只能檢測(cè)材料宏觀缺陷及組織變化，無(wú)法得到強(qiáng)度和斷裂韌度等力學(xué)性能參數(shù)［7-8］。為解決上述問(wèn)題所開(kāi)發(fā)的小沖桿試驗(yàn)（Small Punch Test，SPT）［9-10］作為一種新型微試樣測(cè)試方法，能夠通過(guò)微小試樣獲得材料多種力學(xué)性能，已經(jīng)逐步應(yīng)用到受取樣限制而無(wú)法進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)的場(chǎng)合。研究人員在基于標(biāo)準(zhǔn)小沖桿試驗(yàn)測(cè)試材料的彈性模量［11-12］、屈服強(qiáng)度［13-14］、抗拉強(qiáng)度［15-16］、韌脆轉(zhuǎn)變溫度［17］及斷裂韌度［18］等方面已經(jīng)取得了一定成果。

標(biāo)準(zhǔn)小沖桿試樣（厚度為0.500 mm，直徑為10 mm的圓片）一般情況下可以從管道局部區(qū)域取樣，但部分特殊結(jié)構(gòu)關(guān)注區(qū)域尺寸極其微小，力學(xué)性能梯度變化顯著，例如焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)等，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣進(jìn)行小沖桿試驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能的精細(xì)化表征。若開(kāi)展小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)，則有望得到其局部的力學(xué)性能，解決上述問(wèn)題。然而，現(xiàn)階段各個(gè)國(guó)家和地區(qū)相關(guān)試驗(yàn)草案與標(biāo)準(zhǔn)中給出的小沖桿試驗(yàn)表征材料力學(xué)性能的方法均由標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣試驗(yàn)結(jié)果得到，對(duì)于非標(biāo)小厚度小沖桿試樣尚未形成系統(tǒng)研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者首先對(duì)X65、X70及X80鋼級(jí)管道鋼材料分別開(kāi)展單軸拉伸試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣小沖桿試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果擬合適用于高鋼級(jí)管道材料的標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣小沖桿試驗(yàn)，確定屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式。之后以X80鋼為研究對(duì)象，對(duì)厚度分別為0.450、0.400、0.350、0.300及0.250 mm的系列非標(biāo)小厚度小沖桿試樣進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)分析厚度效應(yīng)對(duì)小沖桿試驗(yàn)結(jié)果的影響?；诜治鼋Y(jié)果，對(duì)受厚度效應(yīng)影響較大的抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式進(jìn)行修正，使其可用于非標(biāo)小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)結(jié)果的處理。最后通過(guò)試樣厚度為0.200 mm的小沖桿試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)極小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)的適用性，并通過(guò)不同批次X80鋼驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)不同高鋼級(jí)材料的適用性。研究結(jié)果可為不同高鋼級(jí)管材力學(xué)性能研究提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料取自鋼級(jí)分別為X65、X70及X80管道的母材區(qū)域。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，從管材上使用電火花線切割圓棒形單軸拉伸試樣，標(biāo)距段長(zhǎng)度為50 mm，直徑為10 mm。同時(shí)從管材臨近位置取下直徑d為10 mm，厚度t0為0.700 mm的圓片形小沖桿試樣，使用砂紙對(duì)初加工后的試樣表面進(jìn)行打磨，去除過(guò)熱影響區(qū)和加工硬化影響區(qū)，避免試樣含有裂紋和其他宏觀缺陷，最終制成不同厚度的小沖桿試樣。

單軸拉伸試驗(yàn)通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，使用位移加載控制，速率為2 mm/min，對(duì)于3種不同鋼級(jí)管材分別進(jìn)行3組平行試驗(yàn)以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。小沖桿試驗(yàn)通過(guò)自主研發(fā)的小沖桿試驗(yàn)裝置進(jìn)行，試驗(yàn)裝置由上下夾具、沖頭及試樣4部分組成，如圖1所示。各部分裝置尺寸均根據(jù)GB/T 29459.1—2012《在役承壓設(shè)備金屬材料小沖桿試驗(yàn)方法》要求設(shè)計(jì)，以此控制試驗(yàn)過(guò)程中沖頭半徑r、下夾具倒角R、下夾具孔徑D等夾具尺寸以及各部件間的摩擦等可能影響試驗(yàn)結(jié)果的因素。沖頭通過(guò)位移加載控制，速率為0.2 mm/min，利用載荷、位移傳感器分別記錄試驗(yàn)過(guò)程中沖頭所受的載荷及試樣中心的位移數(shù)據(jù)，直至試樣發(fā)生斷裂，得到完整的小沖桿試驗(yàn)載荷-位移曲線。每種材料及每種厚度試樣均進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)小沖桿試驗(yàn)確定屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度

不同鋼級(jí)管材小沖桿試驗(yàn)得到的典型載荷-位移曲線如圖2所示。圖2中曲線分為4個(gè)階段：彈性彎曲（Ⅰ）、塑性彎曲（Ⅱ）、薄膜伸張（Ⅲ）以及斷裂破壞（Ⅳ）階段。載荷-位移曲線上的一些特征參數(shù)可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)方法轉(zhuǎn)化為材料相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)，如屈服載荷Fp以及試樣承受的最大載荷Fmax等。其中，屈服載荷Fp根據(jù)GB/T 29459.2—2012《在役承壓設(shè)備金屬材料小沖桿試驗(yàn)方法第2部分：室溫下拉伸性能的試驗(yàn)方法》中所規(guī)定的雙切線法確定，即小沖桿載荷-位移曲線第Ⅰ階段斜率（切點(diǎn)u=0）和第Ⅲ階段斜率（切點(diǎn)u=t0）交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲線上的載荷值，如圖3所示。圖3中u表示位移。

不同管材單軸拉伸試驗(yàn)所得屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度性能參數(shù)如表1所示。以單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)得屈服強(qiáng)度Rp0.2及抗拉強(qiáng)度Rm為基準(zhǔn)，作為縱坐標(biāo)，以各組管材標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣小沖桿試驗(yàn)得到的屈服載荷Fp平均值及最大載荷Fmax平均值分別作為橫坐標(biāo)，得到如圖4所示曲線。不同管材各種小沖桿試驗(yàn)中的屈服載荷及最大載荷最大方差為13.23 N，說(shuō)明各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)明顯分散性。同時(shí)，由圖4可以看出，小沖桿試驗(yàn)與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)之間存在著良好的線性關(guān)系。

分別處理圖5不同厚度試樣小沖桿試驗(yàn)載荷-位移曲線，得到各自對(duì)應(yīng)的屈服載荷與最大載荷，列于表2中。由表2可以看出，二者均隨試樣厚度減小而降低，厚度效應(yīng)影響顯著，因此使用不同厚度試樣進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)化時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式考慮厚度影響具有必要性。基于表2中不同厚度試樣的屈服載荷與最大載荷，利用經(jīng)驗(yàn)公式（3）與（4）關(guān)聯(lián)得到材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，如表3所示。由表3可以看出，以0.500 mm厚度的標(biāo)準(zhǔn)試樣為基礎(chǔ)，隨試樣厚度逐漸減小，式（3）計(jì)算所得屈服強(qiáng)度與單軸拉伸試驗(yàn)所得屈服強(qiáng)度值相比誤差逐漸增大，在厚度為0.250 mm時(shí)達(dá)到最大誤差10.95%。所有試樣結(jié)果均滿足工程需求，說(shuō)明屈服強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式（3）對(duì)于X80鋼非標(biāo)小厚度小沖桿試樣仍然具有適用性。

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式（4）得到的不同厚度試樣確定的抗拉強(qiáng)度中，當(dāng)試樣接近標(biāo)準(zhǔn)厚度時(shí)結(jié)果與單軸拉伸結(jié)果相比誤差較小，滿足工程需求。但隨著試樣厚度減小，結(jié)果誤差顯著增大，當(dāng)試樣厚度減小至0.250 mm時(shí)誤差達(dá)到50.02%，已嚴(yán)重偏離單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明式（4）無(wú)法用于非標(biāo)小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)測(cè)試高鋼級(jí)管材的抗拉強(qiáng)度，需要進(jìn)一步修正。

2.3 抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式修正

為對(duì)抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式進(jìn)一步修正，首先觀察小沖桿試樣厚度對(duì)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式所得抗拉強(qiáng)度的影響，取同一厚度小沖桿試樣最大載荷的平均值及使用式（4）所得抗拉強(qiáng)度的平均值，探究不同厚度試樣二者間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖6所示。

2.4 非標(biāo)小厚度經(jīng)驗(yàn)公式適用性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證式（3）和式（6）應(yīng)用于高鋼級(jí)管材極小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)力學(xué)性能表征的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步采用厚度0.200 mm（做了3組試驗(yàn)，測(cè)量厚度分別為0.202 1、0.200 9和0.200 2 mm）的X80鋼試樣開(kāi)展小沖桿試驗(yàn)，載荷-位移曲線如圖7所示。

分別提取曲線中對(duì)應(yīng)的屈服載荷與最大載荷，代入屈服強(qiáng)度關(guān)聯(lián)公式（3）及修正后的抗拉強(qiáng)度關(guān)聯(lián)公式（6），計(jì)算得到材料相應(yīng)的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。

與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果相比，式（3）計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度誤差為12.98%，滿足工程需要。式（6）計(jì)算出的抗拉強(qiáng)度誤差為7.61%，遠(yuǎn)小于修正前公式（4）計(jì)算結(jié)果的誤差50.02%，說(shuō)明修正后的經(jīng)驗(yàn)公式可以用于處理極小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)結(jié)果，并且具有較高的準(zhǔn)確性。

通過(guò)不同批次的X80鋼材料進(jìn)一步驗(yàn)證小厚度試樣經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式的適用性。分別進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)以及試樣厚度0.250～0.500 mm的小沖桿試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。單軸拉伸試驗(yàn)所得屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為589及685 MPa，不同厚度試樣小沖桿試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)式（3）及（6）得到的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與拉伸試驗(yàn)結(jié)果相比，最大誤差分別為9.87%和5.61%，進(jìn)一步證明本文建立的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式對(duì)于非標(biāo)小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)具有良好的適用性。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）將不同高鋼級(jí)管材標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣小沖桿試驗(yàn)結(jié)果中屈服載荷、最大載荷與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，擬合得到小沖桿試驗(yàn)確定管道鋼材料屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的線性經(jīng)驗(yàn)公式，并進(jìn)一步確定為以厚度平方項(xiàng)為自變量的形式。當(dāng)小沖桿試樣厚度為0.250 mm時(shí)，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得屈服強(qiáng)度與拉伸試驗(yàn)結(jié)果相比最大誤差為10.95%，滿足工程需求，屈服強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣的小沖桿試驗(yàn)具有良好的適用性。而抗拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果最大誤差達(dá)到50.02%，需要進(jìn)一步修正。

（2）根據(jù)X80鋼系列非標(biāo)小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)結(jié)果中厚度效應(yīng)的影響，提出了抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式的修正形式。當(dāng)試樣厚度為0.250 mm時(shí)，修正后的抗拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果誤差僅為6.21%。利用試樣厚度為0.200 mm的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)修正公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，誤差為7.61%，修正后的抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣的小沖桿試驗(yàn)具有良好的適用性。

（3）利用不同批次X80鋼對(duì)最終建立的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度公式進(jìn)一步驗(yàn)證，不同厚度試樣小沖桿試驗(yàn)結(jié)果最大誤差分別為9.87%和5.61%，證明本文建立的基于小厚度試樣小沖桿試驗(yàn)的高鋼級(jí)管材力學(xué)性能表征方法具有較高的準(zhǔn)確性與適用性，有望應(yīng)用于不同高鋼級(jí)管道特殊區(qū)域局部力學(xué)性能精細(xì)表征研究。

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