管线钢断裂失效试验研究

管线钢断裂失效试验研究

管道运输是原油和天然气的最经济、最便捷、最重要的运输方式。国外，天然气输送管道发生了13km长的长距离断裂迅速扩展，并发生了中国多次发生的事件。随着石油天然气需求的增加，管道的输送压力和管道直径的增加加剧。与此同时，管道钢的强度和耐候性不断提高。通过引入当前的试验标准，提高了管道钢的强度和耐腐蚀性，并发生了新的破坏。例如，在扰动界面中存在层断裂和沉降试验（ddtt）异常沉降，因此现有的试验标准和试验方法无法客观地评估管道钢的性能。为了研究高性能管道钢的断裂性能，本文对不同形式的ddtt样品进行了准静态三个曲线断裂和脱轨锤断裂试验。研究了加载速度和口形对管道钢断裂的影响，分析了分层裂缝和异常断裂的原因以及分层裂缝对断裂的影响，为合理评价管道钢的断裂性能提供了基础。1试样及试验方法试验材料取自实际的X70天然气输送管道,其室温下的屈服强度超过482MPa(70ksi).分别制作了压制缺口(PN-DWTT)、人字型缺口(CN-DWTT)、有背槽的压制缺口(BS-PN-DWTT)和人字型缺口(BS-CN-DWTT)试样.试样根据APIRP5L3-1996及SY/T6476-2000试验标准的要求制作,几何尺寸为76.2mm×305mm×B(B为壁厚),准静态加载试样与动态加载试样的几何尺寸完全相同.背槽试样是在无背槽试样的断裂扩展平面背部(加载点处)开约3mm宽的槽,并用高强钢垫片填充,其厚度和深度与试样厚度相同,见图1.试样经压力展平,以保证其在试验过程中的稳定.准静态三点弯曲断裂试验在100t材料试验机上完成,试验采用位移控制加载方式,记录载荷、加荷点位移.系列温度示波落锤撕裂试验在美国产Dynatup8000试验机上进行,试验机最大冲击能量为13kJ,锤头最大冲击速度为6.9m/s.限于试验机的总冲击能量,仅对厚度为14.5mm的试样进行了系列温度示波落锤撕裂试验,并记录了落锤冲击的载荷-作用时间曲线.2试验结果2.1试验结构的抗起裂作用图2为X70管线钢(壁厚17.5mm)不同形式DWTT试样的准静态三点弯曲载荷-位移曲线.CN-DWTT试样的最大载荷(也是起裂载荷)明显低于PN-DWTT试样的最大载荷.PN-DWTT试样在裂纹起始前有较大的变形,而CN-DWTT试样在起裂前变形较小,表明人字型缺口可以减小裂纹起裂载荷和起裂功.比较BS-PN-DWTT和BS-CN-DWTT试样的载荷-位移曲线可知,背槽仅对试样载荷-位移曲线的尾部有明显影响,而对起裂前试样的受力状态影响较小.因此,不同的缺口形式对试样起裂载荷影响较大,对裂纹起裂后的稳定扩展阶段影响较小;背槽对试样的起裂载荷和裂纹稳定扩展阶段影响较小,但对载荷-位移曲线的尾部影响较大.因为PN-DWTT试样在断裂过程中比CN-DWTT试样所承受的最大载荷大,所以其断口压头处的展宽和压头压力影响深度均比CN-DWTT试样的大.因此,将DWTT试样压制缺口改为人字型缺口或裂纹,可以降低试样在断裂过程中所承受的最大载荷及起裂前的变形,从而减小压头对试样裂纹扩展的影响程度,见图3.背槽试样和无背槽试样所承受的最大载荷差别不大,但背槽增大了压头影响的区域和影响程度.对于背槽试样,压头的作用力除了通过作用于试样背部的压力向试样内部传递外,还通过填充背槽的钢垫片直接作用于背槽底部,这比无背槽试样仅通过试样本身的压力传递作用更直接,影响程度更大.2.2人型钢缺口试样的断口形貌示波落锤撕裂试验机可以记录试验过程中锤头作用力和时间的关系曲线,根据积分可以得到锤头作用力与位移的关系,从中得到试样的起裂功、试样断裂消耗的总功等参数.图4为X70管线钢压制缺口落锤撕裂试样(无背槽,厚度14.6mm)的载荷-时间及其对应的锤头速度曲线.在曲线的开始阶段,试样首先产生弹性变形,冲击载荷随位移的增加呈线性增加.载荷增加到一定程度后,增长率减小,试样压制缺口根部的厚度中心起裂,但仅限于很小的三角形范围,并未引起整个试样断面起裂.随着载荷继续增加,试样缺口根部发生塑性变形.载荷和变形继续增加,当载荷达到最大值后,试样韧性起裂.随着裂纹扩展,载荷逐渐下降.当试验温度较高时,由于X70管线钢材料本身具有良好的韧性,因此试样韧性起裂,载荷随着位移增加逐渐降低,此时的裂纹扩展是在锤头所做的功和试样的弹性应变能(起裂前试样所吸收的锤头功)共同作用下产生的,裂纹速度从0逐渐增加.在试验过程中,锤头速度随着试样吸收能量的增加而逐渐减小,见图4.锤头对试样的作用力与试样的裂纹扩展速度有关,裂纹扩展速度越慢,锤头对试样的作用力就越大.锤头对试样所做的功使试样裂纹扩展、塑性变形和内能增加.试样的内能包括应变能和动能,当内能大于某一值时,内能和锤头共同作用可使试样裂纹加速扩展.如果试样中储存的内能足以维持裂纹扩展,锤头有可能与试样脱离接触,此时锤头对试样的作用力为0,试样裂纹扩展所消耗的全部能量来自试样的内能.当试验温度较低时,试样压制缺口根部的厚度中心脆性起裂.由于试样材料本身韧性较低,其断裂也具有脆性特征,形变硬化区和其后的撕裂区成为一个脆性整体,载荷将一直陡降到试样完全断开为止,见图5.裂纹脆性起裂后在极短的时间内达到非常高的扩展速度,裂纹由弹性应变能驱动快速扩展,锤头脱离试样且速度不再降低.锤头的最终速度与试样吸收的功有关.DWTT试样的断口形貌受温度影响,不同温度下呈现不同的断口形貌.图6为系列温度下压制缺口试样的断口形貌.随着温度升高,断口由解理断裂向剪切断裂转变,对所试验的管线钢,其韧脆形貌转变温度在-20℃~-30℃之间.值得注意的是在转变温度以上,-20℃和-15℃断口上的锤击侧出现了局部脆性断裂区.这两个试样均是在韧性起裂后,断口由韧性断裂转变为脆性断裂,属于试验标准所规定的异常断口.随着试验温度升高,锤击侧脆性断裂面积逐渐减小,直至完全消失.当试验温度较低时,试样为脆性起裂和扩展.异常断口主要出现在韧脆转变温度以上接近韧脆转变温度的韧性起裂断口试样上.人字型缺口和线切割缺口试样的断口与压制缺口试样的断口均有相似规律.因此,仅通过改变试样缺口形式来减小试样的起裂载荷和起裂功,并不能完全避免产生异常断口.另外,在DWTT试验中,不同缺口形式的试样断口均出现了不同程度的分层裂纹,且分层程度与温度有关,-15℃和-20℃试样断口的分层情况最严重.在韧脆转变温度以下的脆性断裂断口或韧脆转变温度区混合型断口的脆性断裂区中,未出现分层裂纹.随着试验温度升高,分层裂纹的数量、长度及张开宽度均降低.材料的力学性能与温度有关,示波落锤撕裂试验所记录的DWTT试样断裂过程的力学参数受环境温度的影响.由图7中不同形式试样的断裂总功与温度的关系可以看出,在-20℃以上,试样断裂总功基本保持不变,低于此温度时,断裂总功迅速下降,断裂由韧性向脆性转变.在相同温度下,压制缺口试样的断裂总功大于人字型缺口试样的总功,而人字型缺口试样的总功大于线切割缺口试样的总功.背槽对试样起裂阶段和裂纹稳定扩展阶段的影响很小,仅对试样断裂载荷-位移曲线尾部的非稳定扩展段有明显影响.压制缺口试样的断裂总功中除了裂纹扩展功外,还包含相当大的起裂功,断裂最终阶段的非稳定扩展功在断裂总功中仅占很小一部分,而人字型缺口试样的起裂功比压制缺口试样的起裂功小得多,人字型缺口试样断裂最终阶段的非稳定扩展功在断裂总功中所占的比例比压制缺口试样所占的比例大.因此,背槽对压制缺口试样断裂总功的影响较小,对人字型缺口试样断裂总功的影响较大.3分析与讨论3.1宏观小分层裂纹宏观扩展断口拉拔断口裂纹宏观组织分布特征准静态断裂试样和落锤撕裂试样断口上均出现了不同程度的分层裂纹,但断口的形貌特征不同,见图8.在准静态断裂状态下通常发生整个裂纹扩展面的I型裂纹扩展,裂纹扩展面以厚度中心为对称线,两边均匀向前扩展.在动态断裂状态下,裂纹扩展以剪切方式发生,整个裂纹扩展平面与加载方向成45°角.准静态断裂断口的主裂纹扩展面方向与加载方向垂直,分层裂纹充分张开,在较大的分层裂纹之间还出现了许多小的分层裂纹.主裂纹扩展是由于分层裂纹之间的材料以剪切方式断裂而形成的,局部为与加载方向成45°角的小斜面.韧性动态扩展断口的裂纹扩展平面与加载方向成45°角.在主裂纹扩展过程中,裂纹在外载荷作用下加速或重新起裂时,主裂纹扩展面可能沿原方向扩展,也可能扭转90°后扩展,扭转后的主裂纹扩展面依然与加载方向成45°角.动态断裂分层裂纹的间距较大,且大的分层裂纹之间未观察到宏观小分层裂纹.分层裂纹集中在试样厚度的中部,厚度中心最长,越接近边缘越短,常常呈现周期性的箭头状,见图8b.分层裂纹的这种分布与试样厚度方向的离面应力梯度和裂纹扩展过程中应力的周期释放有关.3.2锤头速度对裂纹扩展的影响裂纹扩展速度与锤头速度是两个不同的概念,示波落锤试验机记录的是试样断裂过程中锤头的速度,并不能直接记录断裂过程中裂纹的扩展速度.锤头速度的降低与试样吸收的能量有关,试样吸收能量越多,锤头速度就越低,见图4.裂纹扩展速度与材料的力学性能和应力状态有关,裂纹扩展是锤头功和试样内能共同作用的结果.对于裂纹扩展速度较慢的韧性断裂,锤头速度越高,试样的裂纹扩展速度就越高,但对于脆性断裂,裂纹的扩展速度很高,试样脆性起裂后锤头脱离试样,锤头速度对裂纹的脆性扩展速度影响较小.从图8b可以观察到韧性断裂面上非常明显的裂纹止裂和起裂痕迹.韧性断裂扩展是由许多裂纹扩展、止裂、重新起裂过程所组成的,裂纹在整个韧带上的扩展速度变化很大,裂纹扩展速度的变化又引起裂尖应力状态发生变化,从而使裂纹扩展的韧脆状态和方向改变,而这种改变也可产生异常断口.4增设异常断口型(1)在试样断裂过程中,断口出现了不同程度的分层裂纹,韧脆转变温度附近分层程度最高,而在韧脆转变温度以下的脆性断裂断口或韧脆转变温度区混合型断口的脆性断裂区中,则不出现分层裂纹.随着试验温度升高,分层裂纹的数