影响管线钢管落锤断裂试验结果的因素分析

影响管线钢管落锤断裂试验结果的因素分析

随着世界石油和天然气工业的快速发展，管道长度输送的建设正在转向大直径、大壁厚和高压输送，这就要求管道管道具有较高的强度和弹性。落锤撕裂试验(dropweightteartest,DWTT)是一种用于评定材料脆性断裂或延性断裂性能的重要方法,为获得具有良好延性断裂的止裂性能管线钢管提供了重要的检验和试验依据。随着管线钢管强度和韧性的不断提高,以及壁厚的不断增大,当采用现行落锤撕裂试验标准对材料断裂性能进行检验时,就出现了一些影响试验结果的问题。笔者从材料的不均匀性、韧脆转变温度、断口剪切面积评定方法、减薄试样加工方法以及试验设备等方面分析了影响X70高钢级大壁厚管线钢管DWTT的因素,并提出了一些减少DWTT结果误差的方法。某钢管制造厂在进行规格为ϕ765.2mm×31.8mm的X70高钢级大壁厚UOE海底管线钢管试制时,根据规范要求,试验标准为APIRP5L3-1996《管线钢管落锤撕裂试验推荐作法》,按-10℃的DWTT结果验收试制钢管,工厂进行了全壁厚和单面减薄(至19mm)两种试样的落锤撕裂试验并对试验结果进行比对。按照APIRP5L3-1996要求,当采用减薄试样时,试验应在原始温度下降低17℃进行,既在-27℃下进行试验。DWTT结果表明,全壁厚试样的断口剪切面积为70%和75%,而减薄试样的剪切面积仅为55%和60%,如图1所示。同一规格和钢级且位置邻近的材料由于试验方法的不同,其DWTT结果却存在较大的差异,笔者针对这个问题进行了分析与研究。1影响dtl性能的因素分析1.1p钢锭边部冷却管线钢管的不均匀性对于DWTT断口的评价有明显影响,在热机械控轧工艺(TMCP)生产过程中,由于钢锭边部冷却速率较快,此处材料的晶粒较细,轧制得到的钢板表面晶粒较细,材料的韧性也较好,而相应于钢锭中心由于是偏析杂质富集区,且晶体颗粒粗大,材料的韧性也较差。因此,DWTT试样减薄的位置会直接影响试验结果。1.2钢管的验收根据文献,X70级管线钢的韧脆转变温度在-20～-30℃。采用全壁厚试样时,以-10℃的DWTT结果进行钢管的验收,在该温度下进行试验,试样处在材料的韧性温度区;当采用减薄试样进行试验时,试验温度降低17℃,即在-27℃下进行,使得本来在韧性温度区进行的试验改在脆性区内进行,从而造成材料的断口剪切面积大幅下降,使试验产生完全不同的结果。1.3试验结果的测量关于DWTT断口剪切面积百分数的测定,一般有如下几种方法:①图像法在断口照片或光学投影图上用求积仪来测出断口剪切面积,该方法虽然准确,但是操作较复杂,并不常用于生产现场断口剪切面积的评定,更多的是作为一种对异议评定的仲裁方法;②对比法将断口与一组相同厚度、预先经过标定的断口照片或实物断口相对比,该方法由于可操作性不强,在实际的现场生产中采用的也不多。③测量法在实际钢管生产试验过程中,试样断口剪切面积百分数的测定,按照APIRP5L3-1996附录A的规定,可以采用如下公式计算:SA=(71−2t)t0−S(71−2t)t0×100%(1)SA=(71-2t)t0-S(71-2t)t0×100%(1)式中S——评定区域内脆性区域面积;t——试样断口评定剪切面积时两侧略去不计的长度,当钢管壁厚大于19mm时,不管减薄与否,t均取19mm)。t0——试样厚度。对于薄壁试样和减薄试样,在试样断裂时由于断口的塑性变形量较小,采用该公式以原始壁厚t0为基准,此时t=t0,计算评定区域面积为(71-2t0)t0,对剪切面积百分数的评定并不会有太大的误差。对于大壁厚(t≥19mm)的全尺寸试样,由于受厚度方向的离面应力作用和塑性变形,试样断面截面产生沿厚度方向的收缩,收缩程度和塑性变形范围与试样厚度有关,试样厚度增加,收缩增大,塑性变形范围也增大,利用公式以原始壁厚t0为基准,得出评定区域面积为33t0,扣除评定区域内脆性区面积S来计算剪切面积,此时由于试样的变形,实际的评定区域面积并不等于33t0,造成评定结果的误差较大。可见由于剪切面积测量方法的误差,也会使得全壁厚试样和减薄试样的评定结果产生较大的差异。1.4减薄试样的加工当采用减薄试样进行DWTT时,对于试样的加工,APIRP5L3-1996规定可以从试样的一个或两个表面进行加工,将厚度减薄至19.0mm。由于材料存在不均匀性,单面减薄试样时保留了一面韧性较好的表面部分,双面减薄试样时去除了两面韧性较好的表面部分,而保留了中间韧性较差的部分。因此,采用单面减薄试样测得的剪切面积将好于采用双面减薄试样测得的。1.5试验方法早期管线钢需要的锤断能量较低,对支座的尺寸要求不高。但随着管线钢轧制技术的发展,需要的锤断能量迅速增加。目前,落锤撕裂试验机主要是依据GB/T8363-2007《钢材落锤撕裂试验方法》和APIRP5L3-1996设计的。其支座圆弧半径为(14.3±1.59)mm,虽然50000J落锤撕裂试验机完全具有锤断试样所需的能量,但由于结构设计的不合理,造成经常会出现支座支辊断裂损坏等问题。为保证设备的利用率,工厂一般采用减薄试样的方法进行DWTT,这就会带来相应的问题。2解决问题的方法2.1u3000回归对于韧性较高的管线钢,优先选用人字型缺口(cheveronnotch),这种缺口可以消除与某些韧性较高管线钢有关的过多的初始能量。例如,对于“西气东输”工程所用的钢级为X70、壁厚为14.6mm的管线钢来讲,其夏比冲击功实测值一般为260～460J,采用人字型缺口进行落锤撕裂试验所需要的锤断能量要比采用压制缺口进行落锤撕裂试验所需要的锤断能量减少3000～4000J;对于壁厚大于25.4mm的管线钢,虽然APIRP5L3-1996中没有数据说明,但从该标准中夏比冲击功与压制缺口和人字型缺口DWTT能量关系曲线的分布规律上看,其能量差异会更大。采用人字型缺口不但减少了压制缺口在压制过程中出现的加工硬化,而且所需锤断能量的降低还可以提高设备的使用寿命。2.2作用2.2细建议在落锤撕裂试验标准中对试验机的设计尺寸进行修改,对于锤断能量在30000J以上的落锤撕裂试验机的支座圆弧半径采用(20±5.0)mm,对于锤断能量不超过30000J的落锤撕裂试验机支座圆弧半径采用(14.3±1.59)mm。同时把原有的固定支座改为滚动支座,从而使支座受力均匀,降低变形的几率。3裂投料试样试验设备(1)为使DWTT在材料原有的使用状态和规定的设计温度下进行,在对高钢级大壁厚管线钢管进行试验时,宜采用大能量(50000J以上)的落锤撕裂试验机和全壁厚试样进行试验,尽量不采用小能量试验机和壁厚减薄的方式;对于全壁厚试样应准确测量变形后断裂面的评定区域面积,不宜直接采用原