x80管线钢在不同温度下的吸收能量测试

x80管线钢在不同温度下的吸收能量测试

0检测手段及测试对象材料的强度和柔软度是一个非常重要的性能指标。对于油气输送管道用钢管,特别是高压输气管道,材料的韧性尤为重要。评估金属材料的韧性优劣,通常采用的方法包括实验室小尺寸的夏比冲击试验、中等尺寸的落锤撕裂试验以及模拟实际管道的全尺寸气体爆破试验等。而落锤撕裂试验(DWTT)的结果与钢管全尺寸爆破试验结果相当吻合,更能接近材料的使用状态,反映其断裂的真实情况,且容易操作,因此被广泛应用于管线钢断裂韧性的评价,成为重要的质量验收指标之一。近年来,随着输送管道建设的快速发展,管道输送压力和直径不断增大,管线钢的强度和韧性也在不断提高。现有输送管标准对于落锤撕裂试验还只停留在对剪切面积的定量分析上,仅用剪切面积百分数来描述其韧性,这种方式已经无法满足技术发展对高钢级管线钢冲击韧性进行定量描述的需要,特别是对于断口出现异常断口发生时,现有的试验标准和试验方法对管线钢的性能已经无法做出客观评价。因此,对于高强度、高韧性管线钢而言,能量测试是必不可少的。目前,国内外在进行落锤撕裂能量测试时,均使用示波落锤式试验机,而示波摆锤式试验机仍属空白。近日,中国石油集团石油管工程技术研究院与德国ZWICK联合开发的50000J示波摆锤式落锤撕裂试验机已研制成功,并正式投入使用。笔者采用该设备对X80管道的DWTT试样进行了示波落锤撕裂试验,运用两种不同能量测试方法测试了不同温度下的吸收能量,并对测试结果进行了比较及原因分析。根据落锤试验吸收能量及夏比冲击试验吸收能量分别绘制韧脆转变温度曲线,得到不同的韧脆转变温度,对该现象进行了原因分析。1试验方法和设备本试验选取实际的X80天然气输送管道为试验材料,其化学成分见表1,力学性能见表2。落锤试样缺口形式为压制缺口,试样根据APIRP5L3—1996试验标准的要求制作,几何尺寸为76.2mm×305mm×t(t为壁厚)。根据APIRP5L3—1996标准要求方法,在20℃,0℃,-10℃,-20℃,-40℃和-60℃各测试一组试样,每组试样2个,对吸收能量及剪切面积进行记录。系列温度示波落锤撕裂试验在德国产ZWICKPIT50示波摆锤式落锤撕裂试验机上进行,试验机最大冲击能量为50kJ,记录冲击过程中的载荷-时间、载荷-位移曲线。夏比冲击试样为V形缺口,规格为10mm×10mm×55mm。根据ASTME23—2007标准要求方法,在20℃,0℃,-10℃,-20℃,-40℃和-60℃各测试一组试样,每组试样3个,对冲击吸收能量及剪切断面率进行记录。2试验结果与分析2.1能量-位移曲线积分该示波摆锤式落锤撕裂试验机共有两种冲击吸收能量测试方式:第一种为利用角度编码器通过摆锤冲击前后的扬角计算出落锤试样的吸收能量E角;第二种为通过载荷-位移曲线积分,积分所得面积即为吸收能量E示。由于目前落锤撕裂试验能量测试系统既无计量检定方法,亦无标准试样进行测量,故两种方法同时测定,可相互验证吸收能量测试结果。X80管线钢试样在不同温度下的落锤撕裂试验结果见表3。由表3可以看出,E角比E示高,这是由于E角包含了摆锤的风阻及摩擦,而E示是由载荷-位移曲线积分而得,不包含风阻及摩擦,因此E角比E示高。2.2锤头冲击试验结果示波摆锤式落锤撕裂试验机可以记录试验过程中载荷-时间的关系曲线,同时可根据角度编码器计算出位移值,得到载荷-位移曲线,根据载荷-位移曲线积分可得到试样落锤撕裂吸收能量。图1为X80管线钢落锤撕裂试样在不同温度下的载荷-位移曲线,图2为对应的锤头速度曲线。由图1可以看出,当试验温度较高时,在试验的开始阶段,试样缺口的根部首先产生弹性变形,冲击载荷随位移的增加呈线性迅速增加。载荷增加到一定程度后,增长速度逐渐减小或不再增加,此时,试样缺口根部发生塑性变形。随着缺口的钝化、形变硬化的产生,载荷再次提升达到最大值,此时,试样韧性起裂。随后由于裂纹的扩展,载荷逐渐下降。而当试验温度较低时,试样压制缺口根部脆性起裂。裂纹脆性起裂后在极短的时间内达到非常高的扩展速度,随着裂纹迅速扩展,载荷迅速降低。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,如图2所示。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。随着试验温度降低,试样总的吸收能量变得越小,裂纹扩展速度越来越快,因此,锤头的最终速度变得越来越大。2.3断裂稳定性测定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同样受环境温度的影响。由吸收能量及剪切面积绘制的韧脆转变温度曲线如图3所示。由图3中可以看出,落锤撕裂吸收能量绘制的韧脆温度转变曲线与剪切面积绘制的韧脆温度转变曲线形状基本相同,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。夏比冲击试验由于试样小、易加工、试验操作简单、试验时间短和费用低等优点,被广泛用于科研和实际生产中,通过测定冲击吸收能量绘制材料的韧脆转变温度曲线,从而得到韧脆转变温度。该X80管线钢夏比冲击试验吸收能量及剪切面积绘制的韧脆转变温度曲线如图4所示。由该曲线可看出,在整个试验温度范围内,冲击吸收功未有明显变化,而剪切面积基本保持不变,无法得到韧脆转变温度。韧脆转变温度受到试样形状、尺寸、应力状态和加载速率等多方面因素的影响。夏比冲击试样由于尺寸小,在外力作用下,沿厚度和宽度方向受到的约束远小于落锤撕裂试样,冲击时产生较少的形变硬化。因此,其测定值过高地估计了管线钢的韧性。而DWTT试验采用了全壁厚试样,更接近管道实际的应力、应变状态。试样宽度增加,裂纹扩展路径较长,可更好地反映实际管道中裂纹长程扩展的性质。由于DWTT试验曲线与全尺寸爆破试验曲线十分接近,因此DWTT试验更能真实地反映管道实际的韧脆行为。3试验结果分析(1)使用两种能量检测方式对X80管线钢在不同温度下的具体吸收能量进行了测试,为今后制定管线钢标准中落锤撕裂试验能量测试评判提供了参考依据。两种能量测试方法相互对比,相互验证。(2)在管线钢的动态断裂过程中,裂纹扩展由起裂、扩展、止裂过程所组成。不同温度下的载荷-位移曲线形状是不同的,随着温度的降低,达到最大载荷后的载荷下降速度加快。锤头的最终速度与试样总的吸收能量有关,试样吸收能量越大,锤头最终的速度越小,反之,试样吸收能量越小,锤头最终的速度越大。(3)根据落锤撕裂试验结果绘制的韧脆温度转变曲