试样减薄对厚壁管线管DWTT性能影响研究

杨专钊，魏伟荣，王高峰，王长安

(1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司　北京　100101；2.中国石油集团石油管工程技术研究院　陕西　西安　710077；3.中海石油(中国)有限公司深圳分公司　广东　深圳　518067)



·试验研究·

试样减薄对厚壁管线管DWTT性能影响研究

杨专钊1,2，魏伟荣3，王高峰1,2，王长安1,2

(1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司北京100101；2.中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安710077；3.中海石油(中国)有限公司深圳分公司广东深圳518067)

摘要：采用摆锤式试验机和落锤试验机分别测试了厚壁钢管在20℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃以及-70℃等温度下DWTT性能，试样包括外表面减薄、从钢管内表面减薄、双面减薄以及全壁厚等4类试样。通过测量剪切面积，拟合出各类试样相应韧脆转变曲线，并推测出各类试样韧脆转变温度FATT50%。结果显示，同样试验条件下，减薄试样测试结果优于全壁厚试样结果，而且落锤试验机测试结果优于摆锤试验机结果。

关键词：落锤撕裂试验(DWTT)，摆锤撕裂试验，韧脆转变曲线，减薄试样，管线钢管

0引言

韧性是管线钢的一个重要力学性能指标，它被定义为管线钢在塑性变形和断裂过程中所吸收的能量，从物理意义上讲，韧性是对变形和断裂的综合表述。在管线钢领域中，通常以夏比冲击试验、落锤撕裂试验进行韧性的测试和评价，虽然夏比冲击试验简单易行，在管线钢中得到了广泛的应用，但不能把冲击所测得的韧脆转变温度等同于管线钢管的实物的韧脆转变温度。研究表明韧脆转变温度受到试样的形状、尺寸、应力状态和加载速度等多方面的因素的作用，由于夏比冲击试验尺寸小，其几何约束远小于实际构件的几何约束，因而不能反映构件的实际韧性情况。为了进一步解决管线钢韧性评定问题，使得实验室试验更好地模拟实物，从而使试验结果进一步符合实际服役条件，可使用落锤撕裂试验(DWTT)对夏比冲击试验进行延伸和扩展。落锤试验(DWT) 是美国海军研究所(NRL)W.S.Pellini 和P.P.Puzak 等人在1950 年开创的,用来研究具有温度转变行为的铁素体结构钢的抗脆性断裂性能的一种工程试验方法[1]。

DWTT试验的优点在于：(1)采用了全壁厚板状试样，因而更接近管道实际的应力、应变状态；(2)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。DWTT的试验结果主要是建立断口形貌与温度的关系，从而确定管线钢的韧脆转变温度，DWTT被广泛应用的原因是因为这种试验所获得的结果与全尺寸气爆试验结果吻合程度较高。

目前,国内管线钢管生产中落锤撕裂试验常用的标准有GB/T 8363-2007《铁素体钢落锤撕裂试验方法》[2-4]、SY /T 6476- 2007《输送钢管落锤撕裂试验方法》[5]和API RP 5L3-1996《管线钢管落锤撕裂试验推荐作法》[6]。对于DWTT,不同的标准均规定,对于大壁厚管线钢管可采用规定原壁厚试样或是减薄至19 mm的试样，试样减薄可以是单面减薄或双面减薄。

ASTM E436只规定了壁厚范围为3.18～19 mm的试样[7]，对于厚壁试样，API 5L RP3-1996和GB/T 8363-2007，钢管壁厚大于19 mm的，可以选择：1)全壁厚；2)采用机械加工方法减薄至19 mm(单面或双面)，而DNV-OS-F101，明确推荐采用双面减薄试样[8]。若采用减薄试样，试验温度应该相应降低。降低幅度随壁厚减薄量台阶而增加。对于高钢级高韧性厚壁管线钢的DWT试验，在管线钢产品标准和DWT试验标准中均未给出特殊规定。在产品标准中，只给出“由检验用户和承包商协商”的建议。随着国内外高钢级、厚壁钢管的产品开发，对于大于19 mm及以上对各类钢管产品标准和试验应该补充和完善[9]。

因此，本研究就Ф762×38.1 mm X70厚壁海管减薄试样与全壁厚试样DWTT试验展开研究与分析，通过落锤试验机与摆锤试验机两种试验机型，通过DWTT系列温度确定其韧脆转变温度，研究减薄试样与非减薄试样断裂韧性的差别。

1试验方法、材料与设备

本研究所使用试样来源于Φ762×31.8 mm X70直缝埋弧焊管，试样在距焊缝90°处横向截取。试样设计四组，分别为从钢管外表面减薄、从钢管内表面减薄、双面减薄和全壁厚试样。减薄试样尺寸为305 mm×76.2 mm×19 mm，全壁厚试样，试样尺寸为305 mm×76.2 mm×31.8 mm。试样缺口形式均为压制V型缺口，缺口角度为45°±2°，缺口深度为5 mm±0.5 mm；试验温度为20℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃和-70℃，每个温度点测试2个试样，分析测定每个试样的单个剪切面积及其平均剪切面积。

本次试验分别使用JL-50000型落锤试验机以及HIT 50KP型摆锤试验机，两种试验机最大能量为50 000 J。

2结果分析与讨论

对落锤试验机及大摆锤试验机所测数据进行分析，拟合出相应韧脆转变曲线，如图1、图2所示。由图1可见，若由落锤试验机所测数据来确定其韧脆转变温度，该材质的FATT50%温度范围约为-35℃～-44℃，其中双面减薄试样的FATT50%约为-44℃，其次是从钢管内表面减薄试样，约为-41℃，接下来是全壁厚试样，约为-37℃，最后为从钢管外表面减薄试样，约为-35℃。总体来说，全壁厚试样的FATT50%大于减薄试样的FATT50%。

由图2可见，若由大摆锤试验机所测数据来确定其韧脆转变温度，该材质的FATT50%温度范围约为-25℃～-45℃，其中从钢管内表面减薄试样的FATT50%约为-45℃，其次是从钢管外表面减薄试样，约为-33℃，接下来是双面减薄试样，约为-30℃，最后为全壁厚试样，约为-25℃。从该图可以看出，全壁厚试样的FATT50%大于减薄试样的FATT 50%。

图2　摆锤试验机所测数据韧脆转变曲线

综上所述，无论是使用落锤试验机还是使用大摆锤试验机，所得到的该材料全壁厚试样FATT50%总是大于减薄试样的FATT50%，这就说明在进行大壁厚材料的DWTT试验时，若是使用减薄试样，则应降低相应的试验温度。这正验证了API RP 5L3-1996《管线钢管落锤撕裂试验推荐作法》等实验标准的要求，既“若采用减薄试样，则实际的试验温度应低于规定试验温度”。对于该规格钢管，若是使用减薄试样，按照API RP 5L3-1996《管线钢管落锤撕裂试验推荐作法》等试验标准的要求，其温度应该降低17℃，由图1与图2可以看出，全壁厚试样与减薄试样FATT50%的最大温差分别约为9℃(落锤)与20℃(摆锤)。

此外，API RP 5L3-1996《管线钢管落锤撕裂试验推荐作法》等试验标准要求，对于减薄试样，可对试样的一个或两个表面进行机械加工，相关文献指出，单面减薄试样韧性优于双面减薄试样韧性，这是因为材料在厚度方向上具有性能不均匀性，钢板在热机械控轧工艺( TMCP)生产过程中,由于钢锭边部冷却速度较快,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,晶体颗粒粗大,轧制获得的钢板中部韧性也较差。这样,当采用减薄试样进行DWTT 试验时,由于单面减薄试样保留了一侧韧性较好的部分,双面减薄试样将两侧韧性较好部分均进行去除,而保留中间韧性较差部分,所以单面减薄试样测得的剪切面积好于双面减薄试样。就本次两种实验方法来看，并没有表变现出这样的规律。这可能与影响DWTT评定的其他因素有关，如断口剪切面积评判方法的影响、试验设备的影响、缺口型式的影响等。

3两种试验设备实验结果的比较

对两种试验设备的试验结果进行比较，如图3所示。可见，两种试验设备实验结果中，单面减薄试样的FATT50%较为接近，而双面减薄及全壁厚试样的FATT50%较大。

此外，从图中的比较可知，落锤试验机所得结果的韧脆转变曲线总体上靠左，既落锤试验机与摆锤试验机在相同的试验温度下，落锤试验机的试验剪切面积较大，图4为两种试验机在相同的温度(-50℃)双面减薄试样断口照片。由此可知，就本次试验来说，落锤试验机所确定的FATT50%总体上较低。

图3　不同类型试样两种试验设备试验结果

4结论

1)虽然通用的钢管标准允许采用全壁厚试样或减薄试样降温测试性能指标，但通过试验对比研究，采用减薄试样降温测试更容易达到性能指标要求；

2)为确保钢管安全运行，更全面真实地反映钢管的落锤性能，对于厚壁钢管尽量选择全壁厚DWTT试样；

3)落锤试验机所得结果的韧脆转变曲线总体上靠左，既落锤试验机与摆锤试验机在相同的试验温度下，落锤试验机的试验剪切面积较大；

图4　两种试验设备试验结果断口

4)由于研究期限限制以及试验数据量相对不足，上述结论尚需进一步试验验证和研究。

参 考 文 献

[1] 马建坡,方 亮,吉嘉龙.落锤试验试样厚度尺寸效应对TNDT的影响[J].材料开发与应用，2004,19(1):5-8.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.铁素体钢落锤撕裂试验方法：GB 8363- 2007 [S].北京：中国标准出版社，2007.

[3] 王树人,陈宏达,杨蔚东.落锤撕裂试验新旧标准的对比分析[J].焊管，2009，32(9)：67-70.

[4] 孙宏.GB/T 8363-2007铁素体钢落锤撕裂试验方法简介[J].焊管，2010，33(5):64-66.

[5] 国家发展改革委员会.输送钢管落锤撕裂试验方法：SY /T 6476- 2007 [S].北京：石油工业出版社，2007.

[6] American Petroleum Institute.Recommended Practice for Conducting Drop-Weight Tear Tests on Line Pipe :API RP 5L3-1996[S].1996.

[7] American Society of Mechanical Engineers.Standard Test Method for Drop-Weight Tear Tests of Ferritic Steels: ASTM E436 - 03(2008) [S].2008.

[8] DET Norske Veritas.Submarine Pipeline Systems :DNV-OS-F101 [S].2007.

[9] 杨专钊,李安强,杨溪,等.关于DWTT的管线钢产品标准和试验标准对比分析[J].焊管，2011,34(08)：59-62.

Influence of Specimen Thickness Reducing on the DWTT Properties of the Heavy Wall Thickness Linepipe

YANG ZhuanZhao1,2,WEI Weirong3,WANG Gaofeng1,2,WANG Changan1,2

(1.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.Ltd.,Beijing 100101,China; 2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi′an,Shaanxi 710077,China； 3.Shenzhen Branch of China National Offshore Oil Corporation,Shenzhen,Guangdong 518067,China)

Abstract：The series DWTT properties of the heavy wall thickness linepipe were tested by both traditional drop weight tear test machine and the 50000J pendulum impact testing machine at the temperature of 20℃,0℃,-10℃,-30℃,-50℃ and-70℃ respectively.The series specimens were designed as the reduced specimen from the outside surface,reduced specimen from the inside surface,reduced specimen from the both side and the whole scale thickness specimen.The shear area of each specimen was measured and calculated,and the ductile-brittle transition curve of each sorts of specimen was fitted,so that the ductile-brittle transition temperature (FATT50%) was estimated.The results showed that the reduced specimens were better than the whole scale thickness specimen,so did the drop weight tear test.

Key words：drop weight tear test;pendulum impact test;ductile-brittle transition curve;reduced thickness specimen;line pipe

第一作者简介：杨专钊，男，1979年生，研究生，高级工程师，主要从事石油管工程研究开发、技术咨询和技术支持服务工作。E-mail:yangzhuanzhao@163.com

中图法分类号：TG115.5+7

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)03-0045-04

(收稿日期：2015-12-27编辑：葛明君)