试样减薄方式对落锤撕裂试验结果的影响*

张伟卫， 谢 萍， 杨 明， 池 强， 高雄雄， 封 辉

（1. 中国石油集团石油管工程技术研究院， 西安710077；2. 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室， 西安710077；3. 中石油管道有限责任公司西部分公司， 乌鲁木齐830000）

落 锤 撕 裂 试 验 （DWTT， drop weight tear test） 被用于测定钢管抗裂纹扩展的能力， 已经具备了成熟的试验标准， 对试验方法、 试验条件、 断口评定都作了相关规定[1]。 目前国内钢管行业常用的试验标准主要有美国石油学会的《管线管落锤撕裂试验推荐作法》 （API RP 5L3—2014）、 《输送钢管落锤撕裂试验方法》 （SY/T 6476—2017） 等[2]。

在标准制定初期， 管线钢以铁素体钢为主，试验机的冲击能力往往也较小。 随着管线钢强度等级、 韧性水平以及钢管壁厚的不断提升， 管线钢逐渐发展为针状铁物体、 贝氏体为主的高强度高韧性管线钢， 试验机的冲击能力也逐渐升高[1-3]。目前国内中俄东线天然气管道工程用钢管的壁厚已达到32. 1 mm， 虽然主流试验机冲击能力为50 kJ， 但仍然面临DWTT 试样需要减薄的问题。相关标准仅对早期管线钢进行了研究， 规定了DWTT 试样减薄量和温度降低指标， 针对针状铁素体型X80 厚壁管线钢的DWTT 试样减薄方式、降低温度等问题， 需进一步开展研究， 确定试验方法的适用性， 为DWTT 试验在工程实际应用提供参考。

1 试验材料和方法

本研究采用的样品来自中俄东线、 西三线等天然气管道工程用管线钢管， 试验材料主要参数及取样位置见表1。

表1 试验材料主要参数及取样位置

采用全壁厚试样和减薄试样。 减薄试样包括外壁减薄、 内壁减薄和双面减薄。 外壁减薄或内壁减薄试样是指分别从钢管外壁表面或内壁表面减薄至规定壁厚， 双面减薄试样是同时从钢管外壁和内壁表面减薄相同的厚度至规定壁厚。 所有减薄试样的最终尺寸为305 mm×76.2 mm×19.0 mm， 试样缺口形式为压制V 形缺口， 缺口角度45°±2°， 缺口深度（5.1±0.51） mm。

DWTT 在100 kJ 落锤试验机上进行， 试验温度包括20～-60 ℃的系列温度， 目的是得到剪切面积为85%时的韧脆转变温度FATT85， 并与SY/T 6476—2017 中规定的试样减薄后的温度降低量ΔT 进行对比分析， 表2 给出了SY/T 6476—2017 中规定的试样减薄后的温度降低量要求[4]。

表2 SY/T 6476—2017 规定的试验温度降低量

2 试验结果和讨论

2.1 试验结果

图1 分别给出了壁厚30.8 mm 和壁厚26.4 mm X80 试样减薄前后的DWTT 剪切面积和韧脆转变曲线。 表3 给出了两个规格试样的DWTT 韧脆转变温度FATT85。

从图1 和表3 可以看出， 随着试验温度的降低， DWTT 试样剪切面积逐渐减小； 与全壁厚试样相比， 不同减薄方式试样的韧脆转变温度均明显降低。

表3 不同壁厚试样DWTT 韧脆转变温度试验结果

2.2 结果分析

26.4 mm X80 钢管减薄前后的DWTT 断口形貌。相同试验温度时， 减薄后的试样剪切面积明显高于全壁厚试样。 这是因为当试样变厚时， 在外力作用下， 沿厚度方向的收缩和变形所受到的约束会增加， 材料约束由平面应力状态向平面应变状态过渡， 冲击时产生较大形变硬化， 使试样断口的脆性区增加， 剪切面积下降。

以上分析表明， 在进行厚壁钢管DWTT 试验时， 若是使用减薄试样， 则应降低试验温度，才能使减薄后的试样与全壁厚试样剪切面积趋于一致。 这与SY/T 6476—2017 等相关标准的要求“若采用减薄试样， 则实际试验温度应低于规定试验温度”[4]相符。 本研究中， 对于壁厚30.8 mm钢管， 若是使用减薄试样， 按照标准要求， 其试验温度应该降低17 ℃； 对于壁厚26.4 mm 钢管，若是使用减薄试样， 其温度应该降低11 ℃。 由图1 可以看出， 双面减薄试样比全壁厚试样的韧脆转变温度降低量基本与相关标准规定一致， 单面减薄试样比全壁厚试样的韧脆转变温度降低量大于相关标准试验温度降低规定值。

图2 DWTT 试样减薄前后断口形貌

为了使试验数据更有代表性， 我们采用了外径1 422 mm 和1 219 mm、 壁厚21.4～32.1 mm 的钢管试样进行了54 组系列温度的DWTT 试验，取样位置距离钢管焊缝90°， 方向为钢管管体横向（周向）， 得到了双面减薄、 内壁减薄、 外壁减薄试验的韧脆转变温度， 并与全壁厚试验的韧脆转变温度进行了对比， 试验结果如图3 所示。

图3 试样减薄前后DWTT 韧脆转变温度对比

从图3 可以看出， 与原始壁厚相比， 双面减薄试验韧脆转变温度降低量最小， 均值5～15 ℃；内壁和外壁减薄方式的韧脆转变温度差异不大，均值10～25 ℃。 原壁厚试样韧脆转变温度越高，减薄试样的温度降低量越大， 即单面减薄试样的韧性优于双面减薄试样。 这是因为材料在厚度方向性能不均匀， 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， 此处材料晶粒较细， 轧制得到的钢板表面晶粒较细，材料韧性也较好， 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[5-10]。 因此， 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。

把图3 中的数据按壁厚及表2 给出的SY/T 6476—2017 规定的不同壁厚减薄至19 mm 时的温度降低量进行归类拟合， 得到不同壁厚试样减薄至19 mm 后相对于原始壁厚试样韧脆转变温度的降低量， 结果如图4 所示。

图4 不同减薄方式实际温度降低量对比

从图4 可以看出， 随试样原始壁厚增加， 减薄至19 mm 后韧脆转变温度降低量增加。 按SY/T 6476—2017 标准温度降低量要求， 壁厚22.2 mm以下试样， 减薄后应降低6 ℃进行试验， 22.2～28.6 mm 应降低11 ℃， 28.6～39.7 mm 应降低17 ℃。但是从试验结果来看， 双面减薄试验的韧脆转变温度降低量与标准规定的等效温度降低值基本一致； 单面减薄试验的韧脆转变温度降低量明显大于标准规定的等效试验温度降低量。 外壁减薄时， 实际试验结果为壁厚22.2 mm 以下温度降低了9 ℃， 壁厚22.2～28.6 mm 时温度降低9～13 ℃，28.6 mm 以上温度降低13～35 ℃； 内壁减薄时，壁厚22.2mm 以下温度降低了13 ℃， 壁厚22.2～28.6 mm 时温度降低10～15 ℃， 28.6 mm 以上时温度降低15～40 ℃。 因此， 按SY/T 6476—2017 标准规定的温度降低量要求进行减薄DWTT 试验时， 外壁减薄和内壁减薄试验结果更偏于危险。

3 结 论

（1） 厚壁管线钢管， 壁厚尺寸效应和减薄方式对DWTT 韧脆转变的影响十分显著， 双面减薄试验的韧脆转变温度降低量与SY/T 6476—2017 标准规定等效温度降低值基本一致， 单面减薄试验的韧脆转变温度降低量明显大于标准规定的等效试验温度降低量。

（2） 材料在厚度方向组织性能不均匀， 表面晶粒较细， 材料韧性较好； 中心晶粒粗大，韧性较差。 减薄后， 单面减薄试样保留了壁厚一侧韧性较好的部分， 双面减薄试样仅保留了中间韧性较差部分， 使得单面减薄试样的剪切面积优于双面减薄试样。

（3） 相同试验条件下， 试样截面尺寸是影响剪切面积的主要因素， 试样厚度增加， 材料所受约束由平面应力状态向平面应变状态过渡，更容易出现脆性断裂。

（4） 壁厚32.1 mm 以下的钢管采用减薄方式进行DWTT 试验时， 尽量采用全壁厚试样，当试验机能力无法满足需要而必须对试样进行减薄时， 应采用双面减薄试验代替全壁厚试验。如果采用单面减薄试样进行试验时， 应比标准规定的温度降低量降低更多的温度。