管线钢与钢管落锤撕裂试验标准对比

陈 松

（华油钢管扬州分公司， 江苏 扬州225000）

落锤撕裂试验 （DWTT） 用于检测材料的韧性， 主要用于金属材料的低温脆性研究和评价， 目的是建立断口形貌与温度的关系， 被广泛应用于管线钢及钢管断裂韧性的评价， 同时作为衡量管线钢和钢管抵抗脆性开裂的韧性指标。 管线钢和钢管常用的落锤撕裂试验现行标准主要有API RP 5L3—2014 《输送钢管落锤撕裂试验推荐做法》[1]、 SY/T 6476—2017 《管线钢管落锤撕裂试验方法》[2]和GB/T 8363—2018 《钢材落锤撕裂试验方法》[3]。 各个标准之间既有共同点又有不同点， 经过对各个标准详细研究， 从适用范围、 试样制备、 设备参数、试验温度、 结果评价等方面对三项试验标准进行了对比分析。

1 标准的适用范围

三项标准在适用范围上不尽相同， API RP 5L3—2014 适用于API SPEC 5L 管线钢管规范中规定的所有钢种， 无厚度要求； SY/T 6476—2017 适用于管线钢管和制管用钢板、 板卷， 无厚度要求； GB/T 8363—2018 适用于厚度3～40 mm的钢板和管材。 因此， 三项标准都可用于管线钢管和制管用钢板、 板卷的落锤撕裂试验和结果评定， 但也应关注GB/T 8363—2018 对厚度的要求。

2 标准中关于试样制备的比较

三项标准在试样制备方面的主要差异见表1。由表1 可知， 三项标准对试样及缺口尺寸的要求基本一致， 尺寸偏差略有不同， API RP 5L3—2014 要求较为宽松， GB/T 8363—2018 要求相对严格。 三项标准之间存在的差异主要体现在以下两个方面： ①三项标准都规定缺口几何形状可选用压制缺口或人字形缺口， 但GB/T 8363—2018增加了一种新的试样类型作为辅助试样——人字形缺口背后开切口加垫片试样。 ②三项标准对于缺口形状的选择原则不同， API RP 5L3—2014和SY/T 6476—2017 中规定： 缺口形状优先选用压制缺口， 对出现异常断口的管线钢可选用人字形缺口进行复验。 而GB/T 8363—2018 中规定：低韧性管线钢应选用压制缺口， 高韧性管线钢优先选用人字形缺口。

对于减薄试样， 其实际试验温度应低于规定的试验温度， 其降低量见表2， 三项标准规定相同。 按照标准要求， 试验报告仍按规定的试验温度填写并注明减薄方法。 同时不同减薄方法可能会影响试验结果， 故不能将全壁厚试样与减薄试样、 不同减薄方法的试样所测得的结果进行对比[4]。

表1 三项标准关于试样制备的要求

表2 减薄试样试验温度的降低量

3 标准对试验设备参数的要求

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三项标准对试验设备的要求总体一致， 但也有一定的差异。 GB/T 8363—2018对两支座间距离和锤刃曲率半径2 个参数的要求更为严格， 另外公英制单位转换也造成一些参数有微小差异[5]， 具体参数见表3。

三项标准对试验设备要求的不同点主要体现在以下方面。

（1） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018对试验机结构有要求， 可为摆锤式或落锤式[6]；而API RP 5L3—2014 对试验机结构形式无要求，试验机可将试样一次冲断即可。

（2） GB/T 8363—2018 对试样支承装置的规定更加详尽， 规定支座应有足够的硬度（HRC＞56） 及两支座应平齐、 等高， 且规定试样支承装置应具有足够的空间确保试样被一次冲断并顺利通过支座， 具体规定为： 两支座内侧距离减去锤刃直径以及2 倍试样宽度不小于5 mm。

表3 三项标准关于试验设备的主要技术参数

（3） GB/T 8363—2018 给出了夏比V 形缺口标准冲击试样总吸收能量与压制缺口、 人字形缺口DWTT 总吸收能量的近似关系图， 为试验机冲击能量的选用提供了参考[7]。 而API RP 5L3—2014 取消了旧版（API RP 5L3—1996） 的对应图。

（4） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018都以附录形式给出了仪器化分析要求， 给出了试样冲击能的测定方法。 随着管线钢的发展， 高钢级大壁厚管线钢将成为以后发展的趋势， 落锤撕裂试验将不仅需要对剪切面积进行评价， 还会要求落锤撕裂能量值， 因此示波落锤将逐步取代传统落锤试验机。

4 标准有关试样保温

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三项标准在保温介质、 介质温度、 试样间距、 最短保温时间、 试样的重新加热和冷却等方面存在较大差异， 在使用过程中应予以注意。 具体差异见表4。

表4 三项标准关于试样保温的主要差异

从表4 可以看出， SY/T 6476—2017 标准对试样最短保温时间的规定进行了细化， 增加了总保温时间和到温保温时间。 三项标准的保温时间见表5， 三项标准在试样总保温时间的规定总体一致， SY/T 6476—2017 标准增加了对到温保温时间的规定。 同时SY/T 6476—2017 标准对总保温时间和到温保温时间给出了明确定义， 避免了对保温时间的理解疑义。

表5 三项标准关于试样在介质中的保温时间

5 落锤试验结果评定

5.1 断口剪切面积评定

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三项标准均给出了3 种断口剪切面积评定方法： 求积法、 比对法、 测量法[8]。采用求积仪测量剪切面积虽然准确但较为费时。测量剪切面积较为准确又快速的方法是测量法，测量法的采用取决于断口形貌， 3 种典型断口形貌如图1 所示。 三项标准对测量法的规定差异较大， 在使用过程中应予以区分。 当断口形貌介于图1 （a） ～ 图1 （b） 时， API RP 5L3—2014 标准采用公式 （1） 计算剪切面积百分比。 SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 标准规定： 壁厚t≤19.0 mm 采用公式（1） 计算剪切面积； 壁厚t＞19.0 mm 采用公式 （2） 计算剪切面积百分比。 若断口形貌呈图1 （c） 时， API RP 5L3—2014 标准采用测量剪切唇宽度均值的方法来确定剪切面积； SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 标准则是采用测量解理区宽度均值的方法来确定剪切面积。 由于断口剪切唇的可压缩性和解理区的不可压缩性， 采用测量剪切唇宽度均值的方法得到的SA要小于采用测量解理区宽度均值的方法得到的SA[9]。

式中： SA1、 SA2——剪切面积（精确到1%）；

T——断口上缺口根部和锤击侧不被计入有效区域的长度；

ts——试样厚度；

A——缺口下方“T” 线处解理断裂区宽度；

B——“T” 线间解理断裂区长度。

图1 典型DWTT断口形貌

5.2 异常断口评定

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三项标准关于异常断口的规定存在很大差异。

（1） API RP 5L3—2014 标准规定异常断口为无效试样[10]， 需取样重新试验。 对于重新试验过程中依旧出现异常断口的情况没有进一步说明， 给试验评判造成很大困难， 这是API RP 5L3—2014 在实际应用中的局限性。 对于异常断口的评定， API 和其他机构正在开展联合研究，目前仍没有一致的观点和处理办法。

（2） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018标准均以附录形式给出了异常断口的评定方法。试样的异常断口是伴随高钢级管线钢的发展出现的， 特别是在高钢级大壁厚管线钢中经常出现。异常断口的评定方法全面系统的阐述了异常断口的定义及评定方法， 并规定了异常断口评定不合格时允许采用人字形缺口试样重新试验。

（3） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018标准中关于异常断口的评定方法也不一致， 在使用过程中应加以区分。 SY/T 6476—2017 根据裂纹扩展过程中形成的脆性区的形态和分布将异常断口分为4 类， 根据异常断口分类采用不同的评定区域进行脆性面积计算的方式更易理解和使用。脆性区分布接近锤击侧的异常断口（第Ⅰ类） 多是由于试样在试验过程在承受过大的压缩变形以及局部增厚产生的。

6 结 论

（1） API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017及GB/T 8363—2018 标准在适用范围、 试样制备、 设备参数、 试样保温、 结果评定等方面均存在一定差异， 在使用过程中应加以区分。

（2） 不同减薄方法可能会影响试验结果， 故不能将全壁厚试样与减薄试样、 不同减薄方法的试样所测得的结果进行简单的对比。 对于壁厚大于19 mm 的产品， 在试验机能力允许的情况下，应首选全壁厚试样， 其更能反映产品真实性能。

（3） SY/T 6476—2017 标准对试样最短保温时间的规定进行了细化， 增加了总保温时间和到温保温时间。

（4） API RP 5L3—2014 标准规定异常断口为无效试样， 在实际应用中具有局限性； SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 标准均以附录形式给出了异常断口的评定方法， 但异常断口的评定方法并不一致； SY/T 6476—2017 根据异常断口分类采用不同的评定区域进行脆性面积计算的方式更易理解和使用。