落锤撕裂试验与大能量摆锤冲击试验的对比与分析

蔺卫平，李 娜，王亚龙，梁明华，张 翔

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065；2.国家石油管材质量监督检验中心，西安710065）

0 前 言

落锤撕裂试验是测试管线钢材料韧性的一种方法，现已被广泛应用于抗脆性断裂扩展性能的评价[1]。试验目的主要是建立断口形貌与温度的关系，从而确定管线钢材料的韧脆转变温度，以保证管线在韧性温度区内工作，避免发生脆性断裂事故。由于该试验方法获得的结果与管道实物爆破试验结果相吻合，因此被广泛应用于管线钢的韧性评价，并作为钢管的质量验收指标之一[2-5]。

落锤试样可以通过落锤试验完成断裂，也可以通过大能量摆锤冲击试验完成[6-7]，通过对这两种试验结果的对比分析，研究了两种试验结果剪切面积的差异，以及剪切面积与吸收能量之间的关系。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用X70级φ762 mm×31.8 mm直缝埋弧焊管，钢管母材的化学成分和拉伸性能分别见表1和表2。金相分析结果表明，母材的晶粒度为8.0级，其显微组织如图1所示。

表1 X70钢管母材的化学成分 %

表2 X70钢管母材的拉伸性能

图1 X70钢管母材的微观组织

1.2 试验方法

在距焊缝90°处横向截取试样，采用压制缺口，壁厚分为原壁厚和减薄壁厚，减薄壁厚试样为单侧减薄。原壁厚试样几何尺寸为305 mm×76.2 mm×31.8 mm，减薄试样的尺寸为305 mm×76.2 mm×19.0mm。试验温度分别为20℃，0℃，-10℃，-30℃，-50℃和-70℃，根据GB/T 8363-2007，减薄试样的实际试验温度比规定试验温度低17℃。试样自离开保温装置至打断的时间不得超过10 s，试验采用JL-50000落锤试验机和HIT 50KP摆锤试验机，HIT 50KP摆锤试验机可以测出冲击时的吸收能量。用MEF4M金相显微镜进行金相组织分析。

2 试验结果及分析讨论

2.1 落锤试验与大能量摆锤试验结果

用落锤试验机和大能量摆锤试验机分别对原壁厚和减薄试样在规定温度进行试验，然后对试样的断口按照GB/T 8363-2007进行评判，每个温度做两个试样，取其平均值。其结果如图2所示。在试验温度为20℃时，原壁厚试样未断裂，数据无效，因此原壁厚试样试验温度只有5个。

图2 落锤试验与大能量摆锤试验结果

从图2中可以看出，减薄试样经过落锤与摆锤试验后，其剪切面积的结果基本一致。对原壁厚试样而言，落锤试验与摆锤试验的结果稍有差别。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受到的约束会增加，冲击时产生较大形变硬化。这就使试样断口的脆性区增加，剪切面积下降，且结果分散性增加。落锤试样和摆锤试样的断口形貌如图3和图4所示。

图3 减薄试样0益时的断口形貌

图4 原壁厚试样0益时的断口形貌

2.2 力-位移曲线

试验采用大能量摆锤冲击试验机，可以通过示波测量系统，采集试样断裂过程的数据，形成力-位移曲线，通过积分得出冲击吸收能量。全壁厚试样在0℃时的力-位移曲线如图5所示。

图5 全壁厚试样在0益时的力-位移曲线

表3 大能量摆锤试样剪切面积与吸收能量的结果

摆锤试样的剪切面积与吸收能量结果见表3。可以看出，剪切面积与吸收能量之间存在一定的比例关系，剪切面积越大，吸收能量越大。当剪切面积大于50%时，剪切面积与吸收能量之间的比例系数趋于稳定。

2.3 试验结果分析

对于冲击试样，GB/T 9711和API SPECIFICATION 5L都规定，小尺寸试样的吸收功值应为全尺寸试样的值乘以小尺寸试样宽度与全尺寸试样宽度的比值。但对落锤试样并没有此规定。冲击试样都是标准试样，宽度值只有规定的几种。而落锤试样的厚度没有标准值，都是原壁厚，只有在试验机能力达不到时才会减薄至19 mm，因此不容易形成标准规定。

大能量摆锤试样厚度比值与吸收能量比值见表4。从表4可以看出，吸收能量比值与厚度比值不一致，吸收能量的比值普遍偏高。

表4 大能量摆锤试样厚度比值与吸收能量比值

3 结论

（1）落锤试验与大能量摆锤冲击试验的试样剪切面积结果基本一致；

（2）对大能量摆锤试样，剪切面积与吸收能量之间存在一定的比例关系；

（3）对不同厚度的大能量摆锤试样，其吸收能量的比值与厚度的比值不一致。

[1]RYUJI M，NOBUYUKI I，SHIGERU E.Evaluation for Abnormal Fracture Appearance in Drop Weight Tear Test with High Toughness Linepipe[C]∥Proceedings of Offshore Mechanics and Arctic Engineering.New York:American Society of Mechanical Engineers，2002：129-136.

[2]马建坡，徐科.用示波落锤试验法评价14MnVTiRe钢的韧脆断裂行为[J].材料开发与应用，2003(04)：9-12.

[3]陈宏达，霍春勇，冯耀荣.管线钢落锤撕裂试验方法的建立、应用及发展[J].钢铁研究学报，2005，17(06):1-5.

[4]杨政，郭万林，董蕙茹.X70管线钢冲击韧性实验研究[J].金属学报，2003(02)：159-163.

[5]杨政，粟庭亚，冯耀荣.高性能管线钢落锤撕裂试样断裂性能的试验研究[J].西安交通大学学报，2006，40(09)：1079-1082.

[6]山静民，叶苏锦，王长安.管线钢落锤撕裂试验能量测试系统的分析与应用[J].钢管，2008，37(03)：64-67.

[7]王树人，代文科，山静民.管线钢落锤撕裂试验的能量测试[J].焊管，2006，29(02)：47-48.

[8]GB/T 8363-2007，铁素体钢落锤撕裂试验方法[S].

[9]SY/T 6476-2007，输送钢管落锤撕裂试验方法[S].

[10]GB/T 19748-2005，钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法[S].