X100管线钢示波冲击试验研究

2018-03-26蔺卫平张庶鑫梁明华张华佳

石油管材与仪器 2018年1期

蔺卫平，李娜，张庶鑫，梁明华，张华佳

(中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安 710077)

0 引言

随着我国经济的快速发展，对石油、天然气的需求日益增加，油气管道也得到了长足发展。近几年，油气管道特别是天然气管道发展的一个重要趋势是采用高钢级、大口径管线进行输送。随着石油天然气管道运行压力的增高，管径不断加大，发生管道延性断裂的风险也就越大。这就要求高钢级管线钢在提高管道输送能力的同时，具有足够高的韧性，以保证管道运行的安全性[1-4]。

夏比冲击试验已成为评价管材韧性的重要指标，管道安全评价中也常采用冲击韧性和断裂韧性的经验关系式换算得到材料断裂韧性数据。但是，冲击吸收功的大小并不能直接反映材料的韧性，材料韧性的好坏主要取决于裂纹扩展功的大小。这就需要采用示波冲击试验，对冲击试验的全过程进行详细描述[5,6]。

本文研究了X100管线钢管体、焊缝和热影响区在不同温度下的示波冲击曲线，对进一步研究X100管线钢的韧性具有参考价值。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料采用规格为Φ1 219 mm×14.8 mm X100直缝埋弧焊钢管。钢管母材的化学成分和拉伸性能(横向板状试样)分别见表1和表2。

1.2 试验方法

冲击试样在距焊缝90°管体处和焊缝处横向截取，试样的几何尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。试验温度为20、0、-20、-40、-60、-80和-100 ℃，试验采用MPM9700示波冲击试验机，依据ASTM E23-16b[7]进行试验。用MEF4M金相显微镜进行金相组织分析。示波冲击曲线特征值按照GB/T 19748—2005[8]中的定义来确定。

表1 钢管母材的化学成分(质量分数) %

表2 钢管母材的拉伸性能

2 试验结果及分析讨论

2.1 管体横向

管体组织为粒状贝氏体和弥散分布的M-A岛，如图1所示，晶粒度为12.0级。

图1 钢管母材微观组织

不同温度下冲击试样的示波曲线如图2所示。随着温度的降低，最大力Fm逐渐增大，到-40 ℃时达到最大，然后随着温度的降低逐渐减小。随着温度的降低，最大力下的位移Sm逐渐变小，最大力下的能量Wm也逐渐变小，载荷-位移曲线变得越来越陡峭。不稳定裂纹扩展起始位移Siu和不稳定裂纹扩展终止位移Sa逐渐变小，不稳定裂纹扩展越来越明显。

在20 ℃，位移为10 mm时，冲击载荷还很高(12.58 kN)，说明在裂纹扩展过程中受到的阻碍较多；当温度为-80 ℃，位移为10 mm时，冲击载荷已经接近0。在-80 ℃时，试样刚过最大力就发生不稳定裂纹扩展。说明试验温度越低，试样在冲击过程中所受阻碍越小。

X100管线钢母材具有良好的室温和低温冲击韧性。室温冲击吸收能量的平均值为292 J，韧脆转变曲线具有明显的上平台，如图3所示。以剪切断面率达到50%来规定韧脆转变温度，X100管线钢母材韧脆转变温度约为-60 ℃。

2.2 焊缝

焊缝组织为针状铁素体、少量粒状贝氏体、多边形铁素体和珠光体如图4所示。

图2 钢管母材不同温度下的示波冲击曲线

图3 钢管母材韧脆转变曲线

不同温度下冲击试样的示波曲线如图5所示。随着温度的降低，最大力Fm逐渐增大，最大力下的位移Sm和最大力下的能量Wm先逐渐增大，到-20 ℃达到最大值后再逐渐变小。20 ℃时曲线的不稳定裂纹扩展不明显，随着温度的降低，不稳定裂纹扩展越来越明显，不稳定裂纹扩展起始位移Siu和不稳定裂纹扩展终止位移Sa逐渐变小，曲线变得越来越陡峭。在20 ℃，位移为10 mm时，冲击载荷为7.45 kN；在-60 ℃，位移为10 mm时，冲击载荷已经接近0。

图4 钢管焊缝微观组织

焊缝室温冲击吸收能量的平均值为219 J，韧脆转变曲线具有明显的上平台，如图6所示。以剪切断面率达到50%来规定韧脆转变温度，X100管线钢管焊缝韧脆转变温度约为-60 ℃。

图5 钢管焊缝不同温度下的示波冲击曲线

图6 钢管焊缝韧脆转变曲线

2.3 热影响区

热影响区粗晶区组织为粒状贝氏体，如图7所示，细晶区组织为多边形铁素体、M-A岛和珠光体，如图8所示。

不同温度下冲击试样的示波曲线如图9所示。随着温度的降低，最大力Fm没有明显的变化，最大力下的位移Sm和最大力下的能量Wm先逐渐增大，到-40 ℃达到最大值后再逐渐变小。不稳定裂纹扩展起始位移Siu和不稳定裂纹扩展终止位移Sa逐渐变小，不稳定裂纹扩展越来越明显，曲线变得越来越陡峭。在20 ℃，位移为15 mm时，冲击载荷为2.91 kN；在-60 ℃，位移为15 mm时，冲击载荷已经接近0。