两种管材夏比冲击试验影响因素分析

蔺卫平，李 娜，张华佳，梁明华，任继承

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引 言

韧性是管线钢一种重要的力学性能，在管线钢领域中，通常以冲击试验、落锤撕裂试验和断裂韧性试验进行韧性的测试和评价，目前最常用的检测评价方法是夏比冲击试验[1-2]。在日常的检验中，不同厂家和检验机构的冲击试验结果有时相差较大。结果差异主要来自于几个方面：试验材料不均匀性、试样加工、设备差异、试验方法理解和操作差异。

在试验方法标准GB/T 229-1994[3]中，试验机摆锤锤刃半径只有一种尺寸(R=2 mm)，新版GB/T 229-2007[4]中，试验机摆锤锤刃半径有两种尺寸(R=2 mm和R=8 mm)。产品标准中，通常只规定冲击试验采用GB/T 229，并没有规定采用哪种锤刃，导致不同厂家和检验机构所采用的试验方法标准不统一，试验结果无法直接进行比较。

产品标准GB/T 9711[5]和API Spec 5L[6]规定，采用小尺寸试样时，吸收功要求值应为全尺寸试样的要求值乘以小尺寸试样厚度与全尺寸试样厚度的比值。试验方法标准ASTM A370[7]中，列出了全尺寸试样和小尺寸试样的冲击功值，冲击功值和试样厚度是成比例的，但是最大值只到102 J。对于高吸收能量的试验结果，试样尺寸和试验结果不是线性比例关系。API Spec 5CT[8]中，给出了小尺寸试样和全尺寸试样冲击要求值的换算系数，尺寸的是0.80，尺寸的是0.55。那么，小尺寸试样对高韧性管材是否适用，换算系数又是否合适？

为了找出试验结果有差异的原因，拟对不同锤刃、不同冷却方式、不同缺口型式和不同尺寸对试验结果的影响规律进行研究。

1 试验材料及方法

本试验采用的X70钢管规格为Φ1 067×15.9 mm直缝埋弧焊管。在距焊缝90°管体位置上沿纵向和横向取样。采用夏比V型缺口冲击试样，规格为10 mm×10 mm×55 mm。冲击试验机为PIT752D-2型，配有半径是2 mm和8 mm的冲击锤刃。

试验采用的套管规格为Φ177.8 mm×10.36 mm P110 套管，沿横向取样。采用夏比V型缺口和U型缺口冲击试样，规格为7.5 mm×10 mm×55 mm。冲击试验机为PIT302D型，配有半径是2 mm和8 mm的冲击锤刃。

2 试验结果及分析讨论

2.1 不同冲击锤刃影响研究

2.1.1 X70直缝埋弧焊管冲击试验结果

对X70直缝埋弧焊管纵向和横向试样采用2 mm和8 mm冲击锤刃进行系列温度夏比冲击试验。分别在20、0、-20、-40和-60℃温度下进行冲击试验，每组三个试样，算出其三个冲击功的平均值，绘出曲线，试验结果如图1、图2所示。

图1 X70直缝埋弧焊管纵向冲击试验结果

图2 X70直缝埋弧焊管横向冲击试验结果

2.1.2 P110套管冲击试验结果

图3是冲击功相对较低的P110套管，使用不同冲击锤刃时吸收能量的比较。可以看出，对于吸收能量较低的油套管，使用不同冲击锤刃对吸收能量的影响不明显。

图3 不同冲击锤刃下的套管冲击试验结果对比分析

2.1.3 分析与讨论

由图1、图2可见，采用8 mm锤刃的冲击功大于采用2 mm锤刃的冲击功。冲击能量水平越高，两者的差值越大。随着温度的降低，差值逐渐变小。当温度到达20 ℃时，两者的差值有稳定的趋势。由图3可知，对于吸收能量较低的油套管，使用不同冲击锤头对吸收能量的影响不明显。

X70管线钢的冲击功对温度比较敏感。随着温度的降低，X70管线钢的冲击功呈下降趋势，在图1、图2中可见明显的韧脆转变区。采用8 mm锤刃得到的夏比冲击吸收能量-温度曲线有转变区和上平台，而采用2 mm锤刃得到的曲线只有上平台。

ASTM标准规定摆锤刀刃半径是8 mm，GB/T 229-1994标准规定摆锤刀刃半径是2～2.5 mm 。GB/T 229-2007标准规定摆锤刀刃半径应为2 mm和8 mm两种，而且GB/T 229-2007标准中增添了许多ASTM标准相关内容，这表明国标正在向ASTM标准靠拢。对于这种变化趋势，在以后的试验中应密切关注。

2.2 不同冷却方式影响研究

试验采用的材料为P110 套管，沿横向取样。分别在0、-20、-40和-60 ℃温度下进行冲击试验，每组三个试样。

在进行系列温度冲击试验时，共有三种试验方法。一种是从高温到低温采用下行冷却方式，即0→-20→-40→-60 ℃。每个温度保温时间为5 min。第二种是从低温到高温采用上行冷却方式，即-60→-40→-20→0 ℃。每个温度保温时间为5 min。第三种为固定温度试验，即-60→-40→-20→0 ℃，每个温度保温时间为10 min。这三种方法所用试样为V型缺口，为美标冲击锤刃。每组三个试样，算出其三个冲击吸收能量的平均值，绘出曲线，试验结果如图4所示。

由图4可以看出，从高温到低温和从低温到高温所得到的吸收能量没有太大的差别。保温5 min和保温10 min时吸收能量也没有太大的差别。说明保温时间在达到试验标准要求的5 min以后，试样心部和表面的温度已经基本一致，继续保温对吸收能量影响不大。

2.3 缺口型式影响研究

采用冲击功较低的P110套管，测试研究了V型缺口和U型缺口冲击试样在0 ℃时试验差异，结果如图5所示。可见U型缺口试样冲击功明显高于V型缺口试样试验值。这是因为U型缺口试样缺口尖端为圆滑过渡，而V型缺口试样缺口尖端为尖锐刻槽，因此V型缺口冲击试样在受到摆锤打击时比U型缺口更易于启裂。因此，U型缺口试样的吸收能量明显高于V型缺口。

图5 不同缺口型式冲击试验结果

2.4 不同尺寸冲击试样吸收能量关系的研究

对X70不同尺寸的冲击试样，分别于20、0、-10、-20、-40、-60、-80 ℃进行试验，结果如图6所示。

图6 X70三种尺寸冲击试样的韧脆转变曲线

由图可以看出，小尺寸试样与10 mm×10 mm×55 mm试样吸收能量之间的比例系数，与标准中规定的理论值不相符。冲击吸收能量越大，比例系数与理论值差距也越大。

3 结论

1)对高钢级管线钢，采用8 mm锤刃时冲击吸收能量比采用2 mm锤刃高。冲击能量水平越高，两者的差值越大；随着试验温度的降低，差值逐渐变小。对于吸收能量较低的油套管，使用不同冲击锤刃对吸收能量的影响不明显。

2)在20～-80 ℃所得到的吸收能量没有太大的差别。保温5 min和保温10 min时吸收能量也没有太大的差别。保温时间在达到试验标准要求的5 min以后，试样心部和表面的温度已经基本一致，继续保温对吸收能量影响不大。

3)小尺寸试样与10 mm×10 mm×55 mm试样吸收能量之间的比例系数，与标准中规定的理论值不相符。冲击吸收能量越大，比例系数与理论值差距也越大。