管线钢断裂韧度测试实验研究进展

　技　术　综　述　

管线钢断裂韧度测试实验研究进展

白永强,帅　健,许　葵

(石油大学(北京),北京　102249)

摘　要:随着管道钢强度和韧度的增加,表征材料断裂韧度的参数也在变化,同时断裂韧度测试技术也得到了不断的发展。本文介绍了几种测试材料断裂韧度的小试件实验以及存在的问题。重点介绍了一种准静态测试CT OA的小试件,以及测量CT OA的实验方法,为天然气管道止裂研究提供帮助。

关键词:天然气管道;断裂韧度;裂纹尖端张开角;断裂控制

中图分类号:TE973 文献标识码:A 文章编号:1001-4837(2005)05-0035-05

The Progress of Fracture Toughness Test in Pipeline Steel

BAI Yong-qiang,SHUAI Jian,XU K ui

(University of Petroleum,Beijing102249,China)

Abstract:With the increasing use of high strength and toughness steels in oil and gas pipelines,the parameter of the crack toughness of material is continuously developing,s o do the test technique of fracture toughness.In this paper,several small specimens to predict the toughness of pipeline steels and their shortages were dis2 cussed.The em phases is to present a new small quasi-static specimen of CT OA test,and experimental meth2 ods of CT OA measurement.

K ey w ords:natural gas pipeline;fracture toughness;crack tip opening angle;fracture control

高压天然气管道裂纹的扩展和止裂是近50年来管道工业研究的主题。在裂纹快速扩展过程中,高压气体提供了裂纹扩展的驱动力。而只要该驱动力一超过材料阻力,裂纹就持续扩展。断裂韧度正是表征材料抗断裂阻力的一个重要参数,因此测定材料的断裂韧度是天然气管道止裂工程设计的重要内容。过去曾经使用V缺口夏比或落锤撕裂(DWTT)吸收能或剪切区域来表征断裂韧度[1、2]。

但是断裂韧度测试实验的研究是随着管线工业的发展而发展的。当管线材料、管道运行压力、气体成分等条件发生变化时,原有的预测指标以及预测手段都已经不适合了。这就需要发展出新的手段,使用更为精确的实验方法来测试材料性能,从而进行止裂预测和控制。

近来多使用断裂力学参数,比如应力强度因子、

J积分或者裂纹尖端张开角(CT OA)来表征断裂阻力[3～6]。并且,CT OA被认为是较好延性裂纹阻力参数而在天然气管道的止裂设计中应用。

1　经典实验

在确定材料断裂韧度方面,前人做了大量工作,其中最著名的是V型缺口夏比冲击实验(Charpy V -Notch Im pact T est)和落锤撕裂实验(Drop Weight T ear T est)[7]。

111　V型缺口夏比冲击实验

C VN(Charpy V-Notch)实验又称三点弯曲夏比冲击实验,是一种评价材料断裂韧度传统的实验方法。它通过摆锤式冲击实验机对含V型缺口的小

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5

3

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型试件的冲击破坏实验测量在此过程中的耗散功,即夏比冲击功,来评价材料的断裂韧度。该实验简便易行,已经有大量数据积累,因此在防止结构脆性

破坏或延性裂纹扩展上得到广泛应用[8、9]

。

近30年来,Battelle 、EPRG /AISI (美国钢联)、BG C (英国燃气公司)、CS M/Italsider 、Mannnesm ann 研究院等通过大量的科研工作和全尺寸爆破实验,分别提出了输气钢管延性止裂与C VN 的关系式。如文献[10]和API579[11]提出的管道及压力容器用钢的断裂韧性夏比冲击功之间的关系为:

K IC =1515C VN 015

K IC =9135C VN

0163

文献[12]建议的止裂韧度与C VN 的关系为:K IC =010103C VN 2+112703C VN +141146

这些公式都认为,延性止裂所需的最低C VN 值与环向应力σH 、钢管直径D 、壁厚B 有关,但在影响程度上差别较大。

根据EPRG 的表达式,IS O3183-3得出钢管裂纹长程扩展的C VN 关系式,上述延性断裂止裂与C VN 的关系式大都是20世纪70～80年代提出的。近20年来,管线运行压力和管线钢的强韧度都有很大的提高。采用这些表达式已难以保障安全。

以下是部分有代表性的止裂所需韧度公式[13、14]

:

Battelle :C VN =218997×10-5σH 2D

013B 013

AISI :C VN =21377×10-4σH

115D 015BG C :

C VN =10-3σH (1104DB -015

-0142vD 1125B -01375)Mannesm ann :C VN =2113×10-7σH 1176D 1109B 01585Japan :C VN =21498×10-6σH

2133D 013B 0147Italsider/CS M :

C VN =1126×10-4

D σH +61225×10

-6

DB σH σH 2d

-1

-01627B -117×10-8D 2B -1d -1

其中CS M 公式仅对有回填土管道有意义(d 为

土壤回填深度)。这些指数型关系都是经验性的,止裂所需C VN ,爆破试验值与计算值之间有较大的差异,不同的关系式表明钢管的承压情况和规格尺寸对止裂C VN 的影响程度各不相同。因此,为确保管线输送天然气的安全可靠性,必须对上述公式进行修正。对于重要管线,还需通过实物爆破实验来确定止裂所需韧度。

使用能量判据时,若G max =σ2H πD 2E

=G d

时,可以止裂。其中A c 为冲击试样缺口下的面积。

但是,在进行夏比冲击实验时摆锤的冲击速度远远低于实际裂纹速度,同时试件厚度偏薄,使得测到的C VN 能量不能严格反映裂纹扩展过程中受到的材料韧度的影响。近年来人们开始注意选择不同的韧度测定实验以提高止裂评价的准确性。112　落锤撕裂实验

落锤撕裂实验DWTT 早期主要用于根据断口形貌确定铁素体钢的韧脆转变温度,近年来也用于评价材料的断裂韧度。它同样也是根据耗散能量来评价材料的断裂韧度。同C VN 实验相比,它的试样尺寸较大,锤刃更为厚重,因而要求实验机具备更高的冲击能量。

对于钢制管道,P oynton [15]给出的以DWTT 能量表示的断裂阻力为:

G =C (

h B )m (U

A

)DWTT 式中　(U/A )DWTT ———DWTT 测试中单位面积的吸

收能 B ———冲击试样的厚度 h ———管道的实际厚度 C 、m ———无量纲常数,m =0125～1,C 的上

限值为2

关于C VN 与DWTT 的关系,Wilkowski 建议,对于老式控轧钢,有下列经验公式:

(

U A )DWTT =3(U

A

)Charpy +0163日本H LP 委员会建议,对于淬火回火高韧度钢,取:

(

U A )DWTT =5193B 115(U A )01544

Charpy

中国石油天然气总公司西安管材研究所和清华

大学工程力学系根据最新的试验数据对上式的系数进行了修正,建议:

(

U A )DWTT =315B 115(U A )016Charpy

113　C VN 实验与DWTT 实验比较

C VN 实验是被广泛采用的测定钢材断裂韧度

的方式。近二十年来的研究工作表明,随着管线输

送技术的发展,就高韧度钢而言,基于DWTT 实验的结果比C VN 实验更准确。其原因主要是DWTT 试件尺寸比C VN 试件尺寸大得多,使裂纹扩展部分较C VN 试件长得多,从而能较准确地反映韧度扩展。另外还可能是受锤击速度不同、试件的尺寸效应影响、缺口形状影响以及实验机容量的影响等[16]。

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