溫度對erw和ssaw焊管j積分測試值的影響

斷裂韌性計算方法斷裂帶是油氣管道最重要的失敗形式。提高斷裂帶的耐性是控制管道爆裂帶斷裂的主要措施。現(xiàn)行檢驗鋼管韌性最常用的方法是夏比沖擊試驗及落錘撕裂試驗。由于這些性能指標都只表示材料脆、韌性的相對大小,斷裂控制所需要的塑性、韌性只能憑經(jīng)驗確定而不能通過計算得出,因此這樣的試驗數(shù)據(jù)不能用于實際結構的設計計算。研究表明,采用J積分試驗,通過測定材料的JR阻力曲線,可以正確描述管線服役過程中裂紋起裂、穩(wěn)態(tài)擴展、失穩(wěn)擴展以及止裂行為,是目前發(fā)展較為完善的一種韌性評定方法。但是,油氣輸送管的壁厚一般較小,使管材斷裂韌性的測試也變成管道斷裂力學設計與安全評估的難點之一。目前能夠得到的有關油氣輸送管斷裂韌性數(shù)據(jù)非常有限,亟待開展油氣輸送管小尺寸斷裂韌性試驗研究工作。筆者從進口X52ERW(ElectricResistanceWelding)焊管與國產(chǎn)X60SSAW(SpiralSub-mergedArcWelding)焊管母材、焊縫及熱影響區(qū)上取樣做小尺寸J積分試驗,研究了溫度對材料斷裂韌性的影響規(guī)律,以及兩種焊管不同區(qū)域之間的斷裂韌性差異。試驗材料和方法1.sswt焊管選用國產(chǎn)ψ660mm×8.7mmX60SSAW焊管和進口ψ355.6mm×12.7mmX52ERW焊管。其化學成分和拉伸性能分別見表1、表2。2.erw試驗、4.2試驗模型母材試樣取自距焊縫90°位置橫向,焊縫試樣中心與焊縫重合且長度方向垂直焊縫。由于輸送管壁厚較小,取管材全厚度作為試樣毛坯尺寸加工成盡可能大的J積分試樣,進口X52ERW焊管試樣尺寸為10mm×20mm×100mm,國產(chǎn)X60SSAW焊管試樣尺寸為7mm×14mm×80mm,全部試樣均套取未展平。由于試樣厚度的限制,J積分測試值可能偏高,本試驗以B≥25JR/σy作為數(shù)據(jù)有效性的判據(jù)。X60SSAW焊管分別從母材、焊縫及熱影響區(qū)取樣,X52ERW分別從母材和焊縫上取樣。在試樣中部線切割1.5～2mm的缺口,在缺口根部預制疲勞裂紋至規(guī)定尺寸。采用多試樣法和三點彎曲加載,在20、0、-20、-40、-60℃共5個溫度下測定JR值。試驗結果與分析1.tft-lj積分試驗將試驗測定的一組JR與Δa繪制成JR-Δa曲線,即JR阻力曲線,JR曲線與鈍化線交點對應的JR值稱為JI,J0.05、J0.2則分別表示Δa=0、0.05和0.2mm時的JR值。盡管兩種焊管各區(qū)試樣在不同溫度下JR阻力曲線略有差別,但是可以近似認為從20～60℃各JR值分布在一個分散帶內(nèi)。圖1為X60SSAW焊管焊縫JR值分布特征。J積分試樣宏觀斷口分析表明,X52ERW和國產(chǎn)X60SSAW焊管各區(qū)在20、0、-20、-40℃下試驗時均屬于韌性斷裂。-60℃下試驗時,X60SSAW焊管母材、焊縫、熱影響區(qū)試樣均為韌性斷裂,X52ERW焊管母材及部分焊縫試樣試驗時發(fā)生延性失穩(wěn)斷裂。可見,進口X52ERW焊管含裂紋試樣韌脆轉(zhuǎn)化溫度在-60℃左右,而國產(chǎn)X60SSAW焊管含裂紋試樣的韌脆轉(zhuǎn)化溫度則低于-60℃。2.小尺寸斷裂韌性試驗(1)薄壁輸送管小試樣J積分試驗結果的有效性油氣輸送管由于壁厚較薄,在截取試樣做J積分試驗時,往往在韌帶尺寸及試樣厚度方面不能滿足國標GB2038的要求。在這種情況下所測材料斷裂韌性數(shù)據(jù)能否用于實際管線設計,是廣大管道設計者們關心的一個問題。研究表明,對于目前使用的各類管線鋼管,采用小試樣測得的J值,從韌帶尺寸角度來看,均可認為是有效的。對于厚度問題,GB2038中同時還要求試樣厚度不要小于6mm,目的是為了能保持平面應變條件。實際上,對于不同厚度的試樣,其裂紋尖端總包括平面應變和平面應力的成分,只是厚試樣中是以平面應變?yōu)橹鲗?薄試樣中則是以平面應力為主導。對于薄壁試樣,平面應力成分較大,其塑性區(qū)尺寸比厚壁試樣大,裂紋尖端的約束較低。而約束狀態(tài)控制著裂紋尖端的三軸應力,約束水平低,則裂紋尖端的三軸應力場就低,使測得的斷裂韌性值高于厚壁試樣。由此可見,采用與油氣輸送焊管壁厚接近的小尺寸斷裂韌性試樣測得的J值比用標準規(guī)定的厚壁試樣要高,而且測試結果更加接近焊管實際使用狀況。由此可見,從理論及安全性角度出發(fā),采用薄壁試樣進行輸送管斷裂韌性試驗比厚壁試樣更有意義。(2)試樣斷口微觀特征對試樣斷口進行掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn),裂紋快速擴展區(qū)以穿晶準解理為主,隱約可見平行二次裂紋。在快速裂紋擴展后期,還可觀察到細小的“斷口分離”特征。此外,在裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)交界處有300～400μm的韌窩帶。其中斷口分離是控軋鋼板(如管線鋼)及其制品在沖擊、拉伸及爆破等試驗中常見的一種現(xiàn)象。分離裂紋主要是由于鋼板中部偏析區(qū)存在大量的以條片狀硫化物為主的夾雜物造成的,它的出現(xiàn)會導致上平臺區(qū)AKV和FATT50的下降。(3)試驗溫度對材料阻力曲線的影響由試驗結果可見,不同溫度對兩種焊管各區(qū)J積分試驗結果影響不大。這樣在今后的管線設計及安全評價中,就可以采用系列溫度J值分散帶上、下限來進行分析,而無須做大量的低溫斷裂韌性試驗。兩種試驗焊管的系列溫度J值分散帶上、下限及均值回歸結果列于表3。可見,在管道設計與安全評價中,采用下限回歸方程可得到偏于安全的結果。(4)油氣輸送焊管各區(qū)斷裂韌性差異對比分析圖2、圖3為X52ERW和X60SSAW焊管系列溫度下各區(qū)JR值對比情況。可見兩種焊管焊縫JR值要高于母材,尤其是X52ERW焊管,其焊縫JR值明顯高于母材。而且,焊縫dJR/da值比母材大,即焊縫裂紋擴展阻力高于母材。這是因為JR是材料局部強度與塑性綜合影響的結果,由拉伸試驗結果可知,X60SSAW和X52ERW焊管焊縫的強度要高于母材,X60SSAW焊縫塑性則略低于母材,而X52ERW焊管焊縫塑性高于母材。綜合作用的結果,則表現(xiàn)為兩種焊管焊縫JR值高于母材。而且對于ERW焊管,由于焊縫局部斷面收縮率ψK要優(yōu)于母材,且焊縫與母材之間的強度差別要高于SSAW焊管,因而表現(xiàn)為ERW焊管焊縫與母材JR值之差,比SSAW焊管更大。兩種焊管焊縫與母材斷裂韌性和JR阻力曲線的差異與其試樣取向和顯微組織有關。X60SSAW焊管管體取樣與卷板的軋制方向約成45°(成形角約為45°),而X52ERW焊管管體取樣與卷板的軋制方向垂直(即裂紋擴展方向與軋制方向平行),在軋制方向上,由于帶狀組織、非金屬夾雜物的存在和織構的形成,會造成韌性的下降。在管道設計和安全評價中,采用母材斷裂韌性和JR阻力曲線,可得到偏于安全的結果。lg1rw焊管焊縫的tfr-pcr檢測(1)進口X52ERW焊管和國產(chǎn)X60SSAW焊管在20～-60℃范圍內(nèi)各區(qū)JR值和阻力曲線變化不大。前者的韌脆轉(zhuǎn)化溫度約為-60℃,后者的韌脆轉(zhuǎn)化溫度低于-60℃。(