X70管线钢的断裂韧性

X70管线钢的断裂韧性

第15卷第5期

2003年10月　　　　钢铁研究学报

JOURNALOFIRONANDSTEELRESEARCH

Vol.15,No.5

　Oct.2003

X70管线钢的断裂韧性

杨　政,　郭万林

1

1,2

,　董蕙茹,　董明海,　赵新伟

113

(1.西安交通大学建筑工程与力学学院,陕西西安710049;　2.南京航空航天大学飞机工程系,

江苏南京210016;　3.中国石油天然气集团公司石油管材研究所,陕西西安710065)

摘　要:对不同厚度和裂纹初始长度的X70性试验。试验和分析结果表明:随着试验温度降低,;,,分层裂纹的位,试样在破坏时产生的分层裂纹,,对厚度效应影响较小。对于试验温度,分层裂纹首先出现在主裂纹根部,试样破坏时分层裂纹宽度较大且充分张开,减小了试样的有效厚度。高强度、高韧性的X70管线钢由于分层裂纹的产生,其力学性能与具有普通强度和韧性的钢材的力学性能存在着明显的差异,普通金属材料的韧性试验方法和材料评价方法已不再适用,必须考虑管道壁厚、缺陷大小和环境温度的综合作用。关键词:X70;管线钢;分层裂纹;断裂韧性;低温

中图分类号:TG115.5　　文献标识码:A　　文章编号:100120963(2003)0520040206

FractureToughnessofX70PipelineSteel

YANGZheng,　GUOWan2lin

1

1,2

,　DONGHui2ru,　DONGMing2hai,　ZHAOXin2wei

113

(1.Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China;　2.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;　3.ChinaNationalPetroleumCo,Xi′an710065,China)

Abstract:ThefracturetoughnessofX70pipelinesteelwasinvestigatedexperimentallyby32pointbendfracturetoughnesstestforsampleswithdifferentthicknessandinitiatecracklengthat-60℃,-20℃and20℃.Itwasdiscoveredthatthefailuremodecanbeductileorbrittledependingontesttempera2ture;Thedelaminationcracksarefoundonallfracturesurfaces;Thesizeandamountofdelaminationcracksarerelatedtosamplethickness;Thelocationofdelaminationcracksrelatedtoinitiatecracklengthandtesttemperature;Forbrittlefractureatlowertemperature,thedelaminationcracksareproducednearmaincrackrootsandthewidthandlengthofdelaminationcracksaresmall,thustheeffectofdel2aminationcracksuponeffectivethicknesscanbeneglected;Fortheductilefractureathighertempera2ture,thedelaminationcracksareproducedatthetipsofthemaincracks,andthewidthandlengthofdelaminationcrackarelarge,thendelaminationcracksdecreasetheeffectivethickness.Becauseofdelam2inationcracking,themechanicalbehavior

ofX70pipelinesteelisdifferentfromcommonsteels,andthetestmethodsandsafetyassessmentforcommonsteelsarenotsuitableforX70pipelinesteel.Thecom2prehensiveeffectofwallthickness,defectsizeandservicetemperatureofpipelinemustbetakenintoac2count.

Keywords:X70;pipelinesteel;delaminationcrack;fracturetoughness;lowtemperature

管道的安全性对于天然气和石油的远距离管道

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275073)

输送具有重要意义。管道的设计和安全评定都是依

作者简介:杨　政(19642),男,硕士,副教授;　　收稿日期:2002205215;　　修订日期:2003201213

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第5期　　　　　　　　　　　　　　　杨　政等

:X70管线钢的断裂韧性　　　　　　　　　　　　　　　　10月

据现有规范和材料试验标准,利用实验室标准试样的材料性能数据进行的。现行的管道剩余强度评定主要依据材料的平面应变断裂韧性参量KIc和JIc

。但对于高韧性管线钢来说,在断裂试验和冲击韧性试验中总是出现与裂纹扩展方向垂直的分层裂纹,这些分层裂纹减小了试样的有效厚度,使得KIc和

JIc很难测定

[1]

。同时,这种安全评定方法与管道的

实际破坏形式又存在差异。因此,只有在三维断裂理论的指导下,考察试样厚度、试验温度和分层裂纹的综合影响才有可能获得对分层裂纹较全面的认识,从而为大口径、　　本研究以象,弯曲试样进行了试验研究和分析,旨在揭示我国“西气东输”工程中大量采用的这种高韧性管线钢的三维破坏行为,建立客观的材料韧性指标和更有效的安全分析依据。

[2,3]

分层裂纹对管材断裂韧性的影响时,厚度B分别取10mm、5mm、3mm,裂纹长度a分别取aΠW≈012、aΠW≈013、aΠW≈015。所有试样均在室温下预制疲劳裂纹,预制的疲劳裂纹长度为1～2mm。　　采用位移控制加载方式,试验过程中记录载荷、加载点位移和COD,并通过读数显微镜记录试样表面裂纹的长度。断裂试验在MTS880试验机(250kN)上进行,在试样上加装TS的632103C22020℃和20℃进行,2　试验结果

211　载荷2加载点位移曲线

1　试验方法

试验用材料取自“西气东输”管线X70焊管试验

[4]

用卷板,其化学成分(质量分数,%)为:C0106,Si0119,Mn1158,P01014,S01002,Cr01024,Mo0124,Ni01176,Nb0105,V01046,Ti01019,Cu0123。该材料室温下的屈服强度为604MPa,抗拉

强度为753MPa,泊松比ν=013。为避免因加工硬化或过热而影响材料的韧性,板材未经展平,直接从卷板的厚度中心横向取样,取样位置及方向见图1。

[5]

试样用机加工方法按GB4161284和ASTME3992[6]

83标准的要求加工。三点弯曲试样的名义跨度S=4W,试样宽度

W取20mm。在研究试样厚度及

图1　试样的取样位置

Fig.1　Samplingofspecimens

图2为厚10mm、aΠW≈012的试样在不同试

验温度下进行三点弯曲试验时的载荷2加载点位移曲线。显然,在达到最大承载能力之前,温度对载荷2加载点位移曲线的影响较小。在尾部的失稳扩展阶段,剩余承载能力随温度下降明显降低。另外,试验温度为20℃且载荷较小的情况下,加载点的位移随载荷的加大而线性增加。超过比例极限后,加载点位移的增大速率超过载荷增加速率。达到最大载荷后,随着位移的增加,试样承受的载荷逐渐减小。加载过程中裂纹逐渐向前扩展直至失稳破坏。试验温度降低时,达到最大载荷后试样承受的载荷同样随着位移的增加而减小,但会出现裂纹突然向前扩展、载荷突然降低的现象,同时听到裂纹扩展的爆裂声。裂纹向前扩展量及载荷降低的幅度随温度下降而增大。从图2可以看出:-60℃时载荷的陡降幅度比-20℃时大得多。厚度为5mm和3mm的试样也观察到同样的现象。从不同厚度、不同试验温度和不同裂纹初始长度试样的载荷2加载点位移曲线可以看出,温度对X70管线钢的起裂载荷及最大载荷的影响较小,但对加载过程中试样所吸收的功有明显的影响。212　试样破坏断口分析　　图3给出不同试验温度下厚度为10mm和3mm的三点弯曲试样破坏断口的宏观照片。由于厚度方向存在离面应力的约束作用和塑性变形,所有试样断面都产生厚度方向的收缩,收缩程度与试样厚度和试验温度有关。试样厚度增加时,应力约束加大,收缩加剧;试验温度降低时,收缩减小。从图中可以看出:不同厚度试样的破坏断口均产生分层

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卷

图2　载荷2加载点位移曲线

Fig12　Load2displacement

curves

(a)T=20℃,B=10mm;　(b)T=-20℃,B=10mm;　(c)T=-60℃,B=10mm;(d)T=20℃,B=3mm;　(e)T=-20℃,B=3mm;　(f)T=-60℃,B=3mm

图3　不同厚度三点弯曲试样在不同试验温度条件下破坏断口的宏观照片

Fig13　Typicalfracturesurfaceofspecimenswithdifferentthicknesstestedatdifferenttemperatures

裂纹;厚度B=10mm的厚试样中部存在长度和宽度较大的大分层裂纹,在1Π4厚度处存在密集的二次裂纹;B=3mm的试样亦有明显可见的分层裂纹。试样的厚度越小,分层裂纹的尺寸越小。这表明分层裂纹是微小的片状夹杂物或缺陷在较高的离

[7]

面应力作用下开裂、扩展并连接而形成的。出现

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分层裂纹的位置与试验温度和材料的韧性有关。当试验温度较高、材料的韧性较好时,分层裂纹先于主裂纹扩展形成于预制裂纹的顶部。随着试验温度降低和材料韧性下降,分层裂纹的形成逐渐滞后于主裂纹的扩展,出现分层裂纹的位置也逐渐远离主裂纹的未扩展处,它对材料断裂韧性的影响也逐渐减小。由此推断:试样的分层断裂行为取决于材料的韧性和内部缺陷,而试样厚度仅影响分层的程度。　　由于20℃环境下试样都是韧性断裂,与试样尺寸无关,所以此时所有分层裂纹(不管是厚度较大的10mm试样,还是厚度较小的3);在试验温

),分层裂纹尚无充分张度较低(如-60℃

开,试样已沿主裂纹失稳破坏,即发生脆性断裂,此时断裂韧性值仅与试样厚度有关。

J积分在弹塑性断裂力学分析中起着很重要的作用。它避开直接计算裂纹尖端附近的弹塑性应力应变场,而用J积分作为表述裂纹尖端应变集中特征的平均参数。在韧性材料的断裂韧性试验中,裂

[8]

纹端部的塑性变形较大,应依照ASTME813281和GB2038291计算J积分:　　　J=Je+Jp　　　Je==

E

2[9]

PS3Π2fa2

be和Jp分别为J积分中的弹性分量和塑性分量;E为材料的弹性模量;Ps为外载荷;f(a0ΠW)为修正系数;a0为裂纹初始长度的平均值;b0为初始韧带尺寸(b0=W-a0)。

为了研究温度对X70管线钢断裂韧性的影响,计算了最大载荷所对应的J值(J0)。从试验曲线上可以看出:温度对曲线下降段的影响非常大。为了分析温度对材料整个受力过程的影响,仿照J积分的计算方法,考虑厚度和初始韧带尺寸的影响,用参数Jt来分析温度和厚度对材料韧性的影响:(Bb0)　　　　　Jt=2UtΠ

3　分析及讨论

在韧性材料的断裂韧性试验中,因裂纹端部的

塑性变形大,基于应力强度因子的线弹性断裂力学方法以及考虑塑性的近似修正方法都有局限性,用它们评价材料断裂韧性时需要用弹塑性分析来证实。311　试验参数　　对于带有疲劳预裂纹的试样,在3点弯曲加载条件下自动记录载荷P及裂纹尖端的张开位移COD,然后根据GB4161284标准规定的方法,利用P2COD曲线求出裂纹表观扩展量为2%时的载荷,将此载荷代入三点弯曲试样的KI表达式,计算KIc的条件值Kq:　Kq=　f

W

3Π2fWBW

式中Ut为P2f曲线所包围的面积,即试样破坏所消耗的功。

312　裂纹长度的影响

图4为Kq、J0、Jt与裂纹相对长度的关系。从图3的破坏断口可以看出,裂纹初始长度对试样分层裂纹的产生有影响。显然,裂纹初始长度越长,韧带越小,试样内离面的约束力越小。而分层裂纹是材料内部层状缺陷在离面应力作用下产生的,因此,裂纹初始长度越长,它对分层效应的影响越小。从试验结果来看表现为Kq、J0和Jt值均减小。这主要是因为断裂韧性与试样的有效厚度和试验温度有关,有效厚度与分层裂纹的产生有关,而分层裂纹的产生又与试样裂纹初始长度、试样厚度和试验温度有关,即裂纹初始长度、试样厚度和试验温度相互关联。因此,分层裂纹的产生给X70管线钢的性能测试带来了诸多困难,因为在测试过程中很难像其它材料那样消除试样几何尺寸对试验结果的影响。313　试样厚度的影响

=3(aΠW)

1Π2

{1199-(aΠW)(1-aΠW)×

2

[2115-3193(aΠW)+217(aΠW)]}÷

3Π2

[2(1+2aΠW)(1-aΠW)]

确定临界载荷Pq是Kq测试中的一个关键性问题。原则上将裂纹稳定扩展量为0102a时所对应的载荷视为临界载荷。由于裂纹稳定扩展量的测量十分困难,因此一般是利用裂纹尖端的张开位移COD与裂纹稳定扩展量之间的关系,在试验获得的P2COD曲线上根据GB4161284的规定确定临界载荷的表观值Pq。

根据GB4161284规定的临界载荷Pq的确定方法,从图2不同试验温度下获得的典型载荷2加载点

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的Kq值。

图5(b)和图5(c)为J0和Jt与试样厚度的关系。从图中可以看出:裂纹长度对J0和Jt有一定的影响。在-60～20℃的温度范围内,aΠW=012

时测得的J0和Jt值均大于相同温度下aΠW=015时测得的J0和Jt值。试验温度为-20℃和20℃的试样都发生韧性断裂。由于分层裂纹产生于主裂纹的根部

,试样厚度越大,□—20℃;　○—-20℃;　△—-60℃

图4　Kq、J0、Jt与裂纹相对长度的关系

Fig14　VariationofKq,J0andJtwithaΠW

位移曲线以及试验所得到的P2COD曲线可以看出,临界载荷Pq均位于曲线的上升段。由于X70管线钢的强度和韧性较好,试验温度和试样厚度对试验曲线的上升段影响较小。分析图3中不同厚度试样的破坏断口可发现,厚度较大的试样产生较大的分

层裂纹(称为一次分层裂纹);在一次分层裂纹两边又会产生长度和宽度较小的二次分层裂纹;而厚度较小的试样仅产生长度和宽度较小的分层裂纹。对于韧性断裂来说,分层裂纹产生于主裂纹扩展之前,因此分层裂纹的出现会削弱主裂纹端部的三维约束。厚试样主裂纹端部的应力状态与薄试样主裂纹端部的应力状态相似。图5(a)是不同裂纹长度试样的Kq与试样厚度的关系。从图中可以进一步看出:试验温度和试样厚度对试验结果的影响较小,即

Kq的厚度效应较小。而裂纹长度对Kq有一定的

aΠW≈01aΠW≈01温度Π℃　　试验值　　平均值　20　　　　□　　　　■

-20　　　　○　　　　●-60　　　　△　　　　▲

温度Π℃　　试验值　　平均值　20　　　　□　　　　■

-20　　　　○　　　　●-60　　　　△　　　　▲

影响。在-60～20℃的温度范围内,aΠW=012时测得的Kq值均大于相同温度下aΠW=015时测得—44

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图5　Kq、J0、Jt与试样厚度的关系

Fig1

5　VariationofKq,J0andJtwithspecimenthickness

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越强,所产生的分层裂纹尺寸越大,密度越高。另一方面,分层裂纹的存在释放了局部离面应力约束,减小了断裂时试样的有效厚度,从而削弱了材料断裂的厚度效应。由试验值可以看出:随着试样厚度的增加,无论是aΠW=012或是aΠW=015时所测得的J0和Jt值都不像常规材料那样减小,而是随着厚度的增加基本保持不变或略有增加。因此,对于存在分层裂纹的韧性断裂,普通金属材料的韧性试验方法和材料评价方法已不再适用。　　由破坏断口分析可知:试验温度为-60℃的试样为脆性断裂但从图3不同:,宽度较小,。此外,除了在试样厚度中部出现主要分层裂纹外,未发现韧性断裂条件下出现的1Π4厚度处密集的二次分层裂纹。因此,分层裂纹的出现对脆性断裂的厚度效应影响较小。从图5(b)和图5(c)可以看出:试验温度为-60℃时,随着试样厚度的增加,所测得J0值和Jt值减小,这与普通金属材料断裂韧性的测试结果是一致的。

层裂纹。分层裂纹产生的位置与试验温度和裂纹初始长度有关。

(4)由于分层裂纹产生于主裂纹扩展之前,且分层裂纹降低了试样的厚度效应,因此试样厚度和试验温度对Kq的测试值影响较小。

(5)裂纹长度对J0和Jt的测试值有一定的影响。在-60～20℃的温度范围内,裂纹初始长度较小的试样测得的J0和Jt。对于韧性断裂,由削弱了材料断裂的J0和Jt基本不随试样厚度而变或略有增加。所以对于有分层裂纹出现的韧性断裂,普通金属材料的韧性试验方法和材料评价方法已不再适用。至于脆性断裂,试样破坏时也产生分层裂纹,但形成于距主裂纹根部一定距离处,而且分层裂纹的宽度较小,未充分张开。因此,分层裂纹的出现对脆性断裂的厚度效应影响较小。　　总之,由于高强度、高韧性的X70管线钢组织中产生了分层裂纹,其力学性能与具有普通强度和韧性的钢材存在明显的差异。分层裂纹降低了试样的厚度效应,普通金属材料的韧性试验方法和材料评价方法已不再适用。测试及分析时必须考虑管道壁厚、缺陷尺寸和环境温度的综合作用。

参考文献:

[1]　郭万林,董蕙茹,杨　政,等.厚度与分层的耦合效应对X60

4　结　论

在不同的试验温度下,通过对不同厚度和不同裂纹初始长度的X70管线钢三点弯曲断裂韧性试验

结果和试样破坏断口进行分析,可得出如下结论:　　(1)在达到最大承载能力之前,温度对载荷2加载点位移曲线的影响较小。在尾部的失稳扩展阶段,剩余承载能力随温度下降明显降低。随着试验温度的降低,试样的破坏方式由韧性破坏向脆性破坏转换。

(2)由于厚度方向存在离面应力约束作用和塑性变形,所有试样的断面都产生沿厚度方向的收缩,收缩程度与试样厚度和试验温度有关。试样厚度增加时,应力约束提高,收缩加剧;试验温度降低时,收缩减小。

(3)不同厚度试样的破坏断口均产生分层裂纹。对于试验温度较高的韧性断裂,厚度较大的试样断面中部存在长度和宽度较大的一次分层裂纹,在1Π4厚度处存在密集的二次分层裂纹;而厚度较小的试样仅产生长度和宽度较小的分层裂纹;对于试验温度较低的脆性断裂,除了在试样厚度中部产生主要的分层裂纹外,未发现与韧性断裂时类似的二次分

管线钢断裂韧性的影响[J].金属学报,2001,37(4):3862390.

[2]　GuoW,DongH,LuM,etal.TheCoupledEffectsofThickness

andDelaminationonCrackingResistanceofX70PipelineSteel[J].InternationalJournalofPressureVesselsandPiping,2002,79(6):4032412.

[3]　郭万林,董蕙茹,杨　政,等.X60管线钢非穿透裂纹体的断

裂研究[J].金属学报,2001,37(6):5792584.

[4]　中国石油天然气(集团)公司石油管材研究所.西气东输管线

X70试验卷板试验评价报告[R].西安:中国石油天然气(集

团)公司石油管材研究所,2000.

[5]　GB4161284,金属材料平面应变断裂韧性KIC试验方法[S].[6]　ASTME399283,StandardTestMethodforPlane2StrainFracture

ToughnessofMetallicMaterials[S].

[7]　HertzbergRW.DeformationandFractureMechanicsofEngi2

neeringMaterials[M].NewYork:JohnWiley&Sons,1976.[8]　ASTME813281,MetallicMaterials2StandardTestMethodfor

JIc,aMeasureofDuctileFractureToughness[S].

[9]

　GB2038291,金属材料延性断裂韧度JIC试验方法[S].

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/416j.html