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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X70管线钢的断裂韧性
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