国家标准中管线钢冲击吸收功的研究

国家标准中管线钢冲击吸收功的研究

在对管道材料的安全评估中，影响吸收是一个重要的参数。在科研和生产中广泛地应用夏比冲击试验测量材料的冲击吸收功,主要由于它具有试样小、易加工、试验操作简单、试验时间短和费用低等优点。GB/T229-1994标准规定冲击试验所用的标准试样尺寸为10mm×10mm×55mm,但部分油气管线受尺寸限制,冲击试样往往达不到标准试样的要求。如在评价北京市燃气管网安全状况时,开挖的北京城市燃气系统中的部分干线管道厚度只有7～8mm,很多中低压管道的厚度甚至还不足5mm。笔者就非标准尺寸试样的冲击功问题进行了研究。1冲击韧性测试方法GB/T229-1994标准(相当于国际标准ISO148)规定不同类型和尺寸的冲击试样的试验结果不能直接进行对比和换算,而ASTM,BS和API标准规定了不同尺寸冲击试样结果的不同换算方法。ASTMA370-2003标准规定了小尺寸试样和标准试样冲击功的换算关系,认为冲击功和试样的宽度成正比,即:Astd=Ass(tstdtss)(1)Astd=Ass(tstdtss)(1)式中Astd,Ass——标准冲击试样和小尺寸冲击试样的冲击功,J;tstd,tss——标准冲击试样和小尺寸冲击试样的宽度,mm。BS7910标准没有规定冲击功的换算方法,但和ASTM标准都规定了小试样韧脆转变温度位移公式,以Tshift表示小试样韧脆转变温度相对于标准试样向低温方向的位移量,如图1所示,两者的规定相差较大。API1579标准也推荐使用ASTMA370和BS7910标准的规定来评价管线材料、板材和压力容器材料的冲击韧性。不同的试验标准对冲击试验的试样尺寸、试验条件和试验操作规定方面基本相同,但对其大小尺寸试样冲击功和韧脆转变温度的关系规定却各不相同,甚至存在较大的差异。曹声驹和邱晓刚等人研究了不同冲击试样宽度对冲击功的影响规律,认为大小试样冲击功在统计意义上存在一定的比例关系,但未得出相同的比例数,也没有研究更小尺寸试样冲击功的规律。可见,国内外对于小尺寸试样冲击功与标准试样冲击功的比例关系没有统一的标准。针对管线钢材料,还没有比较通用的数学公式表示大小尺寸试样冲击功的关系。因此,有必要研究管线钢不同尺寸试样的冲击试验结果之间的关系。2试验方案与试样制备试验采用了20钢、16Mn钢和X70钢三种不同的管线钢。试验材料的化学成分(质量分数)见表1,力学性能见表2。按照GB/T229-1994标准的要求制作夏比V型缺口冲击试样。试样长度方向与板材轧制方向平行,缺口垂直于板面。其中20钢试样宽度分别取10,8,6,4和2mm,而16Mn钢和X70钢的试样宽度分别取10,7.5,5和2.5mm。冲击试验在JBD-300B低温冲击试验机上进行,其最大冲击能量为300J,冲击速度为5.2m/s。采用酒精和液氮制冷保温,高于室温时利用恒温水浴加热保温,试验温度范围为-80～40℃,每个宽度的试样在同一温度下做三个平行试样。试验操作均按照GB/T229-1994标准的要求进行。3试验结果及分析3.1材料的韧脆转变曲线根据不同宽度的20钢和16Mn钢试样冲击试验结果绘制出不同宽度试样的韧脆转变曲线,如图2所示。由于20钢2mm宽度试样、16Mn钢2.5mm宽度试样以及全部尺寸的X70钢试样的韧脆转变温度都十分低,在温度达到-80℃时,试样仍然是韧性断裂。不同宽度20钢试样的韧脆转变曲线都有脆性断裂区、韧脆转变区和韧性断裂区(图2a),但宽度对各区的影响并不相同。在脆性断裂区,试样的冲击功均在1～4J,差别很小;韧脆转变区随试样宽度减小而向低温方向移动,并且试样宽度较小时移动幅度较大;在韧性断裂区,试样宽度对冲击功的影响十分明显,宽度增大,冲击功升高。不同宽度16Mn钢试样的韧脆转变曲线并不完整,缺少脆性断裂区(图2b),不过其韧脆转变曲线的变化规律和20钢的相同。3.2材料试样尺寸表3给出了20钢和16Mn钢不同宽度试样的韧脆转变温度以及与标准试样的差别。对两种材料的韧脆转变温度飘移程度作了对比,并且与ASTM和BS标准的规定作了比较(图3)。可见,不同材料的试样尺寸对韧脆转变温度测量的影响明显。20钢的韧脆转变测量值受试样尺寸的影响较大,其温度飘移的程度比ASTM和BS标准规定的都要大;而16Mn钢的韧脆转变温度受试样尺寸的影响相对较小,其飘移值与ASTM的规定大致相当。因此,对于强度较高且伸长率相对较小的16Mn钢,其较小试样仍然可以达到较高的应力约束,使得试样尺寸对韧脆转变温度的影响程度相对较小。3.3各尺寸试样间的韧脆断裂性能在同一温度下,不同宽度试样的冲击功是不能比较的。从图2a可以看出,20钢在-40℃时,宽度为4mm冲击试样处于韧性断裂区,冲击功约为35J,而宽度为6和8mm试样以及标准试样基本处于脆性断裂区,冲击功均<5J。因此比较不同宽度试样冲击功的关系时,试样必须处于相同的断裂区,而相同温度下试样的冲击功不一定具有可比性。在不同温度下,不同宽度试样有相同的冲击功并不表示具有相同的抗断裂性能。从图2a可以看出,冲击功为30J的不同宽度20号钢试样韧脆断裂状态是不同的,宽度为4mm的冲击试样接近于完全韧性断裂,而其他宽度的试样均处于韧脆转变区。因此不同宽度试样的相同冲击功物理意义不一定相同。而也有文献表明,不同宽度试样的上平台冲击功具有可比性。20钢、16Mn钢和X70钢的上平台冲击功和试样宽度存在明显的线性关系(图4)。但它们和式(1)所描述的冲击功随宽度成比例增加并不吻合。随试样宽度的增加,根据式(1)计算的结果和试验结果之间的误差增大。因B此结合大量试验测试结果对式(1)进行修正,拟合出标准试样和非标准试样冲击功的关系,即:Astd=Ass(tstd−t0tss−t0)(2)Astd=Ass(tstd-t0tss-t0)(2)式中,t0为试样宽度的修正参数。t0值为不同材料的上平台冲击功线性拟合直线与横轴相交的数值。不同材料对应的t0值是不同的,20钢、16Mn钢和X70钢的t0值分别为0.6,1.5和1.4mm。若已知材料的t0值和非标准试样的冲击功,使用式(2)来推算标准试样的冲击功,比较符合现实测量结果,如表4所示。4不同尺寸试样的韧脆转变温度漂(1)管线钢的韧脆转变区随试样宽度减小而向低温方向移动,并且试样宽度较小时移动幅度较大;在韧性断裂区,冲击功随试样宽度增大而升高。(2)管线钢不同尺寸试样的韧脆转变温度漂移程度有很大差