管线钢落锤撕裂试验异常脆性断口分析图文精.docx
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管线钢落锤撕裂试验异常脆性断口分析图文精
○经验交流
管线钢落锤撕裂试验异常脆性断口分析
王树人1,崔志新2
(1.中国石油天然气管道局钢管厂,辽宁辽阳111000;
2.鞍钢弓矿公司球团一厂,辽宁辽阳111007
摘 要:
通过对高强度、高韧性的厚壁管线钢落锤撕裂试验中出现的异常脆性断口进行分析,阐述了其形成原因,提出了高钢级、厚壁管线钢落锤撕裂试验异常脆性断口的评定方法。
关键词:
管线钢;DWTT;异常断口;脆性
中图分类号:
TG115.57 文献标志码:
A 文章编号:
1001-3938(200706-0069-03
0 前 言
管线钢冶炼与焊接技术的高速发展给管线钢的评价试验带来了一些新问题。
管线钢落锤撕裂试验(DWTT的结果与钢管全尺寸爆破试验结果相当吻合,而且容易操作,因此被广泛应用于管线钢断裂韧性的评价,作为钢管质量验收指标之一。
在APIRP5L3中对有效试样的定义为:
“有效试样是指整个断面呈现延性断裂的试样或缺口根部呈现解理断裂的试样。
如果缺口下的断裂为延性断裂接着转化为解理断裂,则试样无效。
”DWTT异常脆性断口也称逆向脆性断口或反韧脆性断口,是指不符合APIRP5L3对有效试样定义的试样断口。
在标准中对于无效试样没有做进一步的描述和规定,它只规定了试样的无效,而不是试验结果不合格,这给实际生产中的检验和评定带来一定的困难。
正确地评价异常脆性断口,对于资源的有效利用与合理配置以及天然气干线用高强度、高韧性、大直径、厚壁钢管的国产化都具有重要意义。
笔者针对高强度、高韧性的厚壁管线钢落锤撕裂试验中出现的异常脆性断口问题进行分析,阐述形成异常脆性断口的原因,提出高钢级厚壁管线钢落锤撕裂试验异常脆性断口的一些评定方法。
=230~400mm,成型角αn=40°~70°,内压辊半径rb=75mm,则该内压辊的母线半径rm应按如下关系设计:
rm=(Rn-rbsin2αn/cos2αn=339mm。
当某种直径内压辊其控制的管径范围比较大时,为减少辊子压痕,可采用同种直径多种辊形的设计方法,供成型器换道时根据管坯的具体情况选用最为接近的辊形。
3 结 语
本文所述“点接触内压辊可能的压痕深度预测”以及“点接触内压辊辊形优化设计方法”,是为螺旋焊管的成型控制提供一种技术手段,以提高螺旋焊管的成型质量。
但由于个人水平所限,敬请读者批评指正。
参考文献:
[1]GB/T9711—2000,石油天然气工业输送钢管交货技术条件[S].
[2]白忠泉.螺旋焊管成型弯板内压辊辊形设计[J].焊管,2007(1:
54-55.
[3]白忠泉.一种具有辊形轮廓线与螺旋管坯相吻合的内压辊[P].中国发明专利02132903.6号2002-09.
作者简介:
白忠泉(1945-,男,高级工程师,主要从事焊接钢管生产工艺及其装备的设计和研究工作。
收稿日期:
2007-07-09·69·
焊管·第30卷第6期·2007年11月
1 异常脆性断口的形态及分类
高强度、高韧性的厚壁管线钢落锤撕裂试验中出现的异常脆性断口类型(由于试样未锤断而造成的无效除外一般可分为两种:
第一种为逆
向断口,其中包括锤击侧出现面积较大的脆性断口(如图1(a所示和试样中部出现面积较大的脆性断口(如图1(b所示;第二种是由于断口分离而出现的面积较大的脆性断口(如图1(c所示
。
图1 异常脆性断口类型
2 “伪异常脆性断口”的识别与判断
“伪异常脆性断口”也称为“人为异常脆性断口”,这种断口形貌不同于逆向结晶断口的形貌,结晶区明显从试样的中间开始,扩展到锤击侧(如图2所示。
这种形态的断口,是由于人为的两次打击造成的。
第一次落锤时,由于锤头的质量或提升的高度不够,同时受到试样的止裂作用而没有断裂,第二次落锤后试样的重新起裂不是以缺口形式起裂,而是以比缺口尖锐得多的裂纹形式起裂。
缺口的尖锐程度对缺口根部的应力状态有明显影响,缺口越尖锐,尖端的应力就越大,应力变化的梯度也越大,从而在裂纹尖端的试样厚度中部产生很高的三向拉应力状态,形成解理断裂形貌。
这种断口的剪切面积不能反映试样本身的性能。
因此APIRP5L3规定“试验机应具有在一次冲击下将试样完全冲断的足够能量”。
对于“伪异常脆性断口”作为无效试样处理,不参与断口的分析与评定,此类错误操作在试验中应予以杜绝
。
图2 伪异常脆性断口
3 异常脆性断口产生的原因
3.1 加工硬化的影响
DWTT试样在整个过程中一般经过三次加工硬化:
成型过程中产生的加工硬化;试样矫平及V形缺口压制过程中产生的加工硬化;锤断过程中产生的加工硬化。
由于这些过程的加工硬化,使得在进行DWTT试验时,裂纹扩展前落锤冲击引起残余压缩变形,这种变形使DWTT韧脆转变温度升高,从而导致异常脆性断口的出现。
3.2 锤断速度的影响
试样进行锤断时的速度,对断口有很大的影响。
所有材料都有一个临界受载速度,在临界速度以上,材料呈现类似玻璃的脆性。
虽然采用相同的锤断能量(W=mgh,但高度不同,自由落体后的锤断速度不同,其断口形貌也不同。
速度越大材料表现出来的脆性也越大,也就越容易形成异常脆性断口。
标准规定冲击时试验锤的速度为5~9m/s,因此试验时锤头的工作高度应在1.3~4.1m范围内,试验时尽量通过加大锤头的配重、减小锤头上升的高度来增加锤断能量,这样可以降低出现异常脆性断口的频率。
3.3 缺口的影响
对于韧性较高的管线钢,优先选用人字形缺,·
70·焊 管 2007年
11月
的过多的初始能量。
例如对于西气东输工程所用的钢级X70、壁厚14.6mm的管线钢来讲,其夏比冲击功实测值一般为260~460J,采用人字形缺口进行落锤撕裂试验所需要的锤断能量要比采用V形缺口进行落锤撕裂试验所需要的锤断能量减少3000~4000J。
采用人字形缺口不但减少了V形缺口在压制过程中出现的加工硬化,而且由于所需锤断能量的降低提高了设备的使用寿命。
3.4 材料的影响
管线钢的纯净度对于断口影响明显,纯净度和均匀度较差的材料容易产生断口分离现象。
试验中大约有10%的试样出现异常脆性断口,这不一定完全是由于加工硬化和试验方法导致的,也可能是由于钢质的纯净度较差或者板材轧制的不均匀造成的。
因此有些管线钢在卷板头部取样合格,制成钢管后在其他位置取样试验出现不合格现象,这可能是由于取样位置和加工硬化共同作用的结果。
所以对于达不到标准要求的异常脆性断口不能完全凭经验去评定,如果发现问题还应做对比试验或相关试验进行验证。
4 异常断口的评定
如果不考虑试样的有效性,那么在评定过程中可参照如下方法进行评定:
(1对于高强度、高韧性厚壁管线钢出现的异常脆性断口,国内外专家提出了很多解决方案。
日本和韩国的材料专家从钢厂的角度出发,认为现有DWTT的评价方法过于“保守”,逆向脆性断口的产生是由于材料的韧性很高,在锤击时不能迅速从缺口断裂,使锤击面因冷作硬化而变为脆性断裂。
钢材越厚,需要的断裂能量越大,同时在撞击部分由于加工硬化而产生的逆断口也越大。
在计算剪切面积时逆断口的面积应从脆性断口面积中排除。
但笔者认为,造成异常脆性断口的因素有很多,仅用加工硬化来解释是不全面的。
如试样中部出现的脆性断口按照该方法评定就具有一定的危险性;如果由于加工硬化导致韧脆转变温度升高到接近管线的输送温度,这也是不安全的。
(2锤击侧出现的异常断口是指在锤击侧面出现的异常脆性断口,这主要是由于冷作硬化引锤击侧去掉一个壁厚,已经考虑了加工硬化问题,因此对于一个壁厚以外的脆性断口,不能忽略其脆性的存在,应按照实际剪切面积计算。
(3试样中部出现的异常脆性断口,是指缺口处由韧性转变为脆性而在锤击侧又转变为韧性的断口。
试样在锤击侧没有出现加工硬化,而在中部出现加工硬化,这种断口用加工硬化的理论来解释不是很合理。
该类断口去掉一个壁厚后剩余部分的断口不论是韧性还是脆性,均应按照实际剪切面积计算。
(4关于断口分离的评定。
控轧钢可能有平行于板材表面的开裂,呈现解理断裂。
在剪切面积百分数的评定中不应考虑平行于板材表面开裂中的解理断裂,但应考虑与板材表面有一定倾角开裂中的解理断裂。
在评定试样时,剪切区和解理区间断交错范围内的剪切面积略去不计。
5 结 语
(1大量试验表明,APIRP5L3对有效试样的定义具有一定的局限性,它对于低强度、低韧性或高强度、高韧性的薄壁管线钢是适用的,而对于高强度、高韧性的厚壁管线钢可能不完全适用。
建议有关部门研究制定出一种对高钢级厚壁管线钢进行评价的方法。
(2为了减少异常脆性断口出现的频率,试验中锤头应尽量采用较低的高度(但需大于1.3m并且优先选用人字形缺口试样进行DWTT试验。
(3关于管线钢DWTT断裂力学的理论远不如夏比冲击试验理论那样完善,因此需要对DWTT试验的动态断裂过程做进一步研究,找出其经验公式,建立数学模型,确定材料化学成分、组织结构和力学性能对DWTT剪切面积的影响。
参考文献:
[1]束德林.金属力学性能[M].北京:
机械工业出版社,1987.
[2]APIRP5L3:
1996,管线钢管落锤撕裂试验推荐作法[S].
作者简介:
王树人(1970-,男,高级工程师,辽宁省理化检验协会理事,长期从事螺旋焊管的理化检验工作。
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-11-·71·
第30卷第6期 王树人等:
管线钢落锤撕裂试验异常脆性断口分析
Keywords:
pipeenterprise;informationmanagement;datacollectionsystem
ProcessDiscussiononFullHardCoil&ItsCold-BendingForming
ZHANGWei-guo,XIONGZheng-jun
AbstractID:
1001-3938(200706-0054-EA
Abstract:
Itanalyzesphysicalpropertyoffullhardcoilanditsprocesspropertyofcold-bendingforming,andraisescorrespondingprocesshold-pointsbasedoncold-bendingdefectsandcontrolmeasurewhichoccurredinsomecrosscold-bendingsectionduringprocessdesignofcold-ben-dingformingandproductionprocess.Keywords:
fullhardcoil;cold-bendingformingprocess;cold-bendingeffect
ApplicationofElectric-HydraulicProportionalValveinOil
&WaterPressureEquationSystemofPipeHydrostaticTester
ZHANGMeng-jun,LIUHuan-jun,TIANXiao-jiang
AbstractID:
1001-3938(200706-0057-EA
Abstract:
ItintroducesbasicprincipletoadoptPLCtooperateelectric-hydraulicproportionalvalveandstatesapplicationofelectric-hydraulicpro-portionalvalveinoil&waterpressureequationsystemofpipehydrostatictesterandalsosummarizesmethodstoadjustthecontrolofelectric-hy-draulicproportionalvalve.Keywords:
pipehydrostatictester;proportionalvalve;programlogiccontrol;equationcontrol
Design&ApplicationofAuto-deslaggingUnitofPipeEnds
ZHANGShi-ping,CHENQi-wei,HOUYong-gao,DENGZhi-wei
AbstractID:
1001-3938(200706-0059-EA
Abstract:
WiththecontinuousdevelopmentofSSAWpipeproductionprocess,pipeendsexpansiontechnologyhasbeenwidelypromotetoapplica-tion.Thisprocessrequiresnoanyforeignmatterswithin250mmfrompipeends.Throughthedesignandapplicationofauto-deslaggingunit,itsolvesmanyproblemsoccurredinmanualdeslaggingandensurepipeendsexpansionproceduregoonsmoothly.Keywords:
spiralsubmergedarcweldedpipe(SSAWpipe;auto-deslaggingmachine;steelwirebrush;grindingwheel;float
ProcessDiscussiononInstallationPositionofXRadiography-filmingUnitforSSAWPipe
LINChun-ming,CHENWen-hao
AbstractID:
1001-3938(200706-0061-EA
Abstract:
XRadiography-filminginspectionisanimportantproceduretoensurequalityofweldedpipe,whetheritsfilmingprocessandinspectionmethodisrightornot,ithavegreatinfluencetoinspectionqualityandevaluationresult.ThroughdiscussiononplacementofXradiography-filmingunitforSSAWpipe,thisarticleisespeciallyimportanttoestablishandadoptproperX-rayinspectionprocesstoensurequalityofSSAWpipe.Keywords:
spiralsubmergedarcweldedpipe(SSAWpipe;Xradiographyunit;placement;irradiationangle;crack;strongorweakradialarea
TechnicalProblemDuringManufacturingLongitudinalSubmergedArcWeldingPipebyRollingPlate
YANGZhuan-zhao,FENGYao-Rong,LIJi-ke,LIYun-long,MAQiu-rong,GAOJian-zhong
AbstractID:
1001-3938(200706-0064-EA
Abstract:
Itwasthefirsttimethattomakethelongitudinalsubmergedarcweldingpipebyrollingplateinourcountryorevenintheworld.Sothattomakethelongitudinalsubmergedarcweldingpipebyrollingplatewasconfrontedsuchkindsoftechnicalproblemas:
lowerrateofavailablesheetafterstraighteningandcutting,maybedifferentpropertiesbetweentheh
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