X90管线钢管示波冲击试验研究

蔺卫平，张庶鑫，解学东

（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077）

X90管线钢管示波冲击试验研究

蔺卫平，张庶鑫，解学东

（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077）

对X90管线钢管管体、焊缝和热影响区在不同温度下进行示波冲击试验，并对曲线的特征值进行分析。结果表明：X90管线钢管管体示波冲击曲线随着试验温度的降低，由只产生稳定裂纹扩展逐渐变为产生不稳定裂纹扩展，管体韧脆转变温度约为－90℃；焊缝示波冲击曲线都产生不稳定裂纹扩展，随着试验温度的降低，不稳定裂纹扩展愈发明显，焊缝韧脆转变温度约为－50℃；热影响区示波冲击曲线随着试验温度的降低，由稳定裂纹扩展逐渐变为不稳定裂纹扩展，热影响区韧脆转变温度约为－60℃。

焊管；X90管线钢管；示波冲击试验；稳定裂纹扩展；不稳定裂纹扩展

油气管道特别是天然气管道发展的一个重要趋势是采用高钢级、大直径管线输送。但随着石油天然气管道运行压力的增高，管道直径不断加大，发生管道延性断裂的风险也就越大。这就要求高钢级管线钢在提高管道输送能力的同时，具有足够高的韧性，以保证管道运行的安全性[1-4]。

夏比冲击试验已成为评价管材韧性的重要方法，管道安全评价也常采用冲击韧性和断裂韧性的经验关系式换算得到材料断裂韧性数据。但是，冲击吸收功的大小并不能直接反映材料韧脆性能，材料韧性的好坏主要取决于裂纹扩展功的大小。这就需要采用示波冲击试验，对冲击试验的全过程进行详细描述[5-9]。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料采用φ1 219 mm×16.3 mm规格 X90直缝埋弧焊钢管。钢管母材的化学成分和拉伸性能（横向板状试样）见表1和表2。

表1 试验用X90钢管母材的化学成分 %

表2 试验用X90钢管母材的拉伸性能

1.2 试验方法

冲击试样在距焊缝90°管体处和焊缝处横向截取，试样的几何尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。试验温度为20℃、0℃、－20℃、－40℃、－60℃、－80℃和－100℃，试验采用MPM9700示波冲击试验机，依据ASTM E23-12c[10]进行试验。用MEF4M金相显微镜进行金相组织分析。

2 试验结果及分析讨论

2.1 管体横向

X90钢管母材的微观组织如图1所示，由图1可见，管体组织为粒状贝氏体和弥散分布的MA岛，晶粒度为11.6级。

图1 X90钢管母材的微观组织

不同温度下X90钢管母材冲击试样的示波曲线如图2所示。由图2可见，当温度为20℃时，冲击吸收能量增长较慢，随着温度的降低，能量－位移曲线的斜率增大，吸收能量增长变快。

随着温度的降低，最大力Fm逐渐增大，最大力下的位移Sm逐渐变小，最大力下的能量Wm也逐渐变小，载荷－位移曲线变得越来越陡峭。不稳定裂纹扩展起始位移Siu和不稳定裂纹扩展终止位移Sa逐渐变小，不稳定裂纹扩展越来越明显。

图2 不同温度下X90钢管母材冲击试样的示波曲线

温度20℃、位移为15 mm时，冲击载荷还很高（12.78 kN），说明裂纹扩展过程中受到的阻碍较多；当温度为－80℃、位移为15 mm时，冲击载荷已经接近0。在－80℃时，试样刚过最大力就发生不稳定裂纹扩展，说明试验温度越低，试样在冲击过程中所受阻碍越小。

X90钢管母材的韧脆转变曲线如图3所示。由图3可见，X90钢管母材具有良好的室温和低温冲击韧性。室温冲击吸收能量的平均值为325 J，韧脆转变曲线具有明显的上平台。以剪切断面率达到50%来规定韧脆转变温度，X90管线钢母材韧脆转变温度约为－90℃。

图3 X90钢管母材的韧脆转变曲线

2.2 焊缝

X90钢管焊缝的微观组织如图4所示。由图4可见，焊缝组织为针状铁素体、粒状贝氏体、多边形铁素体和珠光体。

图4 X90钢管焊缝的微观组织

不同温度下X90钢管焊缝冲击试样的示波曲线如图5所示。由图5可见，随着温度的降低，能量－位移曲线的斜率增大，吸收能量增长变快。随着温度的降低，最大力Fm逐渐增大，最大力下的位移Sm和最大力下的能量Wm先逐渐增大，到－40℃达到最大值后再逐渐变小。所有曲线都有不稳定裂纹扩展过程，随着温度的降低，不稳定裂纹扩展起始位移Siu和不稳定裂纹扩展终止位移Sa逐渐变小，不稳定裂纹扩展愈发明显。在20℃、位移为15 mm时，冲击载荷为3.77 kN；在－60℃、位移为15 mm时，冲击载荷已经接近0。

图5 不同温度下X90钢管焊缝冲击试样的示波曲线

X90钢管焊缝的韧脆转变曲线如图6所示。由图6可见，焊缝室温冲击吸收能量的平均值为234 J，韧脆转变曲线具有明显的上平台。以剪切断面率达到50%来规定韧脆转变温度，X90钢管焊缝韧脆转变温度约为－50℃。

图6 X90钢管焊缝的韧脆转变曲线

2.3 热影响区

X90钢管热影响区的微观组织如图7所示。由图7可见，热影响区粗晶区组织为粒状贝氏体（图7（a）），细晶区组织为多边形铁素体、MA岛和珠光体（图 7（b））。

不同温度下X90钢管热影响区冲击试样的示波曲线如图8所示。由图8可见，随着温度的降低，吸收能量增长变快。最大力下的位移Sm和最大力下的能量Wm先逐渐增大，到－40℃达到最大值后再逐渐变小。不稳定裂纹扩展起始位移Siu和不稳定裂纹扩展终止位移Sa逐渐变小，不稳定裂纹扩展越来越明显。在20℃、位移为15 mm时，冲击载荷为8.40 kN；在－60℃、位移为15 mm时，冲击载荷已经接近0。

图7 X90钢管热影响区的微观组织

图8 不同温度下X90钢管热影响区冲击试样的示波曲线

X90钢管热影响区的韧脆转变曲线如图9所示。由图9可见，热影响区室温冲击吸收能量的平均值为323 J，韧脆转变曲线具有明显的上平台。以剪切断面率达到50%来规定韧脆转变温度，X90钢管热影响区韧脆转变温度约为－60℃。

图9 X90钢管热影响区的韧脆转变曲线

3 结 论

（1）X90钢管管体示波冲击曲线表明，随着试验温度的降低，由只产生稳定裂纹扩展逐渐变为产生不稳定裂纹扩展。管体韧脆转变温度约为－90℃。

（2）X90管线钢管焊缝示波冲击曲线都产生不稳定裂纹扩展。随着试验温度降低，不稳定裂纹扩展愈发明显。焊缝韧脆转变温度约为－50℃。

（3）X90管线钢管热影响区示波冲击曲线表明，随着试验温度的降低，由稳定裂纹扩展逐渐变为不稳定裂纹扩展。热影响区韧脆转变温度约为－60℃。

［1］李鹤林.天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题[J].中国机械工程， 2001， 12（3）：349-352.

［2］冯耀荣，李鹤林.管线钢及管线钢管的研究进展与发展方向[J].石油专用管，2005（1）：1-23.

［3］李延丰，王庆强，王庆国.X90钢级螺旋缝埋弧焊管的研制结果及分析[J].钢管，2011，40（2）：25-28.

［4］夏佃秀，王学林，李秀程.X90级别第三代管线钢的力学性能与组织特征[J].金属学报，2013，49（3）：271-276.

［5］周民，杜林秀，刘相华.不同温度下X100管线钢的冲击韧性[J].塑性工程学报， 2010， 17（5）：108-113.

［6］王树人，吴金辉，张克修.示波冲击试验在螺旋埋弧焊管检验上的应用[J].焊管，2010，33（10）：46-51.

［7］机械工业理化检验人员技术培训和资格鉴定委员会.力学性能试验[M].上海：上海科学普及出版社，2003.

［8］GB/T 229—1994，金属夏比缺口冲击试验方法[S].

［9］鄢国强.材料质量检测与分析技术[M].北京：中国计量出版社，2005.

［10］ASTM E23-12c，金属材料缺口试样标准冲击试验方法[S].

Instrument Impact Experiment Study of X90 Line Pipe

LIN Weiping,ZHANG Shuxin,XIE Xuedong
（CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China）

The X90 line pipe,weld and HAZ were studied by instrumental impact experiment at different temperature,and the characteristic value of curve was analyzed.The result showed that as temperature decreases,the curve of X90 grade steel pipe changes gradually from only generating stable crack growth to unstable crack growth.The ductile-brittle transition temperature is about－90℃;The weld demonstrates unstable crack growth,with lower temperature,unstable crack growth is becoming increasing apparent.The ductile-brittle transition temperature is about－50℃.As temperature decreases,the curve of HAZ changes gradually from generating stable crack growth to unstable crack growth.The ductile-brittle transition temperature is about－60℃.

welded pipe;X90 line pipe;instrument impact experiment;stable crack growth;unstable crack growth

TG115.5

A

1001－3938（2015）12-0046-05

蔺卫平（1975—），女，硕士，高级工程师，主要从事金属材料性能的测试与研究。

2015-07-30

修改稿收稿日期：2015-09-28

谢淑霞