吉玲康，李 鶴，李為衛(wèi)

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

高壓輸氣管道一旦發(fā)生斷裂失效，往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。世界管道史上就曾發(fā)生過(guò)因管道爆破著火一次死傷1 024人的慘痛事故[1]。長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，管道工業(yè)的發(fā)展史也是人類(lèi)認(rèn)識(shí)管道的斷裂并與之作斗爭(zhēng)的歷史。有文獻(xiàn)記載的最早的管線(xiàn)斷裂事故是1950年美國(guó)一條直徑762 mm的管線(xiàn)，當(dāng)時(shí)是在試氣時(shí)發(fā)生破裂。這一事故引起了人們警惕并注意到斷裂是管道最嚴(yán)重的失效模式。1960年發(fā)生在美國(guó)Trans-Western管線(xiàn)(762 mm，鋼級(jí)X56)上裂紋長(zhǎng)達(dá)13.36 km的脆性斷裂事故，斷裂發(fā)生時(shí)，應(yīng)力為244.8 MPa，相當(dāng)于材料規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的63%，斷口剪切面積只有5%～15%。該事故促使人們進(jìn)行斷裂控制方面的研究[2]。

研究表明，裂紋起裂于管道中的缺陷，而裂紋在管道中是止裂還是持續(xù)地快速擴(kuò)展，取決于裂紋在管道中擴(kuò)展速度Vm以及管內(nèi)介質(zhì)在管道破裂時(shí)的減壓波速度Vd。減壓波速度Vd與輸送介質(zhì)的種類(lèi)、溫度及壓力有關(guān)，而裂紋在鋼管中的擴(kuò)展速度Vm與管道的工作溫度以及鋼管韌脆轉(zhuǎn)變溫度的高低有關(guān)。對(duì)于輸氣管道，當(dāng)工作溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，以脆性斷裂為主時(shí)，Vd

一般來(lái)說(shuō)，延性斷裂的開(kāi)裂速度Vm其決定于剪切面積和材質(zhì)兩個(gè)因素，為120～250 m/s，脆性斷裂的開(kāi)裂速度Vm變化范圍較寬，在450～800 m/s之間，而管線(xiàn)斷裂大多為混合型的斷裂，其速度為250～450 m/s，工程上所說(shuō)的脆性斷裂系指延性斷裂意外的包括混合斷裂在內(nèi)的全部斷裂。天然氣減壓波前沿的速度Vd為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，為380 m/s。

對(duì)于輸氣管道的斷裂控制，首先應(yīng)使管材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度必須低于管線(xiàn)的環(huán)境溫度，保證鋼管不會(huì)發(fā)生脆性斷裂事故，所以當(dāng)今管道材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為選材的重要技術(shù)指標(biāo)；其次才是提高管材韌性以防止管道延性斷裂長(zhǎng)程擴(kuò)展。

有關(guān)如何控制天然氣管道延性裂紋長(zhǎng)程擴(kuò)展的方法在API Spec 5L[3]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有相應(yīng)的要求，主要是通過(guò)對(duì)管線(xiàn)管的沖擊韌性進(jìn)行要求，以確保管線(xiàn)管的延性裂紋止裂。對(duì)此本文將不再贅述。本文將圍繞現(xiàn)代管線(xiàn)鋼脆性斷裂止裂問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)和脆性斷裂控制

DWTT最早是美國(guó)海軍研究所(NRL)于上世紀(jì)60年代提出并用來(lái)測(cè)定船板韌性的一種方法。后來(lái)美國(guó)的巴特爾紀(jì)念研究院(BMI)發(fā)展了該方法，并且為適應(yīng)油氣輸送管道上的取樣，對(duì)DWTT方法的試樣進(jìn)行修正，采用壓制缺口，并按照試樣的斷口剪切面積百分?jǐn)?shù)SA(%)來(lái)確定管道的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

19世紀(jì)30年代晚期到60年代早期，美國(guó)在輸氣管線(xiàn)上發(fā)生的脆性斷裂長(zhǎng)度達(dá)60 km。因而美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)AGA啟動(dòng)了NG-18項(xiàng)目發(fā)展評(píng)估管線(xiàn)鋼中脆性斷裂止裂能力的方法。此項(xiàng)目的一項(xiàng)成果為，用標(biāo)準(zhǔn)化落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)來(lái)評(píng)價(jià)管線(xiàn)鋼的脆性斷裂傾向。19世紀(jì)60年代末期，DWTT程序被引入API、ASTM和CSA，ISO等其他標(biāo)準(zhǔn)中，以避免脆性斷裂問(wèn)題[4]。因此，DWTT試驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)，可用來(lái)證明鋼管材料合格并具有脆性斷裂止裂能力的技術(shù)指標(biāo)。最初驗(yàn)證PN-DWTT的脆性斷裂止裂主要是對(duì)比相同溫度下的PN-DWTT剪切面積值和鋼管全尺寸斷裂試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為二者所獲得的剪切面積比較接近。最初的管道試驗(yàn)是在Battelle的West Jefferson實(shí)驗(yàn)室實(shí)施的，因此稱(chēng)之為West Jefferson試驗(yàn)。

AGA/NG-18早期的一些管道專(zhuān)題論文集包含了脆性斷裂止裂標(biāo)準(zhǔn)和全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ASME B31.8, CSA, DNV和其他一些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)管文件中給出了控制脆性斷裂所要求的剪切面積。對(duì)于那些19世紀(jì)60年代和更早時(shí)期的鋼，主要是X65鋼級(jí)或更低的具有50 J左右夏比上平臺(tái)沖擊功的管線(xiàn)鋼，壓制缺口DWTT可以確定全尺寸爆破試驗(yàn)中剪切面積的合理性；另外，DWTT試驗(yàn)85%剪切面積確保在全尺寸管線(xiàn)中發(fā)生的是延性斷裂。這些試驗(yàn)程序一直使用直至今日。事實(shí)上，Battelle/NG-18選用85% 剪切面積在當(dāng)時(shí)是一種保守做法。1960年的British Gas建議使用75%剪切面積，而其他標(biāo)準(zhǔn)，B31.8要求80%以上爐批的剪切面積不低于40%；DNV OS-F101要求對(duì)于一個(gè)試樣，剪切面積平均值達(dá)到85%，最小值達(dá)到75%。CSA Z245.1要求總爐批平均值不低于85%，兩個(gè)試樣平均值不低于60%，單個(gè)試樣不低于50%。許多公司的標(biāo)準(zhǔn)中要求剪切面積至少達(dá)到85%剪切面積[5]。

然而，隨著冶金技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代中等或者較高鋼級(jí)的管線(xiàn)鋼大多為針狀鐵素體組織，在具有高強(qiáng)度的同時(shí)又具有高韌性，與建立脆性斷裂控制程序的19世紀(jì)70年代時(shí)的管線(xiàn)鋼有很大不同?，F(xiàn)代管線(xiàn)鋼夏比上平臺(tái)沖擊功增加了5～10倍，為300～500 J。由于韌性較高，現(xiàn)代的管線(xiàn)管在DWTT試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到無(wú)效斷口(即異常斷口AFA)，人們開(kāi)始采用人字形缺口、脆性焊珠線(xiàn)切割缺口、開(kāi)背槽等方法來(lái)修正試驗(yàn)程序，以替代原來(lái)的試驗(yàn)程序，見(jiàn)表1[4]。我國(guó)還提出了DWTT試驗(yàn)異常斷口的判定方法[6]；同時(shí)也認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)代管線(xiàn)鋼比過(guò)去的管線(xiàn)鋼的剪切唇具有更高的斷裂阻力，脆性斷裂止裂可能不需要像過(guò)去的管線(xiàn)鋼那么高的剪切面積。

2 管線(xiàn)管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DWTT指標(biāo)的要求

自從美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)NG-18脆性斷裂止裂報(bào)告1983年公布后(于1985年進(jìn)行修訂)，國(guó)際上天然氣管道紛紛采用DWTT試驗(yàn)來(lái)預(yù)防管道的脆性斷裂問(wèn)題，并且API還制定了DWTT試驗(yàn)的推薦做法，對(duì)試樣、試驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果判定等進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，雖然在不同的輸送管道標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DWTT剪切面積的要求有著一些區(qū)別，但是該成果的推廣取得了非常好的效果。NG-18報(bào)告提出的85% 剪切面積在當(dāng)時(shí)就是一種保守做法，它確保在全尺寸管線(xiàn)中發(fā)生的是延性斷裂。

隨著管線(xiàn)鋼制造的技術(shù)進(jìn)步以及人們對(duì)管道脆性斷裂的認(rèn)識(shí)，DWTT的技術(shù)要求也在發(fā)生一些變化。不同的標(biāo)準(zhǔn)和管道工程對(duì)其規(guī)定也不盡相同。表2 總結(jié)了部分重要管道工程及管線(xiàn)鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)DWTT剪切面積SA的要求情況。綜合看來(lái)有以下特點(diǎn)：

1)對(duì)DWTT的技術(shù)要求可分為對(duì)所有爐批平均值、每爐批平均值、單件試樣的最小值三個(gè)指標(biāo)的要求。比如CSA Z245.1-2002標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此三種指標(biāo)都進(jìn)行了要求。

表1 不同的DWTT試樣和其優(yōu)缺點(diǎn)[4]

注：1 in=25.4 mm

2)試驗(yàn)溫度可為設(shè)計(jì)溫度、管道環(huán)境溫度等，根據(jù)規(guī)定也可以采用低于設(shè)計(jì)溫度的溫度進(jìn)行試驗(yàn)。美國(guó)的Alliance管線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)還分別對(duì)埋地和地上管線(xiàn)的試驗(yàn)溫度進(jìn)行了規(guī)定。

3)大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，特別是歐美管線(xiàn)管標(biāo)準(zhǔn)，都遵循了規(guī)定溫度下剪切面積85%的要求(僅對(duì)壁厚25.4 mm以下。當(dāng)壁厚大于25.4 mm時(shí)，接收判據(jù)可以由制造商和業(yè)進(jìn)行協(xié)議)，而且主要是要求所有爐批的平均值以及單爐試驗(yàn)的平均值。例如CSA Z245.1以及Alliance、Rockies Express管線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

4)在理念上和嚴(yán)格程度上，我國(guó)的大多管線(xiàn)鋼管標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)DWTT的要求，和國(guó)際上大多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)幾乎是相同的。對(duì)于壁厚小于25.4 mm鋼管產(chǎn)品，DWTT要求是每爐平均值≥85%，單個(gè)試樣≥70%；國(guó)外對(duì)這種壁厚鋼管(特別是當(dāng)鋼級(jí)較高時(shí))，DWTT的要求稍低，但會(huì)增加所有爐批平均值的要求(如CSA245.1,美國(guó)Alliance管道、REX管道等)。對(duì)于大于25.4 mm壁厚鋼管，我國(guó)前些年的標(biāo)準(zhǔn)中DWTT要求是可以協(xié)議的(如Q/SY 1513.1通用技術(shù)條件)，或者采用較小的剪切面積額要求，如西氣東輸二線(xiàn)和三線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中每爐平均SA≥75%，單個(gè)試樣≥60%。值得注意的是，近年來(lái)隨著管線(xiàn)鋼及管線(xiàn)管制造能力的提高，我國(guó)管線(xiàn)管標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)較大壁厚(超過(guò)25.4 mm)管線(xiàn)管的DWTT的要求也有提高，比如西氣東輸四線(xiàn)和中俄東線(xiàn)對(duì)DWTT要求，不論管徑(1 219 mm和1 422 mm)和壁厚(21.4～32.1 mm)的大小，均規(guī)定每爐平均剪切面積85%，而且試驗(yàn)溫度仍然維持環(huán)境溫度或者最低設(shè)計(jì)溫度(-5 ℃)，這對(duì)板材和鋼管的制造工藝提出了較高的要求。

3 管線(xiàn)管的脆性止裂技術(shù)要求

3.1 脆性斷裂的判斷

脆性斷裂止裂的預(yù)測(cè)完全不同于韌性斷裂，因此不應(yīng)混淆這兩種斷裂模式。從學(xué)術(shù)意義上來(lái)說(shuō)，真正的脆性斷裂應(yīng)該是0剪切面積百分比，斷裂速度應(yīng)接近鋼鐵中縱波的理論極限速度。而我們所說(shuō)的工程意義上的脆性斷裂稍有不同，如前所述，通常以450～800 m/s的裂紋擴(kuò)展速度傳播，它比天然氣聲波速度更快，天然氣的減壓行為不用考慮(天然氣減壓行為的分析適用于韌性斷裂)，所以我們所說(shuō)的脆性斷裂在一般情況下，實(shí)際上是一種具有剪切唇的變形很小的斷裂。另外，NG-18項(xiàng)目針對(duì)低鋼級(jí)管材(X65及以下)的脆性斷裂試驗(yàn)表明，在全尺寸爆破試驗(yàn)中，沒(méi)有剪切面積百分比高于50%以上的穩(wěn)態(tài)斷裂[5]。因此，我們判斷是否為脆性斷裂時(shí)只需看裂紋擴(kuò)展速度即可，這時(shí)剪切面積不會(huì)超過(guò)50%，這是因?yàn)榇罅考羟写綄p緩解理斷裂，從而變?yōu)轫g性斷裂。前期很多研究均證實(shí)DWTT試驗(yàn)結(jié)果接近全尺寸爆破試驗(yàn)結(jié)果，是判斷材料脆性斷裂止裂能力的重要方法。

表2 部分重要管道工程及管線(xiàn)鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DWTT指標(biāo)的要求

3.2 應(yīng)力水平和止裂的關(guān)系

在輸送介質(zhì)確定的情況下，Vd是恒定的。是否止裂決定于裂紋擴(kuò)展速度Vm，而Vm又決定于剪切面積SA的大小，SA又決定于管道實(shí)際運(yùn)行溫度與材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT的關(guān)系。這一切似乎和應(yīng)力水平?jīng)]有關(guān)系。但是對(duì)于脆性斷裂來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)斷裂的唯一驅(qū)動(dòng)力是儲(chǔ)存于管壁中的彈性應(yīng)變能，而彈性應(yīng)變能當(dāng)然是依于應(yīng)力而存在的。因此，Cornish和Scott對(duì)應(yīng)力水平與止裂的影響進(jìn)行了研究，并和英國(guó)天然氣公司一起進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)，最終給出了落錘試驗(yàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度和應(yīng)力水平之間的關(guān)系，如圖1所示[7]，其中橫坐標(biāo)是試驗(yàn)溫度低于DWTT韌脆轉(zhuǎn)化溫度的數(shù)值，縱坐標(biāo)是應(yīng)力水平?？梢钥闯霎?dāng)管道的使用溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，只要降低應(yīng)力水平，管道也仍然可以使用。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)我們可以降低試驗(yàn)溫度的要求。西氣東輸二線(xiàn)管材DWTT的技術(shù)要求正是基于此而制定的(見(jiàn)表2)。另外試驗(yàn)還表明當(dāng)應(yīng)力水平低于30%SMYS(最小規(guī)定屈服強(qiáng)度)時(shí)，一般均可以得到止裂，最壞的情況也不會(huì)超過(guò)5 m。

圖1 DWTT試驗(yàn)與應(yīng)力水平之間的關(guān)系

3.3 脆性斷裂止裂理論及分析

管線(xiàn)的內(nèi)部壓力使鋼管中儲(chǔ)存有彈性應(yīng)變能，并在裂紋產(chǎn)生后陸續(xù)釋放，稱(chēng)為能量釋放率G，其計(jì)算方法最早由Griffith提出，Irwin and Corten[8]修正后提出的線(xiàn)彈性裂紋驅(qū)動(dòng)力方程，即鋼管中單位斷裂區(qū)面積上的可用應(yīng)變能釋放率：

(1)

其中，σh是環(huán)向應(yīng)力，r是鋼管直徑，E是彈性模量，G是裂紋驅(qū)動(dòng)力或應(yīng)變能釋放率。

材料對(duì)斷裂的阻力是假設(shè)R，它取決于材料及管線(xiàn)操作溫度。R的計(jì)算方法是由Maxey創(chuàng)造性提出的[9]。他簡(jiǎn)單地將規(guī)定溫度下的DWTT剪切面積與夏比上平臺(tái)沖擊值(單位面積所消耗的能量)相乘來(lái)得到材料阻力。邏輯依據(jù)是剪切唇(或是剪切面積百分比)貢獻(xiàn)了斷裂阻力，解理區(qū)域?qū)幾乎沒(méi)有作用。這是一個(gè)很合理的假設(shè)，因?yàn)楹芏嗬戏N類(lèi)鋼的沖擊功/上平臺(tái)沖擊功對(duì)剪切面積曲線(xiàn)，在一段截取范圍內(nèi)，它們的關(guān)系是線(xiàn)性的。注意Maxey假設(shè)DWTT或者夏比沖擊試驗(yàn)中單位面積所消耗的能量相同，他在這里用的是夏比沖擊的上平臺(tái)沖擊功，而不是落錘撕裂試驗(yàn)的能量！令難以置信的是，Maxey不僅合理地用R預(yù)測(cè)了脆性斷裂和止裂，并預(yù)測(cè)了將出現(xiàn)1個(gè)、2個(gè)或更多脆性/過(guò)渡性裂紋擴(kuò)展。即：

R=CVN/Ac×SA%

(2)

其中，CVN是是夏比上平臺(tái)沖擊功，Ac是夏比沖擊試樣的韌帶面積，SA是DWTT剪切面積，R是斷裂阻力。

如果G≤R時(shí)裂紋止裂，G>R時(shí)裂紋擴(kuò)展。Maxey 分析了過(guò)去的全尺寸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)止裂和擴(kuò)展。這些預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果很吻合。因此，該方法一直為人們確定脆性斷裂止裂與否的常用方法，并取得了很好的應(yīng)用效果。該脆性斷裂止裂理論建立的基本條件(或假設(shè))，主要有：

1)DWTT剪切面積值和鋼管實(shí)際全尺寸斷裂斷口剪切面積值近似。

2)DWTT試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)中單位面積所消耗的能量相同。

3)脆性擴(kuò)展(即解理斷裂)部分不消耗能量，能量消耗均來(lái)自剪切唇。

Wilkowski對(duì)Maxey的基本的脆性斷裂止裂模型以相對(duì)簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行擴(kuò)展，并用一些斷裂試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)論與1970以前的斷裂試驗(yàn)結(jié)果相吻合，也與一些高夏比沖擊功的管線(xiàn)鋼的試驗(yàn)結(jié)果相吻合[5]。圖2表明脆性斷裂止裂判據(jù)對(duì)剪切面積要求預(yù)測(cè)值是材料上平臺(tái)沖擊功數(shù)值的函數(shù)。如果夏比沖擊功和剪切面積高于曲線(xiàn)則發(fā)生脆性斷裂止裂，如果低于曲線(xiàn)發(fā)生脆性斷裂擴(kuò)展。早期試驗(yàn)鋼管直徑914 mm的X52或X60管，在72% 最小屈服強(qiáng)度下試驗(yàn)。夏比沖擊平臺(tái)范圍為30～60 J?？梢钥闯鯴52發(fā)生脆性斷裂止裂需要大于60%的剪切面積，這與早期的試驗(yàn)結(jié)果也是吻合的。

圖2 針對(duì)1970年以前的914 mm管線(xiàn)鋼管的脆性斷裂止裂預(yù)測(cè)[5]

如圖3為1975年的高夏比沖擊功爆破試驗(yàn)，其中有兩個(gè)脆性斷裂，在容器試驗(yàn)中剪切面積百分比大約為10%。預(yù)測(cè)表明在試驗(yàn)溫度及239.4 MPa環(huán)向應(yīng)力下脆性斷裂止裂需要大約23%剪切面積，和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

以往的研究結(jié)果證明，在大多數(shù)情況下，尤其是對(duì)具有300～500 J上平臺(tái)沖擊功的現(xiàn)代鋼來(lái)說(shuō)，需要的剪切面積遠(yuǎn)小于85%，當(dāng)在較低應(yīng)力下使用時(shí)更是如此。以我國(guó)西氣東輸二線(xiàn)外徑1 219 mm的X80鋼管為例，其東段和西段四類(lèi)地區(qū)的壁厚較大(27.5 mm和33 mm)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)為0.4，對(duì)應(yīng)的環(huán)向應(yīng)力水平小于232.56 MPa。根據(jù)脆性斷裂止裂趨勢(shì)分析圖(見(jiàn)圖3)，假設(shè)平均夏比沖擊韌性為200 J，其脆性斷裂止裂的DWTT剪切面積預(yù)測(cè)值保守估計(jì)最高不會(huì)超過(guò)30%。

圖3 1 219 mm高夏比沖擊功調(diào)質(zhì)鋼管試驗(yàn)結(jié)果以及與脆性斷裂止裂預(yù)測(cè)值的比較[5]

3.4 我國(guó)天然氣管道長(zhǎng)輸管線(xiàn)用高鋼級(jí)、厚壁管線(xiàn)管DWTT技術(shù)要求討論和建議

隨著我國(guó)高壓長(zhǎng)輸天然氣管道輸送量的進(jìn)一步增加，在維持鋼級(jí)不變的情況下，管徑和壁厚進(jìn)一步增加。壁厚的增加導(dǎo)致材料DWTT試樣的三向應(yīng)力狀態(tài)中平面應(yīng)變的比例越來(lái)越大，保持較高的DWTT剪切面積SA(如85%)難度很大，這直接導(dǎo)致了管材制造難度增加及成本上升。

眾所周知，在所有的強(qiáng)化手段中，只有細(xì)化晶粒才能使材料在保證高強(qiáng)度的同時(shí)保證較高的韌性。要想保證厚壁高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼管的DWTT性能，在TMCP鋼板制造中，必須采用大厚度高品質(zhì)鑄坯，同時(shí)還必須采用大壓下工藝制度以保證壓縮比的要求，同時(shí)還要采用高滲透均勻冷卻技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)厚規(guī)格管線(xiàn)鋼板全壁厚組織細(xì)化和均勻化。

對(duì)于高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼來(lái)說(shuō)，保持強(qiáng)度、韌性、塑性三者的平衡關(guān)系非常重要，在保證強(qiáng)度和韌性同時(shí)一定要保證一定的塑性變形能力，這一點(diǎn)和低鋼級(jí)管線(xiàn)管是不同的(因?yàn)檩^低的強(qiáng)度，所需韌性也不高，因此達(dá)到較好塑性相對(duì)容易)?，F(xiàn)代的高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼，特別是X80、X70管線(xiàn)鋼，微觀組織為針狀鐵素體型，其鐵素體晶粒度會(huì)達(dá)到11級(jí)甚至更細(xì)。如果我們一味追求高的DWTT，就必須采用細(xì)化晶粒的控軋控冷方法，這將導(dǎo)致組織中塊狀鐵素體晶粒比例減少(基本為細(xì)化的針狀鐵素體組織)，結(jié)果是管線(xiàn)鋼的塑性變形容量減小，不利于管線(xiàn)的安全。同時(shí)由于厚壁管線(xiàn)鋼的組織細(xì)化和均勻化較難控制，制造難度的增大，產(chǎn)品不合格率將會(huì)增加，導(dǎo)致成本加大。

因此基于高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼強(qiáng)、韌、塑平衡關(guān)系的需要，對(duì)于X80厚壁管線(xiàn)鋼管，特別是當(dāng)壁厚達(dá)到30 mm以上時(shí)，應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)難度、采購(gòu)成本、質(zhì)量要求以及管線(xiàn)安全性，制定適度的DWTT要求。建議如下：

1)對(duì)于我國(guó)四類(lèi)地區(qū)使用的X70、X80鋼管一般具有較大的壁厚(超過(guò)30 mm)、較好的微觀組織(針狀鐵素體類(lèi)型或者雙相組織)和韌性(較高的夏比沖擊平臺(tái)能，一般至少在200 J以上)，而應(yīng)力水平僅為40%SMYS，即使是大口徑鋼管，其脆性斷裂止裂要求的DWTT平均SA≥50%即可。

2)借鑒國(guó)外工程標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，在某一具體工程實(shí)施時(shí)可以按照和合同分批，增加所有爐批平均值≥80%的技術(shù)要求，用以引導(dǎo)制造商盡可能提高DWTT性能。

3)對(duì)于脆性止裂的技術(shù)要求，應(yīng)當(dāng)在加強(qiáng)理論研究的同時(shí)，特別是對(duì)30 mm以上的較低設(shè)計(jì)系數(shù)地區(qū)用鋼管，盡快進(jìn)行全尺寸爆破試驗(yàn)驗(yàn)證工作，更加科學(xué)地制定現(xiàn)代高強(qiáng)度高韌性管線(xiàn)鋼的DWTT試驗(yàn)判據(jù)。

4 管線(xiàn)鋼及管線(xiàn)管DWTT試驗(yàn)溫度的差異

管線(xiàn)管是由管線(xiàn)鋼板(卷)經(jīng)過(guò)成型、焊接而來(lái)的，在此過(guò)程中，由于加工硬化等原因，會(huì)造成管線(xiàn)鋼板(卷)和管線(xiàn)管的DWTT性能的差異。特別是我國(guó)管線(xiàn)鋼板(卷)大多由冶金生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)，而管線(xiàn)管則由專(zhuān)業(yè)的制管企業(yè)生產(chǎn)，其質(zhì)量控制分屬不同的企業(yè)。因此為保證管線(xiàn)鋼管的DWTT性能，在采購(gòu)板材時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)其DWTT進(jìn)行要求，以便給后續(xù)鋼管制造留下足夠的韌性裕量。這就需要對(duì)管線(xiàn)鋼板材及管線(xiàn)管DWTT試驗(yàn)溫度的差異進(jìn)行研究并分別進(jìn)行規(guī)定。

首先對(duì)X80的板材和鋼管的DWTT試驗(yàn)溫度的差異進(jìn)行分析[10]。圖4給出了壁厚為18.4 mm的X80板卷(與軋制方向成30°方向)和對(duì)應(yīng)管徑1 219 mm螺旋管(管體橫向)FATT85的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，板卷和螺旋管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)點(diǎn)基本呈線(xiàn)性均勻分布在對(duì)角線(xiàn)兩側(cè)，即鋼管的FATT85有時(shí)高于有時(shí)低于鋼板。從平均水平來(lái)說(shuō)，制管過(guò)程對(duì)于鋼管的DWTT性能沒(méi)有明顯的影響。圖5給出了壁厚為22 mm的X80鋼板與對(duì)應(yīng)管徑1 219 mm直縫管DWTT試驗(yàn)的FATT85對(duì)比圖，可以看出分布點(diǎn)偏于對(duì)角線(xiàn)以上，直縫管的FATT85與鋼板的FATT85相差為10 ℃，即DWTT試驗(yàn)時(shí)，鋼板的溫度低于直縫管試驗(yàn)溫度10 ℃，才能使兩者的試驗(yàn)結(jié)果趨于一致。綜合分析板材(鋼板和板卷)和鋼管的FATT溫度差異(即鋼管母材比相應(yīng)鋼板/卷韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高的數(shù)值)，F(xiàn)ATT85的溫度差平均值約為-2 ℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差值為7.4 ℃。圖6為FATT85溫度差數(shù)據(jù)的分布頻次和頻率?？梢?jiàn)，鋼管和板材FATT85溫度差有73%的概率為-10～10 ℃。

由于板材在成型、水壓過(guò)程中(特別是直縫鋼管成型擴(kuò)徑)，會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，使得材料產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，引起材料的脆化趨勢(shì)。因此鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度一般均高于鋼板(板卷)。另外由于鋼板的材料組織和性能、厚度、鋼管管徑、成型方式、是否擴(kuò)徑及擴(kuò)徑率、水壓壓力等多種因素的差異，造成了鋼管韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高程度也存在一定的差異。

圖4 板卷(與軋制方向成30°方向)和螺旋管(管體橫向)FATT85對(duì)比

對(duì)更高鋼級(jí)的X90和X100板材(板卷、鋼板)和鋼管(螺旋管和直縫管)的DWTT試驗(yàn)結(jié)果(管徑1 219 mm，X90/X100壁厚分別為16.3 mm和14.8 mm)進(jìn)行分析，X90的DWTT性能明顯優(yōu)于X100，板材的DWTT性能明顯優(yōu)于鋼管，制管過(guò)程對(duì)DWTT的影響比較顯著。圖7是X90/X100板材與鋼管DWTT韌脆轉(zhuǎn)變溫度差值的分布。結(jié)果表明X90、X100鋼板、板卷與對(duì)應(yīng)直縫管、螺旋管的落錘撕裂FATT85DWTT的溫度差都落在(-15 ℃，10 ℃)區(qū)間內(nèi)，平均溫度差都為-4 ℃[10]，即鋼管FATT85DWTT比鋼板最多升高15 ℃。因此，X90、X100的板材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，DWTT試驗(yàn)溫度比鋼管技術(shù)要求降低了15 ℃，同時(shí)剪切面積要求值相同，指標(biāo)符合試驗(yàn)結(jié)果且偏于保守和安全。

圖5 鋼板與直縫管DWTT試驗(yàn)FATT85對(duì)比

圖6 FATT85溫度差分布頻次和頻率

綜上所述，可以通過(guò)對(duì)板材和鋼管的韌脆轉(zhuǎn)化溫度FATT85DWTT比較分析，來(lái)確定板材DWTT試驗(yàn)溫度比管材的相對(duì)降低值。考慮管徑、壁厚及管型等的影響，以及數(shù)據(jù)得分散性等問(wèn)題，對(duì)于X80及以上鋼級(jí)的管線(xiàn)鋼板材(包括板卷和鋼板)，其DWTT試驗(yàn)溫度較鋼管降低15 ℃是比較合適的，有一定的保守性。并且多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

5 結(jié)論

1)DWTT試驗(yàn)結(jié)果接近全尺寸爆破試驗(yàn)結(jié)果，是判斷材料脆性斷裂止裂能力的重要方法。判斷是否為脆性斷裂時(shí)只需看裂紋擴(kuò)展速度即可。

圖7 X90/X100板材與鋼管DWTT韌脆轉(zhuǎn)變溫度差值的分布

2)理論分析和全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，脆性裂紋是否止裂主要依據(jù)的是應(yīng)變能釋放率和裂紋擴(kuò)展阻力之間的關(guān)系，當(dāng)G≤R時(shí)裂紋止裂。脆性斷裂止裂時(shí)的DWTT剪切面積SA決定于管道的應(yīng)力水平、外徑以及材料的韌性。

3)現(xiàn)代管線(xiàn)鋼比過(guò)去的管線(xiàn)鋼的剪切唇具有更高的斷裂阻力。基于高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼強(qiáng)、韌、塑平衡關(guān)系的需要，對(duì)于現(xiàn)代高強(qiáng)韌性X80厚壁管線(xiàn)鋼管，特別是當(dāng)壁厚達(dá)到30 mm以上，且在較低應(yīng)力水平下(四類(lèi)地區(qū))使用時(shí)，DWTT要求建議為平均值50%SADWTT，同時(shí)對(duì)于具體工程可補(bǔ)充所有爐批平均值80%SADWTT的技術(shù)要求。

4)對(duì)于X80以上鋼級(jí)的管線(xiàn)鋼板材(包括板卷和鋼板)，其DWTT試驗(yàn)溫度較鋼管降低15 ℃是合適的。