基于小厚度小冲杆试验的管道钢力学性能表征

为解决常规力学性能测试手段无法对高钢级管道局部区域材料的力学性能进行精细表征的问题，对小厚度试样小冲杆试验表征管道钢材料力学性能的经验关联方法进行了研究。对不同钢级管道钢材料分别开展了单轴拉伸试验与标准厚度试样小冲杆试验，通过两者数据关联得到了标准厚度试样小冲杆试验确定高钢级管材屈服强度及抗拉强度的经验公式。在此基础上，以X80钢为例开展了系列非标小厚度试样小冲杆试验，对经验公式进行了厚度效应修正，最终形成了基于小厚度试样小冲杆试验的高钢级管材力学性能表征方法，并进行了适用性验证。研究结果表明：考虑厚度效应的力学性能经验关联公式对于不同批次的X80钢非标小厚度试样小冲杆试验结果适用性良好；关联所得屈服强度及抗拉强度与单轴拉伸试验结果相比最大误差分别为9.87%和5.61%,均满足工程需求。研究结果可为不同高钢级管材力学性能研究提供理论基础与技术支撑。     

V型缺口冲击试样缺口根部三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究V型缺口冲击试样缺口根部三维弹性应力场，分析了不同厚度含有V型缺口冲击度校缺口根部的应力集中系数、离面约束系数以及相对离面应力σz/σz0。结果表明：中面缺口根部附近的应力集中系数是B／α的函数，当B／α值较小时，随着B／α值的增加，界面缺口根部应力集中系数Kt增加，在B/α＝0.5附近达到最大值；一，界面缺口根部应力集中系数Kt随着B/α值的增加反而减小，沿厚度方向界面缺口根部附近应力集中系数Kt均小于相应中面的应力集中系数，缺口根部的应力集中系数Kt是z/B和B／α的函数。沿厚度方向界面缺口根部附近的离面约束系数Tz也是z/B和B／α的函数，随着厚度的增加离面约束系数Tz增大，离中面越近离面约束系数Tz越大。根据上述结果分析了高强度管线钢在冲击试验中断口产生分层裂纹的原因。     

X60管线钢疲劳特性的研究

利用2、4和14mm的X60钢紧凑拉伸试样进行同样应力水平、固定应力比（R＝0．1）的疲劳裂纹扩展试验，揭示出高韧性管道钢的疲劳裂纹扩展存在显著的厚度效应。由于应力水平低，相应的离面应力也低，不足以导致分层开裂，因此，裂纹端部的三维应力约束随厚度增加而增大。4mm试样的疲劳裂纹速率远高于2mm试样，但厚度再增大，裂纹扩展速率不再有显著变化。进一步对表面裂纹试样进行疲劳裂纹扩展试验，并用勾线法纪录裂纹扩展情况，利用穿透裂纹的da/dN-ΔK曲线预测表面裂纹扩展，用2mm厚试样的数据控制裂纹表面长度的扩展，用14mm厚试样的数据控制裂纹底部沿厚度方面的扩展，得到了与表面裂纹扩展实验吻合很好的预测结果。     

X100级直缝埋弧焊管制造技术研究

采用JCOE制管技术试制了X100级直缝埋弧焊（LSAW）钢管，研究了X100级钢板力学性能的变化，X100级钢板的JCOE成型特点，钢板的焊接性，热影响区的软化，不同试样的对比拉伸试验，焊接材料的匹配，焊接热输入量对焊接接头的硬度、强度和韧性的影响，提出了优化钢板强度和微合金化的建议。     

大壁厚Q420高强结构钢焊接裂纹失效分析

为了提高大壁厚高强度建筑结构钢的焊接效率和实际工况下的焊接质量,对Q420高强结构钢进行了焊接工艺研究,通过化学分析、宏观形貌分析、显微组织分析、显微硬度测试、断口分析和力学性能测试等试验方法,对焊接接头出现的沿钢板厚度方向的贯穿裂纹进行了失效分析。分析结果表明,裂纹产生原因是受到超过钢板厚度方向屈服强度载荷作用,并在巨大的载荷作用下启裂和扩展。建议Q420钢板厚度方向不能代替纵向承载,应避免在壁厚两侧焊接和在壁厚方向承载主要拉伸应力。     

管线钢断裂和疲劳裂纹扩展特性研究

对厚度分别为3mm、6mm、9mm、12mm、1mm的紧凑拉伸(CT)试样进行了断裂韧性试验,研究了X60管线钢的断裂特性.研究结果表明,由于试件厚度与分层裂纹间有强烈的耦合效应,表观断裂韧性不随厚度的变化而变化,靠增加试样厚度无法获得材料的平面应变断裂韧性,应用穿透裂纹的表观断裂韧性数据进行管道的安全评定不可靠;考虑塑性区修正的有效应力强度因子K_e与弹塑性J积分参量K_J在失稳扩展前保持了良好的等效性.对厚度分别为2mm、4mm和14mm的CT试样的疲劳裂纹扩展试验表明,高韧性管道钢的疲劳裂纹扩展存在显著的厚度效应,厚度效应敏感区在4 mm以内.     

试样厚度和试验温度对主曲线法参考温度的影响

以国产Q245R和07MnNiMoDR这2种承压设备常用铁素体钢为研究对象,开展材料在韧脆转变区内的拉伸试验、冲击试验以及厚度分别为25.4 mm、19.8 mm和12.7 mm的3种小尺寸标准紧凑拉伸试样(CT试样)的断裂韧度试验,分析试样厚度和试验温度对主曲线法参考温度t 0的影响。研究结果表明,参考温度随着试样厚度的减小而下降,不同试验温度下获得的参考温度则无明显规律性,采用量纲一变形极限M limit=50可修正CT试样厚度带来的拘束度下降。     

X80管线钢与氢环境相容性试验研究

针对在高压气相氢环境下开展的X80管线钢慢应变速率拉伸试验、断裂韧性试验、疲劳裂纹扩展速率试验,分析了不同氢分压对X80管线钢力学性能、疲劳性能及断口形貌的影响规律。研究结果表明,氢分压是影响材料氢脆和疲劳性能的重要因素,随着氢分压的增加,X80管线钢的氢脆敏感性显著增大,缺口疲劳试样的疲劳循环次数显著降低,断口韧窝间出现典型的具有小平面和撕裂棱的准解理特征脆性断裂形貌,疲劳裂纹扩展速率急剧增加,增加了管道失效风险。研究结果可为高强度输送掺氢天然气管道工程临界评估提供参考。     

低温钢焊接接头CTOD断裂韧性试验研究

与传统的夏比V型缺口冲击韧性试验比较,CTOD更能有效准确地评价钢材的抗脆断能力。文章按照BS 7448-1991(1997)断裂韧度试验标准,对海洋平台工艺管道用ASTM A333-2005 Gr.6低温钢焊接接头的低温(0℃,-29℃)裂纹尖端张开位移(CTOD)进行了测试。取尺寸为B×2B(B为试样厚度)、缺口方向为NP的试样进行三点弯曲试验,然后由得到的焊缝和热影响区(HAZ)的P-V曲线来计算CTOD值,并对试验结果进行了分析和讨论。     

不同应力三轴度下电化学充氢对X80管线钢性能影响

采用缺口圆棒拉伸试验、电化学充氢和扫描电镜观察等方法研究了不同应力三轴度下氢对X80管线钢性能影响。结果表明，对于初始应力三轴度相同的X80管线钢，电化学充氢降低了材料的缺口试样抗拉强度和断面收缩率，同时随着充氢时间延长，强度和断面收缩率降低越明显。缺口拉伸试样初始应力三轴度由1.02升高为1.25，材料的缺口试样抗拉强度和断面收缩率降低，当充氢8 h，材料抗拉强度降低幅度由1.3%升高至5.5%；充氢24 h条件下，材料抗拉强度降低幅度随应力三轴度升高，由6.6%升高至9.9%。同时随着应力三轴度不断升高，材料缺口位置应力集中程度越高，氢更容易在材料表面和内部扩散聚集，造成不可逆氢损伤，因而材料的抗拉强度降幅增大。     

X70管线钢管环焊接头氢脆敏感性研究

针对X70管线钢管环焊接头进行12 MPa总压、0.36 MPa氢分压下的缺口拉伸试验,研究焊接接头的氢脆敏感性变化,并结合断裂韧性试验和疲劳裂纹扩展速率试验对其的断裂韧性和裂纹扩展行为进行了研究。结果表明,热影响区位置的断面收缩率下降较明显,表现出较高的氢脆敏感性;与常温常压空气中的原始数据相比,X70钢热影响区在0.36 MPa氢分压环境下的裂纹尖端张开位移（CTOD）值下降了9.6%,断裂表面未出现二次裂纹;X70钢热影响区的疲劳裂纹扩展速率与空气环境相比增加了一个数量级,说明氢气能够增大材料的疲劳裂纹扩展速率,但根据实际管道压力波动情况,在0.36 MPa氢分压条件下X70钢管的氢脆敏感性较小。     

X70级管线钢焊接热裂纹模拟研究

采用模拟焊接热循环及热塑性拉伸试验研究了X70级管线钢的焊接裂纹敏感性参数，评判了X70级管线钢的焊接热裂纹敏感性。结果表明，X70级管线钢的热塑性良好，焊接热裂纹倾向为稍敏感（其脆性温度区间为60℃），特别是在焊接正火区的热裂倾向相对较大。最后指出，在现场焊接时，应尽量采用小的热输入量，并控制焊接热影响区的峰值温度过高，避免焊接热影响区裂纹的产生。     

俄罗斯谢韦尔公司高钢级管线钢组织与性能研究

研究了X70~X100高钢级管线钢组织的形成规律及其与性能的关系。研究结果表明:通过控制钢的冶金质量和控轧控冷工艺可获得不同组织的管线钢,而组织转变对钢的力学性能有较大影响;通过添加的微合金元素的作用,使管线钢在加热和变形过程中形成了细晶组织,提高了该级别管线钢的强度、焊接性和低温韧性,以保证该级别管线钢的综合性能。此外,还简要介绍了新开发X120管线钢的焊接性能及低温韧性。     

俄罗斯高强度管线钢焊接接头热影响区组织及性能研究

通过建立模拟焊接热循环的热力学和动力学(ТКД)模型,研究了X80,K70和X90三种强度级别管线钢焊接热影响区(HAZ)奥氏体相变,探讨了最高加热温度和冷却速度对焊接热影响区组织与性能的影响以及硬度与冷却速度的关系。研究结果表明:三种强度管线钢相比,X90钢中Ni,Cu和Mo含量较高,导致奥氏体相变温度降低,从而使组织硬度较高;当冷却速度超过35℃/s时,熔合线附近形成较高硬度的马氏体组织,焊接时X90钢中可能产生冷裂纹;建立焊接热循环的热力学和动力学模型法可用于预测大直径钢管焊接时热影响区不同部位组织的形成情况。     

X100管线钢应变时效行为研究

通过不同温度和预应变量下X100管线钢的应变时效试验,对比了应变时效前后X100管线钢力学性能和显微组织的变化,研究了应变时效对X100管线钢力学性能和金相组织的影响。研究结果表明,应变时效可使X100管线钢的强度、屈强比和韧脆转变温度升高;应变时效对X100管线钢纵向力学性能的影响比横向大;应变时效可使X100管线钢组织细化,并且随着应变量的增大,加剧了应变时效的影响。     

X90管线钢示波冲击特征值的研究

为了更准确地评价X90管线钢的韧性,利用示波冲击试验机提取了不同温度下该管线钢的载荷－位移曲线,研究了其冲击韧性随温度的变化情况。结果表明,在20 ℃和0 ℃时X90管线钢示波冲击曲线与GB/T 19748中的F型曲线相似,为韧性断口;－20 ℃以下时,可以看到明显的不稳定裂纹扩展特征;随着温度的降低,X90管线钢示波冲击的最大力基本不变,而屈服力升高;裂纹形成能,剪切唇及二次纤维区形成能基本不随温度变化而变化,仅当达到－100 ℃时,裂纹形成能,剪切唇及二次纤维区形成能急剧降低。稳定裂纹扩展能随着温度的降低而降低。     

X100管线钢加工过程中组织变化的热模拟研究

通过热模拟试验对X100管线钢在热加工过程中终轧温度和弛豫温度对显微组织的影响进行了研究,对不同终轧温度和弛豫温度作用下的组织转变规律和组织特征进行了深入分析。结果表明,通过调整终轧温度和弛豫温度可控制X100管线钢中多边形铁素体的含量,从而影响X100管线钢的力学性能。本研究可为开发具有优良变形能力的X100管线钢提供重要理论支持。     

X80级管线钢热加工敏感性研究

采用热模拟技术研究了不同化学成分的X80级管线钢对热加工的敏感性,以及不同加热温度对X80级管线钢的性能及金相组织的影响。试验结果表明,不同化学成分的X80级管线钢对热加工的敏感性不同。经过加热后,X80级管线钢的强度均有下降,特别是屈服强度值下降幅度较大;当加热温度为900-1 000℃时,屈服强度较低,但随着加热温度的升高,屈服强度和抗拉强度逐步增大;当加热温度达1 050℃以上时,强度值较高。随着加热温度的上升,材料金相组织的晶粒尺寸均呈增大的趋势,但增大幅度不同;当加热温度在1 000-1 050℃时,X80级管线钢的冲击韧性良好。综合组织特征的变化与材料的力学性能结果,当材料的淬火系数Di在1.1-1.3时,X80级管线钢对加热温度的敏感性较小;加热温度在1 000-1 050℃时,X80级管线钢的金相组织与力学性能较好。     

X70管线钢管环焊缝宽板拉伸试验

利用宽板拉伸试验方法,结合有限元模拟分析,对X70管线钢管环焊接头进行了缺陷评估试验。研究了含有尺寸为3.5 mm×50 mm裂纹缺陷的焊缝在拉伸试验过程中受力变形及裂纹张开变化行为,并结合金相组织分析,评估了带缺陷焊缝的安全性。结果表明,采用适当焊接工艺的X70高强匹配环焊缝,在含有3.5 mm×50 mm尺寸裂纹缺陷情况下,管道整体轴向应变可达3.2%,裂纹不发生失稳扩展,缺陷依然可靠。