管线钢环焊缝的侧膨胀值测定方法.pdf

9试验技术与方法2023年第59 卷PTCA(PARTPHYS.TEST.)9理化检验-物理分册D0I:10.11973/lhjy-wl202309003管线钢环焊缝的侧膨胀值测定方法夏培培，徐晓林，谷云龙，肖健，吴林恩，张莎莎（中国石油天然气管道科学研究院有限公司油气管道输送安全国家工程研究中心，廊坊0 6 50 0 0）摘要：以不同管线钢为研究对象，比较了图像分析法、游标卡尺法、侧膨胀仪法测量侧膨胀值的差异，验证了用侧膨胀值测定韧-脆转变温度的准确性及稳定性，并对X80钢实心焊丝自动焊环焊缝进行不同温度的夏比冲击试验。结果表明：对于韧性较差、韧性不均匀的材料，以及冲击断裂后发生扭曲的试样，宜采用侧膨胀仪法测量其侧膨胀值；对于管线钢，采用侧膨胀值测定其韧-脆转变温度结果的准确性和稳定性较好；X80钢实心焊丝自动焊环焊缝韧-脆转变温度对应的侧膨胀值为 0.90 mm。关键词：管线钢环焊缝；夏比冲击试验；侧膨胀值；韧-脆转变温度中图分类号：TB31；T G 1 1 5.5文献标志码：A文章编号：1 0 0 1-4 0 1 2（2 0 2 3)0 9-0 0 0 9-0 4Determination method of lateral expansion value of pipeline steel girth weldXIA Peipei,XU Xiaolin,GU Yunlong,XIAO Jian,WU Linen,ZHANG Shasha(National Engineering Research Center for Oil&Gas Pipeline Transportation Safety,China Petroleum PipelineResearch Institute Co.,Ltd.,Langfang 065000,China)Abstract:Taking different pipeline steels as the research object,the differences of lateral expansion valuesmeasured by image analysis method,vernier caliper method and lateral expansion meter method were compared,and the accuracy and stability of determining the ductile-brittle transition temperature by side expansion value wereverified.The Charpy impact test of X80 steel solid wire automatic welding girth weld at different temperatures wascarried out.The results show that for materials with poor toughness and uneven toughness,as well as samples withdistortion after impact fracture,the lateral expansion value should be measured by lateral expansion instrument.Forpipeline steel,the accuracy and stability of the results of the ductile-brittle transition temperature determined by theside expansion value were good.The lateral expansion value corresponding to the ductile-brittle transitiontemperature of X80 steel solid wire automatic welding girth weld was 0.90 mm.Keywords:pipeline steel girth weld;Charpy impact test;lateral expansion value;ductile-brittle transitiontemperature夏比冲击试验主要用于评价金属材料的冲击韧性，具有试验时间短、试样加工简便等优点，广泛应用于材料的力学性能测试中。冲击韧性是管道设计时需要考虑的重要指标之一2 。夏比冲击试验测定的参数包括冲击吸收能量、侧膨胀值和剪切断面收稿日期：2 0 2 2-1 0-1 2基金项目：中国石油天然气管道科学研究院有限公司项目（2 0 2 1-0 5）；中国石油集团工程股份有限公司科学技术研究与技术开发项目（2 0 2 0 ZYGC-01-01）作者简介：夏培培（1 98 5一），女，硕士，高级工程师，主要从事高钢级管道材料及焊接方向的研究工作，4 91 4 7 5992 率等，冲击吸收能量是指试样在一次冲击力作用下折断时所吸收的能量，侧膨胀值反映了材料抵抗应力断裂的能力。侧膨胀值的测量方法有图像分析法、游标卡尺法、侧膨胀仪测量法等3 。剪切断面率是指塑性断面占试样断面总面积的百分比。冲击吸收能量通常作为考核材料低温韧性的主要指标，而侧向膨胀值也可在一些特殊场合单独作为韧性指标使用4 。HG/T205852020钢制低温压力容器技术规范及TSG212016固定式压力容器安全技术监察规程新增了对抗拉强度大于6 3 0 MPa的高强钢侧膨胀值的要求。10夏培培钢环焊缝的侧膨胀值测定方法理化检验-物理分册夏比冲击试验可以用来确定材料的韧-脆转变温度，该温度决定了材料的低温性能，是衡量材料韧-脆性转变倾向的重要指标5，一般将冲击吸收能量低至正常值的50%6 0%时的温度作为材料的韧-脆转变温度，或将试样纤维状断口面积占断口总面积50%的温度作为韧-脆转变温度。笔者以不同管线钢为研究对象，比较了图像分析法、游标卡尺法、侧膨胀仪法测量侧膨胀值结果的差异，并对X80钢实心焊丝自动焊环焊缝中心进行不同温度的夏比冲击试验，分析了采用冲击吸收能量、剪切断面率、侧膨胀值测定韧-脆转变温度的一致性，并得到了环焊缝韧-脆转变温度对应的侧膨胀值。1试验过程及方法1.1测量侧膨胀值的方法对X52M、X8 0 M、X8 0 H D 钢进行不同温度（一100，一8 0，一6 0，一4 0，一2 0,0，2 0)的夏比冲击试验，冲击试样尺寸为1 0 mm10mm55mm（长度宽度高度）。试验完成后，分别使用图像分析法、游标卡尺法、侧膨胀仪法测量试样的侧膨胀值（见图1）。a)图像分析法b）游标卡尺法c)侧膨胀仪法图1侧膨胀值3 种测量方法示意按照CNAS-GL02能力验证结果的统计处理和能力评价指南和JJF1033一2 0 1 6 计量标准考核规范，对3 种测量方法的准确度E，进行计算，计算方法如式（1）所示，Xi-X2E=(1)VU+U式中：X1为样本1 的测量平均值；X为样本2 的测量平均值；U为样本1 的扩展不确定度；U为样本2的扩展不确定度。1.2管线钢韧-脆转变温度测定方式分别对X52M、X8 0 M、X8 0 H D 钢进行不同温度的夏比冲击试验，并绘制冲击吸收能量、侧膨胀值与温度的关系曲线。管线钢组织的均匀性好，断口解理区域与剪切区域的区分较明显。因此，首先用50%剪切断面率测定不同管线钢的韧-脆转变温度，然后分别采用冲击吸收能量、侧膨胀值分别测定管线钢的韧-脆转变温度，并与采用剪切断面率测定的韧-脆转变温度相比较，以验证采用侧膨胀值测定韧-脆转变温度的准确性及稳定性。1.3环焊缝冲击试验对X80钢实心焊丝自动焊环焊缝进行不同温度的夏比冲击试验，并绘制冲击吸收能量、剪切断面率、侧膨胀值与温度的关系曲线。焊缝组织极不均匀，断面上的结晶状脆性区与纤维状韧性区不易区分，仅以剪切断面率测定的温度作为韧-脆转变温度会导致偏差较大。因此，采用冲击吸收能量、剪切断面率、侧膨胀值3 种方法测定韧-脆转变温度后，对拟合曲线中的原始数据进行分析，确认韧-脆转变时对应的侧膨胀值是否具有一致性。2试验结果与分析2.1侧膨胀值测量方法的对比不同方法测量侧膨胀值的时间及准确度如表1所示。由表1 可知：游标卡尺法测量用时最短，为30s，使用游标卡尺法可显著提高工作效率，侧膨胀值法所用时间为50 s，图像法测量用时最长；3 种方法的测量准确度均较好，其中侧膨胀值法的测量准确度最高。表1不同方法测量侧膨胀值的时间及准确度测量方法相关参数图像法游标卡尺法侧膨胀仪法测量时间/s803050E.0.8030.5680.439综合考虑测量时间及准确度可知，对于韧性较好的材料，其侧膨胀值较大，推荐采用游标卡尺法，可同时保证效率及准确度；对于韧性较差或韧性不均匀的材料，侧膨胀值小于1 mm时，为保证测定准11夏培培钢环焊缝的侧膨胀值测定方法理化检验-物理分册确度，推荐采用侧膨胀仪法；对于冲击断裂后发生扭曲的试样，可采用侧膨胀仪法。2.2管线钢韧-脆转变温度测定方式对比不同管线钢冲击吸收能量、侧膨胀值与温度的关系曲线如图2 所示，采用不同方式测定的韧-脆转变温度如表2 所示。由图2 和表2 可知：采用冲击吸收能量测定的韧-脆转变温度与采用剪切断面率测定的韧-脆转变温度差值为一0.2 2.1，采用侧膨胀值测定的韧-脆转变温度与采用剪切断面率测定的韧-脆转变温度差值为士1.2。说明采用侧膨胀值测定金属材料的韧-脆转变温度的准确性和稳定性较好。280r2.5028072.50冲击吸收能量2.25冲击吸收能量2.252402.00240侧膨胀值2.00200侧膨胀值！1.752001.751601.501601.501.251.251201201.001.00800.75800.750.500.5040400.250.250-110-90-70-50-30-1010-1100-90-70-50-30-1010温度/温度/a)X52M钢(横向)b)X52M钢(纵向)320冲击吸收能量2.50340r300-冲击吸收能量2.502.252802.25240侧膨胀值2.00260侧膨胀值2.001.751.752202001.501.501601.251801.251.001401201.00800.751000.750.50600.50400.25200.250-120-100-80-600-40-200120100-80-6040200温度/温度/c)X80M钢(横向)d)X80M钢(纵向)220r2.503002.75200冲击吸收能量2.25.冲击吸收能量，2.502601802.002.25220侧膨胀值160F140侧膨胀值1.752.00uu/1.501801.751201001.251401.501.25801.001001.0060F0.750.75400.50600.50200.25200.25-150-120-90-60-300-150-120-90-60-300温度/温度/e)X80HD钢(横向)f)X80HD钢(纵向)图2不同管线钢冲击吸收能量、侧膨胀值与温度的关系曲线表2采用不同方式测定的韧-脆转变温度测定方式测量位置剪切断面率冲击吸收能量侧膨胀值X52M钢（横向）-67.066.9-67.6X52M钢（纵向）-66.8-66.667.3X80M钢（横向)-67.3-65.368.4X80M钢（纵向）66.4-64.3-67.3X80HD钢(横向)一8 1.979.880.7X80HD钢(纵向）.92.9一90.8一94.12.3环焊缝韧-脆转变温度测试方法对比环焊缝冲击吸收能量、侧膨胀值与温度的关系曲线如图3 所示。采用不同方式测定的韧-脆转变温度及其对应的侧膨胀值如表3 所示。由图3 和表3 可知：采用冲击吸收能量和侧膨胀值测定的韧-脆转变温度结果一致性较好，采用剪切断面率测定的韧-脆转变温度与前两种方法得到的结果相差较大；采用冲击吸收能量和侧膨胀值测定的韧-脆转变温度对应的侧膨胀值具有一致性，环焊缝韧-脆转变温度对应的侧膨胀值为0.90 mm。说明采用侧膨胀值确定焊缝中心韧-脆转变温度的方法准确度比较高。12夏培培钢环焊缝的侧膨胀值测定方法理化检验-物理分册1602.00160m2.00160r2.00140冲击吸收能量1.75140冲击吸收能量1.75140冲击吸收能量1.75侧膨胀值侧膨胀值侧膨胀值?1201.50wu/51201.50ur/3:1201.50wu/1001.251001.251001.25801.00801.00801.00600.75600.75600.75400.50400.50400.50200.25200.25200.2500000-1500-120-90-6030030-150120-90-60-30030-150-1200-90-60-30030温度/温度/温度/a)试样1b)试样2c)试样3160r2.001602.00140冲击吸收能量1.75140冲击吸收能量1.75120侧膨胀值1.50120-侧膨胀值1.501001.251001.25801.00801.00600.75600.75400.50400.50200.25200.25000-1500-120-90-60-30030150-120-90-60-30030温度/温度/d)试样4e)试样5图3环焊缝冲击吸收能量、侧膨胀值与温度的关系曲线表3采用不同方式测定的韧-脆转变温度及其对应的侧膨胀值冲击吸收能量剪切断面率侧膨胀值试样韧-脆转侧膨韧-脆转侧膨韧-脆转侧膨编号变温度/胀值/变温度/胀值/变温度/胀值/mmmmmm177.20.9278.80.8677.50.922-77.20.9080.10.8378.10.903-76.90.92一8 3.60.76-77.30.914-76.60.9281.50.8178.20.90576.30.9078.40.8676.80.903结论（1）对于韧性较差、韧性不均匀的材料及冲击断裂后发生扭曲的试样，宜采用侧膨胀仪法测量其侧膨胀值。（2）对于管线钢，采用侧膨胀值测定其韧-脆转变温度的准确性和稳定性较好。（3）对于X80钢实心焊丝自动焊环焊缝，采用冲击吸收能量、侧膨胀值测定的焊缝中心韧-脆转变温度结果一致性较好，环焊缝韧-脆转变温度对应的侧膨胀值为0.90 mm。参考文献：1李卫军，李庆，魏磊.金属材料夏比冲击试验的应用研究J.价值工程，2 0 1 8,3 7（4）：1 2 1-1 2 4.2张小立，庄传晶，吉玲康，等.高钢级管线钢的特征参量及其与强韧性的关系J.材料工程，2 0 0 6，3 4（8）：3-7.3刘丽梅，李金梅，杨莉，等.侧向膨胀值表征材料韧性的基础性研究J.热处理技术与装备，2 0 1 9,4 0（4)：52-54.4舒翔宇。中国压力容器典型用钢最低设计金属温度研究D.杭州：浙江大学，2 0 1 7.5褚峰，张靖，陆春洁，等。船用低温钢的冲击断裂行为及韧脆转变温度曲线分析J.中国测试，2 0 1 8，4 4(9):136-140.