浅谈落锤撕裂试验的方法与设备

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1 概述
* i- H5 b+ F7 C1 u* e0 M$ c) u& A    落锤撕裂试验（DWTT）是用来表征材料韧脆特性的试验项目，主要用于金属材料的低温脆性研究。在油气输送管方面，与夏比缺口冲击试验（CVN）相比，DWTT试验更能代表钢管的实物水平。目前，落锤撕裂试验（DWTT）的标准主要为：GB/T8363-1987、API RP 5L3等。它们之间既有共同点又有不同点。以下从各个方面进行了比较，并就DWTT试验机目前的状况及开发提出了一些看法。
: w  d* h; L2 F6 b' U; ?- @2 试验方法
7 z6 t8 L$ ?/ m" M0 c' ^: P4 d6 s2.1 适用范围
    《API RP 5L3》（《输送钢管落锤撕裂试验推荐做法》）适用于《API Spec 5L》（《管线钢管规范》）中规定的钢种，即X系列钢，其组织为针状铁素体、铁素体或铁素体+珠光体。GB/T8363-1987适用于屈服强度小于825MPa的铁素体钢，而且厚度在3～20mm之间，从材料方面看，两种标准基本一致，对于厚度，《API RP 5L3》（第3版）没有提出要求。
2.2 试样
    API RP 5L3规定的试样包括压制V型缺口试样和人字型缺口试样。其中前者用于较低韧性的材料，后者用于韧性较高的材料。GB/T8363-1987规定的试样只有一种，即压制V型缺口试样。由此看来，GB/T8363-1987标准只是《API RP 5L3》中适用于低韧性材料的一部分。两种标准规定的试样尺寸基本一致。
. M! P/ b# T+ K  _; b$ w( ?, `2.3 设备要求
' u1 L; ^. ~8 S) e9 {2.3.1 锤头的瞬间打击速度
! y6 ~- t2 \" z1 G# m    API RP 5L3规定锤头的瞬间打击速度为；5～9m/s。 GB/T8363-1987规定锤头的瞬间打击速度不得低于5m/s，相比而言，前者更严格一些。我们知道，落锤撕裂试验的锤头瞬间打击速度取决于锤头的高度与打击点之间的高度差，这样，就必须把试验机的锤头高度限制在一定范围之内。
2.3.2 冲击能量选择
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对于API RP 5L3 冲击能量按韧性确定，见API RP 5L3 4.5 图1，它给出了DWTT试验所需能量与夏比V型缺口冲击试验（CVN）所需能量之间的关系图。 根据GB/T8363-1987标准试样一次冲断所需的冲击能量是按照材料的强度值确定的，见GB/T8363-1987 3.1 注：若一次冲断厚度为20mm、抗拉强度为470MPa的钢试样，约需6500J的冲击能量。前者是通过韧性指标确定试验机的冲击能量，而后者是通过强度水平确定的。我们知道，韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现，两者相比，前者更科学一些。
2.4 试验过程及试样评定
7 h8 i0 R0 g; x) M    API RP 5L3规定，试样应完全浸泡在有适宜液体的浴槽中，浴槽中液体的温度与要求的试验温度的偏差不应超过1℃。与GB/T8363-1987基本相同。
    API RP 5L3定义了有效试样和无效试样，有效试样是指整个断裂面呈现延性断裂的样或缺口根部呈现解理断裂的试样。无效试样是指试样缺口处为脆性区，然后为韧性区，再往下为脆性区。对于高韧性材料，采用压制缺口的试样断口易出现无效现象。GB/T8363-1987无此规定。
$ l- \. i/ f9 l" O    API RP 5L3规定，剪切面积百分数通过区分剪切断裂（暗灰色、丝状）与解理断裂（有光泽、结晶状）来评定，要评定的断口形貌为平行于断裂试样观察到的观察面。考虑到控扎钢可能有平行于板材表面的开裂，呈解理断裂。在剪切面积百分数的评定中不考虑平行于板材表面的解理断裂。但应考虑于板材表面有一定倾角开裂中的解理断裂。

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3 试验设备
6 s7 v( b9 r4 c  M, t9 C# W& G! p3.1 现状
    目前，除了宝鸡钢管厂使用摆锤式试验机外，中国石油天然气集团公司所属的其余几个钢管厂均使用的是河北涿州九十年代初期生产的落锤试验机。设备状况老化，而且不具备测试吸收能量的功能，而且，该厂目前已不生产落锤试验机。另外，根据“西气东输”工程对钢管的要求，材质已基本确定为X70级，公称壁厚已达到14.6mm,目前生产出的X70级板卷及钢管的CVN吸收能量，按API RP 5L3 4.5条款中图1估算，试验机的打击能量的要求将达到15000J。目前的落锤试验机大部分已经不能适应将来“西气东输”及其它大型输气工程用管对DWTT试验的需要。由于油气输送管延性断裂现象的增多，于是有专家建议把DWTT的吸收能量作为止裂的辅助判据列入技术条件。再者，在建的大口径直缝埋弧焊管明确要求DWTT试验必须测定吸收能量，所以，用于断裂韧性试验的落锤试验机应具备测试吸收能量的功能。据了解，目前国内尚无厂家生产符合以上要求的输送管用落锤撕裂试验机，而国外的试验机价格过高。所以，各钢管制造厂急需与生产厂合作开发能适应要求的落锤试验机，并且制定我国的DWTT试验设备标准。
3.2 具体要求
  M. I! R9 K+ p  l0 z* ?    笔者针对以上两种实验方法和目前在用试验机的状况对开发DWTT试验机提出了一些具体技术要求：
    1)、冲击能量：5000J～30000J，以满足钢级X52～X80、壁厚6～32mm;
    2)、锤头提升高度：0～5m；
    3)、落锤试验使用高度：1.3～4m；
: Y1 V0 G' l, z% J    4)、试验机宜具备试样缺口自动对中装置，以确保在试样从低温槽中拿出至冲断在10秒以内；
7 W+ r" B9 I; L; k- l0 J: W* t& i    5)、试验机应具备冲击缓冲装置，吸收落锤试验的剩余能量，以保护试验机；
+ }5 K8 M4 y9 _* f% D7 ^- ?4 x    6)、针对DWTT试验的特点，试验机锤头的释放和提升机构应安全可*，具备安全保护设施，保证人员和设备安全；
4 n, D3 r* a2 ^: ?) o    7)、试验机宜能显示锤头重量、锤头高度以及具备的能量。
9 v3 y- L) |3 E/ M4 结束语
    根据西气东输用管技术条件，DWTT试验的方法确定为API RP 5L3，因此，我们需依此设计新型的DWTT试验机。