2205双相不锈钢管材的断裂韧性分析

对该高压天然气管道用 2205 双相不锈钢管材进行了夏比 V 形缺口冲击试验、落锤撕裂试验（DWTT）和裂纹尖端张开
位移（CTOD）试验，对该材料的断裂韧性特征进行了研究。 结果表明，2205 双相不锈钢材料具 有 较 高 的 夏 比 冲 击 吸 收
功，较低的韧脆转变温度（FATT）和较高的 CTOD 值，表明该材料具有良好的断裂韧性，用于高压输气管道具有较高的
貌与温度的关系， 从而确定管道材料的韧脆转变温 度。 对于管道，DWTT 被广泛采用的原因是因为这 种试验获得的结果与管道实物爆破的试验结果相当 吻合。 相反，夏比 V 形缺口冲击试样测得的结果与 全尺寸爆破试验结果相差较大。 DWTT 更能真实的 显示管道实际结构的韧脆行为。 对于试验 2205DSS， 不论从冲击试验还是 DWTT， 均表现出较低的韧脆 转表温度，表现出良好的防止脆性断裂能力。
韧 性 测 试 方 法 之 三 ， 裂 纹 尖 端 张 开 位 移 (CTOD) 试 验 ： 在 钢 管 圆 周 方 向 距 焊 缝 90° 位 置 （3 点 钟 位 置）取样， 取样长度方向沿钢管周向， 加工成 10 mm × 20 mm × 55 mm 的三点弯曲断裂韧性试样，在试样 单侧线切 割出深 2 mm 的缺 口， 缺口沿 板厚方向。 然后在 MTS-800 试验机上预制疲劳裂纹，其尺寸为 a0 /W =0.45～0.55 （a0 为原始裂纹长度，mm；W 为试 样宽度，mm），跨距 S=4W。 CTOD 测试按 GB/T 2358 《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法》进行，试验温 度为-20 ℃，采用多试样法确定裂纹扩展阻力曲线。
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2010 年 6 月
2205 双相不锈钢管材的断裂韧性分析
李为卫， 马小芳， 杨 扬 （中国石油管材研究所 石油管工程重点实验室，陕西 西安 710065）
摘 要： 某天然气集输管道最高工作压力 13.3 MPa，最低工作温度-30 ℃，对材料的韧性提出了较高的要求。 本文
一般结构钢的韧性准则是避免脆性断裂。 双相 不锈钢比马氏体和铁素体不锈钢具有更低的韧脆转 变温度。奥氏体不锈钢材料没有脆性转变问题，因而
《热加工工艺》 2010 年第 39 卷第 11 期
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金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2010 年 6 月
一般不要求进行韧性试验。而对于双相不锈钢，因组 织中含有铁素体组织，存在脆性转变问题，对材料的 韧性应提出要求，但是目前缺少韧性技术数据，而只 能依据现有的铁素体钢结构技术数据， 因双相不锈 钢中奥氏体韧性相的低温转变行为， 这种做法是保 守的。 欧盟标准（EN）规定常温下最小夏比冲击吸收 功为 60 J（横向）和 100 J（纵向），这一要求是合理的。 对于双相不锈钢有关国家标准中没有或只有常温下 的韧性要求，对于特定用途，特别是石油和天然气工 业，需要在低温下服役，通常对母材和焊缝的冲击吸 收功要求为 45 J（-46 ℃）[4]。 对克拉 2 高压天然气管 道工程，确定 的韧性指标 为：-30 ℃下 ，管 体 横 向 的 夏比冲击吸收功平均值最低 100 J，单个最小值75 J。
韧性测试方法之一，冲击试验：在钢管圆周方向 距焊缝 90°位置（3 点钟位置）取样，取样长度方向沿 钢管周向，加工成 10 mm × 10 mm × 55 mm 的夏比 V 形缺口冲击试样，缺口位于焊缝中心，试样缺口沿厚 度方向。试验在 JBZ-500 冲击试验机上进行，试验标 准为 GB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》。
从延性止裂和防止脆性断裂两方面来看， 断裂 韧性是材料十分重要的性能。 材料脆性断裂时裂纹 扩展速度很快，不会止裂，因此一般要求材料的服役 温度高于材料的韧脆转变温度。延性断裂时，如果材 料的韧性足够高， 天然气的减压速度有可能大于裂 纹扩展速度，裂纹发生到一定长度后有可能止裂，材 料的韧性越高，止裂扩展的长度越小。
试验温度 /℃
δR-△a 曲线方程
-20
δ=1.4158×(7.3761×10-9+△a)0.6456
特征 CTOD 值
δ0.05 / mm δ0.2 / mm
0.204
0.500
δR / mm
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 △a / mm
图 3 -20℃ CTOD 试验 δR-△a 曲线 Fig.3 The δR-△a curve of CTOD test at -20℃
管道材料多年来一直采用低合金高强度管线钢，对 2205DSS 的韧性研究较少，因此对用于克拉 2 气田 开发的 2205DSS 管材的韧性进行了测试、分析。
1 实验材料及方法
实验材料采用瑞典Avesta 公司生产的 2205DSS 管材，规格为 准508 mm × 15.9 mm。 钢管采用 15.9 mm 的钢板经过压制成型，然后焊接，最后进行固溶处理 （1050 ℃固溶 + 水淬） 而成。 其化学成分 （质量分 数 ，% ） 为 ：0.014C，0.38Si，1.45Mn，0.001S，0.021P， 22.67Cr，5.69Ni，3.23Mo，0.170N； 力 学 性 能 ：Rm=789 MPa，Rp0.2=585 MPa，A5=29% ，AKV（-40 ℃）=290 J； 显 微 组 织为铁素体（基体）+ 奥 氏体的两相 组织，体积比 例 各占 50%，没有其它第三相。
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 T/℃
图 1 冲击吸收功和剪切面积随温度的转变曲线 Fig.1 Variation curve of AKV and SA with test temperatures
2.2 分析与讨论 韧脆转变温度受到试样形状、尺寸、应力状态和
加载速率等多方面的影响，由于冲击试样尺寸小，其 几何约束远小于实际构件的几何约束， 因而不能反 映构件的真实情况， 其测定值过高的估计了实际构 件的韧性[3]。 DWTT 的试验结果主要是建立断口形
100
80
SA (%)
60
40
-100 -80 -60 -40 -20 0 20
T/℃
图 2 DWTT 试验断口剪切面积随温度的转变曲线 Fig.2 Variation curve of DWTT fracture shear area with temperature
表 1 -20℃ CTOD 试验测试结果 Tab.1 Test result of CTOD (at -20℃) for 2205DSS
安全性。
关键词： 双相不锈钢；冲击韧性；落锤撕裂试验；裂纹尖端张开位移试验
中 图 分 类 号 ：TG142.71;TG142.1+1
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2010)11-0034-03
Analysis on Fracture Toughness of 2205 Duplex Stainless Steel Pipe
Key words： duplex stainless steel(DSS); impact toughness; DWTT; CTOD
2205 双 相 不 锈 钢 （2205DSS）是 现 代 双 相 不 锈 钢其中一种，采用氮作为合金元素，其含量（质量分 数）高达 0.14%～0.20%，在保证 组织平衡和 提高性 能方面具有重要作用[1]。 2205DSS 具有 优异的力学 性能、耐腐蚀性能和焊接性能等，是目前应用最普遍 的双相不锈钢材料，主要用在酸性油、气田，还有运 输 、炼 油 、石 油 、化 工 以 及 海 洋 工 程 等 领 域 [2]。
塔里木盆地克拉 2 天然气田介质中含有很高浓 度的氯离子，具有很强的腐蚀性，同时最高工作压力 达 13.3 MPa， 因此气田开发的输送管道大量采用强 度高、耐蚀性好的 2205DSS 材料。 由于输送管道最 低使用温度-30 ℃， 工程对管道用管材低温韧性也 提出了较高的要求。 天然气管道高压输送对安全性 要求很高，韧性对管道的安全性有非常重要的影响。
LI Weiwei, MA Xiaofang, YANG Yang
(The Key Laboratory for Tubular Goods Project, Tubular Goods Research Center， CNPC, Xi'an 710065， China)
Abstract： Maximum working pressure of some natural gas gathering pipe is 13.3 MPa and its minimum working temperature is -30℃, so a very high toughness requirements for the pipe were put forward. The Charpy V-notch impact test, drop weight tear test (DWTT) and crack tip opening displacement （CTOD） test of 2205DSS pipe used for the pipe were done and the fracture toughness of 2205DSS was investigated. The results show that 2205DSS has very high Charpy impact absorbed energy, very low ductile to brittle translation temperature (FATT) and very high CTOD value, which show that the 2205DSS has good fracture toughness and good safety performance for high pressure natural gas pipeline.
2 实验结果及分析
2.1 实验结果
系列温度下，2205DSS 管材的冲击 试验结果见
图 1；DWTT 试验结果见图 2；CTOD 测试结 果见表
1，根据试验数据拟合的 δR 曲线见图 3。
350
300
AKV/ J
250
200
150
100
（a） 冲击吸收功
100
SA (%)
80
60
40
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（b） 断口剪切面积
收 稿 日 期 ：2009-12-30 基 金 项 目 ：中 国 石 油 天 然 气 集 团 公 司 科 学 研 究 与 技 术 开 发 项 目 (04B41
101) 作 者 简 介 ：李 为 卫 （1965- ），男 ，陕 西 蓝 田 人 ，高 级 工 程 师 ，主 要 研 究
方 向 ：管 线 钢 材 料 及 焊 接 ；电 话 ：029-88716169； E-mail：liww@tgrc.org
从图 1 的冲击试验结果来看，2205 管材不论在 常温还是低温，均具有很高的冲击吸收功和断口剪切 面积百分比 （SA%），50%SA 转变温度低于-80℃，表 明该钢管材料具有良好的冲击韧性和低温转变特 性， 用于高压天然气管道不但具有良好的抵御低温 脆性断裂能力， 还具有良好的防止裂纹延性扩展的 能力。 从图 2 的 DWTT 试验结果来看，不论高温还 是低温， 试样断口形貌均表现为延性断口，85%SA 转变温度低于-80℃， 表明该材料具有良好的抗低 温脆性断裂能力。
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Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.11
上半月出版
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
韧 性 测 试 方 法 之 二 ， 落 锤 撕 裂 试 验 （DWTT）： 在 钢管圆周方向距焊缝 90°位置（3 点钟位置）取样，取 样长度方向沿钢管周向， 加工尺寸为 15.9 mm × 75 mm × 305 mm 的 DWTT 试样，缺口形式为标准压制 V 型缺口，在系列温度下进行落锤撕裂试验。试验机 型 号 为 Dynatup 8100， 试 验 标 准 为 SY/T6476-2000 《输送钢管落锤撕裂试验方法》。