2205双相不锈钢管材的断裂韧性分析.

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13.3MPa,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。

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
508mm×15.9mm。

钢管采用15.9mm 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:R m=789 MPa,R p0.2=585MPa,A5=29%,A KV(-40℃=290J;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。

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10mm×10mm×55mm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/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》。

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13.3MPa,最低工作温度-30℃,对材料的韧性提出了较高的要求。

本文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(201011-0034-03
Analysis on Fracture Toughness of2205Duplex Stainless Steel Pipe
LI Weiwei,MA Xiaofang,YANG Yang
(The Key Laboratory for Tubular Goods Project,Tubular Goods Research Center,CNPC,Xi'an710065,China
Abstract:Maximum working pressure of some natural gas gathering pipe is13.3MPa 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(DWTTand crack tip opening displacement(CTODtest of2205DSS pipe used for the pipe were done and the fracture toughness of2205DSS was investigated.The results show that2205DSS has very high Charpy impact absorbed energy,very low ductile to brittle translation temperature(FATTand very high CTOD value,which show that the2205DSS has good fracture toughness and good safety performance for high pressure natural gas pipeline.
Key words:duplex stainless steel(DSS;impact toughness;DWTT;CTOD
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-********;
E-mail:*************
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15.9mm ×75
mm ×305mm 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》。

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10mm
×20mm ×55mm 的三点弯曲断裂韧性试样,在试样
单侧线切割出深2mm 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
a 0/W =0.45~0.55(a 0为原始裂纹长度,mm ;W 为试
样宽度,mm ,跨距S =4W 。

CTOD 测试按GB/T2358《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。

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。

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。

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。

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
100806040-100
-80
-60
-40-200
20
T /℃
S A (%
图2DWTT 试验断口剪切面积随温度的转变曲线Fig.2Variation curve of DWTT fracture shear area with temperature
1.51.20.90.60.30
0.2
0.4
0.60.8
1.0 1.2
△a /mm
δR /m m
图3-20℃CTOD 试验δR -△a 曲线
Fig.3The δR -△a curve of CTOD test at -20℃
试验温度
/℃δR -△a 曲线方程
特征CTOD 值
δ0.05/mm δ0.2/mm -20
δ=1.4158×(7.3761×10-9+△a 0.6456
0.204
0.500
表1-20℃CTOD 试验测试结果
Tab.1Test result of CTOD (at -20℃for 2205DSS
350300250200150100(a 冲击吸收功
(b 断口剪切面积100806040-100
-80
-60
-40-20020
T /℃
A K V /J S A (%
图1冲击吸收功和剪切面积随温度的转变曲线
Fig.1Variation curve of A KV and SA with test temperatures
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60J(横向和100J(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45J(-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100J,单个最小值75J。

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。

裂纹尖端张开位移试验是针对碳钢和低合金钢开发的一种试验方法,对于双相不锈钢而言它的合理性和实用性值得探讨,需要针对不同的设计用途和产品收集数据[5]。

对双相不锈钢CTOD和冲击韧性的关系进行了研究,而将冲击韧性作为材料的常规检验项目。

近年来,针对双相不锈钢低温用途,尤其是承压厚壁材料开始进行以CTOD为基础的各种测试工作,以评价材料的断裂力学性能。

按照BS 4515附件,CTOD=0.18mm能满足高应力条件下的应用要求[2]。

从试验结果来看,2205DSS 的条件起裂值δ0.2较高,与X70管线钢(+20℃,δ0.2≈0.32相比断裂韧性更好,具有更好的阻止裂纹扩展能力。

2205DSS良好的韧性归功于其显微组织。

双相不锈钢中的两种显微组织,铁素体和奥氏体,铁素体是一种脆性相,在低温下呈解理断裂,奥氏体是一种韧性相[1]。

另外,双相不锈钢中的奥氏体还有细化晶粒和降低氮化物析出的作用[5]。

双相不锈钢的显微组织与其经历的热过程有关,试验采用的2205DSS 焊接钢管成型、焊接后进行了固溶处理,因而保持了最佳的显微组织和相比例(铁素体和奥氏体各约占50%状态,而且没有金属间析出相产生,因此具有极高的韧性。

图4是试验2205DSS材料的光学显微组织照片,为黑色的铁素体基体上分布白色的奥氏体。

透射电镜(TEM试验结果(图5显示, 2205DSS组织中的铁素体内部有亚晶粒,彼此存在着位向差。

奥氏体里出现了层错,这是晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷。

堆垛层错是最简单的平面型缺陷。

层错发生在确定的晶面上,层错面上、下方分别是位向相同的两块理想晶体,但下方晶体相对于上方晶体存在一个恒定的位移R。

堆垛层错的存在打破了晶体的周期性完整性,减弱了弱界面作用,引起冲击能量提高。

100μm
图42205DSS的显微组织
Fig.4Microstructure of2205DSS
(上接第36页3结论
(1试验2205双相不锈钢管材具有高的冲击
吸收功、低的韧脆转变温度(FATT 和高的CTOD 值,表明这种材料可以满足低温服役条件,具有良好的延性止裂能力和防止低温脆性断裂能力。

(2试验2205双相不锈钢管材的冲击功完全满足通过研究确定的工程技术指标:-30℃下,管体横向的夏比冲击功平均值最低100J ,单个最小值75J ,且有很大的裕量,用于克拉2高压天然气管道具有高的安全性。

(3试验2205双相不锈钢管材具有的良好韧性与其显微组织密切相关。

试验材料在成型、焊接后进行了固溶处理,具有最佳的显微组织和相比例(α
和γ各占约50%,没有金属间析出相存在,因而表现出最佳的韧性。

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(上接第39页
(3含Co 量为0.3wt%时,Al 对K4169合金力学性能的影响很显著,随着Al 含量的增加,铸态合金的屈服强度和硬度均呈先增加后减小的趋势,当Al 含量为1.25%时合金的铸态组织和力学性能较好。

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