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:liww@tgrc.org
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
2205双相不锈钢管材的断裂韧性分析.
