[发明专利]一种模拟管道爆破断口形貌的测试装置及测试方法

说明书

本发明公开了一种模拟管道爆破断口形貌的测试装置及测试方法，包括支撑装置、高速冲击拉伸装置、夹持装置、滑动轴承、减震装置、顶出机构、高速加载装置、数据采集系统。采用机械加工的方法，将测试材料加工成长度为300mm的“哑铃”形状拉伸试样，在试样平行段的一侧的中部沿壁厚方向压制V型缺口。本发明试验结果能真实反映实际工程管道在爆破时的断裂形貌，避免原有落锤撕裂试验因直接锤击试样而出现与实物爆破断口形貌完全不同的异常断口所致导致试验无效的问题，可有效模拟管道在爆炸/冲击载荷下的力学响应，有助于这些材料的工程应用和工程设计。

【技术领域】

本发明属于材料断裂韧性测试的技术领域，涉及一种模拟管道爆破断口形貌的测试装置及测试方法。

【背景技术】

韧性是金属材料的重要的力学性能之一，是金属构件断裂控制的基础。对于油气输送管道用钢管的断裂韧性测试常采用夏比冲击试验(CVN)和基于断裂力学的KIC、J积分、(CTOD)试验，这些试样均为小试样，与实际结构材料厚度相差较大。全厚度的落锤撕裂试验(Drop-Weight Tear Tests on Line Pipe，DWTT)是一种动态撕裂试验，常常通过测试金属材料的断口剪切面积来判断其断裂韧性好坏。其原理是将重锤从一定高度落下，把一个带缺口(V型或“人”字型)的试样从缺口正对面一次性锤断，测试断口形貌或断裂能量，从而评价材料断裂特性。对于韧性较低(夏比冲击吸收能量不大于200J)的管线钢及钢管，落锤撕裂试验断口形貌很少产生异常断口，基本呈现为正常断口，接近全尺寸实物爆破试验断口形貌，能够真实反映材料抗断裂的能力。但全尺寸爆破试验成本昂贵，试验周期长，而落锤撕裂试验由于试验装方法简便，成本低，在油气管道用管线钢及其钢管的质量控制具有重要地位。

随着TMCP轧制工艺的采用和工程服役条件需要，强度高、厚度大、韧性好的油气输送用管线钢及钢管成功开发并得到应用。这些材料在采用标准的DWTT试样进行落锤撕裂试验时很容易出现异常断口，即在试样缺口下为韧性断裂接着转化为解理断裂，这种情况在API RP 5L3中规定为试样无效，需要重新取样试验，但重新试验仍避免不了异常断口的产生，而且极大浪费时间和成本。虽然通过大量研究，有文献和标准提出了异常断口剪切面积百分比的评判方法，但异常断口形貌相当复杂，对其评判准确度具有较高的技术性，并且所采用的异常断口评判方法缺少理论支持，一定程度上还存在争议。研究表明，DWTT异常断口产生的主要原因在于材料的强度高、韧性塑性好、厚度较大，导致重锤锤击时，试样启裂困难，在锤击侧产生严重的加工硬化和厚度增加所致。实际上，油气输送管道受地质灾害或其他原因引起的断裂或爆炸，其实质是当瞬间载荷超过结构的最大抗力时，在高速拉伸作用下材料薄弱处发生断裂。对于大壁厚、强韧性管线钢的落锤撕裂试验机理与实际管道断裂的机理已经有所不同，导致DWTT异常断口与实物爆破试验断口形貌也完全不同，其相关性极大降低。因此，采用重锤直接锤击试样的DWTT方法来测试断口剪切面积的方法受到了前所未有的质疑和挑战，需要重新开发一种模拟管道爆破断口形貌的测试装置及试验方法。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有落锤撕裂试验装置及方法所存在的局限性，提供一种模拟管道爆破断口形貌的测试装置及测试方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种模拟管道爆破断口形貌的测试装置，包括支撑装置，以及套装在支撑装置上的高速冲击拉伸装置；支撑装置包括上底板和下底板，上底板和下底板通过支撑柱相连；高速冲击拉伸装置包括上部的冲击板和滑动底板，冲击板和滑动底板通过滑动冲击杆相连；用于安装式样的夹持装置设置于滑动底板和上底板之间；滑动底板和下底板之间的支撑柱上安装有减震装置；下底板的底部安装有用于将高速冲击拉伸装置顶回到工作位置的顶出机构；冲击板的上方设置有用于将高速冲击载荷瞬间施加到冲击板上的高速加载装置；夹持装置的底部安装有用于采集高速冲击拉伸过程中试样的应力和位移的数据采集系统。

本发明进一步的改进在于：