[发明专利]一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用

说明书

本发明提供了一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用，该方法包括以下步骤：通过有限元模拟进行不同尺寸预制缺口小冲杆试样模型与结果分析，得到最优的预制缺口尺寸与试样厚度；开展含有最优预制缺口尺寸的管线钢小冲杆试样试验得到小冲杆试验的载荷‑位移曲线，并确定临界断裂韧性Jsubgt;c(SP)/subgt;；开展试样三点弯试验得到断裂韧性Jsubgt;c/subgt;值；将临界断裂韧性Jsubgt;c(SP)/subgt;与材料断裂韧性Jsubgt;c/subgt;值进行关联，引入参数k和Jsubgt;0/subgt;，建立小冲杆试验与试样三点弯试验得到的断裂韧性方程，即：Jsubgt;C/subgt;＝kJsubgt;C(SP)/subgt;+Jsubgt;0/subgt;。本发明建立了贯穿型缺口小冲杆试样有限元模型，提出了最佳缺口与试样尺寸，适合用于材料断裂韧性的测试，可以很好地测试在服役管线钢的断裂韧性。

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，具体而言，涉及一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用。

背景技术

近年来，我国能源需求不断增加，油气管道作为能源运输的基础，其服役时的安全性愈发受到国家和政府的关注。油气管道长期在高温、高压及腐蚀性等环境中服役，会无法避免的出现性能劣化、损伤、裂纹乃至失效，如长期服役管道中的过热氧化、开裂、腐蚀等现象。管道在上述情况极易发生泄露，使其结构完整性和工作性能受到影响。断裂韧性是评价管线钢结构安全性能的一个重要指标，能够表征材料受到外部载荷作用时抵抗开裂和裂纹扩展的能力。J积分作为弹塑性断裂理论中的断裂韧性表征参数，其标准化测试通常基于三点弯试验或紧凑拉伸试验(Compact tensile，CT)实现，然而这些试验中使用的试样尺寸较大，试样尺寸与管壁厚尺寸接近，往往需要对在役管道进行破坏性取样才能够得到管道断裂韧性参数，造成油气运输停工，带来巨大的经济损失。因此，亟待找到一种基于无损或微损试样的不破坏管道完整性的断裂韧性测试方法。

小冲杆试验(Small Punch Test，SPT)作为一种微损测试技术，兴起于20世纪80年代。试验通过冲杆以一定速度通过钢珠来冲压试样薄片，传感器记录冲头在试验过程中的载荷和位移，以此分析得到材料的力学性能参数。目前采用小冲杆试验获得材料断裂韧度的方法主要有经验关联法、应变能密度法、小冲杆能量法、反向有限元法和直接计算法等。

现有技术手段主要缺点有两点。一是利用传统的断裂韧性评价试验对管线钢进行评定，其标准化测试通常基于三点弯试验或紧凑拉伸试验，试验中使用的试样尺寸与管壁厚接近，往往需要对管道进行破坏性取样；二是在使用小冲杆试验评价材料断裂韧性的方法中，由于不同种类开缺口试样几何形状及应力状态存在较大差异，最终得到的断裂韧度值也不尽相同，尚未形成系统的通过小冲杆试样得到材料断裂韧性的方法。

目前，在评估石油化工行业在役设备材料性能劣化方面尚无一种可行的微损检测方法，在保证不破坏在役设备的前提下取样进行评估检测；同时，尚未形成系统的通过小冲杆试样得到材料断裂韧性的方法，尤其是针对正在服役的管线钢，如X65、X70，以及X80、X100高钢级管道材料的试验方法。

发明内容

为解决上述缺陷，本发明提供了一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用。本发明采用贯穿型预制缺口小冲杆试样并使用该种试样获取在役管线钢断裂韧性的微损评价方法，建立贯穿型缺口小冲杆试样有限元模型，通过数值模拟最终确定将试验试样缺口偏移距离范围定为l∈[1.10,1.20]±0.01mm，适合用于材料断裂韧性的测试，可以很好的测试在服役管线钢的断裂韧性。