管线钢落锤撕裂试验的能量测试

摘要：本文通过对国产锤撕裂试验机能量测试系统的开发与研究，以及该系统在鞍钢化检验中心的成功应用，展示了该系统的可靠性。该系统的研制成功为定量研究各种因素对管线钢断裂韧性的影响以及从理论上研究管线钢承受冲击载荷的断裂机理提供了试验支持，提高了检验水平，健全了试验方法和手段，填补了国内空白，同时也提高了国产落锤试验机的市场竞争力。
关键词： 管线钢 落锤撕裂 试验 能量测定

前言：

随着我国石油天然气事业的发展，管线钢的冶炼和焊接技术正以前所未有的速度实现着跨越式发展，这也给管线钢的评价试验带来了一些新问题。对于高韧性、大壁厚的管线钢来说，普通夏比冲击试样尺寸过小，不能反映实际构件中的应力状态，而且结果离散性大，不能满足一些特殊要求。管线钢落锤撕裂试验（DWTT）的结果与钢管全尺寸爆破试验结果相当吻合，而且容易操作，因此科研人员提出用落锤撕裂试验的锤断能量值来代替夏比冲击功值，这种能量测试方法更能接近材料的使用状态，反映其断裂的真实情况，因此落锤撕裂试验被广泛应用于管线钢断裂韧性的评价，成为重要的质量验收指标之一。在《西气东输工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件》N.2.2中不但要求对试样的剪切面积进行评价，同时还要求提供落锤撕裂试验的能量值。但鉴于试验设备状况，只有少数科研单位能够进行能量测定，而大多数钢厂和制管厂都不能提供准确的能量测量值。本文通过对作者3开发的国产锤撕裂试验机能量测试系统的研究（在www.testimpact.com网站上作了更详尽的论述），以及该系统在鞍钢化检验中心的成功应用，展示了该系统的可靠性。该系统的研制成功为定量研究各种因素对管线钢断裂韧性的影响以及从理论上研究管线钢承受冲击载荷的断裂机理提供了试验支持，提高了检验水平，健全了试验方法和手段，填补了国内空白，同时也提高了国产落锤试验机的市场竞争力。

1．能量测量原理〔1〕

能量的测量一般有三种方法：动能差法、势能差法和微元积分法，本系统采用微元积分法。

通过安装在锤头上的力传感器测量试验过程中瞬时力值f(t)，同时通过安装在试验机上的速度传感器测量出试样的即时速度v(t)，通过系统计算出瞬时位移s(t)，由f(t)和s(t)可以得到任一瞬时力和变形的关系F(S),这样每一时刻的力值F(S)）与其变形的微分dS的乘积就是每一瞬时的“即时功”。把对应于不同时刻的功值积分即可得到试样从变形开始到完全断裂所吸收的所有功值。利用计算机数据采集和分析系统绘出载荷—变形曲线，曲线下的面积即为落锤打击试样过程中落锤作用于试样上的载荷所作的功，即试样吸收的能量；所以，根据载荷—变形曲线，可以绘出能量—变形曲线。

w=∫F(S)dS

式中：w—试样吸收的能量（J）
F(S) —试样所受的力（N）

2．系统的结构设计

整个测试系统结构如图1所示，通过光电传感器测量出即时速度，通过锤头上的力传感器测量出瞬时力值，把这两方面的数据传送到信号调理器，再把调理好的信号通过数据采集卡发送给计算机，由系统数据采集处理软件进行处理，得出各种测量数据，反馈给计算机打印出试验报告。

图1 测试系统的组成

3．试验曲线分析

在试验中可以同时获得两个曲线（载荷—变形曲线和能量—变形曲线），也可以把两条曲线合并在一起。为了方便起见，试验报告一般使用如图2所示的合并后的曲线。

图2 试验过程曲线

曲线横坐标为锤头在打击过程中的位移（与试样接触开始到静止过程的位移），纵坐标为锤头与试样接触产生作用力到试样完全断裂过程中的力值变化和能量变化。该曲线实际上相当于是一个高速的压缩变形和弯曲变形的过程。

4.测试系统的可靠性评价

4.1落锤测试系统的动态特性

测试系统的动态特性对测试结果的影响很大，它可以用系统的单位脉冲响应函数、阶跃响应函数、频率响应函数或传递函数来描述。要实现不失真测试，就要求系统的幅频特性在被测量的频率范围内为常数。在管线钢的落锤试验中，锤击是在几毫秒到几十毫秒的时间内完成的。冲击脉冲本身具有很宽的频率范围，所以就要求测试系统的频响要宽。本测试系统的频响远远大于冲击脉冲的带宽， 这就保证了信号不会失真。

4.2通过对未锤断试样的能量分析，对测试系统性能评价

试样未锤断,表明重锤的位能几乎全部被试样吸收了。对厚度为43mm 的某材质试样进行了测试，其中有3个试样未锤断，测试结果如表1所示。图3 是落锤从1.5米高度落下时试样未锤断的测试结果。从试验结果可见：这三个试样三个未断试样的测试曲线具有形状的一致性，实测能量与理论上的重锤位能误差很小（约为2%），在很大的能量区间内都能保持很小的测试误差，说明该测试系统再现性好、精度高、线性好。

图3 对051025-7试样的测试结果（经数字滤波）

表1某钢材的能量测试结果

试验编号试样厚度(mm) 落锤高度(mm) 重锤位能(J) 实测能量(J) 最大载荷(KN) 实测能/重锤位能 误差
051025-5431200204032009657498.49%1.51%
051025-7431500255042498059297.94%2.06%
051025-8432000340063338161298.1%1.9%

结语：

该能量测试系统的应用使落锤撕裂试验的能量测定实现了从定性到定量的改变。它是目前国产能量最大、带有全自动能量测试系统的落锤撕裂试验设备，在鞍钢化检验中心安装使用后收到了很好的效果。该系统完善了管线钢的检验标准，为定量研究各种因素对管线钢断裂韧性的影响以及从理论上研究管线钢承受冲击载荷的断裂机理提供了试验支持，提高了检验水平，健全了试验手段和方法，填补了国内空白，同时也提高了国产落锤试验机的市场竞争力。

参考文献：
1.王树人，崔志新. 管线钢落锤撕裂试验的应用实践〔J〕.焊管，2004，27（4）：62～63

王树人1 代文科2 山静民3
（1.中国石油天然气管道局钢管厂 111000 2.鞍钢化检验中心 114001 3.陕西科技大学 712081）