CN111307620A - 一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，全尺寸试样冲击吸收能量由小尺寸试样冲击吸收能量与比值y换算得到，所述比值y的计算公式由数值拟合得到；本发明针对现有方法标准中对高强韧性管线钢小尺寸和全尺寸冲击试样冲击吸收能量换算方法的局限性，提供一种高强韧性管线钢小尺寸试样和全尺寸试样吸收能量的比例关系换算方法，进而得到高强度管线钢试样冲击吸收能量；为不同厚度规格的油气输送管材的检测评价、产品验收、标准制定等方面提供一种新的方法。
Description
【技术领域】
本发明属于冲击实验技术领域，具体涉及一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法。
【背景技术】
韧性是管线钢一种重要的力学性能，在管线钢领域中，通常以冲击试验、落锤撕裂试验和断裂韧性试验进行韧性的测试和评价，目前最常用的检测评价方法是夏比冲击试验。
管线钢检测依据的产品标准主要有GB/T 9711和API Spec 5L。这两个标准都规定，采用小尺寸试样时，冲击吸收能量要求值应为全尺寸试样的要求值乘以小尺寸试样宽度与全尺寸试样宽度的比值。试验方法标准ASTM A370也列出了全尺寸试样和小尺寸试样的冲击吸收能量值，冲击吸收能量值和试样宽度是成比例的，但是最大值只到102J，而高强度管线钢的冲击吸收能量远大于该标准的最大值。对于高强管线钢这种高冲击吸收能量的材料，冲击试样尺寸和试验结果是否存在线性比例关系，小尺寸试样对高韧性管材是否适用等一系列问题，尚不明确；因此，需要设计一种针对高强韧性管线钢小尺寸试样和全尺寸试样冲击吸收能量的换算新方法。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法；用于解决高强韧性管线钢小尺寸试样和全尺寸试样冲击吸收能量转换的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，所述全尺寸试样冲击吸收能量由小尺寸试样冲击吸收能量与比值y换算得到，所述比值y的计算公式由数值拟合得到，数值拟合的具体过程为：
(1)计算0℃下N/2个全尺寸试样的冲击吸收能量平均值，计算-20℃下N/2个全尺寸试样的冲击吸收能量平均值，每一个全尺寸试样的冲击吸收能量通过试验获得；
(2)针对每一个规格的小尺寸试样，计算其N/2个试样的在0℃下的冲击吸收能量平均值，计算其N/2个试样的在-20℃下的冲击吸收能量平均值，每一个小尺寸试样的冲击吸收能量通过试验获得；所述N为≥1的自然数；
(3)在0℃下和-20℃下，分别计算每一个规格的小尺寸试样冲击吸收能量平均值和全尺寸试样冲击吸收能量平均值的比值；
(4)以步骤(3)得到的在0℃下和-20℃下每一个规格小尺寸试样的比值为应变量，以每一个规格的小尺寸试样的宽度和全尺寸试样的宽度比值为自变量，进行数值拟合，得到比值y的计算公式。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述比值y的计算公式为：
y＝-4.27x3+6.71x2-2.06x+0.29 (1)
y为小尺寸试样与全尺寸试样冲击冲击吸收能量的比值；
x为小尺寸试样与全尺寸试样宽度的比值；
通过y计算全尺寸试样冲击吸收能量Kv全尺寸的计算公式为：
Kv全尺寸＝Kv小尺寸/y (2)
Kv全尺寸为全尺寸试样冲击吸收能量；
Kv小尺寸为小尺寸试样冲击吸收能量。
优选的，每一个小尺寸试样的冲击吸收能量、每一个全尺寸试样的冲击冲击吸收能量均通过夏比冲击试验获得。
优选的，步骤(1)中，全尺寸试样的规格为10×10×55mm；步骤(2)中，小尺寸试样的规格包括7.5×10×55mm、6.7×10×55mm、5×10×55mm、3.3×10×55mm和2.5×10×55mm。
优选的，步骤(2)中，N为≥60的自然数。
优选的，数值拟合的方法为origin、Excel或minitab中的任意一种。
优选的，所述高强度管线钢为韧性≥200J的管线钢。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，本发明针对现有方法标准中对高强韧性管线钢小尺寸和全尺寸冲击试样冲击吸收能量换算方法的局限性，提供一种高强韧性管线钢小尺寸试样和全尺寸试样吸收能量的比例关系换算方法，进而得到高强度管线钢试样冲击吸收能量；为不同厚度规格的油气输送管材的检测评价、产品验收、标准制定等方面提供一种新的方法。
进一步的，换算公式由数值拟合得到，数值拟合过程中，利用夏比冲击试验得到的试验数据，计算出每一个规格的小尺寸试样冲击吸收能量的平均值和全尺寸试样平均冲击吸收能量的比值，进而模拟该比值和小尺寸试样的宽度和全尺寸试样的宽度比值的关系式。
进一步的，本发明公式中的具体参数通过不同温度下的夏比冲击试验获得。
进一步的，本发明的小尺寸试样的规格设置有五个规格。
进一步的，每一个规格的小尺寸试样至少为60个。
进一步的，数值拟合选用的软件为常用的软件。
【附图说明】
图1为本发明的实施例中0℃时不同尺寸试样的冲击冲击吸收能量图；
图2为本发明的实施例中-20℃时不同尺寸试样的冲击冲击吸收能量图；
图3为本发明的实施例中小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量比值和宽度比值的关系。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体步骤对本发明做进一步详细描述，本发明公开了一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，该计算方法的具体过程为：
S1，计算小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量的比值y；
y＝-4.27x3+6.71x2-2.06x+0.29 (1)
y为小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量的比值；
x为小尺寸试样与全尺寸试样宽度的比值；
S2，通过y计算全尺寸试样冲击吸收能量Kv全尺寸；
Kv全尺寸＝Kv小尺寸/y (2)
Kv全尺寸为全尺寸试样冲击吸收能量；
Kv小尺寸为小尺寸试样冲击吸收能量。
获得上述公式(1)的具体过程为：
步骤1，试验材料选取
选取X70强度级别以上的高强韧性管线钢，所述高强韧性管线钢为韧性大于200J的管线钢。
步骤2，试样加工
在同一材质的高强韧性管线钢上，截取样块，用机械加工方法，将其加工成10×10×55mm的全尺寸冲击试样和7.5×10×55mm、6.7×10×55mm、5×10×55mm、3.3×10×55mm、2.5×10×55mm的小尺寸冲击试样，每种规格试样的数量为N件，N为≥60的偶数。
步骤3，试验机锤头选取
冲击试验机的锤头半径选取为8mm。
步骤4，选取试验温度及试验。
选取0℃和-20℃两个典型试验温度进行夏比冲击试验；将每种规格的试样数量平均分配，当每种规格试样的数量为N个时，每一种规格的试样选取N/2个在0℃上进行夏比冲击试验，再选取N/2个在-20℃上进行夏比冲击试验，每一个试样进行夏比冲击试验后得到冲击吸收能量。
0℃为产品标准GB/T 9711和API Spec 5L规定的试验温度，-20℃为X80管线钢冲击吸收能量-温度曲线的上平台区。
步骤5，数据处理
将每一个规格的所有试样的冲击吸收能量进行平均值计算，计算每一个规格小尺寸试样的冲击吸收能量的平均值和全尺寸试样的冲击吸收能量的平均值的比值，每一个规格小尺寸试样的宽度和全尺寸试样的宽度的比值。
(1)计算全尺寸试样10×10×55mm的平均冲击吸收能量、平均冲击吸收能量。
计算N/2个10×10×55mm全尺寸试样在0℃下的冲击吸收能量平均值，计算N/2个10×10×55mm全尺寸试样在-20℃下的冲击吸收能量平均值。
(2)针对每一个规格的小尺寸试样，计算其N/2个试样的在0℃下的冲击吸收能量平均值，计算其N/2个试样的在-20℃下的冲击吸收能量平均值。
具体来说，针对7.5×10×55的小尺寸试样，计算其N/2个试样的在0℃下的冲击吸收能量平均值，计算其N/2个试样的在-20℃下的冲击吸收能量平均值；同样的分别针对6.7×10×55mm、5×10×55mm、3.3×10×55mm、2.5×10×55mm的小尺寸冲击试样计算N/2个试样的在0℃下的冲击吸收能量平均值，计算N/2个试样的在-20℃下的冲击吸收能量平均值。
(3)针对两个温度，分别计算每一个小尺寸试样冲击吸收能量的平均值和全尺寸试样冲击吸收能量平均值的比值，因此对于0℃会得到5个冲击吸收能量平均值的比值，对于-20℃会得到5个冲击吸收能量平均值的比值；计算每一个小尺寸试样的宽度和全尺寸试样宽度的比值。
(4)结合0℃对应的5个冲击吸收能量平均值的比值和试样宽度比值，以及-20℃对应的5个冲击吸收能量平均值的比值和试样宽度比值；通过数值拟合，计算出小尺寸试样冲击吸收能量比值的平均值和试样宽度的换算关系式；拟合过程中，每一个冲击吸收能量平均值对应其试样宽度的比值，能够得到一对数据，相对应一个试样宽度会对应10个冲击吸收能量平均值的比值(2个温度条件)；因此针对5个小尺寸试样，共会得到50对数据进行数值拟合。
数值模拟方式为常见的方法，如origin、Excel、minitab等软件；得出以下小尺寸试样与全尺寸试样冲击冲击吸收能量换算的关系为：
y＝-4.27x3+6.71x2-2.06x+0.29 (1)
y为小尺寸试样与全尺寸试样冲击冲击吸收能量的比值
x为小尺寸试样与全尺寸试样宽度的比值
由此计算全尺寸试样冲击吸收能量的公式为：
Kv全尺寸＝Kv小尺寸/y (2)
Kv全尺寸为全尺寸试样冲击冲击吸收能量；
Kv小尺寸为小尺寸试样冲击冲击吸收能量。
实施例
以X80管线钢小尺寸和全尺寸试样冲击冲击吸收能量比例为例。
第一步，试验材料选取，选取X80管线钢。
第二步，试样加工。在X80管线钢上，横向截取样块，用机械加工方法，将其加工成10×10×55mm的全尺寸冲击试样和7.5×10×55mm、6.7×10×55mm、5×10×55mm、3.3×10×55mm、2.5×10×55mm的小尺寸冲击试样，每种规格试样的数量至少60件。取小尺寸冲击试样时，把全尺寸试样沿着管线钢外表面方向单边减薄为小尺寸试样。
第三步，试验机锤头选取。冲击试验机的锤头半径选取为8mm。
第四步，选取试验温度及试验。选取0℃和-20℃两个典型试验温度进行冲击试验。
0℃是产品标准GB/T 9711和API Spec 5L规定的试验温度，-20℃处于X80管线钢冲击冲击吸收能量-温度曲线的上平台区，试验结果分散程度小，结果具有代表性。
第五步，数据处理。
图1为0℃时不同尺寸试样的冲击吸收能量，小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量的比值，见表1。
表1 0℃时小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量的比值
图2为-20℃时不同尺寸试样的冲击吸收能量。小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量的比值，见表2。
表2 -20℃时小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量的比值
把0℃和-20℃时小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量的比值进行平均，即得到X80管线钢小尺寸试样与全尺寸试样冲击吸收能量的比例系数。对冲击吸收能量的比值和宽度的比值进行拟合，得到两者的关系式。结果如图3所示。
(1)计算比例系数。小尺寸试样与全尺寸试样冲击冲击吸收能量换算的关系为：
y＝-4.27x3+6.71x2-2.06x+0.29 (1)
y：小尺寸试样与全尺寸试样冲击冲击吸收能量的比值
x：小尺寸试样与全尺寸试样宽度的比值
冲击吸收能量换算公式为：
Kv全尺寸＝Kv小尺寸/y (1)
Kv全尺寸：全尺寸试样冲击冲击吸收能量；
Kv全尺寸：小尺寸试样冲击冲击吸收能量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，其特征在于，所述全尺寸试样冲击吸收能量由小尺寸试样冲击吸收能量与比值y换算得到，所述比值y的计算公式由数值拟合得到，数值拟合的具体过程为：
(1)计算0℃下N/2个全尺寸试样的冲击吸收能量平均值，计算-20℃下N/2个全尺寸试样的冲击吸收能量平均值，每一个全尺寸试样的冲击吸收能量通过试验获得；
(2)针对每一个规格的小尺寸试样，计算其N/2个试样的在0℃下的冲击吸收能量平均值，计算其N/2个试样的在-20℃下的冲击吸收能量平均值，每一个小尺寸试样的冲击吸收能量通过试验获得；所述N为≥1的自然数；
(3)在0℃下和-20℃下，分别计算每一个规格的小尺寸试样冲击吸收能量平均值和全尺寸试样冲击吸收能量平均值的比值；
(4)以步骤(3)得到的在0℃下和-20℃下每一个规格小尺寸试样的比值为应变量，以每一个规格的小尺寸试样的宽度和全尺寸试样的宽度比值为自变量，进行数值拟合，得到比值y的计算公式。
2.根据权利要求1所述的一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，其特征在于，所述比值y的计算公式为：
y＝-4.27x3+6.71x2-2.06x+0.29 (1)
y为小尺寸试样与全尺寸试样冲击冲击吸收能量的比值；
x为小尺寸试样与全尺寸试样宽度的比值；
通过y计算全尺寸试样冲击吸收能量Kv全尺寸的计算公式为：
Kv全尺寸＝Kv小尺寸/y (2)
Kv全尺寸为全尺寸试样冲击吸收能量；
Kv小尺寸为小尺寸试样冲击吸收能量。
3.根据权利要求1所述的一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，其特征在于，每一个小尺寸试样的冲击吸收能量、每一个全尺寸试样的冲击冲击吸收能量均通过夏比冲击试验获得。
4.根据权利要求1所述的一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，其特征在于，步骤(1)中，全尺寸试样的规格为10×10×55mm；步骤(2)中，小尺寸试样的规格包括7.5×10×55mm、6.7×10×55mm、5×10×55mm、3.3×10×55mm和2.5×10×55mm。
5.根据权利要求1所述的一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，其特征在于，步骤(2)中，N为≥60的自然数。
6.根据权利要求1所述的一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，其特征在于，数值拟合的方法为origin、Excel或minitab中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种高强度管线钢全尺寸试样冲击吸收能量的计算方法，其特征在于，所述高强度管线钢为韧性≥200J的管线钢。
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