本發(fā)明屬于材料斷裂韌性測試的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種模擬管道爆破斷口形貌的測試裝置及測試方法。

背景技術(shù)：

韌性是金屬材料的重要的力學(xué)性能之一，是金屬構(gòu)件斷裂控制的基礎(chǔ)。對于油氣輸送管道用鋼管的斷裂韌性測試常采用夏比沖擊試驗(CVN)和基于斷裂力學(xué)的KIC、J積分、(CTOD)試驗，這些試樣均為小試樣，與實際結(jié)構(gòu)材料厚度相差較大。全厚度的落錘撕裂試驗(Drop-Weight Tear Tests on Line Pipe，DWTT)是一種動態(tài)撕裂試驗，常常通過測試金屬材料的斷口剪切面積來判斷其斷裂韌性好壞。其原理是將重錘從一定高度落下，把一個帶缺口(V型或“人”字型)的試樣從缺口正對面一次性錘斷，測試斷口形貌或斷裂能量，從而評價材料斷裂特性。對于韌性較低(夏比沖擊吸收能量不大于200J)的管線鋼及鋼管，落錘撕裂試驗斷口形貌很少產(chǎn)生異常斷口，基本呈現(xiàn)為正常斷口，接近全尺寸實物爆破試驗斷口形貌，能夠真實反映材料抗斷裂的能力。但全尺寸爆破試驗成本昂貴，試驗周期長，而落錘撕裂試驗由于試驗裝方法簡便，成本低，在油氣管道用管線鋼及其鋼管的質(zhì)量控制具有重要地位。

隨著TMCP軋制工藝的采用和工程服役條件需要，強(qiáng)度高、厚度大、韌性好的油氣輸送用管線鋼及鋼管成功開發(fā)并得到應(yīng)用。這些材料在采用標(biāo)準(zhǔn)的DWTT試樣進(jìn)行落錘撕裂試驗時很容易出現(xiàn)異常斷口，即在試樣缺口下為韌性斷裂接著轉(zhuǎn)化為解理斷裂，這種情況在API RP 5L3中規(guī)定為試樣無效，需要重新取樣試驗，但重新試驗仍避免不了異常斷口的產(chǎn)生，而且極大浪費時間和成本。雖然通過大量研究，有文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)提出了異常斷口剪切面積百分比的評判方法，但異常斷口形貌相當(dāng)復(fù)雜，對其評判準(zhǔn)確度具有較高的技術(shù)性，并且所采用的異常斷口評判方法缺少理論支持，一定程度上還存在爭議。研究表明，DWTT異常斷口產(chǎn)生的主要原因在于材料的強(qiáng)度高、韌性塑性好、厚度較大，導(dǎo)致重錘錘擊時，試樣啟裂困難，在錘擊側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化和厚度增加所致。實際上，油氣輸送管道受地質(zhì)災(zāi)害或其他原因引起的斷裂或爆炸，其實質(zhì)是當(dāng)瞬間載荷超過結(jié)構(gòu)的最大抗力時，在高速拉伸作用下材料薄弱處發(fā)生斷裂。對于大壁厚、強(qiáng)韌性管線鋼的落錘撕裂試驗機(jī)理與實際管道斷裂的機(jī)理已經(jīng)有所不同，導(dǎo)致DWTT異常斷口與實物爆破試驗斷口形貌也完全不同，其相關(guān)性極大降低。因此，采用重錘直接錘擊試樣的DWTT方法來測試斷口剪切面積的方法受到了前所未有的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，需要重新開發(fā)一種模擬管道爆破斷口形貌的測試裝置及試驗方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有落錘撕裂試驗裝置及方法所存在的局限性，提供一種模擬管道爆破斷口形貌的測試裝置及測試方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種模擬管道爆破斷口形貌的測試裝置，包括支撐裝置，以及套裝在支撐裝置上的高速沖擊拉伸裝置；支撐裝置包括上底板和下底板，上底板和下底板通過支撐柱相連；高速沖擊拉伸裝置包括上部的沖擊板和滑動底板，沖擊板和滑動底板通過滑動沖擊桿相連；用于安裝式樣的夾持裝置設(shè)置于滑動底板和上底板之間；滑動底板和下底板之間的支撐柱上安裝有減震裝置；下底板的底部安裝有用于將高速沖擊拉伸裝置頂回到工作位置的頂出機(jī)構(gòu)；沖擊板的上方設(shè)置有用于將高速沖擊載荷瞬間施加到?jīng)_擊板上的高速加載裝置；夾持裝置的底部安裝有用于采集高速沖擊拉伸過程中試樣的應(yīng)力和位移的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述上底板和下底板均為矩形；上底板和下底板通過四根尺寸結(jié)構(gòu)相同的圓形光滑地支撐柱聯(lián)接，支撐柱均勻分布在上底板和下底板的四個頂角處；上底板的中心線處對稱開有兩個軸承孔，分別安裝有第一滑動軸承。

所述滑動底板的頂角處開有四個軸承孔，分別安裝有第二滑動軸承；滑動底板通過第二滑動軸承安裝在支撐柱上，并能夠沿著支撐柱在上底板和下底板之間上下移動；兩個滑動沖擊桿通過第一滑動軸承安裝在上底板上。

所述夾持裝置分別由上夾頭和下夾頭構(gòu)成；上夾頭固定在上底板的中部位置，下夾頭固定在滑動底板的中部，并與上夾頭保持在同一軸線上。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括時間計數(shù)器、處理器以及安裝在下夾頭和滑動底板之間的力傳感器和位移傳感器；試驗時，上夾頭和下夾頭分別夾持在試樣的兩端。

所述減震裝置包括四個壓縮彈簧，壓縮彈簧分別套在4根支撐柱上，壓縮彈簧的下端均與下底板接觸，用來吸收滑動底板受高速拉伸沖擊時多余的能量。

所述頂出機(jī)構(gòu)包括頂出缸和頂桿；頂出缸安裝在下底板的底部，頂桿與頂出缸的活塞連接

所述高速加載裝置包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和載荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)；驅(qū)動機(jī)構(gòu)為能夠?qū)_擊板產(chǎn)生高速沖擊的機(jī)構(gòu)，采用重物錘擊、高速彈丸、可燃物爆燃、氣-液、電液伺服或高速電機(jī)。

一種模擬管道爆破斷口形貌的測試方法，包括以下步驟：

第一步，試樣制作；從需要測試的管道材料上截取矩形試塊，保持材料原始厚度，采用機(jī)械加工的方法，從試塊兩側(cè)將加工成長度為300mm的拉伸試樣；拉伸試樣兩端夾持部位的寬度為85mm，長度為100mm，中間平行段長度為80mm，并在試樣平行段的一側(cè)中部沿壁厚方向壓制深度為5±0.5mm，角度為45°±2°，根部半徑R小于等于0.04mm的V型缺口；

第二步，將拉伸試樣放置在環(huán)境箱中保溫到所要求的測試溫度，并迅速將其安裝在夾持裝置上；

第三步，打開開關(guān)，高速加載裝置將高速沖擊載荷瞬間施加到?jīng)_擊板上；通過滑動沖擊桿帶動固定安裝在滑動底板上的下夾頭移動，從而產(chǎn)生高速拉伸載荷將帶有V型缺口的拉伸試樣快速拉斷；試樣拉斷后，高速加載裝置剩余的能量將通過減震裝置吸收消耗，避免測試裝置產(chǎn)生劇烈震動；

第四步，將斷裂后的拉伸試樣從夾持裝置中取下，利用頂出機(jī)構(gòu)推動滑動底板，將高速沖擊拉伸裝置頂回到工作位置；

第五步，采用斷口測試分析工具，對高速拉伸斷裂后的斷口形貌進(jìn)行分析；并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析拉伸試樣在高速拉伸斷裂過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和時間曲線，并計算材料高速拉伸斷裂時的吸收能量，得到材料的斷裂韌性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明基于高速拉伸原理，采用高速加載裝置對一個帶缺口的全壁厚拉伸試樣進(jìn)行快速拉斷，其試驗結(jié)果能真實反映實際工程管道在爆破時的斷裂形貌，避免原有落錘撕裂試驗因直接錘擊試樣，使得試驗結(jié)果出現(xiàn)與實物爆破斷口形貌完全不同的異常斷口而導(dǎo)致試驗無效。尤其對于厚度大、強(qiáng)度高、韌性好的金屬材料，可以采用本發(fā)明裝置及方法模擬其在在爆炸/沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)，有助于這些材料的工程應(yīng)用和工程設(shè)計。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的左視圖；

圖3為圖1中測試試樣的示意圖。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1，本發(fā)明模擬管道爆破斷口形貌的測試裝置，包括支撐裝置、高速沖擊拉伸裝置、夾持裝置、滑動軸承、減震裝置5、頂出機(jī)構(gòu)6、高速加載裝置7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8。

支撐裝置由上底板1-1、下底板1-2、支撐柱1-3構(gòu)成。上底板1-1和下底板1-2均為矩形；上底板1-1和下底板1-2通過四根尺寸結(jié)構(gòu)相同的圓形支撐柱1-3聯(lián)接，支撐柱1-3均勻分布在上底板1-1和下底板1-2的四個頂角處。在上底板1-1上中心線上對稱開有兩個軸承孔，分別安裝有第一滑動軸承4-1。

高速沖擊拉伸裝置由滑動底板2-1、滑動沖擊桿2-2和沖擊板2-3。在滑動底板2-1的頂角處開有四個軸承孔，分別安裝有第二滑動軸承4-2?；瑒拥装?-1通過第二滑動軸承4-2安裝在支撐柱1-3上，并可沿著支撐柱1-3在上底板1-1和下底板1-2之間水平地上下移動。兩根滑動沖擊桿2-2通過第一滑動軸承4-1安裝在上底板1-1上，滑動沖擊桿2-2的上端和下端分別與沖擊板2-3和滑動底板2-1牢固連接。

夾持裝置分別由上夾頭3-1和下夾頭3-2構(gòu)成。上夾頭3-1固定在上底板1-1的中部位置；下夾頭3-2固定在滑動底板2-1的中部，并與上夾頭3-1保持在同一軸線上。在下夾頭和滑動底板之間安裝有力傳感器8-1和位移傳感器8-2。試驗時，上夾頭3-1和下夾頭3-2分別夾持在試樣9的兩端。

減震裝置5是由四個壓縮彈簧構(gòu)成，分別套在4根支撐柱1-3上，與下底板1-2接觸，用來吸收滑動底板2-1受高速拉伸沖擊時多余的能量，降低整個裝置的震動。

頂出機(jī)構(gòu)6由頂出缸6-1和頂桿6-2構(gòu)成。頂出缸6-1安裝在下底板1-2的底部，頂桿6-2與頂出缸6-1的活塞連接。試驗完成后，利用頂出機(jī)構(gòu)6推動滑動底板2-1，將高速沖擊拉伸裝置頂回到工作位置，并待下一個試樣安裝后迅速退回。

高速加載裝置7包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)7-1和載荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)7-2。驅(qū)動機(jī)構(gòu)7-1為一能對沖擊板產(chǎn)生高速沖擊的機(jī)構(gòu)，可采用重物錘擊、高速彈丸、可燃物爆燃、氣-液、電液伺服或高速電機(jī)等高速加載裝置之一。所述的高速加載裝置將高速沖擊載荷瞬間施加到?jīng)_擊板2-3上，帶動高速沖擊拉伸裝置工作，將試樣瞬間拉斷。通過載荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)7-2調(diào)整所加載荷大小和速度，且須保證試樣的拉伸速度大于5米/秒，并能夠?qū)⒃嚇?拉斷。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8由力傳感器、位移傳感器、時間計數(shù)器和處理器構(gòu)成，實時采集高速沖擊拉伸過程中試樣9的應(yīng)力和位移。

支撐裝置、高速沖擊拉伸裝置和夾持裝置必須具有足夠高的抗負(fù)荷剛性，以減少結(jié)構(gòu)變形對拉伸速度的影響。

本發(fā)明還公開了一種模擬管道爆破斷口形貌的測試方法，包括如下步驟：

第一步，試樣制作。從需要測試的管道材料上截取矩形試塊，保持材料原始厚度，采用機(jī)械加工的方法，從試塊兩側(cè)將加工成長度為300mm的“啞鈴”形狀拉伸試樣9。拉伸試樣兩端夾持部位的寬度為85mm，長度為100mm，中間平行段長度80mm，寬度為76±1.0mm，并在試樣平行段的一側(cè)沿壁厚方向壓制深度為5±0.5mm，角度為45°±2°，根部半徑R小于等于0.04mm的V型缺口。

第二步，將拉伸試樣9放置在環(huán)境箱中保溫到所要求的測試溫度，并迅速將其安裝在夾持裝置上。

第三步，開啟本發(fā)明的試驗裝置，高速加載裝置7將高速沖擊載荷瞬間施加到?jīng)_擊板2-3上。沖擊板2-3迅速向下滑動，通過滑動沖擊桿2-2帶動安裝固定在滑動底板2-1上的下夾頭3-2移動，從產(chǎn)生高速拉伸載荷，將帶有V型缺口的拉伸試樣9快速拉斷。試樣拉斷后，高速加載裝置剩余的能量將通過減震裝置5吸收消耗，避免測試裝置產(chǎn)生劇烈震動。

第四步，將斷裂后的拉伸試樣9從夾持裝置中取下，并將滑動底板2-1用頂出機(jī)構(gòu)6頂回到工作位置。

第五步，采用斷口測試分析工具，對高速拉伸斷裂后的斷口形貌進(jìn)行分析。并可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8實時采集拉伸試樣9在高速拉伸斷裂過程中的應(yīng)力、位移和時間曲線，計算材料高速拉伸斷裂時的吸收能量，從而進(jìn)一步評價材料的斷裂韌性。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。