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試樣形式對(duì)X65/X70厚壁海底用直縫埋弧焊管拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響

作者：趙金蘭,楊東升,王增輝
北京隆盛泰科石油管科技有限公司,北京 100101
中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,西安 710065
目錄
摘要：以JCOE成型的X65級(jí)直徑762mm*30.2mm和X70級(jí)直徑765.2mm*31.8mm鋼管為例,對(duì)X65/X70厚壁海底用直縫埋弧焊鋼管管體橫向和縱向拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比,分析了板狀試樣和圓棒試樣對(duì)管體拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明：試樣形式對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小,橫向圓棒試樣的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比均明顯高于橫向板狀試樣；縱向圓棒試樣的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比均明顯低于縱向板狀試樣。
關(guān)鍵詞：直縫埋弧焊管,拉伸性能,板狀試樣,圓棒試樣,大壁厚、直縫鋼管。
 

前言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)天然氣的需求快速增長,從面加快了海底油氣管道建設(shè)的步伐。由于海底油氣輸送要求的承壓能力較大,因此,海底管線用鋼管向大壁厚高鋼級(jí)方向發(fā)展。目前,國內(nèi)試制的海底管線用鋼管壁厚可達(dá)31.8mm,鋼級(jí)為X70。
在鋼管的理化性能試驗(yàn)中,拉伸性能是其最基本的性能指標(biāo)。針對(duì)拉伸試樣形式對(duì)鋼管拉伸性能的影響,國內(nèi)處專家學(xué)者曾進(jìn)行了不同程度的研究。而對(duì)X65/X70大壁厚海底用直縫埋弧焊鋼管,試樣形式對(duì)其拉伸性能的影響是本研究的重點(diǎn)。

1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用鋼管為大壁厚直縫埋弧焊接鋼管,其成型方式為JCOE,規(guī)格分別為X65級(jí)直徑762mmx30.2mm和X70級(jí)直徑765.2mmx31.8mm。試驗(yàn)執(zhí)ASTM A370-2009標(biāo)準(zhǔn),設(shè)備為MTS810-15和SHT4106材料試驗(yàn)機(jī)。鋼管拉伸試驗(yàn)取樣為距焊縫180度管體橫向（垂直于鋼管軸線方向）、縱向（平行于鋼管軸線方向）的板狀試樣、圓棒試樣。拉伸試驗(yàn)取樣位置、試樣形狀及尺寸見表1。
表1 拉伸試驗(yàn)取樣位置、試樣形狀及尺寸
取樣方向 試樣形狀 試樣尺寸/（mmxmm）
橫向 板狀 寬度X標(biāo)距：38.1x50.8
圓棒 直徑x標(biāo)距：12.7x50.8
縱向 板狀 寬度X標(biāo)距：38.1x50.8
圓棒 直徑x標(biāo)距：12.7x50.8

2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

鋼管主要拉伸試驗(yàn)指標(biāo)包括屈服強(qiáng)度Rt0.5、抗拉強(qiáng)度Rm、伸長率A以及屈強(qiáng)比Rt0.5/Rm。
對(duì)X70級(jí)直徑765.2mmx31.8mm鋼管取6組試樣,分別進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),結(jié)果見圖2和表3。
表2 X65級(jí)直徑762x30.2mm管體拉伸試驗(yàn)結(jié)果
取樣方向 板狀試樣平均值 圓棒試樣平均值
Rt0.5/MPa Rm/MPa Rt0.5/Rm A/% Rt0.5/MPa Rm/MPa Rt0.5/Rm A/%
橫向 536 627 0.86 55 570 615 0.93 26
縱向 549 611 0.90 53 532 603 0.88 25
表3 X65級(jí)直徑762x30.2mm管體拉伸試驗(yàn)結(jié)果
取樣方向 板狀試樣平均值 圓棒試樣平均值
Rt0.5/MPa Rm/MPa Rt0.5/Rm A/% Rt0.5/MPa Rm/MPa Rt0.5/Rm A/%
橫向 530 637 0.84 53.5 579 624 0.93 25
縱向 553 609 0.91 53 525 590 0.89 24

3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1屈服強(qiáng)度

橫向板狀試樣采用全壁厚展平試樣,橫向圓棒試樣的直徑為12.7mm。
橫向板狀試樣雖然能代表鋼管全壁厚,但試樣在加工過程中經(jīng)過展平,外表面存在壓應(yīng)力,內(nèi)表面存在拉應(yīng)力,勢(shì)必會(huì)造成包申格效應(yīng),使得板狀試樣的屈服強(qiáng)試低于實(shí)際屈服強(qiáng)度。同時(shí)加工過程中存在加工硬化現(xiàn)象,試樣在塑性變形時(shí),晶粒發(fā)生滑移,出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié),使晶粒拉長,破碎和釬維化,試樣產(chǎn)生了殘余應(yīng)力大于加工硬化效應(yīng),因而測得的橫向板狀的屈服強(qiáng)度值低于實(shí)際值。
橫向圓棒試樣是從壁厚為31.8mm或30.2mm中切削加工而成。圓棒取自鋼管壁厚中心,圓棒僅代表壁厚中心部份的拉伸性能。鋼管壁厚越大,圓棒試樣越趨近壁厚中心,偏離鋼管表面。制樣過程中同樣存在冷剪時(shí)產(chǎn)生的加工硬化區(qū)。
由表2、表3可知,橫向圓棒試樣的屈服強(qiáng)度值明顯高于板狀試樣,X65級(jí)直徑762mmx30.2mm鋼管所取試樣的屈服強(qiáng)度平均高34MPa；X70級(jí)直徑765mmx31.8mm鋼管所取試樣的屈服強(qiáng)試平均高49MPa。
縱向板狀試樣采用全壁厚試樣,未展平；縱圓棒試樣的直徑為12.7mm。縱向全壁厚板狀試樣未展平,其拉伸性能代表全壁厚鋼管拉伸性能,且不存在包申格效應(yīng),因此測試值基本等于實(shí)際屈服強(qiáng)度值。縱向圓棒試樣同橫向圓棒試樣,是從壁厚31.8mm或30.2mm中切削加工而成,不能代表全壁厚鋼管拉伸性能,僅代表鋼管壁厚中心的拉伸性能。
縱向板狀試樣的屈服強(qiáng)度高于縱向圓棒狀試樣,X65級(jí)直徑762mmx30.2mm鋼管所取試樣的屈服強(qiáng)度平均高17MPa；X70級(jí)直徑765.2mmx31.8mm鋼管所取試樣的屈服強(qiáng)度平均高28MPa。
同時(shí)從橫向板狀、圓棒試樣的對(duì)比可以看出,鋼級(jí)越高,試樣類別的差異越大。縱向也是如此

3.2 抗拉強(qiáng)度

對(duì)板狀、圓棒試樣的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析,可以發(fā)現(xiàn)試樣類型對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響漢有對(duì)屈服強(qiáng)度的影響顯著,其規(guī)律也不同于屈服強(qiáng)度。橫向板狀試樣的抗拉強(qiáng)度高于橫向圓棒試樣,縱向板狀試樣的抗拉強(qiáng)度也高于縱向圓棒試樣。
由表2、表3可知,X65級(jí)直徑762mmx30.2mm鋼管橫向板狀試樣的抗拉強(qiáng)度平均高于圓棒試樣抗拉強(qiáng)度12MPa,縱向板狀試樣的抗拉強(qiáng)度平均高于圓棒試樣抗拉強(qiáng)度8MPa；X70級(jí)直徑765.2mmx31.8mm鋼管橫向板狀試樣的抗拉強(qiáng)度平均高于圓棒試樣13MPa,從向板狀試樣的抗拉強(qiáng)度平均高于圓棒試樣19MPa。

3.3 屈服比

屈服比的對(duì)比結(jié)果類似于屈服強(qiáng)度,即橫向圓棒試樣的屈強(qiáng)比明顯高于橫向板狀試樣,縱向板狀試樣的屈服比明顯高于縱向圓棒狀試樣。
屈服比越趨近1,加工硬化程度越低。橫向圓棒試樣的屈強(qiáng)比較高,表明圓棒試樣的加工硬化低于板狀試樣,再次說明了橫向板狀試樣拉伸性能與實(shí)際值相差較大；縱向向板狀試樣的屈強(qiáng)
比略高于圓棒試樣,表明縱向加工中圓棒試樣中存在較大于板狀試樣的加工硬化。
由表2、表3可知,X65級(jí)直徑762mmx30.2mm鋼管橫向板狀試樣的屈強(qiáng)比平均低于圓棒試樣0.07,縱向板狀試樣的屈強(qiáng)比略高于圓棒試們的屈強(qiáng)比,平均高0.02；X70級(jí)直徑765.2mmx31.8mm鋼管橫向板狀試樣的屈強(qiáng)比平均低于圓棒試樣0.09,縱向板狀試樣的屈強(qiáng)比略高于圓棒試樣的屈強(qiáng)比,平均高0.02。由此數(shù)據(jù)也可得知橫向板狀試樣與圓棒試樣對(duì)比差值顯著。

3.4斷后伸長率

斷后伸長率A是反映金屬材料塑性的一個(gè)重要指標(biāo),其數(shù)值越大,表示金屬材料的塑性也越好。
本研究中拉伸試驗(yàn)板狀式試樣尺寸為38.1mmx50mm(寬度x標(biāo)距),屬于非比例試樣,而圓棒試樣尺寸為直徑12.7mmx50mm（直徑x標(biāo)距）,屬于比例試樣。由于這兩種試樣的類型不同,伸長率不能直接對(duì)比。

4 結(jié)論

（1）試樣形式對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小。
（2）橫向圓棒試樣的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比均明顯高于橫向板狀試樣。
（3）縱向圓棒試樣的屈肥強(qiáng)度、屈強(qiáng)比均明顯低于縱向板狀試樣。
河北龍馬鋼管制造股份有限公司
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