許曉鋒，秦長(zhǎng)毅，李 娜，藺衛(wèi)平，梁明華，李記科

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077)

X80高強(qiáng)度管線鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律研究*

許曉鋒，秦長(zhǎng)毅，李 娜，藺衛(wèi)平，梁明華，李記科

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077)

為了解決高強(qiáng)度管線鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率換算遇到的問(wèn)題，選用多種X80管線鋼材料對(duì)其拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，基于碳素鋼和低合金鋼舊材料建立的Oliver公式仍適用于X80高強(qiáng)度管線鋼，但材料系數(shù)不同。確立了X80管線鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化公式，根據(jù)新的材料系數(shù)分析了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)判的影響，并提出了標(biāo)準(zhǔn)修訂建議，提醒使用者注意該問(wèn)題，避免可能產(chǎn)生的不良后果。

X80；管線鋼；伸長(zhǎng)率；變化規(guī)律；Oliver公式

現(xiàn)行管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)ISO 3183《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用鋼管》和API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》[1-2]中10.2.4.2條規(guī)定“對(duì)于試樣標(biāo)距長(zhǎng)度小于50mm的試樣，應(yīng)按照ISO2566-1或ASTM A370，將斷裂后測(cè)得的伸長(zhǎng)率轉(zhuǎn)換為50mm長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)率?！痹趫?zhí)行此條款過(guò)程中，存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①I(mǎi)SO 2566-1《鋼伸長(zhǎng)值的換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼》[3]適用于拉伸強(qiáng)度不超過(guò)700MPa的鋼材，而現(xiàn)代高強(qiáng)鋼的拉伸強(qiáng)度早已超過(guò)了這個(gè)值，因此ISO 2566-1的適用性存疑；②小試樣伸長(zhǎng)率的轉(zhuǎn)換有多種方法，包括等截面換算、同比例標(biāo)距換算和不同比例標(biāo)距換算，不同的方法得出的結(jié)果不同，由于標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確規(guī)定造成執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)可能的不一致。受影響的是GB/T 9711《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》[4]和GB/T 17600.1《鋼的伸長(zhǎng)率換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼》[5]。

X70以上高鋼級(jí)管線鋼已在我國(guó)油氣輸送管道工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[6-7]，拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率是反映材料塑性的重要指標(biāo)，對(duì)工程安全有一定的影響[8]。因此，研究現(xiàn)代高強(qiáng)度、高韌鋼伸長(zhǎng)率變化的內(nèi)在規(guī)律，驗(yàn)證ISO 2566-1中轉(zhuǎn)換公式的適用性或是建立新的評(píng)判準(zhǔn)則是目前亟待解決的問(wèn)題。

1 研究思路和試驗(yàn)

1.1 研究思路

ISO 2566-1中伸長(zhǎng)率換算的基礎(chǔ)是低強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度不超過(guò)700MPa)碳素鋼和低合金鋼，其拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率滿足Oliver公式[9-10]，即

式中：A—斷后伸長(zhǎng)率；

S0—試樣原始橫截面積；

L0—原始標(biāo)距長(zhǎng)度；

α，m—材料相關(guān)的系數(shù)，ISO 2566-1中m＝0.4。

ISO 2566-1是否適用于高鋼級(jí)管線鋼管(抗拉強(qiáng)度大于700MPa)，這是需要確認(rèn)的第一個(gè)問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)是驗(yàn)證拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律是否滿足Oliver公式。

Oliver公式經(jīng)過(guò)變換可得到一個(gè)線性關(guān)系式，即公式(2)，這樣，驗(yàn)證問(wèn)題也就變得簡(jiǎn)單多了。

1.2 試樣制作及試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用X80管線鋼，其抗拉強(qiáng)度625～825MPa，壁厚21.4mm。為獲得比較全面和代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取直縫焊管、螺旋焊管、熱軋板卷和鋼板各類(lèi)鋼材，每類(lèi)鋼材選取兩個(gè)不同廠家的產(chǎn)品分別加工成圓棒試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試樣分為5類(lèi)，每類(lèi)同時(shí)選取3個(gè)試樣。其中，第1類(lèi)試樣為全尺寸試樣，規(guī)格為Φ12.5mm×50mm；第2、3類(lèi)試樣為小尺寸試樣，且與第1類(lèi)組成等比例試樣，其規(guī)格分別為Φ8.75mm×35mm和Φ6.25mm×25mm；第4、5類(lèi)試樣為50mm標(biāo)距的小尺寸試樣，其規(guī)格分別為Φ10mm×50mm和Φ8.75mm×50mm。具體試驗(yàn)材料及取樣位置見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材料及取樣位置

試樣原始標(biāo)距采用固定間距5mm或10mm的標(biāo)距機(jī)進(jìn)行標(biāo)記，試驗(yàn)在UTM5305電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的斷后伸長(zhǎng)率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)019K 1#、019K 2#、020K 1#、020K 2#、021K 1#、021K 2#、022K 1#和022K 2#進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2～表9。

表2 019K 1#試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 019K 2#試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 020K 1#試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 020K 2#試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 021K 1#試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 021K 2#試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表8 022K 1#試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表9 022K 2#試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 等比例試樣結(jié)果對(duì)比

根據(jù)Oliver公式，等比例試樣伸長(zhǎng)率應(yīng)相同。第1、2、3類(lèi)試樣為等比例試樣，表2～表9中試驗(yàn)結(jié)果顯示其值相差不大。等比例試樣斷后伸長(zhǎng)率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差見(jiàn)表10。由表10可見(jiàn)，偏差值相對(duì)較小。

表10 等比例試樣斷后伸長(zhǎng)率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差

從表2～表9的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，與第1類(lèi)試樣相比，第2、3類(lèi)試樣的值相對(duì)高一些，這與材料中心部位的塑性較好是符合的。除材料厚度方向性能差異和操作誤差等因素外，可以初步認(rèn)為其值是相同的。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果整體分析

求取等比例試樣的平均值，與第4、5類(lèi)試樣進(jìn)行整體分析，具體分析和lgA 的關(guān)系。8種試樣拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率的擬合曲線如圖1所示。019K 2#、020K 1#、021K 1#、021K 2#、022K 1#和022K 2#試樣的抗拉強(qiáng)度小于700MPa，其拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率結(jié)果分析見(jiàn)圖1(a)～圖1(f)。019K 1#和020K 2#試樣抗拉強(qiáng)度大于700MPa，超出了ISO 2566-1目前的適用范圍，其拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率結(jié)果分析見(jiàn)圖1(g)和圖1(h)。分析結(jié)果匯總見(jiàn)表11。

圖1 8種試樣拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率的擬合曲線

表11 8種試樣試驗(yàn)結(jié)果線性擬合統(tǒng)計(jì)

從圖1可以看出，試驗(yàn)結(jié)果的平均值之間普遍具有較好的線性關(guān)系。8種試樣中，7個(gè)擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)在0.80以上，其中5個(gè)達(dá)到0.90以上，3個(gè)接近1.00，具有很好的線性關(guān)系，初步證明Oliver公式同樣適用于X80高強(qiáng)度管線鋼。

現(xiàn)行ISO 2566-1規(guī)定適用于拉伸強(qiáng)度不超過(guò)700MPa的鋼材，而試驗(yàn)中部分試樣的抗拉強(qiáng)度已超過(guò)這個(gè)值，可見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍存在擴(kuò)展的可能。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析

為了減少不同類(lèi)型、不同來(lái)源的產(chǎn)品對(duì)伸長(zhǎng)率變化的影響，選取固定試樣通過(guò)測(cè)量不同標(biāo)距對(duì)應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率值進(jìn)行伸長(zhǎng)率換算公式的研究，可以將影響因素減少到最小。選取斷裂位置居中的試樣可以獲得盡可能多的值，而且避免了移位補(bǔ)償?shù)确椒◣?lái)的誤差。下面選取6個(gè)試樣進(jìn)行研究和分析，結(jié)果見(jiàn)表12和圖2。

表12 不同試樣標(biāo)距對(duì)應(yīng)斷后標(biāo)距及其關(guān)系

圖2 不同試樣標(biāo)距對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)率的擬合曲線

從分析結(jié)果來(lái)看，由于材料、加工等原因，試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異，但特定試樣的伸長(zhǎng)率變化規(guī)律完全符合Oliver公式。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明Oliver公式適用于X80高強(qiáng)度管線鋼。

2.5 試驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)要求值的比較

擬合曲線的斜率值即Oliver公式中的m值，與現(xiàn)行ISO 2566-1適用的0.4不同，X80高強(qiáng)度管線鋼的材料系數(shù)偏大。小尺寸試樣的伸長(zhǎng)率換算到50mm標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)率時(shí)，當(dāng)材料系數(shù)較大時(shí)，換算得到的值就較小。其結(jié)果是否還滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，是否會(huì)得到完全不同的評(píng)判結(jié)論，下面進(jìn)行初步分析。

為了反映X80材料的整體性能，對(duì)8種材料的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和擬合，擬合得到的材料系數(shù)m=0.69，如圖3所示。初步確立的X80管線鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率為

小尺寸試樣按照新舊材料系數(shù)進(jìn)行換算所得結(jié)果見(jiàn)表13。由表13可見(jiàn)，換算結(jié)果的差值較大，且試樣規(guī)格越小換算結(jié)果的差值越大。可見(jiàn)，如果根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)采用較小的材料系數(shù)進(jìn)行換算，結(jié)果會(huì)偏高，不能真實(shí)反映材料的使用性能。

圖3 8種材料拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率分析結(jié)果

表13 以019K 1#為例采用新舊材料系數(shù)伸長(zhǎng)率換算結(jié)果

根據(jù)新的材料系數(shù)將小尺寸試樣的伸長(zhǎng)率等截面換算到50mm標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)率，并與API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)(第45版)表7中的要求值進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，采用新的材料系數(shù)后，盡管換算后的試驗(yàn)值會(huì)減小，但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未對(duì)之前和目前試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判帶來(lái)顛覆性影響。

從維護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量和安全角度考慮，應(yīng)加強(qiáng)高鋼級(jí)管線鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律的系統(tǒng)研究，確定能真實(shí)反映產(chǎn)品性能的參數(shù)。基于目前的工作，建議對(duì)管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711、ISO 3183和API SPEC 5L做如下修改和完善，將條款“對(duì)于試樣標(biāo)距長(zhǎng)度小于50mm的試樣，應(yīng)按照ISO 2566-1或ASTM A370，將斷裂后測(cè)得的伸長(zhǎng)率轉(zhuǎn)換為50mm長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)率?！毙薷臑椋骸皩?duì)于試樣標(biāo)距長(zhǎng)度小于50mm的試樣，應(yīng)按照ISO 2566-1或適用的其他標(biāo)準(zhǔn)，將斷裂后測(cè)得的伸長(zhǎng)率轉(zhuǎn)換為50mm長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)率?！蓖瑫r(shí)增加一個(gè)注：“高強(qiáng)度管線鋼材料伸長(zhǎng)率換算的材料系數(shù)可能與現(xiàn)行ISO 2566-1適用的0.4不同，比如X80高強(qiáng)度管線鋼的材料系數(shù)偏大，約為0.69。”GB/T 17600.1和ISO 2566-1的適用范圍和具體材料相關(guān)的系數(shù)也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修訂。

圖4 試驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)要求值比較

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)高強(qiáng)度管線鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率換算遇到的問(wèn)題，選用多種X80管線鋼材料對(duì)其拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于碳素鋼和低合金鋼舊材料建立的Oliver公式仍適用于X80高強(qiáng)度管線鋼，但材料系數(shù)不同。

(2)X80高強(qiáng)度管線鋼的材料系數(shù)偏大，約為0.69。目前，根據(jù)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)采用較小的材料系數(shù)(0.4)進(jìn)行換算，結(jié)果會(huì)偏高，不能真實(shí)反映材料的使用性能。但采用新的材料系數(shù)后，盡管換算后的試驗(yàn)值會(huì)減小，但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，沒(méi)有對(duì)以前和目前試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判帶來(lái)顛覆性影響。

(3)從維護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量和安全角度考慮，應(yīng)加強(qiáng)高鋼級(jí)管線鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律的系統(tǒng)研究，確定能真實(shí)反映產(chǎn)品性能的參數(shù)。在完全確定各鋼級(jí)管線鋼材料具體的材料系數(shù)之前，基于目前的工作，可對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步的修改和完善，提醒使用者注意該問(wèn)題，避免可能產(chǎn)生不良后果。

[1]ISO 3183：2012，Petroleum and Natural Gas Industries―Steel Pipe for Pipeline Transportation Systems[S].

[2]API SPEC 5L：2012，Specification for Line Pipe[S].

[3]ISO 2566-1：1984，Steel-conversion of Elongation Values―Part 1：Carbon and Low Alloy Steels[S].

[4]GB/T 9711—2011，石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[5]GB/T 17600.1—1998，鋼的伸長(zhǎng)率換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼[S].

[6]王茂堂，何瑩，王麗，等.西氣東輸二線X80級(jí)管線鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2009，39(5)：6-14.

[7]羅海文，董瀚.高級(jí)別管線鋼X80～X120的研發(fā)與應(yīng)用[J].中國(guó)冶金，2006，16(4)：9-15.

[8]束德林.金屬力學(xué)性能[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：1-48.

[9]郭衛(wèi)民，劉成寶，李永德，等.熱軋?zhí)妓劁摪鍞嗪笊扉L(zhǎng)率與試樣尺寸的關(guān)系[J].機(jī)械工程材料，2014，38(2)：11-14.

[10]OLIVER D A.Proposed new criteria of ductility from a new law connecting the percentage elongation with size of test-piece[J].Proceedings Institution of Mechanical Engineers，1928(115)：827-831.

Study on Tensile Test Elongation Variation Law for X80 High Strength Pipeline Steel

XU Xiaofeng,QIN Changyi,LI Na,LIN Weiping,LIANG Minghua,LI Jike
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

In view of the tensile test elongation conversion problems for high strength pipeline steel，several kinds of X80 pipeline steel materials were selected to conduct the study on the tensile test elongation variation law.The tests results showed that Oliver formula，which was established based on old carbon steel and low alloy steel material，is still applicable to X80 high strength pipeline steel but with different material coefficient.The tensile test elongation variation formula for X80 pipeline steel was established，the effect of the new material coefficient on the test result judgment was analyzed and revision suggestions for the standards were put forward.Reminded users pay attention to the problem,to avoid possible adverse consequences.

X80;pipeline steel;elongation;variation law;Oliver formula

TE113.25

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.002

國(guó)家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(項(xiàng)目號(hào)201510205-03)。

許曉鋒(1982—)，男，碩士，高級(jí)工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)材料加工工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事石油管材標(biāo)準(zhǔn)化工作。

2016-04-19

李紅麗