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

高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律研究和分析*

許曉鋒，秦長(zhǎng)毅，梁明華，李娜，藺衛(wèi)平，李記科

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

針對(duì)高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率換算遇到的問(wèn)題，選用多種高強(qiáng)度管線(xiàn)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，對(duì)大量拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。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公式仍適用于高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼，但材料系數(shù)有所變化。建立了X65～X90鋼級(jí)管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化公式及50 mm固定標(biāo)距高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼伸長(zhǎng)率變化公式。根據(jù)新的材料系數(shù)和公式對(duì)伸長(zhǎng)率要求值和試驗(yàn)值進(jìn)行了比對(duì)分析，給出了更加合理的技術(shù)要求。

高強(qiáng)度；管線(xiàn)鋼；伸長(zhǎng)率；變化規(guī)律；Oliver公式

0 引 言

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[1]。關(guān)于高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼小尺寸試樣拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率的技術(shù)要求，現(xiàn)行管線(xiàn)鋼管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)存在一些問(wèn)題[2]，影響了標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行和產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)判。

文獻(xiàn)[2]選用多種X80管線(xiàn)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(xiàn)鋼，但材料系數(shù)不同。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，獲取的材料系數(shù)(0.69)可信度不夠高。為進(jìn)一步論證Oliver公式對(duì)于高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼的適用性并計(jì)算更準(zhǔn)確的材料系數(shù)，探討更合理的伸長(zhǎng)率技術(shù)要求，本文進(jìn)行了深入研究和分析。

1 研究?jī)?nèi)容

隨機(jī)選取10個(gè)高強(qiáng)度管線(xiàn)管拉伸試驗(yàn)樣品，測(cè)量并計(jì)算不同標(biāo)距對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率值，進(jìn)一步論證Oliver公式對(duì)于高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼的適用性。

基于力學(xué)試驗(yàn)積累的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)分析X65、X70、X80和X90高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼伸長(zhǎng)率公式的材料系數(shù)。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，計(jì)算并確立高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼50 mm固定標(biāo)距伸長(zhǎng)率變化規(guī)律公式，對(duì)比分析要求值與試驗(yàn)值的差異，給出更合理的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求建議。

2 結(jié)果及分析

2.1 Oliver公式適用性

隨機(jī)選取試樣的測(cè)量結(jié)果和分析結(jié)果見(jiàn)表1，試樣不同標(biāo)距對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)率值的擬合情況如圖1所示。

表1 試樣不同標(biāo)距對(duì)應(yīng)斷后標(biāo)距及其關(guān)系

圖1 試樣不同標(biāo)距對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)率值的擬合曲線(xiàn)

從分析結(jié)果來(lái)看，單個(gè)試樣伸長(zhǎng)率值擬合曲線(xiàn)的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)都接近1.0，說(shuō)明其伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律完全符合Oliver公式。隨機(jī)選取的試樣屈服強(qiáng)度從656 MPa到740 MPa，抗拉強(qiáng)度從748 MPa到884 MPa，其強(qiáng)度級(jí)別覆蓋了X80、X90和X100。可見(jiàn)，Oliver公式在高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼方面具有普遍適用性。

2.2 不同鋼級(jí)材料Oliver公式

為獲得不同強(qiáng)度等級(jí)管線(xiàn)鋼更為準(zhǔn)確的材料系數(shù)，需要對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。基于力學(xué)試驗(yàn)積累的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)庫(kù)，本文對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中2 965條試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖2所示，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從圖2和表3的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，擬合曲線(xiàn)的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)較高，各鋼級(jí)材料整體分析的相關(guān)系數(shù)都在0.94左右，結(jié)果比較理想。由此建立各鋼級(jí)材料的伸長(zhǎng)率變化公式見(jiàn)式(1)～式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

各鋼級(jí)管線(xiàn)鋼的材料系數(shù)不盡相同，由此可見(jiàn)，伸長(zhǎng)率值與材料強(qiáng)度級(jí)別、試樣橫截面積和標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)。API Spec 5L標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)要求給出的固定標(biāo)距伸長(zhǎng)率計(jì)算公式也說(shuō)明這一點(diǎn)。API標(biāo)準(zhǔn)中為便于試樣結(jié)果的比較，規(guī)定測(cè)量試樣50 mm標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)率值，并給出了計(jì)算公式，見(jiàn)公式(5)。

(5)

將新建立的公式與公式(5)進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)公式中與試樣橫截面積相關(guān)的指數(shù)存在明顯差異，這種差異的原因在下文進(jìn)行了分析。

圖2 高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

表2 統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)量及擬合曲線(xiàn)公式

2.3 50 mm固定標(biāo)距伸長(zhǎng)率變化規(guī)律

基于伸長(zhǎng)率試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，我們對(duì)高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼50 mm固定標(biāo)距伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

根據(jù)公式(5)的表達(dá)關(guān)系，我們經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化處理得到：

logA=alog(S0)+blog(Rm)+logC

(6)

式中：A為斷后伸長(zhǎng)率；S0為試樣原始橫截面積；Rm為材料抗拉強(qiáng)度；a、b為與橫截面積和強(qiáng)度有關(guān)的指數(shù)，C為與公式相關(guān)的常數(shù)。

擬合得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

根據(jù)整體數(shù)據(jù)的分析，我們得到高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼50 mm固定標(biāo)距伸長(zhǎng)率值百分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為公式(7)所示。

(7)

實(shí)測(cè)值、現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求值和公式(7)擬合值的對(duì)比關(guān)系如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)值、現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求值和新公式擬合值的比對(duì)

通過(guò)對(duì)比，我們能明確得出如下兩個(gè)結(jié)論：1)公式(7)擬合值很好地模擬了材料的真實(shí)性能；2)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求值與實(shí)測(cè)值得差距較大，特別是板狀試樣，已不能很好地發(fā)揮控制材料性能的作用。那么，采用什么值作為該性能的技術(shù)要求呢？為反映該技術(shù)要求對(duì)材料性能的真實(shí)約束，建議應(yīng)以公式(7)為基礎(chǔ)來(lái)確定合適的技術(shù)要求。當(dāng)公式中強(qiáng)度值取最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，得到一個(gè)相對(duì)較小的值，大部分試樣的試驗(yàn)值會(huì)高于該值；若取小于1的倍數(shù)值，則更多的試樣可以滿(mǎn)足這個(gè)要求。本文針對(duì)X70鋼級(jí)產(chǎn)品，強(qiáng)度值分別取最大抗拉強(qiáng)度、0.95倍最大抗拉強(qiáng)度、0.9倍最大抗拉強(qiáng)度和0.85倍最大抗拉強(qiáng)度四種情況進(jìn)行了分析，其中兩種情況如圖4所示。

圖4 取不同倍數(shù)最大抗拉強(qiáng)度時(shí)數(shù)據(jù)比較

分析的2 306個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，38.1 mm全壁厚板狀試樣有1 216個(gè)，直徑12.7 mm圓棒試樣有1 090個(gè)。當(dāng)強(qiáng)度取最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，板狀試樣中有43個(gè)試驗(yàn)值低于此時(shí)的計(jì)算值，占比3.5%；棒狀試樣中有95個(gè)試驗(yàn)值低于此時(shí)的計(jì)算值，占比8.7%。取0.95倍最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，板狀試樣中有4個(gè)試驗(yàn)值低于此時(shí)的計(jì)算值，占比0.3%；棒狀試樣中有32個(gè)試驗(yàn)值低于此時(shí)的計(jì)算值，占比2.9%。取0.9倍最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，僅棒狀試樣中有1個(gè)試驗(yàn)值低于此時(shí)的計(jì)算值。取0.85倍最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，所有試驗(yàn)值不低于此時(shí)的計(jì)算值。

數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)來(lái)源于目前認(rèn)為是合格的材料，因此認(rèn)為將強(qiáng)度值確定為0.85倍最大抗拉強(qiáng)度并以此計(jì)算值作為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求是可以接受和合理的。綜上所述，高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率技術(shù)要求建議采用公式公式(7)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)公式中強(qiáng)度值取對(duì)應(yīng)鋼級(jí)材料規(guī)定最大抗拉強(qiáng)度的0.85倍。

3 結(jié) 論

1)隨機(jī)選取多個(gè)試樣，開(kāi)展了高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律的補(bǔ)充試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明Oliver公式在高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼方面具有普遍適用性。

2)基于力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，獲得了更準(zhǔn)確反映X65、X70、X80和X90高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律的Oliver公式。

3)確立了高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼50 mm固定標(biāo)距伸長(zhǎng)率變化規(guī)律公式，并對(duì)試驗(yàn)值和要求值進(jìn)行了對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)要求值太過(guò)寬松，不能真實(shí)反映材料性能并進(jìn)行有效約束，而新擬合公式能很好地反映材料真實(shí)性能，因此提出建議以公式(7)為基礎(chǔ)來(lái)確定合適的技術(shù)要求。

[1] 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.

[2] 許曉鋒,秦長(zhǎng)毅,李 娜,等.X80高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率變化規(guī)律研究[J].焊管,2016,39(9):6-12.

StudyandAnalysisonTensileTestElongationVariationLawforHighStrengthPipelineSteel

XUXiaofeng,QINChangyi,LIANGMinghua,LINa,LINWeiping,LIJike

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an,Shaanxi710077,China)

In view of the tensile test elongation conversion proble ms for high strength pipeline steel, several kinds of high pipeline steel materials were selected to conduct the study on the tensile test elongation variation law, and a statistical analysis was carried out based on a great many test data. The tests results showed that Oliver formula, which was established based on old carbon steel and low alloy steel material, is still applicable to high strength pipeline steel but with different material coefficients. The tensile test elongation variation formulae for X65 to X90 high grade pipeline steels and the formula for high strength pipeline steel with a fixed 50 mm gauge length were established. The comparison between the test data and required data was analyzed according to the new material coefficient and formula, then a more reasonable revision suggestion for the standard was put forward.

high grade; pipeline steel; elongation; variation law; Oliver formula

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

許曉鋒，男，1982年生，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。E-mail: xuxiaofeng009@cnpc.com.cn

TE973.1

A

2096-0077(2017)05-0027-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.007

2017-03-22編輯葛明君)