管環(huán)液壓脹形試驗關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用

王嘯修，趙永安，楊劍峰，董超君

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

1 概 述

一般情況下采用圓棒或板狀試樣的拉伸試驗來檢測鋼管屈服強度，就可滿足常規(guī)管線管技術(shù)規(guī)范的要求，如API SPEC 5L[1]，CSA Z245.01[2]，DNV[3]和 CDP[4]等 。

由于圓棒試樣和板狀試樣均經(jīng)過了再加工，故經(jīng)試驗檢測的屈服強度值相比原鋼管真實屈服強度值會存在一定的差異。由于制作圓棒試樣時，受機械加工熱量和精度的影響，試樣的屈服強度會發(fā)生變化，因此圓棒試樣不能代表鋼管的全壁厚性能。板狀試樣是使用圓弧瓦塊壓平之后進行加工的，會受到再次變形的包辛格效應(yīng)和壓平精度的影響，故檢測出來試樣的屈服強度也不能反應(yīng)鋼管真實的性能。

因此在 ISO 15363[5]， AS 1855[6]， ASTM A370[7]和GB/T 20568[8]等標(biāo)準(zhǔn)中，都提出了從鋼管上截取出一定寬度的管環(huán)作為樣件進行管環(huán)液壓脹形試驗來獲得屈服強度的試驗方法及技術(shù)要求，以更加準(zhǔn)確可靠的檢驗出原態(tài)鋼管的橫向屈服強度。但這些標(biāo)準(zhǔn)中都僅給出了試驗裝置示意圖，文獻[9-11]中也僅對管環(huán)液壓脹形試驗結(jié)果進行了相關(guān)介紹，對如何實現(xiàn)管環(huán)液壓脹形試驗技術(shù)要求的詳細設(shè)計均未指出。

因此，為實現(xiàn)管環(huán)橫向屈服強度的管環(huán)液壓脹形試驗，還需要在深入分析后進行必要的設(shè)計介紹，并予以驗證。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

通過對文獻[5-8]各項標(biāo)準(zhǔn)中給出的管環(huán)液壓脹形試驗裝置的結(jié)構(gòu)基本設(shè)計和試驗技術(shù)要求進行綜合分析，總結(jié)如下：管環(huán)液壓脹形試驗裝置的結(jié)構(gòu)及樣件設(shè)計如圖1所示，周長變化實時采集設(shè)計及人工外徑卷尺測量設(shè)計如圖2所示。

圖1 管環(huán)液壓脹形試驗裝置的結(jié)構(gòu)及樣件設(shè)計

圖2 周長變化實時采集設(shè)計及人工外徑卷尺測量設(shè)計

參數(shù)設(shè)計上要求管環(huán)樣件與上壓板間隙Δ≤0.2 mm，如圖1（a）所示；管環(huán)樣件翹曲度Q≤0.15 mm， 平行度C≤0.15 mm， 如圖1（b）所示； 鏈條單節(jié)長度對應(yīng)管環(huán)圓心角度α≤18°，如圖2（a）所示；脹環(huán)變形速率v范圍要求0.000 25/s~0.000 025/s；計算屈服強度的函數(shù)關(guān)系見式（1）。

式中：σ0.5—管環(huán)外徑應(yīng)變量0.5%時計算得到的屈服強度；

D—試樣平均外徑；

T—試樣平均壁厚；

P—試樣外徑應(yīng)變量ξ為0.5%的外周長時加壓液體的壓力值。

根據(jù)技術(shù)規(guī)范提出的形式及參數(shù)設(shè)計，可以解讀出實現(xiàn)管環(huán)液壓脹形試驗的關(guān)鍵技術(shù)主要是工具結(jié)構(gòu)設(shè)計、周長延伸量檢測技術(shù)、密封設(shè)計技術(shù)和充液流速計算設(shè)定。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計時在結(jié)構(gòu)上滿足裝配關(guān)系的同時，需要考慮合適的試樣與上壓板之間的間隙，以保證管環(huán)可以無額外約束條件的被脹大。

在圖1（a）中的豎直方向上需要依賴裝置內(nèi)力或者其他外力進行約束，并始終保證小間隙的合理存在。管環(huán)周向上則依靠管環(huán)自身的形變實現(xiàn)力能儲蓄，并獲得0.5%變形量下的液體壓強，從而計算出管環(huán)的屈服強度。

流體通道應(yīng)完善合理。密封腔室里的空氣，應(yīng)在注液的同時被排出到腔外，以維持加壓期間的鎮(zhèn)定性和安全性。排放口宜高于腔室，以便空氣徹底排出。

裝配后管環(huán)樣件與上壓板間隙Δ規(guī)定不大于0.2 mm，這要求管環(huán)加工后的翹曲度和平行度的累計公差范圍也不能大于0.2 mm。對于直徑較大的管環(huán)，加工精度要求比較高。實際上，在滿足密封性的前提下，Δ值可以適當(dāng)放寬，這在實踐中也已經(jīng)得到驗證。另外，內(nèi)外焊縫的余高都應(yīng)去除并且與管體圓滑過渡。

2.2 密封技術(shù)

由于試驗變形速率很低（<0.1 mm/s），彈性體可以看作承受的是靜力。對其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析如下。

彈性回復(fù)率：彈性體在經(jīng)過多次試驗膨脹之后，要基本能夠回復(fù)到原尺寸，以維持可密封性和樣件的可安裝性。文獻[12]也對彈性體的回復(fù)性能進行了介紹。

材料強度：優(yōu)質(zhì)彈性體的彈性范圍一般都超過5%，脹環(huán)試驗時的基體變形量一般不超過2%，周向拉應(yīng)力的影響可以不考慮。彈性體在徑向上受到的是管環(huán)樣件和內(nèi)表液體施加的平衡壓力，大小約等于液壓壓力。綜合考慮，材料的抗拉強度不低于水壓壓強就能滿足彈性體的強度要求。彈性體的唇口需要提供密封作用，變形量稍微大一點，其撕裂強度要求稍高，由于唇口蠕動變形的不確定性，考慮撕裂強度要大于水壓壓力值，并注意壽命和安全余量。

介質(zhì)耐性：加壓介質(zhì)為水、乳化液或液壓油，密封材料需要適用于水或油環(huán)境。

工作溫度：考慮介質(zhì)為常溫水或油，因此溫度范圍在其液態(tài)溫度區(qū)間即可。

彈性模量：標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)備壓力系統(tǒng)精度控制在±1%。鋼鐵彈性模量一般在200 GPa左右，彈性體的模量越小越好。故密封件的彈性模量應(yīng)滿足如下函數(shù)關(guān)系。

式中：Ee—密封件的彈性模量，MPa；

σΔ—試驗允許的屈服強度誤差值，MPa；

t—密封件的壁厚，mm；

ξe—管環(huán)應(yīng)變量ξ為0.5%時的密封件外徑應(yīng)變量；

φ—密封件的初始外徑，mm。

2.3 周長延伸量檢測技術(shù)

在計算管環(huán)外徑周長變形量時，需要考慮鏈輪的直徑d。管環(huán)外徑產(chǎn)生0.5%變形量時，測量裝置顯示的周長理論變形量應(yīng)按（4）式計算。

節(jié)距數(shù)量影響，在節(jié)距為20時，與管環(huán)周長實際變形量相對誤差不足0.6%，換算為絕對誤差，不足0.003%（D0+d），即使在管徑1 000 mm時候，絕對誤差小于0.03 mm，影響可以忽略。具體計算方法這里不作介紹。

2.4 充液流速計算設(shè)定

脹環(huán)變形速率v范圍要求0.000 25~0.000 025/s，其對拉伸性能測試的影響可參見文獻[13]。管環(huán)屈服強度定義為是其管環(huán)應(yīng)變量ξ=0.5%時的應(yīng)力值，亦即總的變形率為0.005。按照總變形率和變形速率計算，充液流量Vf計算公式

在系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)公式計算的流速要求，選擇合適充液流量的液壓系統(tǒng)即可。

3 寶鋼焊管應(yīng)用設(shè)計

這里選擇寶鋼供貨給某管道項目用焊管為應(yīng)用設(shè)計例，該合同要求使用管環(huán)液壓脹形試驗方式檢測焊管的屈服強度。焊管外徑D為406.4 mm，壁厚T為8.0 mm和12.7 mm，鋼級為X70M （屈服強度范圍為485~635 MPa）。管環(huán)液壓脹形試驗裝置關(guān)鍵設(shè)計內(nèi)容如下。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)前面的分析結(jié)論，該直徑為406.4 mm焊管管環(huán)液壓脹形試驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 管環(huán)液壓脹形試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，密封件3和O形圈組件5被預(yù)先安裝在內(nèi)模1上。從注液口12進入的液體，經(jīng)過通道b流入密封件3的腔室內(nèi)，并把腔室內(nèi)的氣體趕往通道a，經(jīng)排氣口8流出內(nèi)模1。當(dāng)排氣口8流出液體時，關(guān)閉排氣口8。此后，注液口12不斷提供一定流速的液體，同時提供足夠的背壓，以脹大密封腔室的容積，從而推動管環(huán)樣件2的外圓周長（直徑）脹大。當(dāng)引伸組件11實時測量到管環(huán)試樣2的周長 （直徑）變化量達到設(shè)定的屈服應(yīng)變數(shù)值時，系統(tǒng)讀取此時的液壓壓力，從而計算出管件試樣2的屈服強度數(shù)值。

3.2 密封設(shè)計

彈性密封件的壁厚t都設(shè)計為7 mm。按照彈性體對系統(tǒng)誤差最大貢獻σΔ=0.5 MPa設(shè)計，并把其他參數(shù)帶入公式（2）和（3）計算，對于壁厚8 mm和12.7 mm用彈性體的彈性模量計算結(jié)果為分別小于78 MPa和118 MPa。在彈性體密封件采用同樣材質(zhì)的情況下，最終確定彈性模量不大于78 MPa。按照管環(huán)屈服強度上限635 MPa和管環(huán)最大壁厚為12.7 mm，根據(jù)公式（1）推算P值最大值約40 MPa，因此彈性體撕裂強度不能低于P值，并考慮一定安全余量。根據(jù)市場現(xiàn)有材料性能的情況，選擇某規(guī)格的常規(guī)聚氨酯，其基本性能見表1。

表1 彈性體性能指標(biāo)

3.3 測量設(shè)計

引伸組件安裝在樣環(huán)上的組裝方式如圖4所示。鏈輪直徑d=15 mm，鏈條節(jié)數(shù)為36。推算出鏈節(jié)數(shù)量產(chǎn)生的相對誤差不足0.2%，絕對誤差小于0.005 mm，精度滿足要求。

圖4 引伸組件在樣環(huán)上裝配示意圖

按照名義尺寸，根據(jù)公式（4）計算0.5%應(yīng)變量對應(yīng)周長伸長量為6.62 mm。但對具體樣件試驗時，按照管環(huán)的實際測量6點壁厚均值及外徑均值進行計算。

3.4 速度控制

脹環(huán)變形速率v范圍要求0.000 25~0.000 025/s，對于壁厚8 mm以及12.7 mm的管環(huán)按照公式（5）計算得到的Vf范圍分別為0.458~4.58 mL/s和0.446~4.46 mL/s。最終選擇排量為2.5 mL/s氣動泵，調(diào)整轉(zhuǎn)速為60 r/min。

4 應(yīng)用結(jié)果

限于篇幅，針對兩種規(guī)格鋼管的試驗結(jié)果，本研究僅各選取具有代表性的一件管環(huán)作為實例。

圖5（a）所用管環(huán)規(guī)格的6點平均壁厚8.04 mm，平均外徑為406.7 mm。按公式（4）計算周長變形量為6.62mm，起始值為0.1 mm，橫坐標(biāo)6.72 mm，對應(yīng)液壓壓力為21.926 MPa（3 180 psi）。按照公式（1）計算，σ0.5=554.6MPa。

圖5（b）所用管環(huán)規(guī)格的6點平均壁厚為12.75 mm，平均外徑為406.5 mm。按公式（4）計算周長變形量為6.62 mm，起始值0.1 mm，橫坐標(biāo)6.72 mm，對應(yīng)液壓壓力34.475 MPa（5 000 psi）。按照公式（1）計算， σ0.5=549.1 MPa。

圖5 不同規(guī)格鋼管的壓力與周長變形關(guān)系曲線

從上述規(guī)格的批量試驗結(jié)果來看，采用脹環(huán)試驗取得的屈服強度，絕對值明顯高于板狀試樣的拉伸屈服強度，與圓棒試樣的接近。批量脹環(huán)試驗數(shù)據(jù)的波動范圍比圓棒試樣和板狀試樣都要小。

5 結(jié) 語

本研究針對脹環(huán)試驗法取得管環(huán)屈服強度中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并依據(jù)技術(shù)規(guī)范中明確要求的各項技術(shù)指標(biāo)進行了推理設(shè)計，重點是如何成功精確實現(xiàn)脹環(huán)試驗這一目標(biāo)，并進行了成功驗證。這對于今后開展水壓前、水壓后和涂層后的管件屈服強度變化、板狀試樣、圓棒試樣和管環(huán)樣件之間試驗結(jié)果的具體對比以及鋼級規(guī)格對管環(huán)件屈服強度的影響等，提供了必要條件。

另外，本研究所設(shè)計的試驗裝置并不是成功實現(xiàn)管環(huán)液壓脹形試驗的唯一形式。在裝備功能結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集與處理等方面，都可以進一步自動化和智能化。

［1］ API SPEC 5L—2012，Specification for Line Pipe［S］.

［2］ CSA Z245.1—2007，Steel Pipe［S］.

［3］ DNV-OS-F101—2013，Submarine Pipeline Systems［S］.

［4］CDP-S-NGP-PL-006—2011-2，天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件［S］.

［5］ISO 15363—2000，Metallic Materials-tube Ring Hydraulic Pressure Test［S］.

［6］AS 1855—2008，Methods forthe Determination of Transverse Tensile Properties of Round Steel Pipe［S］.

［7］ASTM A370—2011，Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products［S］.

［8］GB/T 20568—2006，金屬材料管環(huán)液壓試驗方法［S］.

［9］王樹人，葉蘇錦，王長安，等.X80級管線鋼管屈服強度測量影響因素的分析［J］.焊管，2009，32（12）：16-19.

［10］柳淑芳，時德，李默，等.包申格效應(yīng)與鋼管拉伸性能檢測方法探討［J］.石油機械，2004，32（08）：47-48.

［11］熊慶人，馮耀榮，張建勛，等.大口徑高鋼級螺旋埋弧焊管強度測試影響因素分析 ［J］.材料工程，2004（08）：40-45.

［12］劉建紅.管道用脹環(huán)試樣試驗臺主密封圈的設(shè)計［J］.潤滑與密封，2009，34（04）：93-95.

［13］王濱.力學(xué)性能試驗［M］.上海：上?？茖W(xué)普及出版社，2003.