試樣彎曲狀態(tài)對(duì)X70級(jí)螺旋埋弧焊鋼管拉伸強(qiáng)度的影響

孫文盛

(1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710065; 2. 中國石油 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司, 寶雞 721008)

試驗(yàn)技術(shù)與方法

試樣彎曲狀態(tài)對(duì)X70級(jí)螺旋埋弧焊鋼管拉伸強(qiáng)度的影響

孫文盛1,2

(1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710065; 2. 中國石油 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司, 寶雞 721008)

對(duì)兩種規(guī)格X70級(jí)螺旋埋弧焊鋼管進(jìn)行取樣，對(duì)不同彎曲狀態(tài)的試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，分析了規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨試樣彎曲狀態(tài)的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：試樣的彎曲狀態(tài)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小，而對(duì)規(guī)定總延伸強(qiáng)度的影響較大；試樣的彎曲程度越小，規(guī)定總延伸強(qiáng)度越大；試驗(yàn)前必須對(duì)板型試樣進(jìn)行展平，必要時(shí)可給予一定的預(yù)加載。最后，提出了工廠加工試樣時(shí)對(duì)試樣彎曲狀態(tài)的控制要求。

X70級(jí)；螺旋埋弧焊鋼管；彎曲狀態(tài)；規(guī)定總延伸強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度

目前國內(nèi)多條油氣管線設(shè)計(jì)采用X70級(jí)螺旋埋弧焊鋼管，由于鋼板在生產(chǎn)鋼管過程中受到壓縮和拉伸變形，以及由塑性形變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、加工硬化和包申格效應(yīng)的影響[1]，導(dǎo)致鋼管強(qiáng)度與原料卷板的相比發(fā)生了較大變化。API SPEC 5L-2013(45版)規(guī)定鋼管的全壁厚橫向矩形試樣應(yīng)展平[2]，在試樣展平過程中，加工硬化和包申格效應(yīng)也會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，但產(chǎn)品的最終交貨是以鋼管取樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果為要求。筆者通過對(duì)不同規(guī)格的X70級(jí)螺旋埋弧焊鋼管進(jìn)行板樣拉伸試驗(yàn)，研究了同種展平方式下不同平直情況對(duì)鋼管強(qiáng)度的影響，以探討板型試樣加工時(shí)平直度的控制方法，規(guī)避加工過程帶來的質(zhì)量問題。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用同一鋼廠生產(chǎn)的X70級(jí)螺旋埋弧焊鋼管，規(guī)格為φ914 mm×11.1 mm和φ1 016 mm×14.6 mm，化學(xué)成分見表1。依據(jù)API SPEC 5L-2013(45版)取樣位置的規(guī)定，取鋼管橫向試樣，分別測試規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5和抗拉強(qiáng)度Rm。為了消除X70級(jí)鋼管在展平過程中的回彈現(xiàn)象，降低反復(fù)展平過程中加工硬化和包申格效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[3]，試樣加工采用兩次壓平和保壓時(shí)間分別為5 s和10 s相配合的展平工藝，以控制試樣的彎曲情況。

表1 鋼管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

拉伸試驗(yàn)在MTS5505型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣采取長度400 mm、平行部分寬度38.1 mm、標(biāo)距50 mm、厚度為鋼管壁厚的非比例試樣，為了減小試驗(yàn)過程對(duì)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前需要對(duì)試驗(yàn)機(jī)及夾持過程產(chǎn)生的影響予以消除[4]。試樣夾持前，將預(yù)加載力設(shè)為零，消除預(yù)加載對(duì)試樣曲率的影響，為確保試樣與夾頭對(duì)中，利用設(shè)備上下鉗口對(duì)中標(biāo)尺對(duì)試樣夾持過程進(jìn)行校正。通過試驗(yàn)機(jī)絲桿的微動(dòng)，使試樣軸向處于自由對(duì)中狀態(tài)，減小夾持和對(duì)中對(duì)試樣曲率產(chǎn)生的影響。調(diào)整完成后，使用標(biāo)距為50 mm的3542-050M-020-ST型Epsilon引伸計(jì)夾持試樣平行部分的中部位置，并輕微晃動(dòng)使其與試樣表面貼緊，然后拔出定位銷后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試樣拉伸采用位移控制，數(shù)據(jù)采集全程拉伸速率為3 mm·min-1，試驗(yàn)溫度為22 ℃。試樣規(guī)格及加工方式見表2。

表2 試樣規(guī)格及加工方式

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3～4，可以看出，對(duì)于不同規(guī)格的板狀拉伸試樣，其規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5和抗拉強(qiáng)度Rm有以下規(guī)律。

(1) 對(duì)于φ914 mm×11.1 mm鋼管的拉伸試樣，其規(guī)定總延伸強(qiáng)度隨著試樣彎曲程度的減小而逐漸增大，弧高0.3 mm時(shí)的規(guī)定總延伸強(qiáng)度與原始狀態(tài)時(shí)的相差97 MPa；其抗拉強(qiáng)度亦隨著試樣彎曲程度的減小而逐漸增大，弧高0.3 mm時(shí)的抗拉強(qiáng)度與原始狀態(tài)時(shí)的相差12 MPa。

表3 φ914 mm×11.1 mm鋼管在不同彎曲狀態(tài)下的強(qiáng)度

(2) 對(duì)于φ1 016 mm×14.6 mm鋼管的拉伸試樣，其規(guī)定總延伸強(qiáng)度也隨著試樣彎曲程度的減小而逐漸增大，弧高0.3 mm時(shí)的規(guī)定總延伸強(qiáng)度與原始狀態(tài)時(shí)的相差42 MPa；其抗拉強(qiáng)度也隨著彎曲程度的減小而逐漸增大，弧高0.3 mm時(shí)的抗拉強(qiáng)度與原始狀態(tài)時(shí)的相差4 MPa。

表4 φ1 016 mm×14.6 mm鋼管在不同彎曲狀態(tài)下的強(qiáng)度

2.2 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種規(guī)格的螺旋埋弧焊鋼管板型試樣通過展平后，其抗拉強(qiáng)度和規(guī)定總延伸強(qiáng)度隨著彎曲程度的減小而逐漸增大，且增大幅度逐漸減小。

規(guī)定總延伸強(qiáng)度為總伸長為0.5%引伸計(jì)標(biāo)距時(shí)的應(yīng)力，在拉伸過程中引伸計(jì)夾持時(shí)，試樣實(shí)際標(biāo)距部分大于引伸計(jì)自身的標(biāo)距[5]。隨著載荷的增加，試驗(yàn)過程中記錄了試樣拉直過程中產(chǎn)生的應(yīng)變，當(dāng)引伸計(jì)變形達(dá)到0.5%時(shí)，試樣本身的規(guī)定總延伸強(qiáng)度并未達(dá)到[6]，造成規(guī)定總延伸強(qiáng)度偏低。對(duì)于平行部分未展平的試樣，管徑越大試樣本身的曲率就越小，試樣本身的加工硬化影響相對(duì)較小，因此屈服偏差較展平試樣的也就越小。試樣本身越平直，試樣拉直過程中引伸計(jì)變形就越小，規(guī)定總延伸強(qiáng)度測試值的主要貢獻(xiàn)來源于試樣本身，因此結(jié)果差異就越小。對(duì)比分析抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，兩種規(guī)格鋼管在不同彎曲狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度相差較小，最大相差12 MPa，這是由于抗拉強(qiáng)度是材料拉伸最大力值時(shí)的強(qiáng)度指標(biāo)，差異主要來源于材料本身，彎曲狀態(tài)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小。

試驗(yàn)采用的引伸計(jì)精度為0.5級(jí)，量程為10 mm，絕對(duì)誤差為0.05 mm。在引伸計(jì)標(biāo)距范圍內(nèi)，將夾持的彎曲部分近似看為圓弧段，達(dá)到引伸計(jì)精度等級(jí)上限時(shí)，計(jì)算得到彎曲部分的弧高為0.3 mm，示意圖見圖1。

圖1 弧高計(jì)算示意圖Fig.1 Schematic diagram of camber calculation

目前國內(nèi)鋼管螺旋焊管板型拉伸試樣多采用非比例試樣，試驗(yàn)多采用精度0.5級(jí)、量程10 mm的引伸計(jì)。對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮試驗(yàn)精度范圍，在X70級(jí)螺旋埋弧焊鋼管試樣的加工過程中，試樣引伸計(jì)標(biāo)距部分的弧高控制在0.3 mm以下就能滿足試驗(yàn)精度的要求。同時(shí)在試樣夾持過程中，由于鉗口作用力的存在，夾持過程會(huì)造成試樣彎曲，引起結(jié)果偏差。為此，根據(jù)GB/T228.1-2010的規(guī)定，為了得到平直的試樣和確保試樣與夾頭對(duì)中，可以施加不超過規(guī)定強(qiáng)度或預(yù)期屈服強(qiáng)度5%的預(yù)拉力[7]。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)于X70級(jí)螺旋埋弧焊鋼管，其抗拉強(qiáng)度主要決定于材料的本身，試樣的彎曲狀態(tài)對(duì)其影響較?。坏湟?guī)定總延伸強(qiáng)度對(duì)試樣夾持部分的彎曲狀態(tài)較為敏感，試樣的彎曲程度越小，規(guī)定總延伸強(qiáng)度越大。

(2) 加工試樣時(shí)，試樣應(yīng)進(jìn)行展平；使用精度等級(jí)0.5級(jí)、量程10 mm的引伸計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，引伸計(jì)標(biāo)距部分的弧高應(yīng)控制在0.3 mm以下；必要時(shí)試驗(yàn)過程應(yīng)給予標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定強(qiáng)度或預(yù)期規(guī)定總延伸強(qiáng)度5%的預(yù)拉力，以消除試樣夾持過程中產(chǎn)生的彎曲。

(3) 采用鋼管板狀試樣測定規(guī)定總延伸強(qiáng)度時(shí)，在保證標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，試樣加工平直控制要同時(shí)考慮展平和采用引伸計(jì)的影響，避免為了達(dá)到平直，反復(fù)壓平引起的強(qiáng)度偏差。

[1] 韓秀林,李國鵬,張麗娜,等.X80直縫埋弧焊管制管前后拉伸性能的變化[J].焊管,2012,35(3):19-23.

[2] API SPEC 5L-2013 管線鋼管規(guī)范[S].

[3] 孫宏.高鋼級(jí)螺旋縫焊接鋼管拉伸試樣類型選擇[J].焊管,2007,30(5):36-38.

[4] 張守斌,李紅,蘇洪英.管線鋼規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5的影響因素[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(3):177-180.

[5] 熊慶人,霍春勇,申善穎.拉伸試樣彎曲度對(duì)屈服強(qiáng)度測試值的影響[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),1998,34(1):12-14.

[6] 張群芳,侯永亮,谷峰.制樣因素對(duì)X70管線鋼規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5的影響[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(2):112-113.

[7] GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法[S].

Effect of Bending Condition of Specimens on the Tensile Strength of X70 Grade Spiral Submerged Arc Welded Steel Pipes

SUN Wensheng1,2

(1. College of Materials Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China; 2. CNPC Baoji Petroleum Steel Pipe Co., Ltd., Baoji 721008, China)

X70 grade spiral submerged arc welded steel pipes of two specifications were sampled, and the tensile tests were carried out on the specimens under different bending condition. The variation tendency of stipulated total extension strength and tensile strength with bending condition of specimens was analyzed. The results show that: the bending condition of the specimens had little influence on the tensile strength and great influence on the stipulated total extension strength; the less the bending degree of the specimens was, the larger the stipulated total extension strength was; the plate specimens should be flattened before testing, and could be given a certain preload if necessary. Finally, the control requirements of bending condition in the specimen processing were put forward for manufactories.

X70 grade; spiral submerged arc welded steel pipe; bending condition; stipulated total extension strength; tensile strength

10.11973/lhjy-wl201705004

2016-09-07

孫文盛(1983-)，男，工程師，主要從事金屬材料理化檢測工作，bsgsws@cnpc.com.cn

TG142.1+2; TG115.5+2

A

1001-4012(2017)05-0319-03