管線鋼拉伸試驗影響因素分析

梁明華，藺衛(wèi)平，李 娜，張華佳，任繼承

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 陜西 西安 710077)

0 引 言

天然氣在高壓下長距離輸送是我國天然氣管道輸送的發(fā)展趨勢，管線鋼管越來越向高性能、高鋼級、大壁厚和高尺寸方向發(fā)展[1]。拉伸性能是管線鋼最重要的力學(xué)性能指標之一，它也是管道設(shè)計和安全評定最基本的指標，是保證管道工程安全運行必不可少的技術(shù)參數(shù)，因此測試結(jié)果的準確性至關(guān)重要[2]。

管線鋼材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)等因素決定了其力學(xué)性能，但相同的材料通過不同的拉伸試驗過程所反映的性能指標數(shù)值卻不一定相同。管線鋼性能試驗時，試樣、測量儀器、設(shè)備、夾持方法、拉伸速率及人員等均能影響到性能試驗結(jié)果。本文結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，分析了影響管線鋼拉伸性能的相關(guān)因素，即從取樣方向、取樣位置、取樣方式、試樣平直度、試驗操作、試驗速率和數(shù)據(jù)處理等方面綜合分析，從而指導(dǎo)產(chǎn)品檢測與驗收，提高檢測結(jié)果的準確性和可重復(fù)性。

1 試樣因素

1.1 取樣方向?qū)煨阅艿挠绊?/h3>

取樣方向?qū)τ诶煸囼灥慕Y(jié)果影響較大。選用某X80鋼板，分別取相對于軋制方向為縱向、橫向和30°方向的矩形拉伸試樣，試樣的取樣方向如圖1所示，這三個不同方向的拉伸試樣試驗結(jié)果見表1。

圖1 拉伸試樣取樣方向

試樣抗拉強度/MPa屈服強度Rt0.5/MPa取樣方向?qū)挾取翗司?mm單個值均值單個值均值橫向38.1×5078278678478461962663362630°方向38.1×50758754753755598589603597縱向38.1×50731737732733598566576580

由表1可見，不同的取樣方向的抗拉強度、屈服強度的試驗值存在明顯差異，縱向力學(xué)性能最差，30°方向次之，橫向力學(xué)性能最好。

通常認為，細化晶粒可以提高材料的強度，材料的塑性也相應(yīng)提高，這是提高金屬材料強度和塑性的有效方法[3]。在管線鋼材料中并非各向同性，它的晶粒尺寸在不同方向上并不一致。強度和韌性在晶粒拉長方向一般比較好，這是由于晶粒伸長方向和載荷方向為同一方向時，跟載荷垂直的方向上的晶粒度就相對大了，所以強度和韌性都比較好的方向出現(xiàn)在沿晶粒拉長方向，而其它方向上的韌性和強度就相對差一些[4]。

1.2 取樣位置的影響

某彎管不同取樣部位的力學(xué)性能指標見表2，取樣位置如圖2所示。

表2 某彎管不同取樣方向的力學(xué)性能指標

由表2可見，對于在不同部位取樣的彎管，其拉伸性能也存在顯著差異，除焊縫外的幾個取樣位置中，抗拉強度相差26 MPa，屈服強度相差47 MPa?？梢娡划a(chǎn)品取樣部位不同獲得的試驗結(jié)果有顯著差異，這是由于是金屬彎管在加工成形過程中存在不均勻性,其熱處理、組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等隨位置的不同而不同。這就使得該產(chǎn)品的不同位置力學(xué)性能出現(xiàn)顯著差異。

圖2 拉伸試樣取樣方向

1.3 取樣方式的影響

在管線鋼取樣的過程中，很多廠家采用火焰切割切取樣塊的方法，然后在樣塊上通過機械加工形成所需要的試樣。從某L415管線鋼管上用火焰切割方法切取試塊，圖3是試塊上取樣位置示意圖，試樣1距離火焰切割邊緣距離小于10 mm。圖4給出了拉伸曲線，拉伸試驗結(jié)果在表3中給出。

圖3 某L415管線鋼管取樣示意圖

圖4 某L415管線鋼拉伸曲線

試樣編號寬度×標距/mm抗拉強度/MPa屈服強度(0.5%EUL)/MPa試樣1 38.1×50626600試樣2 38.1×50623541試樣3 38.1×50622509試樣4 38.1×50621513合格范圍520～760 415～565

從表3可見四個試樣的抗拉強度差異不大，但距離火焰切割邊緣最近的的試樣1屈服強度明顯高于其它試樣，試樣2結(jié)果雖有所降低，但仍然偏高，試樣3和試樣4屈服值趨于正常。

其原因是因為管線鋼含碳量較低,在經(jīng)過冷變形制成鋼管以后,當受熱溫度在200 ℃以上時會產(chǎn)生應(yīng)變時效,即有可能導(dǎo)致屈強比和屈服強度升高。在試樣的加工過程中,有兩個加工步驟可能對鋼板造成溫度影響[5]。一是從鋼管上用火焰切割的方法切取試塊的過程。試樣所在的試塊一般通過火焰切割切取,需要約3～5 min,如果切割邊緣距離試樣較近，會使試樣受到溫度升高的影響。二是車削圓棒試樣的過程。圓棒試樣標準中規(guī)定不允許展平,所以是用帶有弧度的板條試塊直接車削而成。車削過程由于會產(chǎn)生較多的切削熱,車刀前刀面溫度可達到700～800 ℃,雖然切削熱只有10%～40%傳入工件 ,但如果車削過程中冷卻不充分,也可能應(yīng)變時效。其中正是前一個環(huán)節(jié)造成上述L415管線鋼試樣1及試樣2屈服強度偏高的原因。

1.4 板狀試樣平直度的影響

長輸管線的發(fā)展趨勢是采用高鋼級大壁厚的管線鋼，鋼級和壁厚的增加給試樣校平帶來了困難，使平直度難以保證。尤其是在板卷的進貨檢驗中，一般規(guī)定試樣取自距離板頭部1 m、板邊1/4處、并且與軋制方向成30°、45°或90°角的位置，這樣就給試樣校平帶來更大的問題，難以保證試樣的平整，拉伸試驗前需對試樣緩慢壓平。管線鋼管橫向板狀試樣也存在試樣壓平平直度的問題，管線鋼規(guī)定總延伸強度(Rt0.5)采用50 mm定標距,測量的變形只有0.25 mm,因此不平度可顯著地影響試樣的測試結(jié)果。

存在不平度的試樣實際拉伸過程中引伸計的形變由兩部分組成，一是不平試樣在拉力作用下變直所產(chǎn)生的附加變形；另一個是試樣真實的變形。由于彎曲試樣拉直過程中的附加引伸計變形,使得引伸計在到達規(guī)定的變形量(Rt0.5)時,試樣并未真正達到真實的屈服程度，這就造成了得到的規(guī)定總延伸強度(Rt0.5)變小。試樣不平度度越大，規(guī)定總延伸強度(Rt0.5)就越小。

表4給出了某廠X65鋼級在不同平直度下的試驗結(jié)果。一般來講，當試樣不平度不大于0.3 mm/50 mm時，試樣不平度對Rt0.5的測定結(jié)果影響較小，可以忽略；而試樣不平度大于0.3 mm/50 mm時，測得的Rt0.5較充分展平試樣降低較大[6]。

表4 某廠X65級管線鋼不同平直度拉伸試驗結(jié)果

2 試驗裝置及操作

2.1 試樣裝卡的影響

進行拉伸試驗時，要求試樣的受力方向和試樣的軸線保持一致。如果兩個方向不一致，會使試樣產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，從而影響拉伸結(jié)果的精度。棒狀試樣由于端部均為圓形的截面，試驗機上下夾塊的V型槽可起到對中的作用，如果試驗機同軸度較好一般不會出現(xiàn)這種情況。然而板狀(條狀)試樣是夾持在兩個平行板的夾塊中間，如果沒有對中裝置極易造成試樣的對中度較差，這和試驗機的同軸度并無太大關(guān)系，這就會造成試驗時的偏心力作用。因此試樣的對中度差除了由于試驗機本身的對中不好外，還可能由于試樣本身形狀不對稱，夾頭的構(gòu)造和安裝不正確等因素產(chǎn)生。

2.2 試驗機力值的“清零”與“回零”

按照GB/T 228.1拉伸試驗要求，試驗力的檢定必須符合1級精度或優(yōu)于1級精度的要求。試驗過程中零位控制是得到準確結(jié)果的基礎(chǔ)。在試驗機具備試驗條件后，首先將試樣夾持到試驗機的上夾具上，此時試樣并未受到拉力，當前試樣的受力狀態(tài)的力值為零，因此就要進行試驗力的“清零”。如果等試樣上夾具和下夾具都夾緊后才開始“清零”是絕對不允許的，由于夾具在夾緊試樣過程中會產(chǎn)生一個初始力，把初始力清零就會直接影響試驗力的結(jié)果。試樣夾持以后，由于試樣夾持過程所帶來的初始力應(yīng)該通過調(diào)整試驗機，恢復(fù)到力值為零的狀態(tài)，即“回零”，然后再夾持引伸計開始試驗。

2.3 引伸計的校準與使用

引伸計必須經(jīng)過校準，引伸計的校準是一個精密的操作，必須將引伸計的線端連接到測量系統(tǒng)中，將引伸計裝夾到變形標準器上，調(diào)整測量系統(tǒng)平衡后，轉(zhuǎn)動標準校準器的刻度盤使精密螺桿移動，進行校準。

對于需使用引伸計的試驗，試樣在上、下夾具都夾緊后，必須對產(chǎn)生的初始力進行消除，然后把引伸計夾持在試樣上，使兩刀刃垂直接觸試樣，然后“清零”。這樣，引伸計夾持的標距才是在試樣自由狀態(tài)下的原始標距，然后才能進入試驗，否則將會對試驗結(jié)果造成影響。

2.4 試驗速率的影響

試驗速率是影響拉伸試驗結(jié)果的重要因素，這從拉伸國家標準GB/T 228.1《金屬材料室溫拉伸試驗方法》中大篇幅地對試驗速率的規(guī)定可以體現(xiàn)出來。表5給出的是某廠生產(chǎn)的X80管線鋼在不同拉伸速率下的屈服強度和抗拉強度。從表5可以看出，三種拉伸速率下獲得的材料屈服強度和抗拉強度并不一致，隨著試驗速率的提高，屈服強度和抗拉強度都有所提高。對于產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，一般認為，拉伸試驗進入屈服階段后材料開始塑性變形。金屬材料的屈服點是彈性變形過渡到塑性變形的轉(zhuǎn)折點。目前已知，彈性變形以聲速進行，因此加載速度對它無影響[7]。塑性變形主要以滑移方式進行，而晶體滑移是通過位錯運動來實現(xiàn)的。位錯運動過程中，點陣摩擦阻力、原子間交互作用如P-N力等，使得位錯具有黏滯性[8]。隨著加載速率增加，塑性變形所需的時間不夠，即材料對滑移的抗力提高，宏觀上就表現(xiàn)出屈服強度增高。

表5 某廠X80級管線鋼不同拉伸速率下試驗結(jié)果

2.5 數(shù)據(jù)處理的影響

高強度管線鋼正常的拉伸曲線特征應(yīng)為載荷和應(yīng)變同時從“零”點出發(fā)，然后是彈性變形階段，接著是連續(xù)屈服的圓滑過渡段，隨后是穩(wěn)定的強化段，最后為徑縮斷裂階段。將彈性段擬合的直線與橫坐標(應(yīng)變)的交點定義為原點，后期得到的塑性屈服強度和規(guī)定總延伸強度都是以此點為基礎(chǔ)的。試驗過程中如果出現(xiàn)原點偏離或者引伸計的滑移，均要對曲線進行修正，否則都會與真實的結(jié)果有偏差。圖5～圖9給出了幾種常見的情況及修正方式。

圖5 管線鋼正常的拉伸曲線

圖6 載荷與應(yīng)變不同步，應(yīng)變?yōu)榱銜r已有一定的載荷

圖7 因試樣彎曲或引伸計打滑，起始段為非直線段

圖8 因引伸計打滑應(yīng)變突然增大，拉伸曲線不連續(xù)

圖9 因引伸計打滑應(yīng)變突然減小，拉伸曲線不連續(xù)

3 結(jié)束語

鑒于以上幾個方面因素對管線鋼拉伸試驗結(jié)果的不同影響,在實際檢測工作中，應(yīng)正確認識這些因素對拉伸試驗強度指標和塑性指標的影響傾向，試驗前選擇正確的取樣部位和取樣方向，選擇正確的試樣加工方式，加工成具有規(guī)定橫截面形狀和尺寸的試樣，避免樣坯和試樣制備過程中加工硬化和熱影響，提高試樣的加工精度。選用檢定合格的測量儀器和設(shè)備,采用適宜的夾持方法與拉伸速率,試驗中精心操作,試驗后認真分析,這樣才能有效地提高拉伸試驗結(jié)果的準確度,獲得可靠的管線鋼拉伸性能數(shù)據(jù)。