石油管材用拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對比分析*

梁明華，何小東，藺衛(wèi)平，張華佳，李 娜

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

0 引 言

金屬拉伸試驗(yàn)是金屬力學(xué)試驗(yàn)中最基礎(chǔ)的試驗(yàn)。試驗(yàn)中的彈性形變、塑性形變、斷裂等各階段完全反映了材料抵抗外力作用的全過程[1]。拉伸試驗(yàn)可以獲得材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)，如彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率等。拉伸檢驗(yàn)所得到的相關(guān)材料性能測試結(jié)果，對于材料選擇、工藝設(shè)計(jì)、新產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品的采購和驗(yàn)收、材料的質(zhì)量控制、產(chǎn)品的安全評價(jià)等都有不可替代的使用價(jià)值。

拉伸性能是衡量石油管材產(chǎn)品質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一[2]。就油井管和輸送鋼管標(biāo)準(zhǔn)而言，各產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)都對所涉及產(chǎn)品的力學(xué)性能提出了要求。如使用較多的美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5L、API Spec 5CT和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711、GB/T 19830等不僅規(guī)定了拉伸試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)，而且對拉伸試驗(yàn)用試樣的尺寸提出了要求。目前，國外石油管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)引用的力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)基本為ASTM A370[3]或ASTM E8/E8M[4]，國家石油管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)引用的力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)還包括了GB/T 228.1—2010[5]，其修改采用ISO 6892-1:2009[6]。眾多標(biāo)準(zhǔn)對拉伸試驗(yàn)的要求并不一致，這就給試驗(yàn)人員帶來一定的困惑。由于各標(biāo)準(zhǔn)對試樣尺寸均有相應(yīng)要求，因此本文對上述經(jīng)常使用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試樣要求進(jìn)行對比分析。同時(shí)對拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 228.1、ASTM A370和ASTM E8/E8M)的試驗(yàn)要求進(jìn)行了對比，以便于使用人對標(biāo)準(zhǔn)有清楚的認(rèn)識，并在實(shí)際工作中正確地應(yīng)用。

1 拉伸試樣要求

石油管材拉伸試驗(yàn)用試樣在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中均有要求。其中輸送管標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5L和GB/T 9711均規(guī)定了3種圓棒試樣，標(biāo)距長度內(nèi)試樣的規(guī)定直徑分別為12.7 mm(0.500 in)、8.9 mm(0.350 in)和6.4 mm(0.250 in)；對于板狀試樣，API Spec 5L和GB/T 9711均要求符合ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)，而GB/T 9711規(guī)定試樣也可符合GB/T 228.1要求。油井管標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5CT和GB/T 19830標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一致，規(guī)定了2種圓棒試樣，標(biāo)距長度內(nèi)試樣的規(guī)定直徑分別為12.7 mm(0.500 in)和8.9 mm(0.350 in)，當(dāng)管子規(guī)格太小而取不出8.9 mm(0.350 in)的試樣時(shí)，不允許使用圓棒拉伸試樣；這2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3種條形(弧形截面)試樣，標(biāo)距長度內(nèi)的寬度分別為38 mm(1.500 in)、25 mm(1.000 in)、19 mm(0.750 in)。

在ASTM A370、ASTM E8/E8M這2項(xiàng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，對于棒狀拉伸試樣，都有5種常用的不同直徑試樣的規(guī)定。在英制單位中這幾種直徑的試樣是一致的，而在公制單位中稍有不同。造成這一差異的原因是單位換算過程中產(chǎn)生的差異。我國的檢驗(yàn)器具大部分使用的是公制計(jì)量單位。因此應(yīng)用過程中大多以標(biāo)準(zhǔn)中的公制計(jì)量單位為準(zhǔn)。對于試樣的標(biāo)距，ASTM A370中棒狀拉伸試樣的原始標(biāo)距為4倍直徑的長度，ASTME8/E8M中的E8部分也為4倍直徑的長度。

GB/T 228.1與ASTM E8/8M及ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)為2個(gè)不同的體系，試樣截面尺寸大小、平行段長度比例都不一樣，采用不同標(biāo)準(zhǔn)的試樣會(huì)造成部分指標(biāo)不能做橫向?qū)Ρ?。特別是斷后伸長率這一定義，采用美標(biāo)標(biāo)距為4倍的試樣直徑，而采用國標(biāo)則為5倍的試樣直徑，2種標(biāo)準(zhǔn)得出的斷后伸長率不能進(jìn)行比較。

對于石油管材用到的幾種試樣的平行段公差，ASTM A370和ASTM E8/E8M的英制描述完全一致，也是在單位換算中存在一些表述上的差異。相比較而言，GB/T 228.1比上述標(biāo)準(zhǔn)對公差的要求嚴(yán)格得多，規(guī)定如果試樣的公差在標(biāo)準(zhǔn)的要求范圍內(nèi)，試樣的橫截面積可以用公稱，而不需要通過實(shí)際檢測再進(jìn)行計(jì)算。如果試樣的公差不滿足，就很有必要對每個(gè)試樣的尺寸進(jìn)行實(shí)際測量。

各標(biāo)準(zhǔn)對試樣平行段的要求見表1～表4。

表1 棒狀試樣對比

表2 板狀試樣對比

續(xù)表

表3 棒狀試樣平行段公差

表4 板狀試樣平行段公差

2 術(shù)語和定義

各標(biāo)準(zhǔn)中對術(shù)語的表示符號并不一致，ASTM A370和ASTM E8/E8M表述一致，涉及金屬拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能名稱和定義主要?dú)w納在ASTM E6《力學(xué)性能試驗(yàn)方法相關(guān)術(shù)語》中。表5為石油管材力學(xué)性能檢測過程中常遇到的中美標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語和定義的比較，大部分術(shù)語的定義雖然名稱和符號不同，但具有一致的物理意義，如國標(biāo)中的最大力總延伸率(Agt)對應(yīng)于美標(biāo)中的均勻伸長率(Elu)。但也有術(shù)語名稱相同但描述不同，如果對標(biāo)準(zhǔn)條款理解不一致將會(huì)得到不同的結(jié)果。如抗拉強(qiáng)度。在GB/T 228.1的定義為相應(yīng)最大力Fm(對于無明顯屈服的金屬材料為試驗(yàn)期間的最大力；對于有不連續(xù)屈服的金屬材料，為加工硬化開始之后，試樣所承受的最大力)對應(yīng)的應(yīng)力，而在ASTM E6中的定義為材料在拉伸試驗(yàn)中所受的最大力除以試樣原始橫截面積。按照定義在獲取圖1曲線的抗拉強(qiáng)度時(shí)，對GB/T 228.1和ASTM E6條款理解不同將會(huì)得到不同的結(jié)果。按照GB/T 228.1定義，對于有不連續(xù)屈服的材料在加工硬化之后，試樣所承受的最大力對應(yīng)的應(yīng)力，即為圖1中的Rm；而按照ASTM E6的字面定義，是最大力對應(yīng)的應(yīng)力，即為圖1中的ReH。當(dāng)然ASTM E8/E8M在注37中推薦報(bào)告的抗拉強(qiáng)度為屈服之后的最大應(yīng)力，但相關(guān)方需同意。建議在試驗(yàn)中遇到類似曲線，應(yīng)在報(bào)告中注明抗拉強(qiáng)度的獲取方法。

表5 術(shù)語和定義對比

圖1 某材料拉伸曲線

3 試驗(yàn)設(shè)備

拉伸試驗(yàn)主要涉及到2個(gè)參數(shù)，一個(gè)是力，另一個(gè)是變形。試驗(yàn)機(jī)是能夠施加變形力并測量過程中力值大小的設(shè)備，引伸計(jì)是測量變形的系統(tǒng)，它們的精確度和測試結(jié)果密切相關(guān)。對于ASTM A370和ASTM E8/E8M而言， 試驗(yàn)機(jī)要符合ASTM E4的要求，引伸計(jì)要滿足ASTM E83的要求。就標(biāo)準(zhǔn)對引伸計(jì)準(zhǔn)確度的要求而言， ASTM A370和ASTM E8/E8M也不完全相同。引伸計(jì)和試驗(yàn)機(jī)在不同標(biāo)準(zhǔn)中的要求對比見表6和表7。

表6 試驗(yàn)機(jī)要求對比

表7 引伸計(jì)要求對比

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16825.1—2008《靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn) 第1部分：拉力和(或)壓力試驗(yàn)機(jī) 測力系統(tǒng)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》的要求，級別為一的拉伸設(shè)備最大允許誤差為：顯示值誤差±1.0%和顯示值重復(fù)性誤差1.0%，進(jìn)回程誤差1.5%，零點(diǎn)相對誤差±0.1%，相對分辨力0.5%。ASTM E4-20 規(guī)定：顯示力值與校準(zhǔn)值的偏差不大于±1.0%?？梢钥闯鲞@幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對拉伸設(shè)備的規(guī)定大致相同。

GB/T 12160—2019《金屬材料 單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)系統(tǒng)的標(biāo)定》標(biāo)準(zhǔn)中，一級引伸計(jì)規(guī)定的位移示值絕對誤差為±3.0 μm，相對誤差為±1.0%。ASTM E83-16 規(guī)定B2 級引伸計(jì)的示值絕對誤差為±0.000 2 m/m，相對誤差為±0.5%。可以看出ASTM E83 規(guī)定的B2 級引伸計(jì)對于相對誤差的要求要嚴(yán)格于GB/T 12160 規(guī)定的一級引伸計(jì)，而目前檢測中普遍使用的0.5級引伸計(jì)完全滿足ASTM E83 規(guī)定的B2 級引伸計(jì)要求。

4 試驗(yàn)速率

對于試驗(yàn)速率的控制，GB/T 228.1給出了應(yīng)變控制的速率(方法A)和應(yīng)力控制的速率(方法B)2種控制方法，并推薦了試驗(yàn)速率試驗(yàn)速率要求對比見表8。ASTM A370給出了4種試驗(yàn)速率的表示方法：1)空載試驗(yàn)機(jī)橫梁試驗(yàn)速率；2)加載時(shí)夾頭的分離速率；3)試樣應(yīng)力速率； 4)試樣應(yīng)變速率。ASTM E8/8M比ASTM A370增加了1種方法， 即試驗(yàn)時(shí)間從施加作用力開始，或從某特定應(yīng)力開始，至斷裂時(shí)刻(達(dá)到最大力值或達(dá)到特定的規(guī)定應(yīng)力)所經(jīng)歷的時(shí)間。各標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)過程中的速率要求也并不一致，表8對各標(biāo)準(zhǔn)速率要求進(jìn)行比較。

表8 試驗(yàn)速率要求對比

從表8可以看出，對于屈服強(qiáng)度的測試，美國ASTM E8/8M 標(biāo)準(zhǔn)中列出了橫梁位移、應(yīng)變和應(yīng)力3種控制方式，其中應(yīng)力速率的加載速率范圍小于國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)變速率和夾頭位移速率與國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的速率范圍基本相當(dāng)；而ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)力速率的加載與ASTM E8/8M相同，范圍小于國家標(biāo)準(zhǔn)，其橫梁位移速率上限高于國家標(biāo)準(zhǔn)和ASTM E8/8M，約為其速率的4倍。在不同拉伸速率下獲得的拉伸性能存在差異[7]，因此試驗(yàn)過程中一定要明確選擇的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)速率。

5 結(jié)果的修約

各標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)果的修約見表9，從表9可以看出，各標(biāo)準(zhǔn)對修約的要求也不一致。例如強(qiáng)度指標(biāo)，GB/T 228.1中修約至1 MPa，而美標(biāo)中根據(jù)數(shù)值的取值范圍修約到不同的值，這就對測試結(jié)果造成一定的影響。例如，常用的石油管材N80，如果測試過程中按照GB/T 228.1得到的屈服強(qiáng)度修約到1 MPa的結(jié)果為552 MPa，按照ASTM A370修約規(guī)則，修約到5 MPa為550 MPa。將這兩個(gè)結(jié)果和API Spec 5CT《套管和油管規(guī)范》要求的N80最小屈服強(qiáng)度552 MPa相比較，就得到前者合格后者不合格的結(jié)論。延伸率、斷后伸長率以及斷面收縮率亦是如此，不同標(biāo)準(zhǔn)會(huì)帶來結(jié)果的微小差異，因此試驗(yàn)過程中一定要明確試驗(yàn)過程中選用的標(biāo)準(zhǔn)。

表9 各標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)果修約的要求

6 結(jié) 論

1)對石油管材力學(xué)性能檢測過程中常用到的幾項(xiàng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對試樣的要求進(jìn)行了對比，從術(shù)語和定義、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)速率及結(jié)果修約等幾方面對各試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析，指出了各標(biāo)準(zhǔn)之間的異同點(diǎn)。

2)國標(biāo)(GB/T 228.1)與美標(biāo)(ASTM A370)在求取斷后伸長率上要求不一致；ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)距為4倍的試樣直徑，而GB/T 228.1為5倍的試樣直徑，2種標(biāo)準(zhǔn)得出的斷后伸長率不能直接進(jìn)行比較。

3)各標(biāo)準(zhǔn)對拉伸試驗(yàn)速率和結(jié)果的修約要求并不一致，應(yīng)用不同的標(biāo)準(zhǔn)可能造成檢驗(yàn)結(jié)果的差異。

4)建議檢驗(yàn)的相關(guān)方在產(chǎn)品檢驗(yàn)前首先要明確應(yīng)用的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，避免在檢驗(yàn)完成后對結(jié)果存在異議。