管线钢管拉伸试验的研究

管线钢管拉伸试验的研究

孙

宏

（中国石油集团渤海装备钢管制造公司，河北青县０６２６５８）

摘要：介绍了近年来采用各种拉伸试样测试管线钢管周向拉伸性能的试验方法。研究发现矩形试样对钢管的拉伸性能有一定程度的低估，圆棒试样的屈服强度值要高于相对应的矩形试样，且接近于环胀试样测得的值。特别是当钢管经过水压试验后，矩形试样和圆棒试样的抗拉强度差异不大。拉伸试验方法及取样时钢管工序的不同，影响到钢管管体横向屈服强度检测结果。

关键词：管线钢管；拉伸试验；矩形试样；圆棒试样；环胀试样中图分类号：ＴＥ９７３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００１—２３１１（２００９）０３－００５６－－０３

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０引

言

准为例．对于中２１９．１ｒａｍ（８．６２５ｉｎ）以上的钢管要求测定管体横向试样的拉伸性能。以代表钢管的周

国内外在对石油天然气输送钢管的研究中发现，采用钢管产品规范所规定的不同类型拉伸试样及试验方法对试验结果有一定程度的影响。影响程度的大小又与各种因素有关，并且具有一定的规律性。这些研究对于石油天然气输送钢管逐步向高钢级、大壁厚方向发展具有重要意义。

向拉伸性能．并且规定了３种试验方法：①取矩形试样冷压平后测屈服强度及抗拉强度；②取圆棒试样测屈服强度及抗拉强度。要求在不允许压平的管段上截取；③采用液压环胀试验法测定屈服强度．

试样为全截面环形．用其他方法测抗拉强度和断后伸长率。ＡＳＴＭ

Ａ

３７０—２００５在标准附录Ａ２钢管

１钢管拉伸试验方法

以ＡＰＩＳｐｅｃ５Ｌ一２００４、ＣＳＡＺ２４５．１－２００７标

产品中规定了液压环胀试验方法。

矩形试样与环胀试样均能代表钢管的整个壁

厚，圆棒试样不能代表钢管的整个壁厚，由于钢管

孙宏（１９７４一），男，工程师，工程硕士，从事石油输送钢管试验技术工作。

管径和壁厚的限制．只能适用于大壁厚、大直径钢管。液压环胀试验方法则最接近钢管的实际状况。

钢管２００９年６月第３８卷第３期

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２国内外研究现状

２．１矩形试样与圆棒试样拉伸试验方法

国外对于试样类型对高钢级管线钢拉伸试验结

果的影响的研究较早。总体而言，对于钢级较低的管线钢采用矩形试样与圆棒试样测得的屈服强度值差异不明显．但对于高强度管线钢则有比较明显的差异：所有钢级采用这两种试样类型测得的抗拉强度均无明显差异。对Ｘ７０以下钢级．用矩形试样测得的屈服强度基本上等于用圆棒试样测得的。对

Ｘ８０钢级而言．用矩形试样测得的屈服强度比圆棒

试样的约低５０ＭＰａ．对ｘ１００钢级则约低１００ＭＰａ［・－３１。国内针对Ｘ６５，Ｘ８０钢级直缝埋弧焊管和螺旋埋弧焊管进行的相关研究得出了类似的规律［¨］。

文献『１］的试验结果覆盖了ＵＯＥ直缝埋弧焊管、高

频电焊钢管、螺旋埋弧焊管及热轧无缝钢管。钢级为Ｘ５２一Ｘ１００。

但是．如果在水压试验后取样进行管体横向拉伸试验，即使是在屈服强度为５００ＭＰａ时采用圆棒试样。得到的屈服强度结果也比矩形试样得到的值明显高，对于０７６２ｍｍｘｌ５．６（１６．２）ｍｍ螺旋埋弧焊管，屈服强度约高３０ＭＰａ，而抗拉强度无明显差异［剐。如图１所示。静水压试验过程造成了Ｘ６５钢级螺旋焊管管体圆周外表面的应力应变曲线明显

圆滑（采用矩形试样）［７】，根据Ｘ８０钢级螺旋焊管试

验结果．经过水压试验工序后，对于圆棒试样管体横向屈服强度值差别高达４０ＭＰａ．部分钢管的拉伸应力一应变曲线甚至出现屈服平台。如果进一步模拟钢管的内外防腐工序，即在２４０℃加热钢管，差异值还要增大［６｜。对于Ｘ８０／Ｘ１００直缝埋弧焊管，在２５０℃加热３００ｓ。采用矩形试样进行拉伸试验的应力一应变曲线由圆滑形状转变为平台形状。屈服强度和屈强比上升。

山

一

＝＼型黑

试样序号

＋圆棒试样屈服强度＋矩形试样屈服强度＋圆棒试样抗拉强度

＋矩形试样抗托强度图ｌ水压试验后取样测得的屈服强度与抗拉强度㈨

孙宏：管线钢管拉伸试验的研究

２．２环胀试验方法

国内外均采用环胀试验方法测试钢管的周向屈

服强度。环胀试验方法采用巴洛（Ｂａｒｌｏｗ）公式计算

钢管周向屈服强度。

Ｓ＝ＰＤ／２ｔ

（１）

式中，ｓ为由内压产生的钢管周向单位应力．ＭＰａ；Ｐ为内部静态压力，ＭＰａ；Ｄ、ｔ分别为钢管的直径、壁厚，ｍｍ。

对于Ｘ６５钢级①６１０ｍｍｘ７．１

ｍｍ螺旋埋弧焊

钢管。采用环胀试验方法测得的屈服强度比矩形试

样得到的结果要高５～２３

ＭＰａＥ７］。对于Ｘ７０钢级而

言，环胀试验方法测得的屈服强度比圆棒试样和矩形试样测得的结果要高一些，并且圆棒试样测得的结果更接近于环胀试样测得的结果【６】，如图２所示。对于ｘ１００钢级，圆棒试样测得的屈服强度非常接近于环胀试样测得的结果［８］。而环胀试验方法测得的结果被认为最接近钢管屈服强度的“真实值”。

＋矩形试样＋圆棒试样＋环胀试样

图２矩形试样、圆棒试样及环胀试样的屈服强度对比［，

２．３其他试验方法

为了确定钢管周向真实屈服强度值。在不具备液压环胀试验装置的情况下．可利用钢管的静水压试验方法测钢管的屈服强度．其原理是测试钢管在静水压试验时的周向应变及密闭在钢管内的压力．根据环胀试验所用的公式计算出屈服强度尺。晒值。

静水压试验方法与环胀试验方法的区别是前者存在

端面约束，而后者则没有这种约束。静水压试验方法包括环链法和电阻应变片方法．其中环链法测得

的是钢管周长的平均应变值。而电阻应变片法测得的是钢管局部值。两种方法测得的钢管屈服强度均

明显高于矩形试样测得的钢管管体屈服强度『Ｘ６５钢级ｑ＞６１０ｍｉｎｘ７．１（８．７）ｍｍ螺旋焊钢管］。但是使用该方法测得的屈服应力是轴向应力与环向应力共同作用的结果，并不是材料本身的力学性能指标［引。

钢管２００９年６月第３８卷第３期

３分析与讨论

产生这些差异的原因可归结为金属材料的包辛格效应．即金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（＜ｌ％。４％），再同向加载，其弹性极限和屈服强度升高：反向加载，弹性极限和屈服强度降低［引。大量实验研究均发现。钢管的屈服强度变化并不是随着预应变的增大（减小）而增加（降低），而是存在一个临界点，其变化曲线具有最高点（或最低点），而该最高点（最低点）因钢级的不同而不同［ｔｏ－ｔ２］。

圆棒试样与矩形试样的差别是由于矩形试样在冷压平过程中材料产生了弯曲变形，这种弯曲变形具有类似于正反向加载的特性（即包辛格效应），而圆棒试样没有压平过程，所以其屈服强度要高于矩形试样。水压试验过程对钢管管体横向屈服强度的影响，是由于钢管内压力使钢管周向产生应变造成的。目前的油气输送钢管规范大多规定了大约９０％或９５％ＳＭＹＳ的静水压试验压力．在钢管的周向会产生一定程度的应变。对于采用ＪＣＯＥ与ＵＯＥ等成型方式生产的直缝焊管．其扩径过程也会在钢管的周向产生应变，再与静水压试验造成的应变相叠加．可能比通常不进行钢管全长扩径的螺旋钢管的应变大。具体的应变大小可通过本文２．３节中介绍的方法测得。另外。还要考虑钢管成型焊接后残余应力的大小。模拟试验中钢管内外防腐的加热工序产生应变时效引起管体横向屈服强度和屈强比上升。

根据螺旋焊接钢管的试验结果，不同的拉伸试验方法及不同的制造工序对钢管管体横向拉伸性能（主要是屈服强度）有一定的影响。当采用矩形试样时，取样时所处的制造工序对管体横向屈服强度影响不大。而当采用圆棒试样时，取样时所处的制造工序对管体横向屈服强度影响较明显。在钢管静水压试验以及模拟钢管内外防腐工序的时效热循环后分别取样试验，采用圆棒试样测得的屈服强度值要明显高于矩形试样所得的值．但稍低于液压环胀试验得到的屈服强度值。

４结论

（１）采用圆棒试样得到的管体横向屈服强度要

高于矩形试样得到的值．特别是在钢管水压试验工

序后，抗拉强度基本上不受试样类型或试验方法的影响。

（２）建议采用圆棒试样进行钢管管体横向拉伸

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Ｊ岫．２００９，ＶｏＬ

３８，Ｎｏ．３

试验，当不能获取圆棒试样时最好采用液压环胀试验方法测定屈服强度值。国内钢管行业应注意研发钢管液压环胀试验装置。

（３）经过钢管水压试验和模拟钢管涂层工序的时效热循环后，钢管管体横向屈服强度有所提高。通常在钢管制造的成型和焊接工序后取样测得的管体横向屈服强度，相对于钢管最终实际屈服强度存在一定程度的低估。建议在钢管水压试验后取样检测管体横向拉伸性能，并且在钢管内外防腐工序后取样进行对比以确定钢管最终交货状态的性能。

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（修定日期：２００８－－０８－１１）

管线钢管拉伸试验的研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

孙宏， Sun Hong

中国石油集团渤海装备钢管制造公司,河北,青县,062658钢管

STEEL PIPE2009，38(3)0次

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通过X120管线钢板经JCOE工艺制管,研究了钢板力学性能的变化;X120的JCOE成型特点;钢板的焊接性;热影响区的软化;矩形和圆棒拉伸试样的对比试验;不同焊接材料匹配、焊接热输入量对焊接接头的硬度、强度和韧性的影响;与X100进行了对比分析。提出了X120钢级管线钢管的拉伸试验采用圆棒试样和拟订X120钢级管线钢钢板、钢管标准草稿的建议。

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根据西北输油管道的管材设计，采用符合API5L标准X65钢级的管线钢管，其直径为Φ610mm，壁厚7mm。本研究的目的是：针对母材焊接性进行优选焊材的研究，并且进行焊接接头性能的研究。本研究的主要内容可以分为三部分：第一，X65钢焊接性试验，重点分析X65钢对焊接冷裂纹的敏感性，在不同预热温度下进行斜Y坡口裂纹试验，经过48h空冷后，检测焊缝表面裂纹率以及焊缝内部的断面裂纹率来判断接头的抗裂性，并且进行X65钢预热温度估算，确定出最佳预热温度；第二，按照API1104、BS4515标准对匹配的焊接工艺进行评定，进行拉伸试验、刻槽锤断试验、背弯及面弯试验以及对焊缝的化学成分、金相组织及硬度进行检测及分析；第三，进行环焊接头的力学性能测试，按照有关的技术标准进行COD试验、DWTT试验、冲击试验、硬度试验等。研究结果表明：优选出的三种纤维素型焊条均符合AWSA5.5的规定；为预防焊接冷裂纹，X65钢焊前最低预热温度为100℃；焊接热模拟分析表明：X65钢在-5℃以上环境施焊能够保证接头热影响区具有良好的组织性能。本研究成果已经成功的应用于新疆库-鄯输油管道建设中，焊接接头质量优良。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gg200903012.aspx

下载时间：2009年11月25日