X90直縫埋弧焊管加工硬化性能分析*

陳曉莉 , 霍春勇 , 李 鶴 ,李炎華 , 張繼明 , 吉玲康

（1.西安交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710049；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；3.石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077）

X90直縫埋弧焊管加工硬化性能分析*

陳曉莉1，2，3, 霍春勇2，3, 李 鶴2，3,李炎華2，3, 張繼明2，3, 吉玲康2，3

（1.西安交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710049；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；3.石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077）

對國內(nèi)不同廠家生產(chǎn)的X90直縫埋弧焊管進(jìn)行了靜拉伸試驗(yàn)，分析了管線鋼的加工硬化性能。結(jié)果表明：X90直縫埋弧焊管的拉伸曲線具有連續(xù)屈服特征，沒有明顯的屈服平臺，屬于典型的Round house型曲線。真應(yīng)力－真應(yīng)變的雙對數(shù)曲線在整個(gè)范圍內(nèi)不能近似為一條直線，在整個(gè)塑性變形區(qū)域內(nèi)不完全符合Hollomon公式，不具有確定的加工硬化指數(shù)。但表現(xiàn)為三個(gè)階段的加工硬化，第一階段和第三階段具有確定的加工硬化指數(shù)（分別記為n1和n2），n1＜n2。在忽略試樣不均勻性及試驗(yàn)誤差的前提下，隨屈強(qiáng)比的升高，均勻延伸率、加工硬化指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。

焊管；X90鋼；靜拉伸；屈強(qiáng)比；均勻延伸率；加工硬化指數(shù)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對能源的需求及消耗日益增加，傳統(tǒng)能源(煤和石油)燃燒所帶來的環(huán)境污染問題也日益明顯，我國對潔凈能源天然氣的需求迅猛增長。管道運(yùn)輸是天然氣常用的輸送方式，為了提高管道運(yùn)輸?shù)目煽啃院徒?jīng)濟(jì)性，天然氣管道向著高壓、大直徑、大壁厚、大輸量和高鋼級的方向發(fā)展成為必然趨勢。

近年來，我國輸氣管道用管線鋼發(fā)展迅速，西氣東輸一線管道工程采用X70管線鋼管，西氣東輸二線管道工程大規(guī)模采用X80管線鋼管。目前，在油氣管道工程上正式使用的最高強(qiáng)度級別管線鋼是X80，國內(nèi)外正在積極研究開發(fā)X80及以上的高強(qiáng)度管線鋼管，我國迫切需要應(yīng)用X80及以上高鋼級管線鋼進(jìn)行長距離高壓(大于12 MPa)輸送[1]。中國石油集團(tuán)公司正在積極研究X90及X100等高鋼級管線鋼的工程應(yīng)用問題。

天然氣輸送管道鋼級、管徑、設(shè)計(jì)系數(shù)的提高以及高壓、富氣輸送工藝的采用，大大提高了運(yùn)營效益，同時(shí)給管道安全也提出了更高的要求。管線鋼的力學(xué)性能是管道設(shè)計(jì)和安全評定最基本的指標(biāo)，因此，研究高強(qiáng)度、高韌性管線鋼的力學(xué)性能很有意義。

1 拉伸試驗(yàn)簡介

靜拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本的方法，用靜拉伸試驗(yàn)可以得到材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。金屬在拉伸時(shí)一般表現(xiàn)為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。典型的管線鋼的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線有Luders伸長型（有明顯屈服平臺）和Round house型（無明顯屈服平臺）兩種。研究結(jié)果表明，Round house型管線鋼的變形能力優(yōu)于Luders伸長型管線鋼[2]，典型的管線鋼應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 典型的管線鋼應(yīng)力－應(yīng)變曲線

金屬材料在拉伸時(shí)，材料開始屈服以后，繼續(xù)變形將產(chǎn)生加工硬化，但材料的加工硬化行為不能用工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線來描述，因?yàn)樵嚇釉诶熳冃芜^程的每一瞬間橫截面積和長度都在變化，而工程應(yīng)力是以不變的初始橫截面積來計(jì)算，工程應(yīng)變是以初始的標(biāo)距長度來度量的，因此必須采用真應(yīng)力－應(yīng)變曲線。真應(yīng)力－應(yīng)變曲線在工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線的左上方，金屬材料的工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線和真應(yīng)力－應(yīng)變曲線對比如圖 2所示[3]。

圖2 金屬材料的工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線和真應(yīng)力－應(yīng)變曲線對比

工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)開始出現(xiàn)頸縮，在頸縮前變形沿整個(gè)試樣長度是均勻的，頸縮后變形則主要集中在局部區(qū)域，隨著變形增加，試樣橫截面越來越小，局部應(yīng)力越來越高，直至不能承受外加載荷而斷裂。在試樣發(fā)生頸縮前，真應(yīng)力、真應(yīng)變與工程應(yīng)力、工程應(yīng)變的關(guān)系見式（1）和式（2）。

式中：e—工程應(yīng)變；σ—工程應(yīng)力；εt—真應(yīng)變；σt—真應(yīng)力。

試樣從開始屈服到發(fā)生頸縮的真應(yīng)力和真應(yīng)變的關(guān)系可用Hollomon方程描述[4]，見式（3）。對式（3）兩邊同時(shí)取對數(shù)，可得到式（4）。

式中：K—強(qiáng)度系數(shù)；n—加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)。

由式（4）可知，真應(yīng)力－真應(yīng)變的對數(shù)坐標(biāo)曲線的斜率值即為n，n值的大小反映了材料抵抗進(jìn)一步變形的能力。

在本研究中，對我國不同廠家生產(chǎn)的X90直縫埋弧焊管進(jìn)行了靜拉伸試驗(yàn)，研究了X90直縫埋弧焊管的加工硬化性能。

2 試驗(yàn)材料

本研究選用國內(nèi)不同廠家生產(chǎn)的X90直縫埋弧焊管，鋼管外徑1 219mm、壁厚16.3mm。從焊管上距焊縫180°的管體部位取橫向拉伸試驗(yàn)樣坯，加工成圓棒拉伸試樣，如圖3所示。試樣標(biāo)距35mm，標(biāo)距段試樣的直徑為8.9mm。在UTM5305材料試驗(yàn)機(jī)上按照ASTM A 370—2012a[5]進(jìn)行試驗(yàn)。X90直縫埋弧焊管的拉伸試樣編號及化學(xué)成分見表1。

圖3 X90圓棒拉伸試樣

表1 X90直縫埋弧焊管拉伸試樣編號及其化學(xué)成分

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

8種X90直縫埋弧焊管拉伸試樣的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4所示，其中圖4（a）為工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線，圖4（b）為真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線。

圖4 X90直縫埋弧焊管拉伸試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

從圖4可以看出，本研究X90直縫埋弧焊管拉伸試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有連續(xù)屈服特征，沒有明顯的屈服平臺，屬于典型的Round house型曲線，試樣既有足夠的強(qiáng)度，又有足夠的變形能力。

圖5 X90直縫埋弧焊管拉伸試樣真應(yīng)力－真應(yīng)變雙對數(shù)曲線

加工硬化指數(shù)n反映了材料在變形過程中的加工硬化能力。8種X90直縫埋弧焊管拉伸試樣真應(yīng)力－真應(yīng)變的雙對數(shù)曲線如圖5所示。由圖5可見，X90直縫埋弧焊管的真應(yīng)力－真應(yīng)變雙對數(shù)曲線不能近似為一條直線，說明材料在整個(gè)塑性變形區(qū)域內(nèi)不完全符合Hollomon公式，不具有確定的n值。但X90直縫埋弧焊管表現(xiàn)為三個(gè)階段的加工硬化：第一階段，真應(yīng)力－真應(yīng)變的雙對數(shù)曲線在0.5%～1.0%應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，雙對數(shù)曲線近似為一條直線，可認(rèn)為管線鋼試樣有確定的加工硬化指數(shù)（記為n1）；第二階段，隨著真應(yīng)變繼續(xù)增加，在1.0%～2.0%應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，雙對數(shù)曲線的斜率逐漸增大；第三階段，當(dāng)應(yīng)變大于2.0%后，雙對數(shù)曲線又近似為一條直線，可認(rèn)為管線鋼試樣有確定的加工硬化指數(shù)（記為n2），n1＜n2。

由圖5可知，本研究X90直縫埋弧焊管拉伸試樣真應(yīng)力－真應(yīng)變的雙對數(shù)曲線不能近似為一條直線，說明管線鋼的組織不是單一相，而是雙相或多相，硬相為管線鋼提供必要的強(qiáng)度，軟相保證了管線鋼有足夠的塑性?，F(xiàn)有金屬材料塑性變形的基本方式是滑移和孿生。在管線鋼塑性變形的起始階段，組織中位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)相對較少，塑性變形阻力較小，此階段主要是軟相發(fā)生變形，故加工硬化指數(shù)n1較??；隨著塑性變形的發(fā)展，位錯(cuò)增殖和位錯(cuò)纏結(jié)等使滑移困難，形變阻力較大，此階段主要是硬相發(fā)生變形，故加工硬化指數(shù)較大?，F(xiàn)有的一些研究表明，管線鋼的組織類型、軟硬相體積分?jǐn)?shù)對加工硬化指數(shù)有一定的影響[6-7]。

圖5中8種X90直縫埋弧焊管的加工硬化性能見表2。由圖5和表2可知，8種X90直縫埋弧焊管的拉伸試樣表現(xiàn)出三個(gè)階段的加工硬化，第一階段和第三階段分別對應(yīng)確定的加工硬化指數(shù)(n1和n2)，對每種試樣，n1均小于n2。

表2 X90直縫埋弧焊管的加工硬化性能

試樣均勻延伸率及加工硬化指數(shù)(n1和n2)與屈強(qiáng)比的關(guān)系如圖6所示。從圖6（a）可以看出，在忽略試樣不均勻性及試驗(yàn)誤差的前提下，隨X90直縫埋弧焊管拉伸試樣屈強(qiáng)比的升高，試樣均勻延伸率呈現(xiàn)下降趨勢。從圖6（b）可以看出，在忽略試樣不均勻性及試驗(yàn)誤差的前提下，隨X90直縫埋弧焊管拉伸試樣屈強(qiáng)比的升高，試樣的加工硬化指數(shù)(n1和n2)均呈現(xiàn)下降趨勢。

圖6 X90拉伸試樣的均勻延伸率及加工硬化指數(shù)與屈強(qiáng)比的關(guān)系

由此可知，對本研究X90直縫埋弧焊管，在忽略試樣不均勻性及試驗(yàn)誤差的前提下，隨屈強(qiáng)比的升高，均勻延伸率和加工硬化指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，這也與文獻(xiàn)[8-10]中的結(jié)果較符合。因此，對于高鋼級管線鋼，強(qiáng)度并不是越高越好，要根據(jù)管線鋼的應(yīng)用環(huán)境和條件，綜合考慮管線鋼的屈強(qiáng)比、延伸率和加工硬化指數(shù)。

4 結(jié) 論

（1）本研究X90直縫埋弧焊管的拉伸試樣具有連續(xù)屈服特征，沒有明顯的屈服平臺，具有較高的強(qiáng)度和變形能力，屬于典型的Round house型曲線。

（2）本研究X90直縫埋弧焊管的真應(yīng)力－真應(yīng)變的雙對數(shù)曲線不能近似為一條直線，在整個(gè)塑性變形區(qū)域內(nèi)不完全符合Hollomon公式，不具有確定的加工硬化指數(shù)。但表現(xiàn)為三階段的加工硬化，第一階段和第三階段具有確定的加工硬化指數(shù)（分別記為 n1和 n2）， n1＜n2。本研究的X90直縫埋弧焊管的組織應(yīng)為雙相或多相。

（3）對本研究X90直縫埋弧焊管，在忽略試樣不均勻性及試驗(yàn)誤差的前提下，隨屈強(qiáng)比升高，均勻延伸率、加工硬化指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。

致謝：此項(xiàng)目得到中國石油天然氣集團(tuán)公司的支持。

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Strain-hardening Performance Analysis of X90 SAWL Pipes

CHEN Xiaoli1，2，3,HUO Chunyong2，3,LI He2，3,LI Yanhua2，3,ZHANG Jiming2，3,JI Lingkang2，3
(1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China；2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China；3.Key Laboratory of Petroleum Pipe Project of CNPC,Xi’an 710077,China)

The static tensile tests were conducted for X90 SAWL pipes produced by different China domestic manufacturers,and the strain-hardening performance of pipeline steel was analyzed.The results indicated that the tensile curve of X90 SAWL pipes has no significant yield platform,it belongs to the typical Round house curve.The double logarithmic curve of the true stress and strain cannot approximate to a straight line within the whole scope,in the plastic deformation area not completely comply with Hollomon formula,not with determined strain-hardening indexes.But the strain-hardening indexes of X90 pipes has three stages,the first and third stages are with determined strain-hardening indexes(marked as n1and n2),and n1is less than n2.Under the condition of ignoring the non-uniformity of samples and the experimental error,the uniform elongation(UEL)and strain-hardening indexes respectively shows a downward trend with the increase of yield ratio.

welded pipe;X90 steel;static tensile test;yield ratio;uniform elongation;strain-hardening index

TG113.25

A

1001－3938（2015）04-0011-04

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2011JQ6017）。

陳曉莉（1986—），女，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生。

2014-12-18

謝淑霞