靜水壓試驗對X80M鋼級螺旋縫埋弧焊管性能的影響

王麗麗，顧志乾

（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

靜水壓試驗對X80M鋼級螺旋縫埋弧焊管性能的影響

王麗麗，顧志乾

（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

分析了X80M鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋縫埋弧焊管在靜水壓試驗前后拉伸性能、導(dǎo)向彎曲、殘余應(yīng)力、管徑等的變化情況。結(jié)果表明：與在靜水壓試驗前相比，焊管經(jīng)過靜水壓試驗后屈服強度、屈強比、最大力總延伸率變化明顯，屈服強度升高10.9%，屈強比升高10%，最大力總延伸率降低10.8%，抗拉強度變化較小，僅升高1.1%。分析X80M鋼級成品焊管性能時，建議在靜水壓試驗后截取試樣。

螺旋縫埋弧焊管；管線鋼；X80M；靜水壓試驗；屈服強度；殘余應(yīng)力

在螺旋縫埋弧焊管的生產(chǎn)中，取樣管的試驗結(jié)果對整批焊管是否合格具有重要意義。在靜水壓試驗前后取樣對拉伸試驗及殘余應(yīng)力試驗有明顯的影響，試驗結(jié)果差異很大［1］。目前管線鋼管規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中并未對取樣時機進行規(guī)定［2］。針對這種差異，筆者選取某公司生產(chǎn)的X80M鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋縫埋弧焊管，對同一爐批次、同一卷、同一工藝生產(chǎn)的焊管，進行了靜水壓試驗前后性能變化對比試驗研究，并給出了取樣時機的建議。

1 試驗材料

采用某鋼廠生產(chǎn)的X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板，其顯微組織為針狀鐵素體，晶粒度為13級［3-4］。X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板的化學(xué)成分及力學(xué)性能平均值見表1～2，板厚中心晶粒度如圖1所示。

2 試驗方案

試驗依據(jù)Q/SHCG 24.2—2015《天然氣輸送管道用鋼管技術(shù)條件第2部分：埋弧焊鋼管》［5］的要求，分別在水壓前后截取拉伸、沖擊、殘余應(yīng)力試樣。水壓前后的試樣取自同一焊管的同一端，A、B、C對應(yīng)卷板的頭部、中部、尾部。拉伸試樣取自管體橫向距焊縫180°處，為圓棒試樣，標(biāo)距內(nèi)長50 mm，直徑為12.7 mm，拉伸試驗設(shè)備為1000HDX-G7靜液式萬能型材料試驗機，試驗方法標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A 370—2014《鋼制品力學(xué)試驗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和定義》［6］，拉伸試驗測試項目包括屈服強度、抗拉強度、屈強比和最大力總延伸率。拉伸試樣導(dǎo)向彎曲試樣寬度為38.0 mm，厚度為焊管壁厚；彎軸直徑為110 mm，彎曲角度為180°，試驗設(shè)備為WAW-Y500微機控制電液伺服萬能材料試驗機，試驗方法標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A 370—2014。沖擊試樣取自管體橫向距焊縫90°處。殘余應(yīng)力試樣為取長度200 mm左右的管段，殘余應(yīng)力試驗一般是在距焊縫100 mm處沿焊管縱向切開，測量管段周向、徑向、軸向張開量。靜水壓試驗壓力P為：

式中S——環(huán)向應(yīng)力，MPa；

PR——端面密封工作油缸內(nèi)壓，MPa；

AR——端面密封工作油缸橫截面積，mm2；

AP——管壁橫截面積，mm2；

D——鋼管規(guī)定外徑，mm；

t——鋼管規(guī)定壁厚，mm；

AI——鋼管內(nèi)徑橫截面積，mm2。

當(dāng)環(huán)向應(yīng)力至少為規(guī)定最小屈服強度的95%時，該技術(shù)要求使用最小允許壁厚tmin代替規(guī)定壁厚t，由公式（1）得出，靜水壓試驗壓力為15.3 MPa。穩(wěn)壓時間為15 s。試驗后，對水壓前、后的數(shù)據(jù)進行對比分析。

表1 X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板的力學(xué)性能平均值

圖1 X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板的板厚中心晶粒度

3 試驗結(jié)果

3.1 拉伸試驗對比

焊管在靜水壓試驗前后的拉伸試驗數(shù)據(jù)對比見表3。

3.1.1 屈服強度

與水壓前相比，水壓后焊管屈服強度變化明顯。水壓前、水壓后屈服強度平均值分別為527.7 MPa、585.6 MPa。水壓后較水壓前屈服強度升高10.9%（57.9 MPa）。與水壓前相比，水壓后焊管屈服強度標(biāo)準(zhǔn)差變小，分布集中，離散性變小，屈服強度趨于均勻，并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.2 抗拉強度

與水壓前相比，水壓后焊管抗拉強度變化較小，抗拉強度略微升高。水壓前、水壓后抗拉強度平均值分別為655.0 MPa、662.2 MPa；水壓后較水壓前抗拉強度升高1.1%（7.2 MPa），焊管抗拉強度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.3 屈強比

與水壓前相比，水壓后焊管屈強比變化明顯，屈強比升高。水壓前、水壓后屈強比平均值分別為0.80、0.88；水壓后較水壓前屈強比升高10%，焊管屈強比均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.4 最大力總延伸率

與水壓前相比，水壓后焊管最大力總延伸率變化明顯，最大力總延伸率降低。水壓前、水壓后最大力總延伸率平均值分別為7.121%、6.346%；水壓后較水壓前最大力總延伸率降低10.8%。

3.2 導(dǎo)向彎曲試驗對比

焊管在靜水壓試驗前后的導(dǎo)向彎曲試驗結(jié)果見表4。由表4可知，水壓試驗前后試驗結(jié)果有一定差異；水壓試驗后，試驗結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因為剛焊接完的鋼管短期內(nèi)存在內(nèi)應(yīng)力，這對試驗結(jié)果有一定的影響。一般焊管在水壓試驗后有利于應(yīng)力的釋放，釋放應(yīng)力能減小彎曲裂紋產(chǎn)生的幾率［7］。

3.3 殘余應(yīng)力試驗對比

焊管在靜水壓試驗前后的殘余應(yīng)力試驗結(jié)果見表5。由表5可知，焊管成型后周向張開量為-80 mm，表現(xiàn)為負(fù)彈復(fù)；水壓后周向張開量為95 mm，表現(xiàn)為正彈復(fù)。

表3 焊管在靜水壓試驗前后的拉伸試驗數(shù)據(jù)對比

表4 焊管在靜水壓試驗前后的導(dǎo)向彎曲試驗結(jié)果

3.4 管徑變化對比

焊管在靜水壓試驗前后的管徑變化見表6。由表6可知，靜水壓試驗前后焊管管徑有一定差異，靜水壓試驗后，焊管周長變大，平均增長5.1 mm，變形量為0.13%，滿足Q/SHCG 24.2—2015鋼管周長為3 824.9～3 839.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 橢圓度變化對比

焊管在靜水壓試驗前后的橢圓度變化見表7。由表7可知，靜水壓試驗前焊管橢圓度平均值為2.4 mm，靜水壓試驗后橢圓度平均值為1.9 mm，靜水壓試驗使焊管橢圓度變小，焊管形狀更加均勻，水壓前后橢圓度均滿足Q/SHCG 24.2—2015規(guī)定管端≤7.3 mm、管體≤14.6 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)果分析及建議

4.1 靜水壓試驗對力學(xué)性能的影響

一般影響靜水壓試驗后管線鋼性能的因素有兩個：一是包申格效應(yīng)，二是形變強化［8］。包申格效應(yīng)是指金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規(guī)定屈服強度增加；反向加載，規(guī)定屈服強度降低［9］。形變強化是指隨著塑性變形量的增加，金屬流變強度也增加的現(xiàn)象。鋼管強度是包申格效應(yīng)和形變強化能力綜合作用的結(jié)果。當(dāng)焊管經(jīng)過靜水壓試驗后，受到包申格效應(yīng)的同向加載和形變強化作用，屈服強度升高，而韌性降低［10-12］。屈強比升高，最大力總延伸率降低，使焊管整體性能更加穩(wěn)定、均勻。

4.2 靜水壓試驗對殘余應(yīng)力的影響

板材在出廠軋制及拆卷、矯直、銑邊、成型、焊接過程中都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，焊管的殘余應(yīng)力以成型和焊接過程產(chǎn)生的為主。成型過程是鋼帶彎曲塑性變形的過程，焊管外層產(chǎn)生拉伸塑性變形，內(nèi)層產(chǎn)生擠壓塑性變形，而中間層則是彈性變形區(qū)，不產(chǎn)生塑形變形；焊接時由于熱應(yīng)力作用產(chǎn)生不均勻塑性變形，由于快速冷卻產(chǎn)生相變作用，共同形成焊管的殘余應(yīng)力［13-15］。成型和焊接過程產(chǎn)生的是拉伸殘余應(yīng)力，在水壓過程中，焊管受到屈服強度95%的靜水壓試驗壓力，并穩(wěn)壓15 s，周向拉應(yīng)力加強，管體向外擴張。特別是水壓試驗壓力接近鋼材屈服強度附近時，對殘余應(yīng)力影響明顯。

表5 焊管在靜水壓試驗前后的殘余應(yīng)力試驗結(jié)果mm

表6 焊管在靜水壓試驗前后的管徑變化mm

表7 焊管在靜水壓試驗前后的橢圓度變化mm

4.3 對取樣時機的建議

從試驗結(jié)果可以看出，熱軋卷板進場檢驗時的屈服強度略高于Q/SHCG 24.2—2015標(biāo)準(zhǔn)要求，成型后焊管的屈服強度卻低于標(biāo)準(zhǔn)要求，但水壓試驗后焊管的屈服強度又高于標(biāo)準(zhǔn)要求。對此，屈服強度的試驗結(jié)果就會產(chǎn)生爭議。焊管生產(chǎn)檢驗過程的理化性能試驗應(yīng)模擬工況，在更加接近焊管實際使用狀態(tài)下取樣，這種情況下的試驗結(jié)果也更具代表性，因此在水壓后取樣更能反映焊管的實際力學(xué)性能，同時也可以減少焊管誤判而造成不必要的損失。筆者建議管線鋼管規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)規(guī)定取樣時機，若沒有規(guī)定，建議水壓后取樣。但目前國內(nèi)各個焊管制造廠受工序條件限制，以及從提高效率、降低成本上考慮，基本都是在成型焊接后取樣，在此位置取樣略低于標(biāo)準(zhǔn)值的焊管，建議采取水壓后重新加倍取樣的方法進行復(fù)驗。殘余應(yīng)力試驗，水壓前焊管表現(xiàn)為負(fù)彈復(fù)，即為合格；水壓后表現(xiàn)為正彈復(fù)，可能出現(xiàn)不合格。為了檢測成品焊管的應(yīng)力分布狀態(tài)，建議靜水壓試驗后截取試樣。

5 結(jié)論

（1）水壓過程對焊管屈服強度、屈強比、最大力總延伸率影響明顯，水壓后屈服強度升高10.9%，屈強比升高10%，最大力總延伸率降低10.8%。靜水壓試驗使焊管屈服強度、屈強比、最大力總延伸率分布集中，離散性變小，數(shù)值更加均勻，水壓后焊管屈服強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）水壓過程對焊管的抗拉強度影響不大，水壓后較水壓前抗拉強度升高1.1%。水壓試驗前后均滿足Q/SHCG 24.2—2015標(biāo)準(zhǔn)要求。水壓過程使焊管的內(nèi)應(yīng)力降低，導(dǎo)向彎曲試驗結(jié)果更好，水壓后試驗結(jié)果滿足Q/SHCG 24.2—2015標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）靜水壓試驗對殘余應(yīng)力影響明顯，使焊管殘余應(yīng)力分布轉(zhuǎn)變，在焊管環(huán)向上，彈復(fù)由內(nèi)彈變?yōu)橥鈴?，殘余?yīng)力分布由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。水壓前后取樣時機不同可能導(dǎo)致不同的試驗結(jié)論。

（4）鑒于靜水壓試驗對部分力學(xué)性能數(shù)據(jù)的影響，為了避免可能出現(xiàn)的誤判，在分析X80M鋼級成品焊管性能時，建議在靜水壓試驗后截取試樣。

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Influence by Hydrostatic Testing on Properties of X80M SAWH Tube

WANG Lili，GU Zhiqian
（Shangdong Shengli Steel Pipe Co.，Ltd.，Zibo 255082，China）

Analyzed here in the article are diameter change，and changes of relevant properties of the Φ1 219 mm×18.4 mm X80M SAWH tube after being subjected to hydrostatic test，including tensile properties，guided bending，and residual stress，etc..The result shows that compared with correspondent before-test-data，properties of the tube after being hydrostatically tested like yield strength，yield ratio and percentage elongation at maximum force，etc are obviously changed，i.e.，yield strength is increased by 10.9%，and yield ratio by 10%，and percentage elongation at maximum force is decreased by 10.8%，whereas the tensile strength changes a little，just going up by 1.1%.Accordingly it is proposed that tube sampling be conducted after the hydrostatic test to analyze welding performance of the finished X80M tube.

SAWH tube；linepipe-purposed steel；X80M；hydrostatic testing；yield strength；residual stress

TG115.5

B

1001-2311（2016）04-0066-05

2015-12-20；修定日期：2016-07-07）

王麗麗（1986-），女，助理工程師，技術(shù)員，主要從事螺旋縫埋弧焊管質(zhì)量檢測工作。