X80高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規(guī)律研究*

許曉鋒，秦長毅，李 娜，藺衛(wèi)平，梁明華，李記科

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077)

X80高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規(guī)律研究*

許曉鋒，秦長毅，李 娜，藺衛(wèi)平，梁明華，李記科

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077)

為了解決高強度管線鋼拉伸試驗伸長率換算遇到的問題，選用多種X80管線鋼材料對其拉伸試驗伸長率變化規(guī)律進行了研究。研究結(jié)果表明，基于碳素鋼和低合金鋼舊材料建立的Oliver公式仍適用于X80高強度管線鋼，但材料系數(shù)不同。確立了X80管線鋼拉伸試驗伸長率變化公式，根據(jù)新的材料系數(shù)分析了對試驗結(jié)果評判的影響，并提出了標準修訂建議，提醒使用者注意該問題，避免可能產(chǎn)生的不良后果。

X80；管線鋼；伸長率；變化規(guī)律；Oliver公式

現(xiàn)行管線鋼管標準ISO 3183《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用鋼管》和API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》[1-2]中10.2.4.2條規(guī)定“對于試樣標距長度小于50mm的試樣，應按照ISO2566-1或ASTM A370，將斷裂后測得的伸長率轉(zhuǎn)換為50mm長度上的伸長率?！痹趫?zhí)行此條款過程中，存在以下兩個問題：①ISO 2566-1《鋼伸長值的換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼》[3]適用于拉伸強度不超過700MPa的鋼材，而現(xiàn)代高強鋼的拉伸強度早已超過了這個值，因此ISO 2566-1的適用性存疑；②小試樣伸長率的轉(zhuǎn)換有多種方法，包括等截面換算、同比例標距換算和不同比例標距換算，不同的方法得出的結(jié)果不同，由于標準沒有明確規(guī)定造成執(zhí)行標準可能的不一致。受影響的是GB/T 9711《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》[4]和GB/T 17600.1《鋼的伸長率換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼》[5]。

X70以上高鋼級管線鋼已在我國油氣輸送管道工程領(lǐng)域廣泛應用[6-7]，拉伸試驗伸長率是反映材料塑性的重要指標，對工程安全有一定的影響[8]。因此，研究現(xiàn)代高強度、高韌鋼伸長率變化的內(nèi)在規(guī)律，驗證ISO 2566-1中轉(zhuǎn)換公式的適用性或是建立新的評判準則是目前亟待解決的問題。

1 研究思路和試驗

1.1 研究思路

ISO 2566-1中伸長率換算的基礎(chǔ)是低強度(拉伸強度不超過700MPa)碳素鋼和低合金鋼，其拉伸試驗伸長率滿足Oliver公式[9-10]，即

式中：A—斷后伸長率；

S0—試樣原始橫截面積；

L0—原始標距長度；

α，m—材料相關(guān)的系數(shù)，ISO 2566-1中m＝0.4。

ISO 2566-1是否適用于高鋼級管線鋼管(抗拉強度大于700MPa)，這是需要確認的第一個問題，其實質(zhì)是驗證拉伸試驗伸長率的變化規(guī)律是否滿足Oliver公式。

Oliver公式經(jīng)過變換可得到一個線性關(guān)系式，即公式(2)，這樣，驗證問題也就變得簡單多了。

1.2 試樣制作及試驗

本試驗采用X80管線鋼，其抗拉強度625～825MPa，壁厚21.4mm。為獲得比較全面和代表性的試驗數(shù)據(jù)，選取直縫焊管、螺旋焊管、熱軋板卷和鋼板各類鋼材，每類鋼材選取兩個不同廠家的產(chǎn)品分別加工成圓棒試樣進行拉伸試驗。試樣分為5類，每類同時選取3個試樣。其中，第1類試樣為全尺寸試樣，規(guī)格為Φ12.5mm×50mm；第2、3類試樣為小尺寸試樣，且與第1類組成等比例試樣，其規(guī)格分別為Φ8.75mm×35mm和Φ6.25mm×25mm；第4、5類試樣為50mm標距的小尺寸試樣，其規(guī)格分別為Φ10mm×50mm和Φ8.75mm×50mm。具體試驗材料及取樣位置見表1。

表1 試驗材料及取樣位置

試樣原始標距采用固定間距5mm或10mm的標距機進行標記，試驗在UTM5305電子拉伸試驗機上進行，用游標卡尺測量試樣的斷后伸長率。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

分別對019K 1#、019K 2#、020K 1#、020K 2#、021K 1#、021K 2#、022K 1#和022K 2#進行拉伸試驗，結(jié)果見表2～表9。

表2 019K 1#試樣的拉伸試驗結(jié)果

表3 019K 2#試樣的拉伸試驗結(jié)果

表4 020K 1#試樣的拉伸試驗結(jié)果

表5 020K 2#試樣的拉伸試驗結(jié)果

表6 021K 1#試樣的拉伸試驗結(jié)果

表7 021K 2#試樣的拉伸試驗結(jié)果

表8 022K 1#試樣的拉伸試驗結(jié)果

表9 022K 2#試樣的拉伸試驗結(jié)果

2.2 等比例試樣結(jié)果對比

根據(jù)Oliver公式，等比例試樣伸長率應相同。第1、2、3類試樣為等比例試樣，表2～表9中試驗結(jié)果顯示其值相差不大。等比例試樣斷后伸長率的平均值和標準偏差見表10。由表10可見，偏差值相對較小。

表10 等比例試樣斷后伸長率的平均值和標準偏差

從表2～表9的試驗結(jié)果來看，與第1類試樣相比，第2、3類試樣的值相對高一些，這與材料中心部位的塑性較好是符合的。除材料厚度方向性能差異和操作誤差等因素外，可以初步認為其值是相同的。

2.3 試驗結(jié)果整體分析

求取等比例試樣的平均值，與第4、5類試樣進行整體分析，具體分析和lgA 的關(guān)系。8種試樣拉伸試驗伸長率的擬合曲線如圖1所示。019K 2#、020K 1#、021K 1#、021K 2#、022K 1#和022K 2#試樣的抗拉強度小于700MPa，其拉伸試驗伸長率結(jié)果分析見圖1(a)～圖1(f)。019K 1#和020K 2#試樣抗拉強度大于700MPa，超出了ISO 2566-1目前的適用范圍，其拉伸試驗伸長率結(jié)果分析見圖1(g)和圖1(h)。分析結(jié)果匯總見表11。

圖1 8種試樣拉伸試驗伸長率的擬合曲線

表11 8種試樣試驗結(jié)果線性擬合統(tǒng)計

從圖1可以看出，試驗結(jié)果的平均值之間普遍具有較好的線性關(guān)系。8種試樣中，7個擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)在0.80以上，其中5個達到0.90以上，3個接近1.00，具有很好的線性關(guān)系，初步證明Oliver公式同樣適用于X80高強度管線鋼。

現(xiàn)行ISO 2566-1規(guī)定適用于拉伸強度不超過700MPa的鋼材，而試驗中部分試樣的抗拉強度已超過這個值，可見該標準的適用范圍存在擴展的可能。

2.4 試驗數(shù)據(jù)的深入分析

為了減少不同類型、不同來源的產(chǎn)品對伸長率變化的影響，選取固定試樣通過測量不同標距對應的斷后伸長率值進行伸長率換算公式的研究，可以將影響因素減少到最小。選取斷裂位置居中的試樣可以獲得盡可能多的值，而且避免了移位補償?shù)确椒◣淼恼`差。下面選取6個試樣進行研究和分析，結(jié)果見表12和圖2。

表12 不同試樣標距對應斷后標距及其關(guān)系

圖2 不同試樣標距對應伸長率的擬合曲線

從分析結(jié)果來看，由于材料、加工等原因，試驗結(jié)果存在一定的差異，但特定試樣的伸長率變化規(guī)律完全符合Oliver公式。試驗結(jié)果進一步表明Oliver公式適用于X80高強度管線鋼。

2.5 試驗值與標準要求值的比較

擬合曲線的斜率值即Oliver公式中的m值，與現(xiàn)行ISO 2566-1適用的0.4不同，X80高強度管線鋼的材料系數(shù)偏大。小尺寸試樣的伸長率換算到50mm標距長度的伸長率時，當材料系數(shù)較大時，換算得到的值就較小。其結(jié)果是否還滿足標準要求，是否會得到完全不同的評判結(jié)論，下面進行初步分析。

為了反映X80材料的整體性能，對8種材料的試驗結(jié)果進行分析和擬合，擬合得到的材料系數(shù)m=0.69，如圖3所示。初步確立的X80管線鋼拉伸試驗伸長率為

小尺寸試樣按照新舊材料系數(shù)進行換算所得結(jié)果見表13。由表13可見，換算結(jié)果的差值較大，且試樣規(guī)格越小換算結(jié)果的差值越大?？梢姡绻鶕?jù)現(xiàn)行標準采用較小的材料系數(shù)進行換算，結(jié)果會偏高，不能真實反映材料的使用性能。

圖3 8種材料拉伸試驗伸長率分析結(jié)果

表13 以019K 1#為例采用新舊材料系數(shù)伸長率換算結(jié)果

根據(jù)新的材料系數(shù)將小尺寸試樣的伸長率等截面換算到50mm標距長度的伸長率，并與API SPEC 5L標準(第45版)表7中的要求值進行比較，比較結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，采用新的材料系數(shù)后，盡管換算后的試驗值會減小，但仍滿足標準要求，未對之前和目前試驗結(jié)果的評判帶來顛覆性影響。

從維護產(chǎn)品質(zhì)量和安全角度考慮，應加強高鋼級管線鋼拉伸試驗伸長率變化規(guī)律的系統(tǒng)研究，確定能真實反映產(chǎn)品性能的參數(shù)?；谀壳暗墓ぷ?，建議對管線鋼管標準GB/T 9711、ISO 3183和API SPEC 5L做如下修改和完善，將條款“對于試樣標距長度小于50mm的試樣，應按照ISO 2566-1或ASTM A370，將斷裂后測得的伸長率轉(zhuǎn)換為50mm長度上的伸長率?！毙薷臑椋骸皩τ谠嚇訕司嚅L度小于50mm的試樣，應按照ISO 2566-1或適用的其他標準，將斷裂后測得的伸長率轉(zhuǎn)換為50mm長度上的伸長率。”同時增加一個注：“高強度管線鋼材料伸長率換算的材料系數(shù)可能與現(xiàn)行ISO 2566-1適用的0.4不同，比如X80高強度管線鋼的材料系數(shù)偏大，約為0.69。”GB/T 17600.1和ISO 2566-1的適用范圍和具體材料相關(guān)的系數(shù)也應進行相應的修訂。

圖4 試驗值與標準要求值比較

3 結(jié) 論

(1)針對高強度管線鋼拉伸試驗伸長率換算遇到的問題，選用多種X80管線鋼材料對其拉伸試驗伸長率變化規(guī)律進行了研究。試驗結(jié)果表明，基于碳素鋼和低合金鋼舊材料建立的Oliver公式仍適用于X80高強度管線鋼，但材料系數(shù)不同。

(2)X80高強度管線鋼的材料系數(shù)偏大，約為0.69。目前，根據(jù)現(xiàn)行的標準采用較小的材料系數(shù)(0.4)進行換算，結(jié)果會偏高，不能真實反映材料的使用性能。但采用新的材料系數(shù)后，盡管換算后的試驗值會減小，但仍滿足標準要求，沒有對以前和目前試驗結(jié)果的評判帶來顛覆性影響。

(3)從維護產(chǎn)品質(zhì)量和安全角度考慮，應加強高鋼級管線鋼拉伸試驗伸長率變化規(guī)律的系統(tǒng)研究，確定能真實反映產(chǎn)品性能的參數(shù)。在完全確定各鋼級管線鋼材料具體的材料系數(shù)之前，基于目前的工作，可對現(xiàn)有標準進行初步的修改和完善，提醒使用者注意該問題，避免可能產(chǎn)生不良后果。

[1]ISO 3183：2012，Petroleum and Natural Gas Industries―Steel Pipe for Pipeline Transportation Systems[S].

[2]API SPEC 5L：2012，Specification for Line Pipe[S].

[3]ISO 2566-1：1984，Steel-conversion of Elongation Values―Part 1：Carbon and Low Alloy Steels[S].

[4]GB/T 9711—2011，石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[5]GB/T 17600.1—1998，鋼的伸長率換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼[S].

[6]王茂堂，何瑩，王麗，等.西氣東輸二線X80級管線鋼的開發(fā)和應用[J].電焊機，2009，39(5)：6-14.

[7]羅海文，董瀚.高級別管線鋼X80～X120的研發(fā)與應用[J].中國冶金，2006，16(4)：9-15.

[8]束德林.金屬力學性能[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：1-48.

[9]郭衛(wèi)民，劉成寶，李永德，等.熱軋?zhí)妓劁摪鍞嗪笊扉L率與試樣尺寸的關(guān)系[J].機械工程材料，2014，38(2)：11-14.

[10]OLIVER D A.Proposed new criteria of ductility from a new law connecting the percentage elongation with size of test-piece[J].Proceedings Institution of Mechanical Engineers，1928(115)：827-831.

Study on Tensile Test Elongation Variation Law for X80 High Strength Pipeline Steel

XU Xiaofeng,QIN Changyi,LI Na,LIN Weiping,LIANG Minghua,LI Jike
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

In view of the tensile test elongation conversion problems for high strength pipeline steel，several kinds of X80 pipeline steel materials were selected to conduct the study on the tensile test elongation variation law.The tests results showed that Oliver formula，which was established based on old carbon steel and low alloy steel material，is still applicable to X80 high strength pipeline steel but with different material coefficient.The tensile test elongation variation formula for X80 pipeline steel was established，the effect of the new material coefficient on the test result judgment was analyzed and revision suggestions for the standards were put forward.Reminded users pay attention to the problem,to avoid possible adverse consequences.

X80;pipeline steel;elongation;variation law;Oliver formula

TE113.25

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.002

國家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助(項目號201510205-03)。

許曉鋒(1982—)，男，碩士，高級工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(華東)材料加工工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油管材標準化工作。

2016-04-19

李紅麗