X70M高頻焊管脹環(huán)試驗性能研究

梁才萌，裴銀柱，張坤鵬，張榮勝，李文平

（番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222006）

X70M高頻焊管脹環(huán)試驗性能研究

梁才萌，裴銀柱，張坤鵬，張榮勝，李文平

（番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222006）

為了準確測量鋼管的屈服強度，以Φ323.9 mm×6.4 mm、材質(zhì)為X70M的高頻焊管為例，對鋼管防腐前后的板狀試樣和環(huán)形試樣分別進行了拉伸試驗和脹環(huán)試驗，并分析對比了試驗結(jié)果。結(jié)果表明，板狀試樣相對于環(huán)形試樣的屈服強度出現(xiàn)了較大的波動，其原因是板狀拉伸試驗在試樣展平過程中發(fā)生了包申格效應和加工硬化。防腐后鋼管的脹環(huán)試驗結(jié)果明顯高于防腐前，其原因是防腐涂敷過程中鋼管經(jīng)受時效熱處理產(chǎn)生了時效強化作用。另外因焊縫與管體的組織不同，造成脹環(huán)試驗后兩者的變形量明顯不同，因此使用脹環(huán)試驗測量管體的屈服強度不夠合理。

焊管；高頻焊管；屈服強度；脹環(huán)試驗；環(huán)形試樣；板狀拉伸

1 概 述

屈服強度是油氣輸送管道鋼管力學性能的重要指標，相關(guān)的產(chǎn)品標準有API SPEC 5L：2012[1]、GB/T 9711—2011[2]、ISO 3183—2012[3]、CSA Z245.1—2007[4]、 DNV-OS-F101—2013[5]以及 DEP31.40.20.37—2011[6]等。這些標準規(guī)定可以采用板狀或圓棒試樣的拉伸試驗來檢測屈服強度，一般取規(guī)定總延伸率為0.5%時的應力Rt0.5。另外，如果有協(xié)議規(guī)定，也可按照ASTM A370使用環(huán)形試樣通過液壓脹環(huán)試驗測定鋼管橫向屈服強度。目前，國內(nèi)油氣項目幾乎都是使用板狀或圓棒試樣測定屈服強度，孫宏[7]通過試驗比對發(fā)現(xiàn)，矩形試樣得到的屈服強度值一般略低于鋼管真實的拉伸性能，圓棒試樣所得的屈服強度值要高于矩形試樣，且接近于環(huán)形試樣的檢測值。因此，綜合考慮各方面的因素，建議使用圓棒試樣測量鋼管的屈服強度，當不能采用圓棒試樣時可以使用環(huán)形試樣。

澳大利亞針對脹環(huán)試驗專門研究編制了試驗方法AS 1855—2008 《Methods for the Determination of Transverse Tensile Properties of Round Steel Pipe》[8]，并以環(huán)形試樣測得的屈服強度值作為驗收依據(jù)。可見對脹環(huán)試驗的相關(guān)研究對油氣輸送管道的設計和制造有重要的參考價值。

2 脹環(huán)試驗研究

脹環(huán)試驗依據(jù)的標準有 AS 1855—2008、GB/T 20568—2006[9]（ISO 15363： 2000[10]， IDT）和ASTM A370—2016[11]，其中以澳大利亞制定的標準AS1855—2008中關(guān)于脹環(huán)試驗的描述最為具體，標準ASTM A370—2016只是簡單描述了試驗方法，標準GB/T 20568—2016描述的試驗方法比較詳細，但是對于儀器設備的要求比較簡單，參數(shù)要求也不嚴格。

脹環(huán)試驗的原理是通過給橡膠胎膜注水加壓使其膨脹進而使環(huán)形試樣產(chǎn)生周向變形，當達到規(guī)定的變形量時讀取壓力值，并通過Barlow公式計算屈服強度。根據(jù)澳大利亞客戶要求，番禺珠江鋼管（連云港）公司依照AS 1855標準，合作開發(fā)了微機控制液壓脹環(huán)試驗機。該試驗機最大壓力60 MPa，最大試樣直徑為610 mm，引伸計準確度等級優(yōu)于1級。該試驗機是在國外多年使用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上改進的，試驗設備性能穩(wěn)定且操作簡便、快捷，投入使用前與國外同類設備進行了試驗對比，檢測準確性達到了國外同類設備的水平。2016年下半年，番禺珠江鋼管（連云港）公司生產(chǎn)規(guī)格為Φ323.9 mm×6.4 mm，材質(zhì)為X70M，防腐涂層為FBE的鋼管時，直接采用該試驗機進行鋼管屈服強度Rt0.5（即環(huán)形試樣周向變形量為5.10 mm）的檢測，取得了較好的效果?，F(xiàn)對脹環(huán)試驗的檢測數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 板狀拉伸和脹環(huán)試驗數(shù)據(jù)分析

表1 鋼管防腐前、后屈服強度檢測結(jié)果匯總

圖1 鋼管防腐前、后屈服強度對比曲線

抽取30組數(shù)據(jù)進行分析，每組數(shù)據(jù)為同一根鋼管防腐前、后的試驗數(shù)據(jù)（包括板狀試樣和環(huán)形試樣），鋼管防腐前、后屈服強度檢測結(jié)果匯總見表1，鋼管防腐前、后屈服強度對比曲線如圖1所示，鋼管防腐前后屈服強度分布如圖2所示。其中防腐前環(huán)形試樣是在水壓前取樣，因此按照AS 1855要求需先進行模擬水壓后再進行脹環(huán)試驗；而防腐后常規(guī)板狀和環(huán)形試樣在試驗前均需先拋去FBE防腐涂層。

圖2 鋼管防腐前后屈服強度分布

從上述數(shù)據(jù)可以看出，板狀拉伸屈服強度的標準差明顯比脹環(huán)試驗的大，說明脹環(huán)試驗穩(wěn)定性優(yōu)于板狀拉伸，尤其是防腐前的脹環(huán)試驗更為明顯 （標準差僅為6.96 MPa）。防腐前后的板狀拉伸與脹環(huán)試驗相比，板狀拉伸的屈服強度均小于脹環(huán)試驗，防腐前的平均差值為-11.4 MPa，而防腐后的平均差值為-46 MPa。防腐前后的板狀拉伸之間的屈服強度差值和脹環(huán)試驗之間的屈服強度差值均為負數(shù)，說明鋼管在防腐后屈服強度有所提高，且脹環(huán)試驗（平均差值為－57.1 MPa）的提高比板狀拉伸（平均差值為－22.5 MPa）的更為明顯。

2.2 補充試驗

2.2.1 殘余應力試驗

表2 鋼管防腐前、后殘余應力（周向張開量）檢測結(jié)果 mm

選取不同狀態(tài)下防腐前、后的鋼管，距離焊縫100 mm處割開，測量周向張開量，測量結(jié)果見表2。其中防腐后鋼管（脹環(huán)試驗后）環(huán)形試樣為雙道火焰切割，割開缺口寬度為20 mm，其他的僅單道火焰切割割開。從表2可以看出，在殘余應力試驗中，防腐前鋼管水壓前的周向開口量較大，均值為22.36 mm；其次是防腐前鋼管模擬水壓后和脹環(huán)試驗后，周向開口量均值分別為8.76 mm和7.64 mm；防腐后鋼管的周向開口量為0（幾乎不變），而脹環(huán)試驗后開口出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。

2.2.2 脹環(huán)試驗前后環(huán)形試樣尺寸變化

選取防腐前和防腐后的鋼管各5根，測量脹環(huán)試驗前、后鋼管外周長及局部的變形量，結(jié)果見表3。局部變形量的測量方法為在焊縫處和距離焊縫90°處劃長度為50 mm的細線，使用游標卡尺測量脹環(huán)試驗后的細線長度的變化量。

從表3可以看出，在環(huán)形試樣尺寸變化試驗中，防腐前、后鋼管的焊縫處50 mm變形量比距離焊縫90°處50 mm的要明顯。此處需說明的是：因為測量方法本身存在一定的誤差，如變形量本身較小、細線寬度和人為誤差等，因此焊縫處50 mm和距離焊縫90°處50 mm的變形量只可以說明其存在的趨勢，而并不能準確地測量出真實的變形量。

表3 鋼管脹環(huán)試驗前、后環(huán)形試樣尺寸變化情況

2.3 試驗結(jié)果分析

板狀試樣相對于環(huán)形試樣的屈服強度出現(xiàn)了較大的波動，這是因為板狀試樣取樣時需要對試樣進行整體的展平。從機加工前的預壓平到試驗前的精壓平，壓平過程對屈服強度的影響因試樣本身和壓平工序而異。試樣經(jīng)過多次壓平才達到拉伸試樣的平整度要求，而且試樣在壓平的過程中產(chǎn)生的變形強化和包申格效應也會對屈服強度產(chǎn)生較大的影響；此外，操作工在壓平過程中是否能規(guī)范操作，也會對檢測結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，板狀試樣加工時應盡量避免反復輾壓或者直接輾壓拉伸試樣的平行長度部分，以減少對檢測結(jié)果的影響。而環(huán)形試樣保持了鋼管實物的外形，且沒有機加工等外因影響其性能，因而檢測結(jié)果相對穩(wěn)定、精度也較高。

相對于防腐前脹環(huán)試驗的屈服強度，防腐后明顯提升，這很大程度與其內(nèi)在的殘余應力以及防腐制造過程中發(fā)生的時效熱處理有關(guān)。首先，從高頻焊管的制造過程來看，要經(jīng)過冷定徑工序來控制鋼管外徑以達到產(chǎn)品的技術(shù)要求，這個過程會使管體產(chǎn)生殘余應力（環(huán)形試樣切開后產(chǎn)生約22 mm周向張開量）。其次，定徑后又經(jīng)過水壓試驗，該過程管體產(chǎn)生的應力與定徑工序時相反，此狀態(tài)下環(huán)形試樣切開后產(chǎn)生較小的周向張開量（約8 mm）。最后，防腐工序時會將鋼管加熱到220℃，這相當于鋼管又經(jīng)過了一個時效熱處理過程，此時環(huán)形試樣的周向張開量降低為零?？梢?，防腐前、后鋼管的應力狀態(tài)發(fā)生了明顯的變化，防腐前的殘余應力是張開的（周向張開），而防腐后鋼管的殘余應力消失了；同時，防腐過程中發(fā)生的時效熱處理本身就是一個強化過程，使其強度增加。

脹環(huán)試驗后環(huán)形試樣局部變形量的測量結(jié)果為焊縫處的變形量明顯大于管體處，這個現(xiàn)象說明脹環(huán)試驗選擇的試驗結(jié)果Rt0.5作為管體屈服強度明顯不夠嚴謹。對于Φ323.9 mm×6.4 mm的環(huán)形試樣，測量的是外周長總延伸率為0.5%時的應力，如果環(huán)形試樣不是均勻變形，那么其測量的結(jié)果就是發(fā)生大變形處（即環(huán)形試樣薄弱處）的應力。以高頻焊管為例，其焊縫在制造過程中經(jīng)過正火熱處理，得到的組織為均勻的鐵素體加珠光體（見圖3（a）），而未經(jīng)熱處理的管體母材組織仍保持原來的針狀鐵素體組織（見圖3（b）），因而脹環(huán)試驗后焊縫處的變形量明顯大于管體處。按照保守估算，防腐后鋼管環(huán)形試樣焊縫處50 mm寬總延伸了1 mm，那么總延伸率為2%，比規(guī)定總延伸強度Rt0.5的總延伸率0.5%要大4倍。也就是說，脹環(huán)試驗檢測的強度嚴格意義上為焊縫的強度而非管體的。因此，對于高頻焊管（尤其是高材質(zhì)的焊縫熱處理后與管體組織不一致時），如何進行脹環(huán)試驗（即總延伸率如何規(guī)定），需要進行更深入的研究，才能使試驗結(jié)果更好地為管道設計和制造提供實質(zhì)性參考。

圖3 高頻焊管焊縫及管體母材的金相組織

3 結(jié) 論

（1）GB/T 20568―2006等效采用 ISO 15363：2000，其規(guī)定的儀器設備技術(shù)要求明顯落后于澳大利亞試驗標準AS 1855―2006，因此建議相關(guān)部門重新修訂國家標準，給出更為嚴格和詳細的儀器設備要求，以適應設備的更新?lián)Q代以及脹環(huán)試驗的進一步研究。

（2）X70M 規(guī)格 Φ323.9 mm×6.4 mm、 材質(zhì)為的高頻焊鋼管，脹環(huán)試驗測得的屈服強度比板狀拉伸試驗測得的屈服強度數(shù)值更穩(wěn)定，造成后者波動大的原因是板狀拉伸試驗在試樣展平過程中發(fā)生了包申格效應和加工硬化。而防腐后鋼管的脹環(huán)試驗結(jié)果明顯高于防腐前的試驗結(jié)果，其原因是防腐涂敷過程使鋼管經(jīng)受時效熱處理產(chǎn)生的時效強化以及殘余應力消除共同作用的結(jié)果。

（3） 規(guī)格為 Φ323.9 mm×6.4 mm、 材質(zhì)為X70M的高頻焊鋼管，因焊縫組織與管體組織不同，造成脹環(huán)試驗后兩者變形量存在差異，因此使用脹環(huán)試驗來測量管體的屈服強度不夠嚴謹。基于脹環(huán)試驗能整體體現(xiàn)鋼管的實際性能而且試驗精密度高，因此建議國內(nèi)加強對脹環(huán)試驗的研究，為管道設計和制造提供實質(zhì)性參考。

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

[2]GB/T9711—2011，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[3]ISO 3183—2012，Petroleum and Natural Gas Industries—Steel Pipe for Pipeline Transportation Systems[S].

[4]CSA Z245.1—2007，Steel Pipe[S].

[5]DNV-OS-F101—2013，Submarine Pipeline Systems[S].

[6]DEP 31.40.20.37—2011,Line Pipe for Critical Service（Amendments/Supplements to ISO 3183：2007）[S].

[7]孫宏.管線鋼管拉伸試驗的研究[J].鋼管，2009，38（3）：56-58.

[8]AS 1855—2008，Methods for the Determination of Transverse Tensile Properties of Round Steel Pipe[S].

[9]GB/T 20568—2006 （ISO 15363：2000，IDT）， 金屬材料管環(huán)液壓試驗方法[S].

[10]ISO 15363：2000， Metallic Materials-tube Ring Hydraulic Pressure Test[S].

[11]ASTM A370—2016,Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products[S].

Study on Test Performance of X70M High-frequency Welded Pipe Expansion Ring

LIANG Caimeng， PEI Yinzhu， ZHANG Kunpeng， ZHANG Rongsheng， LI Wenping
（Panyu Chu Kong Steel Pipe(lianyungang)Co.,Ltd.,Lianyungang 222006,Jiangsu,China）

In order to accurately detect the yield strength of steel pipe，taking X70M Φ323.9 mm×6.4 mm high-frequency welded pipe as an example，the tensile test and expansion ring test on plate specimen and ring-shaped specimen were conducted respectively before and after anticorrosion of steel pipe，and the test results were analyzed and compared.The results showed that relative to the ring-shaped sample,the yield strength of the plate specimen appeared great fluctuation，and the reason was that the Bauschinger effect and work hardening occurred in plate tensile specimen flattening process.The expansion ring test result after anticorrosion was obviously higher than that of before anticorrosion,the reason was that during steel pipe coating process,the aging reinforcement effect occurrence caused by aging heat treatment.In addition,because the microstructure of weld and pipe body was different,the deformation amount of weld and pipe body was significantly different after expansion ring test.Therefore，using expansion ring test to measure the yield strength of pipe body obviously was not reasonable.

welded pipe；high-frequency welded pipe；yield strength expansion ring test；ring-shaped specimen；plate tensile

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.004

梁才萌（1987—），男，廣西貴港人，本科，目前主要從事石油天然氣輸送管線鋼管及防腐涂層的理化檢測工作。

2017-03-31

編輯：李紅麗