管線鋼專用引伸計的設(shè)計與應(yīng)用

王樹人，葉景深，吳金輝，黨曉雨

（1.遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽 111003；2.中國石油管道局工程有限公司東北分公司，遼寧 沈陽 110020，3.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077；4.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

拉伸性能是管線鋼重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是管道設(shè)計和安全性評價最基本的指標(biāo)。其屈服強(qiáng)度用規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5表示，它表示試樣規(guī)定總延伸率為0.5%的應(yīng)力，用引伸計測量變形。試樣可采用矩形試樣、圓棒試樣和脹環(huán)試樣3種方式，在實際生產(chǎn)過程中，通常對于X80鋼級以下的管線鋼管拉伸試驗，都選用矩形試樣。拉伸試樣截取方法按照API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》規(guī)定為“代表鋼管全壁厚的矩形試樣的截取應(yīng)符合ISO 6892-1∶2016《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：常溫測試法》或ASTM A 370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和定義》要求，且按圖5所示截取”。由該標(biāo)準(zhǔn)中的圖5可知母材拉伸試樣一般取自管體橫向，與鋼管具有相同的曲率半徑。而長輸管線的發(fā)展趨勢是采用高鋼級大壁厚的管線鋼，鋼級和壁厚的增加給試樣校平帶來了困難，使其平直度難以保證，對Rt0.5的準(zhǔn)確性和重復(fù)性產(chǎn)生較大影響。目前國內(nèi)各大鋼鐵公司大都采用造價較高的帶全自動測量系統(tǒng)的進(jìn)口拉力試驗機(jī)，配備Macro引伸計來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量。本文通過對管線鋼矩形試樣在Rt0.5的測量過程中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析與研究，設(shè)計開發(fā)了管線鋼矩形試樣拉伸試驗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由球鉸式框架結(jié)構(gòu)和光柵傳感器組成球鉸式光電引伸計，把光柵傳感器測量精度高與球鉸式裝卡的優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合起來，把采集的信號通過數(shù)據(jù)處理器傳遞給計算機(jī)控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和軟件的功能運(yùn)算，能有效克服測量過程中的誤差，保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，具有記錄全過程拉伸曲線的功能，滿足管線鋼相關(guān)檢驗和試驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 測量過程中誤差的產(chǎn)生

導(dǎo)致拉伸試驗結(jié)果產(chǎn)生誤差的影響因素有很多，其中包括對試驗標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法的理解和掌握，試驗設(shè)備和儀器的精度，材料均勻性和試樣加工質(zhì)量，引伸計的選用與裝卡等?，F(xiàn)主要從試樣加工和引伸計兩個方面進(jìn)行討論。

1.1 試樣的影響

1.1.1 試樣不平度的影響

管線鋼測量Rt0.5時采用50 mm定標(biāo)距，其測量的變形只有0.25 mm，因此它對試樣的不平度極為敏感。由于試樣存在不平，拉伸試驗過程中引伸計標(biāo)距內(nèi)的實際變形由兩部分組成，一是試樣真實的彈塑性變形（相當(dāng)于完全展平后試樣的拉伸變形），另一個是試樣彎曲受拉展平所產(chǎn)生的附加變形。由于不平試樣受拉展平所需的拉伸應(yīng)力比較小，造成變形和力值的“不同步”；因此當(dāng)拉伸試樣存在彎曲時，所測Rt0.5將變小，而且試樣不平度越大，Rt0.5就越小。

1.1.2 試樣受力狀態(tài)的影響

在拉伸過程中，矩形拉伸試樣在單向拉力作用下，其長度、寬度和厚度方向變形是不均勻的，長度方向比其他方向變形快，表面比心部變形快，其他面比中性面變形快，這就容易造成引伸計裝卡在不同的位置和方向上，其滑移的速度不同，試驗過程中所采集的數(shù)據(jù)也不完全一致。

1.2 引伸計的影響

1.2.1 引伸計結(jié)構(gòu)的影響

引伸計是用來測量拉伸試樣的微量變形，或者研究構(gòu)件在外力作用下的線性變形所采用的儀器。管線鋼常用引伸計為電子式引伸計，其安裝在試樣一側(cè)面或試樣圓柱面的一根母線上［1］，一般采用橡皮筋或其他彈性材料將其固定于試樣上。刀口與試樣側(cè)面或正面呈線型接觸，橡皮筋與試樣表面呈面型接觸。裝卡的松緊程度受人為因素影響較大，而且與裝卡彈性材料的性質(zhì)也有關(guān)系，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2.2 引伸計裝卡的影響

把電子式引伸計裝卡在母材表面時（圖1），由于試驗機(jī)上、下夾頭之間一般都存在著同軸度誤差；因此試樣一般處于“偏心”拉伸狀態(tài)，這種“偏心”拉伸是純拉伸變形與純彎曲變形的組合變形［2］，其中的純彎曲變形使中性層一側(cè)的材料受到附加的拉伸變形；而中性層另一側(cè)的材料受到附加的壓縮變形。當(dāng)電子式引伸計安裝在附加的受壓變形一側(cè)時，在拉伸過程的最初階段，引伸計反映的變形為壓縮變形，造成引伸計“反走”現(xiàn)象［3］。

圖1 引伸計裝卡在試樣表面

把電子式引伸計裝卡在試樣的側(cè)面（圖2），由于試樣不平度的存在，在拉伸過程中，如果引伸計裝卡靠近附加拉伸變形一側(cè)時，在拉伸過程的最初階段，引伸計反映的變形為拉伸變形，造成引伸計“快走”現(xiàn)象。只有把引伸計安裝在厚度方向的中性面上，測量結(jié)果才是準(zhǔn)確的。而這些“偏心”是隨機(jī)出現(xiàn)的，這是引伸計測量結(jié)果極不穩(wěn)定的原因。

1.2.3 引伸計的選用

一般情況下，引伸計在標(biāo)定器上獲得很好的結(jié)果，是因為標(biāo)定器的活動測桿相對于固定測桿做比較理想的直線運(yùn)動。但在試驗測量中，由于試驗機(jī)夾頭間同軸度誤差、試樣不平度誤差等，因此引伸計一般都處于偏心狀態(tài)下工作。若引伸計選擇不當(dāng)，測量誤差可能會比較大。因此不能只憑在標(biāo)定器上的檢定結(jié)果來選用引伸計［4］。

圖2 引伸計裝卡在試樣測面

2 專用測量系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

基于上述分析，遼陽石油鋼管制造有限公司在現(xiàn)有國產(chǎn)電液伺服試驗機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)出了管線鋼矩形試樣拉伸試驗測量系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)分為3個部分：試樣裝卡部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分。

2.1.1 試樣裝卡部分

試樣裝卡部分主要由球鉸支架部分組成，夾持板狀試樣如圖3所示。

圖3 夾持板狀試樣示意

2.1.2 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分由光柵傳感器和光柵數(shù)顯表（圖4）組成。光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的，主要用于線位移和角位移的測量。光柵傳感器由照明系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件組成。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，從而測量出標(biāo)尺光柵的移動距離。采集后的數(shù)據(jù)實時顯示在光柵數(shù)顯表上，以便操作人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

圖4 光柵數(shù)顯表

2.1.3 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分由全數(shù)字電液伺服控制器（簡稱控制器）和計算機(jī)專用軟件組成。采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器（圖5）和計算機(jī)的運(yùn)算處理后，完成各種曲線的繪制，輸出到計算機(jī)屏幕。

圖5 全數(shù)字電液伺服控制器

2.2 設(shè)計要點(diǎn)

2.2.1 裝卡結(jié)構(gòu)

裝卡部分采用球鉸式結(jié)構(gòu)設(shè)計，夾持時與試樣表面呈點(diǎn)狀機(jī)械接觸，夾持穩(wěn)定，避免引伸計與試樣之間或試樣與鉗口之間“打滑”產(chǎn)生震動，對測量結(jié)果和拉伸曲線造成的影響。引伸計裝卡正面如圖6所示。

圖6 引伸計裝卡正面

2.2.2 裝卡位置

裝卡位置選在試樣的中性面上，有效避免了力值和變形不同步問題，最大限度地克服了試樣變形的不均勻性對測量結(jié)果造成的影響。引伸計裝卡側(cè)面如圖7所示。

圖7 引伸計裝卡側(cè)面

2.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

在數(shù)據(jù)采集中，選用光柵傳感器，保證變形測量精度；球鉸式結(jié)構(gòu)的卡具有對信號放大兩倍的作用，提升了數(shù)據(jù)處理的精度水平。經(jīng)過控制器和計算機(jī)的運(yùn)算處理后，完成應(yīng)力、應(yīng)變、位移、時間、力值等各種曲線的繪制，還可以根據(jù)要求同時出具各種關(guān)系曲線圖。

3 不同引伸計拉伸試驗數(shù)據(jù)

抽取不同鋼級和壁厚的3根鋼管，在同一位置截取樣塊，每個樣塊制成6個矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后分別采用電子式引伸計、Macro引伸計和球鉸式光電引伸計進(jìn)行Rt0.5的測量，不同引伸計拉伸試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同引伸計拉伸試驗數(shù)據(jù) MPa

由表1可見，采用球鉸式光電引伸計的測量結(jié)果與全自動的Macro引伸計的測量結(jié)果接近，而且數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好。采用電子式引伸計的兩組數(shù)據(jù)離散較大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，隨機(jī)性較大，很難代表材料的真實結(jié)果。抗拉強(qiáng)度的測量與引伸計無關(guān)，全部數(shù)據(jù)都比較接近，離散度較小。

4 系統(tǒng)應(yīng)用的條件

（1）試樣要求。除按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加工滿足要求的試樣外，要求試樣不平度≤0.3 mm/50 mm［5］。試樣的裝卡過程中，在鉗口安裝試樣定位裝置，保證試樣裝卡垂直且居中，避免產(chǎn)生剪應(yīng)力，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）引伸計裝卡。該系統(tǒng)的引伸計裝卡在試樣的厚度方向，如果引伸計裝卡沒有保證水平或者在試樣長度方向沒有保證垂直而存在“偏心”時，會對規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5造成影響。因此引伸計的裝卡一定要保證垂直，而且要保持平穩(wěn)且水平。

（3）為了避免由于加載速度不同而影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時也使不同試驗設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)具有可比性，建議采用帶有電液伺服控制系統(tǒng)的萬能拉力試驗機(jī)，以相同的恒定加載速度進(jìn)行試驗。GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對屈服強(qiáng)度和規(guī)定強(qiáng)度的試驗速率規(guī)定為：對于彈性模量E不小于150 GPa的材料，加載的應(yīng)力速率為6～60 MPa/s。筆者根據(jù)以往經(jīng)驗認(rèn)為，對于管線鋼加載速度采用12～15 MPa/s比較適宜。

5 結(jié) 語

（1）采用上述設(shè)計的管線鋼矩形試樣拉伸試驗測量系統(tǒng)，能更加準(zhǔn)確而直觀地測量出板狀拉伸試樣的Rt0.5值，有效降低試驗結(jié)果的離散性。

（2）該系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)性，原理簡單、操作方便、人員比對重復(fù)性好。