試樣加工方法及形狀對X90/X100鋼級管材性能測試結(jié)果的影響

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(1.中國石油管道學(xué)院 河北 廊坊 065000；2.河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 廊坊 065000；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司 河北 廊坊 065000)

試樣加工方法及形狀對X90/X100鋼級管材性能測試結(jié)果的影響

何瑩1，2，張衛(wèi)鋒3

(1.中國石油管道學(xué)院 河北 廊坊 065000；2.河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 廊坊 065000；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司 河北 廊坊 065000)

管線鋼管隨著鋼級的提高，受金相組織的影響對熱的敏感性加大，因此X90/X100管線鋼管的性能測試用試樣的加工方法及試樣形狀值得進行深入研究。試樣取樣及加工方法對X90/X100鋼管的性能有直接影響，試樣形狀不同，測得的拉伸性能也不同，橫向圓棒試樣的拉伸性能檢驗結(jié)果明顯高于矩形試樣的檢驗結(jié)果，這主要是由于包辛格效應(yīng)造成的。

形變強化；包辛格效應(yīng)；拉伸性能

0 引 言

隨著我國對石油天然氣需求的日益增加，大口徑厚壁高鋼級管線鋼管成為管道建設(shè)的主要選擇。高鋼級管線鋼管最重要和最基礎(chǔ)的性能指標是拉伸性能，它是管道設(shè)計和安全評定最基本的指標。管線鋼管隨著鋼級的提高，受金相組織的影響對熱的敏感性加大，因此X90/X100管線鋼管的性能測試用試樣的加工方法及試樣形狀值得進行深入研究，以測試到鋼管的真實性能。

形變強化(即加工硬化)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；而包辛格效應(yīng)是指當金屬在一個方向塑性變形后，再反向變形時其屈服強度下降。

在采用矩形拉伸試樣時，要對原本彎曲的試樣進行展平，再反向產(chǎn)生塑性變形，此時拉伸試樣受包辛格效應(yīng)的影響導(dǎo)致材料屈服強度和抗拉強度降低，由于屈服強度比抗拉強度受到的影響更大，所以導(dǎo)致了鋼管的屈強比大于卷板，而且一般認為鋼管的鋼級越高，包辛格效應(yīng)帶來的強度損失就越大。當采用圓棒拉伸試樣時，由于鋼管在彎制過程中，材料產(chǎn)生了加工硬化，圓棒試樣在加工過程中不允許進行展平，這樣材料不受包辛格效應(yīng)的影響，而只受形變強化的影響，因此，材料的屈服強度和屈強比升高[1]。

通過對不同鋼級鋼管樣品進行研究得出，縱向矩形試樣的屈服強度基本高于圓棒試樣，而橫向矩形試樣屈服強度值基本低于圓棒試樣。這種現(xiàn)象是由多種因素引起的[2]。高鋼級大壁厚管線鋼管和薄壁管線鋼管的規(guī)律是不同的，后者由于矩形試樣和圓棒試樣的組織沒有大的差異，所以得到的抗拉強度基本相同[3]。

1 試驗材料

選取X90Φ1219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管和X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋縫埋弧焊管作為試驗材料。

2 試樣加工方法對鋼管性能的影響

2.1 拉伸性能的影響

從用作試驗材料的鋼管上切取樣品時，應(yīng)防止試樣過熱，產(chǎn)生加工硬化進而影響檢測結(jié)果。通常，采用氧氣切割法從鋼管上截取樣坯，規(guī)定從樣坯切割線至試樣邊緣必須留有足夠的加工余量。一般加工余量應(yīng)不小于鋼管的壁厚，且最小不得少于20 mm。用氧氣切割法時，拉伸試樣所留熱影響區(qū)的加工余量最小為100 mm。氧氣切割試樣時宜快速進行，以減小高溫對試樣性能的影響[4]。有條件的情況下，盡量采用氣割加水冷的方式從鋼管上截取大塊毛坯試樣，可以避免切割熱量對試樣性能的影響。

對于X90Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管，管體加工橫向圓棒試樣，橫向長度最短要求130 mm，因此，在氣割熱影響試驗中毛坯試樣尺寸采取了130 mm(長)×130 mm(寬)、150 mm(長)×130 mm(寬)、170 mm(長)×130 mm(寬)、190 mm(長)×130 mm(寬)、270 mm(長)×270 mm(寬)5種毛坯尺寸進行氣割，然后采用冷機加工加工成橫向圓棒試樣進行拉伸試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 X90 Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管橫向圓棒拉伸試驗結(jié)果

從表1的拉伸檢驗結(jié)果可知，氣割產(chǎn)生的熱量對試樣的抗拉強度影響不大，主要是對屈服強度有影響?？紤]到鋼管壁厚不同，壁厚越厚，熱影響越大，因此，從鋼管上用氣割方法取大塊毛坯試樣時，試樣長度方向大于300 mm為宜，試樣寬度方向根據(jù)檢測項目劃出各種試樣的取樣位置，邊緣至少留出100 mm的熱影響區(qū)為宜。

2.2 沖擊、金相、硬度的影響

從X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋縫埋弧焊管管體采用氣割加水冷和氣割的方法取樣，加工成10 mm×10 mm×55 mm的2 mm的V型缺口試樣進行夏比沖擊試驗，試驗結(jié)果見表2。在該鋼管上氣割加水冷和氣割的方式切取硬度試樣和金相試樣并加工，進行HV10硬度試驗和金相檢驗，硬度試驗結(jié)果見表3。表2的結(jié)果表明，氣割樣品的夏比沖擊值稍有提高。表3的結(jié)果表明，氣割的HV10硬度試樣值變化也不大。金相檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在光學(xué)顯微鏡下觀察不出兩種加工方法對金相組織的影響。

表2 X100 Φ1 219 mm×15.3 mm鋼管夏比沖擊試驗結(jié)果

表3 X100Φ1 219 mm×15.3 mm鋼管HV10硬度試驗結(jié)果

3 試樣形狀對拉伸性能的影響

APISpec 5L中規(guī)定拉伸試樣形狀可以使用矩形全壁厚試樣，也可以使用圓棒試樣，但使用兩種試樣時測得的拉伸性能不同，特別是鋼管的橫向試樣，試樣的形狀對檢測結(jié)果的影響很大。對X90Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊鋼管和X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋縫埋弧焊管冷切割后取橫向矩形試樣及圓棒試樣進行拉伸試驗，試驗結(jié)果見表4和表5。表4中的圓棒試樣和矩形試樣的屈服強度對比如圖1所示，表4中的圓棒試樣和矩形試樣的抗拉強度對比如圖2所示。

表4 X90 Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊鋼管拉伸試驗結(jié)果

圖1 圓棒試樣與矩形試樣的屈服強度

從圖1和圖2可以看出，X90Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊鋼管，管體橫向采用圓棒試樣的屈服強度和抗拉強度均高于采用矩形試樣的檢驗結(jié)果，這主要是由于矩形試樣在加工時需要緩慢壓平，包辛格效應(yīng)影響造成的。

圖2 圓棒試樣與矩形試樣的抗控強度

表5 X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋縫埋弧焊鋼管拉伸試驗結(jié)果

從表5的檢驗結(jié)果可見，X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋縫埋弧焊管管體橫向圓棒試樣的拉伸試驗結(jié)果略低于矩形試樣的檢驗結(jié)果。

4 結(jié) 論

通過以上檢測結(jié)果研究分析可以得出，試樣取樣及加工方法對X90/X100鋼管的性能有直接影響，試樣形狀不同，測得的拉伸性能也不同，橫向圓棒試樣的拉伸性能檢驗結(jié)果明顯高于矩形試樣的檢驗結(jié)果，這主要是由于包辛格效應(yīng)造成的。氣割加水冷以及氣割方法對鋼管管體的夏比沖擊、金相組織及硬度影響不大。為了使檢驗結(jié)果真實、可靠，對X90/X100鋼管的檢測時應(yīng)按以下方法取樣加工：

1)從鋼管上截取大塊毛坯試樣時盡量采用氣割加水冷的方式，如沒有水冷條件，用氣割方法取大塊毛坯試樣時，試樣長度方向大于300 mm為宜，試樣寬度方向根據(jù)檢測項目劃出各種試樣的取樣位置，邊緣至少留出100 mm的熱影響區(qū)為宜。

2)檢驗用的拉伸試樣建議使用標準圓棒試樣。

[1] 吳金輝，李云龍，王長安，等.制管預(yù)應(yīng)變對管線鋼拉伸性能的影響[J].焊管，2011,34(3)：33-37.

[2] 吉玲康，謝麗華，楊 肅，等.高鋼級管線管試樣形狀對拉伸試驗結(jié)果的影響[J].石油機械，2006,34(1)：11-15.

[3] 呂惠生，許文清，陳金陵.半圓形拉伸試樣的研制[J].鋼鐵研究學(xué)報，2000,34(1)：56-58.

[4] 孫 宏.管線鋼管理化性能試樣截取與加工方法探討[J]，焊管，2009,32(8)：55-58.

InfluenceofSampleProcessingMethodandShapeonPerformanceTestResultsofX90 /X100GradeSteelTube

HEYing1，2,ZHANGWeifeng3

(1.ChinaPetroleumPipelineCollege,Langfang,Hebei065000,China; 2.HebeiTechnicalCollegeofPetroleumProfession,Langfang,Hebei065000,China;3.No.4BranchCompanyofChinaPetroleumPipelineEngineeringCo.Ltd.,Langfang,Hebei065000,China)

With the steel grade increasing, the sensitivity of steel pipeline to heat increases because of the influence of metallographic structure. Therefore, the processing methods and the shapes of the test samples of X90/X100 steel pipeline should be studied intensively. The sampling and processing methods have a direct impact on the performance of X90/X100 steel pipe. When the sample shapes are different, the tensile properties measured are different too. The tensile properties of transverse round bar type sample are obviously higher than that of rectangular sample, which is mainly due to Bauschinger effect.

strain strengthening; Bauschinger effect; tensile properties

何 瑩，男，1978年生，實驗師，2009年畢業(yè)于河北工程大學(xué)土木工程專業(yè)，主要從事管道金屬材料、建筑材料的研究和檢測工作。E-mail:heying580@163.com

TG115

A

2096-0077(2017)05-0047-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.012

2017-02-21編輯葛明君)