20#鋼深冷后力學性能測試

蘭洪強，劉繼銀，梁 政，張 毅，趙軒剛

（1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都 610017；2.中國石油西氣東輸管分公司蘇浙滬管理處，江蘇南京 320100；3.西南石油大學教育部重點實驗室，四川成都 610059；4.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

天氣氣管道冷凍封堵技術作為一種新型的天然氣管道維搶修技術，有著封堵壓力高、避免了在管道避免開孔、不用清管、施工作業時間短等諸多優點，但是天然氣管道管材經過深冷后其力學性能是否和深冷前一樣，這是一個不容忽視的問題；若經過深冷后其力學性能下降則會在后期輸氣過程中留下安全隱患，同時也會影響天然氣管道冷凍封堵技術的大力推廣與應用，因此設計相應工況下的常用天然氣管道管材的力學性能測試是排除這種安全隱患的唯一途徑；與此同時得到的測試結果還能為優化天然氣管道冷凍封堵技術的各項參數提供依據。

1 20#鋼深冷后力學性能測試

1.1 試樣制備

根據選定試驗機的要求，按標準制備了拉伸試驗樣品、沖擊功試驗樣品、壓縮試驗樣品并分別編號。樣品試件和分組編號（見圖1）。

1.2 試件深冷

此次對試件進行深冷所選用的冷凍劑為干冰，其接觸溫度為-70℃，與天然氣管道冷凍封堵技術所用的冷凍介質相同，將制備的干冰和試件放入聚氨酯保溫箱，對試件進行深冷；冷凍時間為12 h，該時間大于天然氣管道冷凍封堵施工過程中的冷凍時間。冷凍結束后取出試件，在常溫下恢復8 h，恢復該時間小于等于天然氣管道冷凍封堵后的解凍時間，恢復期結束后分別對試件進行各項力學性能測試。

1.3 拉伸、壓縮、沖擊功測試

拉伸實驗是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的實驗方法。利用拉伸實驗得到的數據可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度和其它拉伸性能指標。

20#鋼屬于低碳鋼，在承受壓縮荷載時，起初變形較小，力的大小沿直線上升，當超過比例荷載后，變形開始增快，此時顯示荷載減慢或基本不變或有所回落的現象，這表明材料已達到屈服，此時的荷載即為屈服荷載。屈服階段結束后，塑性變形迅速增加，試件截面面積也隨之增大，而使試件承受的荷載也隨之增加，這時試件被壓成鼓形，最后壓成餅形而不破壞，其強度極限無法測定。

測定鋼材的沖擊韌度，觀察破壞情況，并進行冷凍前后性能比較。

把金屬材料制成標準試件，安置在沖擊實驗機坐上，使它受沖力而折斷。記錄試件折斷所消耗的能量。將能量用帶缺口的截面積相除，所得的數值為材料的沖擊韌度。

對試件進行拉壓試驗用WE300A液壓萬能實驗機，對試件進行沖擊功試驗用300/150擺錘式機械沖擊實驗機。

2 測試結果

2.1 記錄測試數據

記錄整個實驗過程的數據，并將其制成表格，其中拉伸實驗的數據（見表1），壓縮實驗的數據（見表2），沖擊功實驗的數據（見表3）。

（1）拉伸實驗結果

表1 拉伸實驗結果

表2 壓縮實驗結果

（2）壓縮實驗結果（見表2）。

（3）沖擊功實驗結果（見表3）。

表3 沖擊功實驗結果

2.2 測試結果分析

2.2.1 拉伸實驗 將深冷組和對比組拉伸實驗的數據取平均值（見表4）。

表4 拉伸實驗數據處理

由表4可以看出深冷后的測試數據和拉伸實驗對比組的各項測試數據相比變化很小，其屈服強度在承壓范圍內。

2.2.2 壓縮實驗 將深冷組和對比組壓縮實驗的數據取平均值（見表5）。

表5 壓縮實驗數據處理

由表5可以看出，實驗前試樣的幾何偏差很小，這可以說明此次對比結果的準確性，深冷后的測試數據和拉伸實驗對比組的屈服壓力偏差很小，其屈服強度在承壓范圍內。

2.2.3 沖擊功實驗 將深冷組和對比組沖擊實驗的數據取平均值（見表6）。

表6 沖擊功實驗數據處理

由表6可以看出，深冷后的測試數據和拉伸實驗對比組的沖擊功偏差很小，其剪切屈服強度在承壓范圍內。

3 結論

由表4～表6可以看出，20#鋼材在固體干冰冷凍環境中冷凍12 h后，在自然環境中恢復8 h，測試的拉壓和沖擊性能與冷凍前變化很小，其力學性能與未經過冷凍→恢復環境溫度→恢復承壓狀態過程的20#鋼材力學性能參數沒有明顯變化，因此這一實驗結果可以有力的作為天然氣管道冷凍封堵技術在冷凍環節不會對鋼材的性能產生任何影響的佐證，為冷凍封堵技術在天然氣管道中的運用及推廣提供了安全保障，同時也為天然氣管道冷凍封堵技術的冷凍時間界限、解凍時間等各項參數優化提供了依據。

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