X90直縫埋弧焊管加工硬化性能分析*

陳曉莉 , 霍春勇 , 李 鶴 ,李炎華 , 張繼明 , 吉玲康

（1.西安交通大學 材料科學與工程學院，西安710049；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077；3.石油管工程重點實驗室，西安710077）

X90直縫埋弧焊管加工硬化性能分析*

陳曉莉1，2，3, 霍春勇2，3, 李 鶴2，3,李炎華2，3, 張繼明2，3, 吉玲康2，3

（1.西安交通大學 材料科學與工程學院，西安710049；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077；3.石油管工程重點實驗室，西安710077）

對國內不同廠家生產的X90直縫埋弧焊管進行了靜拉伸試驗，分析了管線鋼的加工硬化性能。結果表明：X90直縫埋弧焊管的拉伸曲線具有連續屈服特征，沒有明顯的屈服平臺，屬于典型的Round house型曲線。真應力－真應變的雙對數曲線在整個范圍內不能近似為一條直線，在整個塑性變形區域內不完全符合Hollomon公式，不具有確定的加工硬化指數。但表現為三個階段的加工硬化，第一階段和第三階段具有確定的加工硬化指數（分別記為n1和n2），n1＜n2。在忽略試樣不均勻性及試驗誤差的前提下，隨屈強比的升高，均勻延伸率、加工硬化指數均呈現下降趨勢。

焊管；X90鋼；靜拉伸；屈強比；均勻延伸率；加工硬化指數

0 前言

隨著經濟的飛速發展，各行各業對能源的需求及消耗日益增加，傳統能源(煤和石油)燃燒所帶來的環境污染問題也日益明顯，我國對潔凈能源天然氣的需求迅猛增長。管道運輸是天然氣常用的輸送方式，為了提高管道運輸的可靠性和經濟性，天然氣管道向著高壓、大直徑、大壁厚、大輸量和高鋼級的方向發展成為必然趨勢。

近年來，我國輸氣管道用管線鋼發展迅速，西氣東輸一線管道工程采用X70管線鋼管，西氣東輸二線管道工程大規模采用X80管線鋼管。目前，在油氣管道工程上正式使用的最高強度級別管線鋼是X80，國內外正在積極研究開發X80及以上的高強度管線鋼管，我國迫切需要應用X80及以上高鋼級管線鋼進行長距離高壓(大于12 MPa)輸送[1]。中國石油集團公司正在積極研究X90及X100等高鋼級管線鋼的工程應用問題。

天然氣輸送管道鋼級、管徑、設計系數的提高以及高壓、富氣輸送工藝的采用，大大提高了運營效益，同時給管道安全也提出了更高的要求。管線鋼的力學性能是管道設計和安全評定最基本的指標，因此，研究高強度、高韌性管線鋼的力學性能很有意義。

1 拉伸試驗簡介

靜拉伸試驗是材料力學性能試驗中最基本的方法，用靜拉伸試驗可以得到材料的應力－應變曲線。金屬在拉伸時一般表現為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。典型的管線鋼的拉伸應力－應變曲線有Luders伸長型（有明顯屈服平臺）和Round house型（無明顯屈服平臺）兩種。研究結果表明，Round house型管線鋼的變形能力優于Luders伸長型管線鋼[2]，典型的管線鋼應力－應變曲線如圖1所示。

圖1 典型的管線鋼應力－應變曲線

金屬材料在拉伸時，材料開始屈服以后，繼續變形將產生加工硬化，但材料的加工硬化行為不能用工程應力－應變曲線來描述，因為試樣在拉伸變形過程的每一瞬間橫截面積和長度都在變化，而工程應力是以不變的初始橫截面積來計算，工程應變是以初始的標距長度來度量的，因此必須采用真應力－應變曲線。真應力－應變曲線在工程應力－應變曲線的左上方，金屬材料的工程應力－應變曲線和真應力－應變曲線對比如圖 2所示[3]。

圖2 金屬材料的工程應力－應變曲線和真應力－應變曲線對比

工程應力－應變曲線上的應力達到最大值時開始出現頸縮，在頸縮前變形沿整個試樣長度是均勻的，頸縮后變形則主要集中在局部區域，隨著變形增加，試樣橫截面越來越小，局部應力越來越高，直至不能承受外加載荷而斷裂。在試樣發生頸縮前，真應力、真應變與工程應力、工程應變的關系見式（1）和式（2）。

式中：e—工程應變；σ—工程應力；εt—真應變；σt—真應力。

試樣從開始屈服到發生頸縮的真應力和真應變的關系可用Hollomon方程描述[4]，見式（3）。對式（3）兩邊同時取對數，可得到式（4）。

式中：K—強度系數；n—加工硬化指數或應變硬化指數。

由式（4）可知，真應力－真應變的對數坐標曲線的斜率值即為n，n值的大小反映了材料抵抗進一步變形的能力。

在本研究中，對我國不同廠家生產的X90直縫埋弧焊管進行了靜拉伸試驗，研究了X90直縫埋弧焊管的加工硬化性能。

2 試驗材料

本研究選用國內不同廠家生產的X90直縫埋弧焊管，鋼管外徑1 219mm、壁厚16.3mm。從焊管上距焊縫180°的管體部位取橫向拉伸試驗樣坯，加工成圓棒拉伸試樣，如圖3所示。試樣標距35mm，標距段試樣的直徑為8.9mm。在UTM5305材料試驗機上按照ASTM A 370—2012a[5]進行試驗。X90直縫埋弧焊管的拉伸試樣編號及化學成分見表1。

圖3 X90圓棒拉伸試樣

表1 X90直縫埋弧焊管拉伸試樣編號及其化學成分

3 試驗結果及分析

8種X90直縫埋弧焊管拉伸試樣的拉伸應力－應變曲線如圖4所示，其中圖4（a）為工程應力－應變曲線，圖4（b）為真應力－真應變曲線。

圖4 X90直縫埋弧焊管拉伸試樣的應力－應變曲線

從圖4可以看出，本研究X90直縫埋弧焊管拉伸試樣的應力－應變曲線具有連續屈服特征，沒有明顯的屈服平臺，屬于典型的Round house型曲線，試樣既有足夠的強度，又有足夠的變形能力。

圖5 X90直縫埋弧焊管拉伸試樣真應力－真應變雙對數曲線

加工硬化指數n反映了材料在變形過程中的加工硬化能力。8種X90直縫埋弧焊管拉伸試樣真應力－真應變的雙對數曲線如圖5所示。由圖5可見，X90直縫埋弧焊管的真應力－真應變雙對數曲線不能近似為一條直線，說明材料在整個塑性變形區域內不完全符合Hollomon公式，不具有確定的n值。但X90直縫埋弧焊管表現為三個階段的加工硬化：第一階段，真應力－真應變的雙對數曲線在0.5%～1.0%應變區間內，雙對數曲線近似為一條直線，可認為管線鋼試樣有確定的加工硬化指數（記為n1）；第二階段，隨著真應變繼續增加，在1.0%～2.0%應變區間內，雙對數曲線的斜率逐漸增大；第三階段，當應變大于2.0%后，雙對數曲線又近似為一條直線，可認為管線鋼試樣有確定的加工硬化指數（記為n2），n1＜n2。

由圖5可知，本研究X90直縫埋弧焊管拉伸試樣真應力－真應變的雙對數曲線不能近似為一條直線，說明管線鋼的組織不是單一相，而是雙相或多相，硬相為管線鋼提供必要的強度，軟相保證了管線鋼有足夠的塑性。現有金屬材料塑性變形的基本方式是滑移和孿生。在管線鋼塑性變形的起始階段，組織中位錯和亞結構相對較少，塑性變形阻力較小，此階段主要是軟相發生變形，故加工硬化指數n1較?。浑S著塑性變形的發展，位錯增殖和位錯纏結等使滑移困難，形變阻力較大，此階段主要是硬相發生變形，故加工硬化指數較大?，F有的一些研究表明，管線鋼的組織類型、軟硬相體積分數對加工硬化指數有一定的影響[6-7]。

圖5中8種X90直縫埋弧焊管的加工硬化性能見表2。由圖5和表2可知，8種X90直縫埋弧焊管的拉伸試樣表現出三個階段的加工硬化，第一階段和第三階段分別對應確定的加工硬化指數(n1和n2)，對每種試樣，n1均小于n2。

表2 X90直縫埋弧焊管的加工硬化性能

試樣均勻延伸率及加工硬化指數(n1和n2)與屈強比的關系如圖6所示。從圖6（a）可以看出，在忽略試樣不均勻性及試驗誤差的前提下，隨X90直縫埋弧焊管拉伸試樣屈強比的升高，試樣均勻延伸率呈現下降趨勢。從圖6（b）可以看出，在忽略試樣不均勻性及試驗誤差的前提下，隨X90直縫埋弧焊管拉伸試樣屈強比的升高，試樣的加工硬化指數(n1和n2)均呈現下降趨勢。

圖6 X90拉伸試樣的均勻延伸率及加工硬化指數與屈強比的關系

由此可知，對本研究X90直縫埋弧焊管，在忽略試樣不均勻性及試驗誤差的前提下，隨屈強比的升高，均勻延伸率和加工硬化指數均呈現下降趨勢，這也與文獻[8-10]中的結果較符合。因此，對于高鋼級管線鋼，強度并不是越高越好，要根據管線鋼的應用環境和條件，綜合考慮管線鋼的屈強比、延伸率和加工硬化指數。

4 結 論

（1）本研究X90直縫埋弧焊管的拉伸試樣具有連續屈服特征，沒有明顯的屈服平臺，具有較高的強度和變形能力，屬于典型的Round house型曲線。

（2）本研究X90直縫埋弧焊管的真應力－真應變的雙對數曲線不能近似為一條直線，在整個塑性變形區域內不完全符合Hollomon公式，不具有確定的加工硬化指數。但表現為三階段的加工硬化，第一階段和第三階段具有確定的加工硬化指數（分別記為 n1和 n2）， n1＜n2。本研究的X90直縫埋弧焊管的組織應為雙相或多相。

（3）對本研究X90直縫埋弧焊管，在忽略試樣不均勻性及試驗誤差的前提下，隨屈強比升高，均勻延伸率、加工硬化指數均呈現下降趨勢。

致謝：此項目得到中國石油天然氣集團公司的支持。

［1］王曉香．當前管線鋼管研發的幾個熱點問題[J]．焊管，2014， 37(04)： 5-13．

［2］李鶴林，吉玲康，田偉．西氣東輸一、二線管道工程的重大技術進步[J]．天然氣工業，2010，30(04)：1-9．

［3］石德珂，金志浩．材料力學性能[M]．西安：西安交大出版社，2008：1-14．

［4］I Mejía， C Maldonado， Josep A Benito， et al.Determination of the work hardening exponent by the hollomon and differential crussard-jaoul analyses of cold drawn ferrite-pearlite steels[J]．Materials Science Forum， 2006，509：37-42.

［5］ASTM A 370—2012a， Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products[S].

［6］吉玲康，李鶴林，趙文珍，等．X70抗大變形管線鋼管的組織結構和形變硬化性能分析[J]．西安交通大學學報， 2012， 46(09)： 108-113．

［7］聶文金，尚成嘉，關海龍，等．鐵素體/貝氏體(F/B)雙相鋼組織調控及其抗變形行為分析[J]．金屬學報，2012， 48(03)： 298-306．

［8］李洋，張偉衛，吉玲康，等．屈強比對X80鋼性能的影響[J]．機械工程材料，2010，34(10)：31-35．

［9］馮耀榮．影響油氣管道安全性的材料因素[M]．北京：石油工業出版社，2007．

［10］SUZUKI N， OMATA K.Advances in high-performance linepipes with respect to strength and deformability[C]∥Proceedings Pipeline Technology Conference.Yokohama：[s.n.]， 2002： 188-273．

Strain-hardening Performance Analysis of X90 SAWL Pipes

CHEN Xiaoli1，2，3,HUO Chunyong2，3,LI He2，3,LI Yanhua2，3,ZHANG Jiming2，3,JI Lingkang2，3
(1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China；2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China；3.Key Laboratory of Petroleum Pipe Project of CNPC,Xi’an 710077,China)

The static tensile tests were conducted for X90 SAWL pipes produced by different China domestic manufacturers,and the strain-hardening performance of pipeline steel was analyzed.The results indicated that the tensile curve of X90 SAWL pipes has no significant yield platform,it belongs to the typical Round house curve.The double logarithmic curve of the true stress and strain cannot approximate to a straight line within the whole scope,in the plastic deformation area not completely comply with Hollomon formula,not with determined strain-hardening indexes.But the strain-hardening indexes of X90 pipes has three stages,the first and third stages are with determined strain-hardening indexes(marked as n1and n2),and n1is less than n2.Under the condition of ignoring the non-uniformity of samples and the experimental error,the uniform elongation(UEL)and strain-hardening indexes respectively shows a downward trend with the increase of yield ratio.

welded pipe;X90 steel;static tensile test;yield ratio;uniform elongation;strain-hardening index

TG113.25

A

1001－3938（2015）04-0011-04

陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目（項目編號：2011JQ6017）。

陳曉莉（1986—），女，西安交通大學材料科學與工程學院碩士生。

2014-12-18

謝淑霞