試樣彎曲狀態對X70級螺旋埋弧焊鋼管拉伸強度的影響

孫文盛

(1. 西安石油大學 材料科學與工程學院, 西安 710065; 2. 中國石油 寶雞石油鋼管有限責任公司, 寶雞 721008)

試驗技術與方法

試樣彎曲狀態對X70級螺旋埋弧焊鋼管拉伸強度的影響

孫文盛1,2

(1. 西安石油大學 材料科學與工程學院, 西安 710065; 2. 中國石油 寶雞石油鋼管有限責任公司, 寶雞 721008)

對兩種規格X70級螺旋埋弧焊鋼管進行取樣，對不同彎曲狀態的試樣進行了拉伸試驗，分析了規定總延伸強度和抗拉強度隨試樣彎曲狀態的變化趨勢。結果表明：試樣的彎曲狀態對抗拉強度的影響較小，而對規定總延伸強度的影響較大；試樣的彎曲程度越小，規定總延伸強度越大；試驗前必須對板型試樣進行展平，必要時可給予一定的預加載。最后，提出了工廠加工試樣時對試樣彎曲狀態的控制要求。

X70級；螺旋埋弧焊鋼管；彎曲狀態；規定總延伸強度；抗拉強度

目前國內多條油氣管線設計采用X70級螺旋埋弧焊鋼管，由于鋼板在生產鋼管過程中受到壓縮和拉伸變形，以及由塑性形變產生的內應力、加工硬化和包申格效應的影響[1]，導致鋼管強度與原料卷板的相比發生了較大變化。API SPEC 5L-2013(45版)規定鋼管的全壁厚橫向矩形試樣應展平[2]，在試樣展平過程中，加工硬化和包申格效應也會對強度產生較大影響，但產品的最終交貨是以鋼管取樣的拉伸試驗結果為要求。筆者通過對不同規格的X70級螺旋埋弧焊鋼管進行板樣拉伸試驗，研究了同種展平方式下不同平直情況對鋼管強度的影響，以探討板型試樣加工時平直度的控制方法，規避加工過程帶來的質量問題。

1 試驗材料與試驗方法

試驗采用同一鋼廠生產的X70級螺旋埋弧焊鋼管，規格為φ914 mm×11.1 mm和φ1 016 mm×14.6 mm，化學成分見表1。依據API SPEC 5L-2013(45版)取樣位置的規定，取鋼管橫向試樣，分別測試規定總延伸強度Rt0.5和抗拉強度Rm。為了消除X70級鋼管在展平過程中的回彈現象，降低反復展平過程中加工硬化和包申格效應對試驗結果的影響[3]，試樣加工采用兩次壓平和保壓時間分別為5 s和10 s相配合的展平工藝，以控制試樣的彎曲情況。

表1 鋼管化學成分(質量分數)

拉伸試驗在MTS5505型試驗機上進行，試樣采取長度400 mm、平行部分寬度38.1 mm、標距50 mm、厚度為鋼管壁厚的非比例試樣，為了減小試驗過程對結果的影響，試驗前需要對試驗機及夾持過程產生的影響予以消除[4]。試樣夾持前，將預加載力設為零，消除預加載對試樣曲率的影響，為確保試樣與夾頭對中，利用設備上下鉗口對中標尺對試樣夾持過程進行校正。通過試驗機絲桿的微動，使試樣軸向處于自由對中狀態，減小夾持和對中對試樣曲率產生的影響。調整完成后，使用標距為50 mm的3542-050M-020-ST型Epsilon引伸計夾持試樣平行部分的中部位置，并輕微晃動使其與試樣表面貼緊，然后拔出定位銷后進行拉伸試驗。試樣拉伸采用位移控制，數據采集全程拉伸速率為3 mm·min-1，試驗溫度為22 ℃。試樣規格及加工方式見表2。

表2 試樣規格及加工方式

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

拉伸試驗結果見表3～4，可以看出，對于不同規格的板狀拉伸試樣，其規定總延伸強度Rt0.5和抗拉強度Rm有以下規律。

(1) 對于φ914 mm×11.1 mm鋼管的拉伸試樣，其規定總延伸強度隨著試樣彎曲程度的減小而逐漸增大，弧高0.3 mm時的規定總延伸強度與原始狀態時的相差97 MPa；其抗拉強度亦隨著試樣彎曲程度的減小而逐漸增大，弧高0.3 mm時的抗拉強度與原始狀態時的相差12 MPa。

表3 φ914 mm×11.1 mm鋼管在不同彎曲狀態下的強度

(2) 對于φ1 016 mm×14.6 mm鋼管的拉伸試樣，其規定總延伸強度也隨著試樣彎曲程度的減小而逐漸增大，弧高0.3 mm時的規定總延伸強度與原始狀態時的相差42 MPa；其抗拉強度也隨著彎曲程度的減小而逐漸增大，弧高0.3 mm時的抗拉強度與原始狀態時的相差4 MPa。

表4 φ1 016 mm×14.6 mm鋼管在不同彎曲狀態下的強度

2.2 討論

試驗結果表明，兩種規格的螺旋埋弧焊鋼管板型試樣通過展平后，其抗拉強度和規定總延伸強度隨著彎曲程度的減小而逐漸增大，且增大幅度逐漸減小。

規定總延伸強度為總伸長為0.5%引伸計標距時的應力，在拉伸過程中引伸計夾持時，試樣實際標距部分大于引伸計自身的標距[5]。隨著載荷的增加，試驗過程中記錄了試樣拉直過程中產生的應變，當引伸計變形達到0.5%時，試樣本身的規定總延伸強度并未達到[6]，造成規定總延伸強度偏低。對于平行部分未展平的試樣，管徑越大試樣本身的曲率就越小，試樣本身的加工硬化影響相對較小，因此屈服偏差較展平試樣的也就越小。試樣本身越平直，試樣拉直過程中引伸計變形就越小，規定總延伸強度測試值的主要貢獻來源于試樣本身，因此結果差異就越小。對比分析抗拉強度的試驗結果，兩種規格鋼管在不同彎曲狀態下的抗拉強度相差較小，最大相差12 MPa，這是由于抗拉強度是材料拉伸最大力值時的強度指標，差異主要來源于材料本身，彎曲狀態對抗拉強度的影響較小。

試驗采用的引伸計精度為0.5級，量程為10 mm，絕對誤差為0.05 mm。在引伸計標距范圍內，將夾持的彎曲部分近似看為圓弧段，達到引伸計精度等級上限時，計算得到彎曲部分的弧高為0.3 mm，示意圖見圖1。

圖1 弧高計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of camber calculation

目前國內鋼管螺旋焊管板型拉伸試樣多采用非比例試樣，試驗多采用精度0.5級、量程10 mm的引伸計。對照試驗結果和計算結果，同時考慮試驗精度范圍，在X70級螺旋埋弧焊鋼管試樣的加工過程中，試樣引伸計標距部分的弧高控制在0.3 mm以下就能滿足試驗精度的要求。同時在試樣夾持過程中，由于鉗口作用力的存在，夾持過程會造成試樣彎曲，引起結果偏差。為此，根據GB/T228.1-2010的規定，為了得到平直的試樣和確保試樣與夾頭對中，可以施加不超過規定強度或預期屈服強度5%的預拉力[7]。

3 結論

(1) 對于X70級螺旋埋弧焊鋼管，其抗拉強度主要決定于材料的本身，試樣的彎曲狀態對其影響較小；但其規定總延伸強度對試樣夾持部分的彎曲狀態較為敏感，試樣的彎曲程度越小，規定總延伸強度越大。

(2) 加工試樣時，試樣應進行展平；使用精度等級0.5級、量程10 mm的引伸計進行試驗時，引伸計標距部分的弧高應控制在0.3 mm以下；必要時試驗過程應給予標準規定強度或預期規定總延伸強度5%的預拉力，以消除試樣夾持過程中產生的彎曲。

(3) 采用鋼管板狀試樣測定規定總延伸強度時，在保證標準要求的同時，試樣加工平直控制要同時考慮展平和采用引伸計的影響，避免為了達到平直，反復壓平引起的強度偏差。

[1] 韓秀林,李國鵬,張麗娜,等.X80直縫埋弧焊管制管前后拉伸性能的變化[J].焊管,2012,35(3):19-23.

[2] API SPEC 5L-2013 管線鋼管規范[S].

[3] 孫宏.高鋼級螺旋縫焊接鋼管拉伸試樣類型選擇[J].焊管,2007,30(5):36-38.

[4] 張守斌,李紅,蘇洪英.管線鋼規定總延伸強度Rt0.5的影響因素[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(3):177-180.

[5] 熊慶人,霍春勇,申善穎.拉伸試樣彎曲度對屈服強度測試值的影響[J].理化檢驗-物理分冊,1998,34(1):12-14.

[6] 張群芳,侯永亮,谷峰.制樣因素對X70管線鋼規定總延伸強度Rt0.5的影響[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(2):112-113.

[7] GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法[S].

Effect of Bending Condition of Specimens on the Tensile Strength of X70 Grade Spiral Submerged Arc Welded Steel Pipes

SUN Wensheng1,2

(1. College of Materials Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China; 2. CNPC Baoji Petroleum Steel Pipe Co., Ltd., Baoji 721008, China)

X70 grade spiral submerged arc welded steel pipes of two specifications were sampled, and the tensile tests were carried out on the specimens under different bending condition. The variation tendency of stipulated total extension strength and tensile strength with bending condition of specimens was analyzed. The results show that: the bending condition of the specimens had little influence on the tensile strength and great influence on the stipulated total extension strength; the less the bending degree of the specimens was, the larger the stipulated total extension strength was; the plate specimens should be flattened before testing, and could be given a certain preload if necessary. Finally, the control requirements of bending condition in the specimen processing were put forward for manufactories.

X70 grade; spiral submerged arc welded steel pipe; bending condition; stipulated total extension strength; tensile strength

10.11973/lhjy-wl201705004

2016-09-07

孫文盛(1983-)，男，工程師，主要從事金屬材料理化檢測工作，bsgsws@cnpc.com.cn

TG142.1+2; TG115.5+2

A

1001-4012(2017)05-0319-03