高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規律研究和分析*

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(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規律研究和分析*

許曉鋒，秦長毅，梁明華，李娜，藺衛平，李記科

(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

針對高強度管線鋼拉伸試驗伸長率換算遇到的問題，選用多種高強度管線鋼材料對其拉伸試驗伸長率變化規律進行了研究，對大量拉伸試驗數據進行了統計分析。試驗結果表明，基于碳素鋼和低合金鋼舊材料建立的Oliver公式仍適用于高強度管線鋼，但材料系數有所變化。建立了X65～X90鋼級管線鋼拉伸試驗伸長率變化公式及50 mm固定標距高強度管線鋼伸長率變化公式。根據新的材料系數和公式對伸長率要求值和試驗值進行了比對分析，給出了更加合理的技術要求。

高強度；管線鋼；伸長率；變化規律；Oliver公式

0 引 言

拉伸試驗伸長率是反映材料塑性的重要指標，對工程安全有一定的影響[1]。關于高強度管線鋼小尺寸試樣拉伸試驗伸長率的技術要求，現行管線鋼管產品標準和拉伸試驗方法標準存在一些問題[2]，影響了標準的執行和產品質量的評判。

文獻[2]選用多種X80管線鋼材料對其拉伸試驗伸長率變化規律進行了研究。試驗結果表明，基于碳素鋼和低合金鋼舊材料建立的Oliver公式仍適用于X80高強度管線鋼，但材料系數不同。由于試驗數據有限，獲取的材料系數(0.69)可信度不夠高。為進一步論證Oliver公式對于高強度管線鋼的適用性并計算更準確的材料系數，探討更合理的伸長率技術要求，本文進行了深入研究和分析。

1 研究內容

隨機選取10個高強度管線管拉伸試驗樣品，測量并計算不同標距對應的伸長率值，進一步論證Oliver公式對于高強度管線鋼的適用性。

基于力學試驗積累的大量試驗數據，建立高強度管線鋼拉伸試驗伸長率數據庫，統計分析X65、X70、X80和X90高強度管線鋼伸長率公式的材料系數。

結合標準要求，計算并確立高強度管線鋼50 mm固定標距伸長率變化規律公式，對比分析要求值與試驗值的差異，給出更合理的標準技術要求建議。

2 結果及分析

2.1 Oliver公式適用性

隨機選取試樣的測量結果和分析結果見表1，試樣不同標距對應伸長率值的擬合情況如圖1所示。

表1 試樣不同標距對應斷后標距及其關系

圖1 試樣不同標距對應伸長率值的擬合曲線

從分析結果來看，單個試樣伸長率值擬合曲線的線性相關系數都接近1.0，說明其伸長率的變化規律完全符合Oliver公式。隨機選取的試樣屈服強度從656 MPa到740 MPa，抗拉強度從748 MPa到884 MPa，其強度級別覆蓋了X80、X90和X100。可見，Oliver公式在高強度管線鋼方面具有普遍適用性。

2.2 不同鋼級材料Oliver公式

為獲得不同強度等級管線鋼更為準確的材料系數，需要對大量試驗數據進行統計分析?；诹W試驗積累的大量試驗數據，建立了高強度管線鋼拉伸試驗伸長率數據庫，本文對數據庫中2 965條試驗數據進行了分析，統計分析結果如圖2所示，統計分析數據見表2。

從圖2和表3的統計分析結果來看，擬合曲線的線性相關系數較高，各鋼級材料整體分析的相關系數都在0.94左右，結果比較理想。由此建立各鋼級材料的伸長率變化公式見式(1)～式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

各鋼級管線鋼的材料系數不盡相同，由此可見，伸長率值與材料強度級別、試樣橫截面積和標距長度有關。API Spec 5L標準拉伸試驗要求給出的固定標距伸長率計算公式也說明這一點。API標準中為便于試樣結果的比較，規定測量試樣50 mm標距長度的伸長率值，并給出了計算公式，見公式(5)。

(5)

將新建立的公式與公式(5)進行比較，我們發現公式中與試樣橫截面積相關的指數存在明顯差異，這種差異的原因在下文進行了分析。

圖2 高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規律統計分析

表2 統計分析數據量及擬合曲線公式

2.3 50 mm固定標距伸長率變化規律

基于伸長率試驗數據庫，我們對高強度管線鋼50 mm固定標距伸長率的變化規律進行了分析。

根據公式(5)的表達關系，我們經過線性化處理得到：

logA=alog(S0)+blog(Rm)+logC

(6)

式中：A為斷后伸長率；S0為試樣原始橫截面積；Rm為材料抗拉強度；a、b為與橫截面積和強度有關的指數，C為與公式相關的常數。

擬合得到的數據見表3。

根據整體數據的分析，我們得到高強度管線鋼50 mm固定標距伸長率值百分數的計算公式為公式(7)所示。

(7)

實測值、現標準要求值和公式(7)擬合值的對比關系如圖3所示。

圖3 實測值、現標準要求值和新公式擬合值的比對

通過對比，我們能明確得出如下兩個結論：1)公式(7)擬合值很好地模擬了材料的真實性能；2)現標準要求值與實測值得差距較大，特別是板狀試樣，已不能很好地發揮控制材料性能的作用。那么，采用什么值作為該性能的技術要求呢？為反映該技術要求對材料性能的真實約束，建議應以公式(7)為基礎來確定合適的技術要求。當公式中強度值取最大抗拉強度時，得到一個相對較小的值，大部分試樣的試驗值會高于該值；若取小于1的倍數值，則更多的試樣可以滿足這個要求。本文針對X70鋼級產品，強度值分別取最大抗拉強度、0.95倍最大抗拉強度、0.9倍最大抗拉強度和0.85倍最大抗拉強度四種情況進行了分析，其中兩種情況如圖4所示。

圖4 取不同倍數最大抗拉強度時數據比較

分析的2 306個試驗數據，38.1 mm全壁厚板狀試樣有1 216個，直徑12.7 mm圓棒試樣有1 090個。當強度取最大抗拉強度時，板狀試樣中有43個試驗值低于此時的計算值，占比3.5%；棒狀試樣中有95個試驗值低于此時的計算值，占比8.7%。取0.95倍最大抗拉強度時，板狀試樣中有4個試驗值低于此時的計算值，占比0.3%；棒狀試樣中有32個試驗值低于此時的計算值，占比2.9%。取0.9倍最大抗拉強度時，僅棒狀試樣中有1個試驗值低于此時的計算值。取0.85倍最大抗拉強度時，所有試驗值不低于此時的計算值。

數據庫中數據來源于目前認為是合格的材料，因此認為將強度值確定為0.85倍最大抗拉強度并以此計算值作為標準技術要求是可以接受和合理的。綜上所述，高強度管線鋼拉伸試驗伸長率技術要求建議采用公式公式(7)進行計算，計算時公式中強度值取對應鋼級材料規定最大抗拉強度的0.85倍。

3 結 論

1)隨機選取多個試樣，開展了高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規律的補充試驗，試驗結果表明Oliver公式在高強度管線鋼方面具有普遍適用性。

2)基于力學試驗數據庫，對高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規律進行了統計分析，獲得了更準確反映X65、X70、X80和X90高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規律的Oliver公式。

3)確立了高強度管線鋼50 mm固定標距伸長率變化規律公式，并對試驗值和要求值進行了對比分析。發現標準現要求值太過寬松，不能真實反映材料性能并進行有效約束，而新擬合公式能很好地反映材料真實性能，因此提出建議以公式(7)為基礎來確定合適的技術要求。

[1] 束德林.金屬力學性能[M].北京機械工業出版社,1999:1-48.

[2] 許曉鋒,秦長毅,李 娜,等.X80高強度管線鋼拉伸試驗伸長率變化規律研究[J].焊管,2016,39(9):6-12.

StudyandAnalysisonTensileTestElongationVariationLawforHighStrengthPipelineSteel

XUXiaofeng,QINChangyi,LIANGMinghua,LINa,LINWeiping,LIJike

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an,Shaanxi710077,China)

In view of the tensile test elongation conversion proble ms for high strength pipeline steel, several kinds of high pipeline steel materials were selected to conduct the study on the tensile test elongation variation law, and a statistical analysis was carried out based on a great many test data. The tests results showed that Oliver formula, which was established based on old carbon steel and low alloy steel material, is still applicable to high strength pipeline steel but with different material coefficients. The tensile test elongation variation formulae for X65 to X90 high grade pipeline steels and the formula for high strength pipeline steel with a fixed 50 mm gauge length were established. The comparison between the test data and required data was analyzed according to the new material coefficient and formula, then a more reasonable revision suggestion for the standard was put forward.

high grade; pipeline steel; elongation; variation law; Oliver formula

國家質檢公益性行業科研專項經費資助(編號：201510205-03)。

許曉鋒，男，1982年生，高級工程師，2007年畢業于中國石油大學(華東)材料加工工程專業，現主要從事石油管材標準化工作。E-mail: xuxiaofeng009@cnpc.com.cn

TE973.1

A

2096-0077(2017)05-0027-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.007

2017-03-22編輯葛明君)