基于小厚度小沖桿試驗的管道鋼力學性能表征

方迎潮 祖毅真 曹宇光 李旭陽 韓雷

摘要：為解決常規力學性能測試手段無法對高鋼級管道局部區域材料的力學性能進行精細表征的問題，對小厚度試樣小沖桿試驗表征管道鋼材料力學性能的經驗關聯方法進行了研究。對不同鋼級管道鋼材料分別開展了單軸拉伸試驗與標準厚度試樣小沖桿試驗，通過兩者數據關聯得到了標準厚度試樣小沖桿試驗確定高鋼級管材屈服強度及抗拉強度的經驗公式。在此基礎上，以X80鋼為例開展了系列非標小厚度試樣小沖桿試驗，對經驗公式進行了厚度效應修正，最終形成了基于小厚度試樣小沖桿試驗的高鋼級管材力學性能表征方法，并進行了適用性驗證。研究結果表明：考慮厚度效應的力學性能經驗關聯公式對于不同批次的X80鋼非標小厚度試樣小沖桿試驗結果適用性良好；關聯所得屈服強度及抗拉強度與單軸拉伸試驗結果相比最大誤差分別為9.87%和5.61%，均滿足工程需求。研究結果可為不同高鋼級管材力學性能研究提供理論基礎與技術支撐。

關鍵詞：高鋼級管道；力學性能；小沖桿試驗；強度；經驗公式；厚度效應；屈服強度

0 引 言

高鋼級管道材料具有強度高、韌性好的優良特點，但由于管道輸送壓力不斷提高，且服役環境復雜多變，導致材料性能可能出現不均勻性，局部區域材料發生劣化甚至失效［1-2］。同時，焊接作為長輸油氣管道連接的主要手段，焊縫處容易出現未焊透、孔洞等焊接缺陷與熱影響區軟化現象，容易導致設備失效并引發安全事故［3-4］。因此，評價和預測管道當前性能和剩余壽命，以及精確表征焊接接頭處的力學性能至關重要。

高鋼級管道材料的力學性能一般通過標準力學性能試驗得到［5-6］，然而管道部分結構關注區域受其尺寸限制，無法為標準試驗提供足夠材料。同時，常規無損檢測方法只能檢測材料宏觀缺陷及組織變化，無法得到強度和斷裂韌度等力學性能參數［7-8］。為解決上述問題所開發的小沖桿試驗（Small Punch Test，SPT）［9-10］作為一種新型微試樣測試方法，能夠通過微小試樣獲得材料多種力學性能，已經逐步應用到受取樣限制而無法進行常規力學性能試驗的場合。研究人員在基于標準小沖桿試驗測試材料的彈性模量［11-12］、屈服強度［13-14］、抗拉強度［15-16］、韌脆轉變溫度［17］及斷裂韌度［18］等方面已經取得了一定成果。

標準小沖桿試樣（厚度為0.500 mm，直徑為10 mm的圓片）一般情況下可以從管道局部區域取樣，但部分特殊結構關注區域尺寸極其微小，力學性能梯度變化顯著，例如焊接接頭的焊縫、熱影響區等，通過標準厚度試樣進行小沖桿試驗無法實現材料力學性能的精細化表征。若開展小厚度試樣小沖桿試驗，則有望得到其局部的力學性能，解決上述問題。然而，現階段各個國家和地區相關試驗草案與標準中給出的小沖桿試驗表征材料力學性能的方法均由標準厚度試樣試驗結果得到，對于非標小厚度小沖桿試樣尚未形成系統研究。

針對上述問題，筆者首先對X65、X70及X80鋼級管道鋼材料分別開展單軸拉伸試驗與標準厚度試樣小沖桿試驗，根據測試結果擬合適用于高鋼級管道材料的標準厚度試樣小沖桿試驗，確定屈服強度及抗拉強度的經驗關聯公式。之后以X80鋼為研究對象，對厚度分別為0.450、0.400、0.350、0.300及0.250 mm的系列非標小厚度小沖桿試樣進行試驗，系統分析厚度效應對小沖桿試驗結果的影響。基于分析結果，對受厚度效應影響較大的抗拉強度經驗關聯公式進行修正，使其可用于非標小厚度試樣小沖桿試驗結果的處理。最后通過試樣厚度為0.200 mm的小沖桿試驗進一步驗證經驗公式對極小厚度試樣小沖桿試驗的適用性，并通過不同批次X80鋼驗證經驗公式對不同高鋼級材料的適用性。研究結果可為不同高鋼級管材力學性能研究提供理論基礎與技術支撐。

1 試驗材料與方法

試驗材料取自鋼級分別為X65、X70及X80管道的母材區域。根據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，從管材上使用電火花線切割圓棒形單軸拉伸試樣，標距段長度為50 mm，直徑為10 mm。同時從管材臨近位置取下直徑d為10 mm，厚度t0為0.700 mm的圓片形小沖桿試樣，使用砂紙對初加工后的試樣表面進行打磨，去除過熱影響區和加工硬化影響區，避免試樣含有裂紋和其他宏觀缺陷，最終制成不同厚度的小沖桿試樣。

單軸拉伸試驗通過萬能試驗機進行，使用位移加載控制，速率為2 mm/min，對于3種不同鋼級管材分別進行3組平行試驗以保證結果的準確性。小沖桿試驗通過自主研發的小沖桿試驗裝置進行，試驗裝置由上下夾具、沖頭及試樣4部分組成，如圖1所示。各部分裝置尺寸均根據GB/T 29459.1—2012《在役承壓設備金屬材料小沖桿試驗方法》要求設計，以此控制試驗過程中沖頭半徑r、下夾具倒角R、下夾具孔徑D等夾具尺寸以及各部件間的摩擦等可能影響試驗結果的因素。沖頭通過位移加載控制，速率為0.2 mm/min，利用載荷、位移傳感器分別記錄試驗過程中沖頭所受的載荷及試樣中心的位移數據，直至試樣發生斷裂，得到完整的小沖桿試驗載荷-位移曲線。每種材料及每種厚度試樣均進行3組平行試驗。

2 試驗結果及討論

2.1 標準小沖桿試驗確定屈服強度及抗拉強度

不同鋼級管材小沖桿試驗得到的典型載荷-位移曲線如圖2所示。圖2中曲線分為4個階段：彈性彎曲（Ⅰ）、塑性彎曲（Ⅱ）、薄膜伸張（Ⅲ）以及斷裂破壞（Ⅳ）階段。載荷-位移曲線上的一些特征參數可通過經驗關聯方法轉化為材料相應的力學性能參數，如屈服載荷Fp以及試樣承受的最大載荷Fmax等。其中，屈服載荷Fp根據GB/T 29459.2—2012《在役承壓設備金屬材料小沖桿試驗方法第2部分：室溫下拉伸性能的試驗方法》中所規定的雙切線法確定，即小沖桿載荷-位移曲線第Ⅰ階段斜率（切點u=0）和第Ⅲ階段斜率（切點u=t0）交點對應的曲線上的載荷值，如圖3所示。圖3中u表示位移。

不同管材單軸拉伸試驗所得屈服強度及抗拉強度性能參數如表1所示。以單軸拉伸試驗測得屈服強度Rp0.2及抗拉強度Rm為基準，作為縱坐標，以各組管材標準厚度試樣小沖桿試驗得到的屈服載荷Fp平均值及最大載荷Fmax平均值分別作為橫坐標，得到如圖4所示曲線。不同管材各種小沖桿試驗中的屈服載荷及最大載荷最大方差為13.23 N，說明各組試驗數據無明顯分散性。同時，由圖4可以看出，小沖桿試驗與單軸拉伸試驗結果對應數據之間存在著良好的線性關系。

分別處理圖5不同厚度試樣小沖桿試驗載荷-位移曲線，得到各自對應的屈服載荷與最大載荷，列于表2中。由表2可以看出，二者均隨試樣厚度減小而降低，厚度效應影響顯著，因此使用不同厚度試樣進行經驗關聯轉化時，經驗公式考慮厚度影響具有必要性。基于表2中不同厚度試樣的屈服載荷與最大載荷，利用經驗公式（3）與（4）關聯得到材料的屈服強度與抗拉強度，如表3所示。由表3可以看出，以0.500 mm厚度的標準試樣為基礎，隨試樣厚度逐漸減小，式（3）計算所得屈服強度與單軸拉伸試驗所得屈服強度值相比誤差逐漸增大，在厚度為0.250 mm時達到最大誤差10.95%。所有試樣結果均滿足工程需求，說明屈服強度經驗公式（3）對于X80鋼非標小厚度小沖桿試樣仍然具有適用性。

通過經驗公式（4）得到的不同厚度試樣確定的抗拉強度中，當試樣接近標準厚度時結果與單軸拉伸結果相比誤差較小，滿足工程需求。但隨著試樣厚度減小，結果誤差顯著增大，當試樣厚度減小至0.250 mm時誤差達到50.02%，已嚴重偏離單軸拉伸試驗結果，說明式（4）無法用于非標小厚度試樣小沖桿試驗測試高鋼級管材的抗拉強度，需要進一步修正。

2.3 抗拉強度經驗關聯公式修正

為對抗拉強度經驗關聯公式進一步修正，首先觀察小沖桿試樣厚度對現有經驗關聯公式所得抗拉強度的影響，取同一厚度小沖桿試樣最大載荷的平均值及使用式（4）所得抗拉強度的平均值，探究不同厚度試樣二者間的關聯關系，如圖6所示。

2.4 非標小厚度經驗公式適用性驗證

為了驗證式（3）和式（6）應用于高鋼級管材極小厚度試樣小沖桿試驗力學性能表征的準確性，進一步采用厚度0.200 mm（做了3組試驗，測量厚度分別為0.202 1、0.200 9和0.200 2 mm）的X80鋼試樣開展小沖桿試驗，載荷-位移曲線如圖7所示。

分別提取曲線中對應的屈服載荷與最大載荷，代入屈服強度關聯公式（3）及修正后的抗拉強度關聯公式（6），計算得到材料相應的屈服強度與抗拉強度，結果如表5所示。

與單軸拉伸試驗結果相比，式（3）計算得到的屈服強度誤差為12.98%，滿足工程需要。式（6）計算出的抗拉強度誤差為7.61%，遠小于修正前公式（4）計算結果的誤差50.02%，說明修正后的經驗公式可以用于處理極小厚度試樣小沖桿試驗結果，并且具有較高的準確性。

通過不同批次的X80鋼材料進一步驗證小厚度試樣經驗關聯公式的適用性。分別進行單軸拉伸試驗以及試樣厚度0.250～0.500 mm的小沖桿試驗，結果如表6所示。單軸拉伸試驗所得屈服強度與抗拉強度分別為589及685 MPa，不同厚度試樣小沖桿試驗結果通過式（3）及（6）得到的屈服強度、抗拉強度與拉伸試驗結果相比，最大誤差分別為9.87%和5.61%，進一步證明本文建立的屈服強度、抗拉強度經驗關聯公式對于非標小厚度試樣小沖桿試驗具有良好的適用性。

3 結論及認識

（1）將不同高鋼級管材標準厚度試樣小沖桿試驗結果中屈服載荷、最大載荷與單軸拉伸試驗結果進行關聯，擬合得到小沖桿試驗確定管道鋼材料屈服強度及抗拉強度的線性經驗公式，并進一步確定為以厚度平方項為自變量的形式。當小沖桿試樣厚度為0.250 mm時，應用經驗公式計算所得屈服強度與拉伸試驗結果相比最大誤差為10.95%，滿足工程需求，屈服強度經驗公式對于遠小于標準厚度試樣的小沖桿試驗具有良好的適用性。而抗拉強度計算結果最大誤差達到50.02%，需要進一步修正。

（2）根據X80鋼系列非標小厚度試樣小沖桿試驗結果中厚度效應的影響，提出了抗拉強度經驗公式的修正形式。當試樣厚度為0.250 mm時，修正后的抗拉強度計算結果誤差僅為6.21%。利用試樣厚度為0.200 mm的試驗結果對修正公式的準確性進行驗證，誤差為7.61%，修正后的抗拉強度經驗公式對于遠小于標準厚度試樣的小沖桿試驗具有良好的適用性。

（3）利用不同批次X80鋼對最終建立的屈服強度、抗拉強度公式進一步驗證，不同厚度試樣小沖桿試驗結果最大誤差分別為9.87%和5.61%，證明本文建立的基于小厚度試樣小沖桿試驗的高鋼級管材力學性能表征方法具有較高的準確性與適用性，有望應用于不同高鋼級管道特殊區域局部力學性能精細表征研究。

參考文獻：

［1］ 李睿，張琳，趙曉利，等．油氣長輸管道長期應變及位移監測［J］．石油機械，2016，44（6）：118-122．

LI R，ZHANG L，ZHAO X L，et al.Long-term strain and displacement monitoring of long-distance oil-gas pipeline［J］.China Petroleum Machinery，2016，44（6）：118-122.

［2］ 白冰潔，黃子川，杜國峰．沖擊載荷作用下埋地管道的破壞形態研究［J］．石油機械，2020，48（12）：146-152．

BAI B J，HUANG Z C，DU G F.Research on the failure mode of buried pipeline under impact load［J］.China Petroleum Machinery，2020，48（12）：146-152.

［3］ 高偉，楊帆．X65管線鋼焊接接頭耐腐蝕性能研究［J］．石油機械，2009，37（12）：1-4．

GAO W，YANG F.Research on the corrosion-resistant performance of the X65 pipeline steel welded sub［J］.China Petroleum Machinery，2009，37（12）：1-4.

［4］ 王宇，黃敏，呂祥鴻，等．表面納米化處理對X80管線鋼焊接接頭的影響［J］．石油機械，2009，37（1）：17-20，25．

WANG Y，HUANG M，LYU X H，et al.Influence of surface nano-erystallization on the welded joints of X80 pipeline steel［J］.China Petroleum Machinery，2009，37（1）：17-20，25.

［5］ 曹宇光，甄瑩，賀婭婭，等．基于裂紋尖端張開角含軸向穿透裂紋X80管道極限壓力預測［J］．中國石油大學學報（自然科學版），2017，41（2）：139-146．

CAO Y G，ZHEN Y，HE Y Y，et al.Prediction of limit pressure in axial through-wall cracked X80 pipeline based on critical crack-tip opening angle［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2017，41（2）：139-146.

［6］ 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果的影響［J］．石油機械，2006，34（1）：11-15．

JI L K，XIE L H，YANG S，et al.The effect of shape of high grade steel pipeline sample on tensile test result［J］.China Petroleum Machinery，2006，34（1）：11-15.

［7］ 張雪偉，陳金忠，康小偉，等．油氣管道劃痕非飽和漏磁檢測與識別［J］．石油機械，2022，50（3）：132-138．

ZHANG X W，CHEN J Z，KANG X W，et al.Unsaturated magnetic flux leakage detection and identification of scratches in oil and gas pipelines［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（3）：132-138.

［8］ 楊曉麗，趙弘，王維斌，等．基于響應面法的油氣管道磁化特征研究與退磁［J］．石油機械，2019，47（3）：111-117．

YANG X L，ZHAO H，WANG W B，et al.Magnetization characteristics of oil and gas pipeline and demagnetization［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（3）：111-117.

［9］ MANAHAN M P，ARGON A S，HARLING O K.The development of a miniaturized disk bend test for the determination of postirradiation mechanical properties［J］.Journal of Nuclear Materials，1981，104：1545-1550.

［10］ JANCˇA A，SIEGL J，HAUILD P，et al.Small punch test evaluation methods for material characterisation［J］.Journal of Nuclear Materials，2016，481：201-213.

［11］ 鄒曉慧．小沖桿試驗法評價材料力學性能的研究［D］．上海：華東理工大學，2012．

ZOU X H.Research of material mechanical properties by small punch testing［D］.Shanghai：East China University of Science and Technology，2012.

［12］ CHICA J C，DEZ P M B，CALZADA M P.Improved correlation for elastic modulus prediction of metallic materials in the Small Punch Test［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2017，134：112-122.

［13］ HHNER P，SOYARSLAN C，AKAN B C，et al.Determining tensile yield stresses from small punch tests：a numerical-based scheme［J］.Materials & Design，2019，182：107974.

［14］ 宋明，李旭陽，曹宇光，等．小沖桿試驗評估X80管線鋼的拉伸性能［J］．機械工程材料，2020，44（7）：74-78．

SONG M，LI X Y，CAO Y G，et al.Evaluating tensile properties of X80 pipeline steel by small punch test［J］.Materials for Mechanical Engineering，2020，44（7）：74-78.

［15］ 鐘繼如．基于混合粒子群算法的小沖桿試驗預測材料強度的研究［D］．上海：華東理工大學，2019．

ZHONG J R.Study on predicting material strength using small punch test and hybride particle swarm optimization［D］.Shanghai：East China University of Science and Technology，2019.

［16］ 徐亮，馬東方，蔡紅生，等．基于小沖桿試驗技術測試P91鋼的強度［J］．機械工程材料，2016，40（9）：43-48．

XU L，MA D F，CAI H S，et al.Measuring strength of P91 steel based on small punch test technology［J］.Materials for Mechanical Engineering，2016，40（9）：43-48.

［17］ 周騰飛，關凱書．不同缺口形式小沖桿試樣測試3Cr1MoV鋼韌脆轉變溫度的對比［J］．機械工程材料，2018，42（12）：21-26．

ZHOU T F，GUAN K S.Comparison of ductile-brittle transition temperature testing of 3Cr1MoV steel with small punch specimens of different notch forms［J］.Materials for Mechanical Engineering，2018，42（12）：21-26.

［18］ 曹宇光，伍志明，司偉山，等．基于小沖桿試驗的X80管道鋼斷裂韌性研究［J］．中國石油大學學報（自然科學版），2020，44（5）：131-138．

CAO Y G，WU Z M，SI W S，et al.Study on fracture toughness of X80 pipeline steel based on small punch test［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2020，44（5）：131-138.

［19］ 韓浩，王志文，關凱書．小沖桿試驗技術測定金屬材料強度性能［J］．壓力容器，2004，21（10）：14-17．

HAN H，WANG Z W，GUAN K S.Toughness measurement of metal material by small punch test technology［J］.Pressure Vessel Technology，2004，21（10）：14-17.

［20］ CHICA J C，DEZ P M B，CALZADA M P.Development of an improved prediction method for the yield strength of steel alloys in the Small Punch Test［J］.Materials & Design，2018，148：153-166.

［21］ GARCA T E，RODRGUEZ C，BELZUNCE F J，et al.Estimation of the mechanical properties of metallic materials by means of the small punch test［J］.Journal of Alloys and Compounds，2014，582：708-717.

［22］ GARCA T E，RODRGUEZ C，BELZUNCE F J，et al.Effect of hydrogen embrittlement on the tensile properties of CrMoV steels by means of the small punch test［J］.Materials Science and Engineering：A，2016，664：165-176.