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管线钢管拉伸试验的研究孙宏渊中国石油集团渤海装备钢管制造公司袁河北青县062658冤摘要院介绍了近年来采用各种拉伸试样测试管线钢管周向拉伸性能的试验方法遥研究发现矩形试样对钢管的拉伸性能有一定程度的低估袁圆棒试样的屈服强度值要高于相对应的矩形试样袁且接近于环胀试样测得的值袁特别是当钢管经过水压试验后袁矩形试样和圆棒试样的抗拉强度差异不大遥拉伸试验方法及取样时钢管工序的不同袁影响到钢管管体横向屈服强度检测结果遥关键词院管线钢管曰拉伸试验曰矩形试样曰圆棒试样曰环胀试样中图分类号院TE973文献标识码院A文章编号院1001-2311渊2009冤03-0056-03StudiesonTensileTesttoSteelLinepipeSunHong渊BohaiEquipmentSteelPipeManufactureCo.袁CNPC袁Qingxian062658袁China冤Abstract院Introducedintheessayarethetestmethodswithaverietyoftestspecimensforcircumferentialtensilepropertiesofsteellinepipes袁whichhavebeenusedovertherecentyears.Itisidentifiedthatwiththerectangularspecimen袁thetensilepropertiesareunder-evaluatedincertainextent袁whiletheyieldstrengthvalueasdeterminedwiththeroundbarspecimenisgreaterthanthatfromthecorrespondentrectangularspecimen袁andmoreover袁theresultofthetestwithroundbarspecimenisratherclosetotheyieldstrengthvaluefromthetestwiththering-expansionspecimen.Alsoidentifiedisthatthetensilestrengthvaluesfromtestswiththetwodifferentspecimensarebarelydifferentiatedfromeachother袁whenthesteeltubehasundergoneinspectionprocessessuchashydrostatictest.Thetransversalyieldstrengthofthetubeasdeterminedbythetestisinfluencedbyboththetensiletestmethodaschosen袁andtheoperationprocessthetubeisundertaking袁whensamplingisconductedthereupon.Keywords院Steellinepipe曰Tensiletest曰Rectangularspecimen曰Roundbarspecimen曰Ring-expansionspecimen0引言国内外在对石油天然气输送钢管的研究中发现袁采用钢管产品规范所规定的不同类型拉伸试样及试验方法对试验结果有一定程度的影响袁影响程度的大小又与各种因素有关袁并且具有一定的规律性遥这些研究对于石油天然气输送钢管逐步向高钢级尧大壁厚方向发展具有重要意义遥1钢管拉伸试验方法以APISpec5L-2004尧CSAZ245.1-2007标准为例袁对于椎219.1mm渊8.625in冤以上的钢管要求测定管体横向试样的拉伸性能袁以代表钢管的周向拉伸性能袁并且规定了3种试验方法院淤取矩形试样冷压平后测屈服强度及抗拉强度曰于取圆棒试样测屈服强度及抗拉强度袁要求在不允许压平的管段上截取曰盂采用液压环胀试验法测定屈服强度袁试样为全截面环形袁用其他方法测抗拉强度和断后伸长率遥ASTMA370-2005在标准附录A2钢管产品中规定了液压环胀试验方法遥矩形试样与环胀试样均能代表钢管的整个壁厚袁圆棒试样不能代表钢管的整个壁厚袁由于钢管管径和壁厚的限制袁只能适用于大壁厚尧大直径钢管遥液压环胀试验方法则最接近钢管的实际状况遥孙宏渊1974-冤袁男袁工程师袁工程硕士袁从事石油输送钢管试验技术工作遥杂栽耘耘蕴孕陨孕耘Jun援圆园园9袁灾燥造援猿8袁晕燥援3钢管圆园园9年6月第猿8卷第3期562国内外研究现状2.1矩形试样与圆棒试样拉伸试验方法国外对于试样类型对高钢级管线钢拉伸试验结果的影响的研究较早遥总体而言袁对于钢级较低的管线钢采用矩形试样与圆棒试样测得的屈服强度值差异不明显袁但对于高强度管线钢则有比较明显的差异曰所有钢级采用这两种试样类型测得的抗拉强度均无明显差异遥对X70以下钢级袁用矩形试样测得的屈服强度基本上等于用圆棒试样测得的袁对X80钢级而言袁用矩形试样测得的屈服强度比圆棒试样的约低50MPa袁对X100钢级则约低100MPa咱1-3暂遥国内针对X65耀X80钢级直缝埋弧焊管和螺旋埋弧焊管进行的相关研究得出了类似的规律咱4-5暂遥文献咱1暂的试验结果覆盖了UOE直缝埋弧焊管尧高频电焊钢管尧螺旋埋弧焊管及热轧无缝钢管袁钢级为X52耀X100遥但是袁如果在水压试验后取样进行管体横向拉伸试验袁即使是在屈服强度为500MPa时采用圆棒试样袁得到的屈服强度结果也比矩形试样得到的值明显高袁对于囟762mm伊15.6渊16.2冤mm螺旋埋弧焊管袁屈服强度约高30MPa袁而抗拉强度无明显差异咱6暂袁如图1所示遥静水压试验过程造成了X65钢级螺旋焊管管体圆周外表面的应力应变曲线明显圆滑渊采用矩形试样冤咱7暂袁根据X80钢级螺旋焊管试验结果袁经过水压试验工序后袁对于圆棒试样管体横向屈服强度值差别高达40MPa袁部分钢管的拉伸应力-应变曲线甚至出现屈服平台遥如果进一步模拟钢管的内外防腐工序袁即在240益加热钢管袁差异值还要增大咱6暂遥对于X80/X100直缝埋弧焊管袁在250益加热300s袁采用矩形试样进行拉伸试验的应力-应变曲线由圆滑形状转变为平台形状袁屈服强度和屈强比上升遥2.2环胀试验方法国内外均采用环胀试验方法测试钢管的周向屈服强度遥环胀试验方法采用巴洛渊Barlow冤公式计算钢管周向屈服强度遥S=PD/2t渊1冤式中袁S为由内压产生的钢管周向单位应力袁MPa曰P为内部静态压力袁MPa曰D尧t分别为钢管的直径尧壁厚袁mm遥对于X65钢级囟610mm伊7.1mm螺旋埋弧焊钢管袁采用环胀试验方法测得的屈服强度比矩形试样得到的结果要高5耀23MPa咱7暂遥对于X70钢级而言袁环胀试验方法测得的屈服强度比圆棒试样和矩形试样测得的结果要高一些袁并且圆棒试样测得的结果更接近于环胀试样测得的结果咱6暂袁如图2所示遥对于X100钢级袁圆棒试样测得的屈服强度非常接近于环胀试样测得的结果咱8暂袁而环胀试验方法测得的结果被认为最接近钢管屈服强度的野真实值冶遥2.3其他试验方法为了确定钢管周向真实屈服强度值袁在不具备液压环胀试验装置的情况下袁可利用钢管的静水压试验方法测钢管的屈服强度袁其原理是测试钢管在静水压试验时的周向应变及密闭在钢管内的压力袁根据环胀试验所用的公式计算出屈服强度Rt0.5值遥静水压试验方法与环胀试验方法的区别是前者存在端面约束袁而后者则没有这种约束遥静水压试验方法包括环链法和电阻应变片方法袁其中环链法测得的是钢管周长的平均应变值袁而电阻应变片法测得的是钢管局部值遥两种方法测得的钢管屈服强度均明显高于矩形试样测得的钢管管体屈服强度咱X65钢级囟610mm伊7.1渊8.7冤mm螺旋焊钢管暂遥但是使用该方法测得的屈服应力是轴向应力与环向应力共同作用的结果袁并不是材料本身的力学性能指标咱7暂遥图1水压试验后取样测得的屈服强度与抗拉强度咱6暂图2矩形试样尧圆棒试样及环胀试样的屈服强度对比咱9暂孙宏院管线钢管拉伸试验的研究钢管圆园园9年6月第猿8卷第3期573分析与讨论产生这些差异的原因可归结为金属材料的包辛格效应袁即金属材料经过预先加载产生少量塑性变形渊1%耀4%冤袁再同向加载袁其弹性极限和屈服强度升高曰反向加载袁弹性极限和屈服强度降低咱9暂遥大量实验研究均发现袁钢管的屈服强度变化并不是随着预应变的增大渊减小冤而增加渊降低冤袁而是存在一个临界点袁其变化曲线具有最高点渊或最低点冤袁而该最高点渊最低点冤因钢级的不同而不同咱10-12暂遥圆棒试样与矩形试样的差别是由于矩形试样在冷压平过程中材料产生了弯曲变形袁这种弯曲变形具有类似于正反向加载的特性渊即包辛格效应冤袁而圆棒试样没有压平过程袁所以其屈服强度要高于矩形试样遥水压试验过程对钢管管体横向屈服强度的影响袁是由于钢管内压力使钢管周向产生应变造成的遥目前的油气输送钢管规范大多规定了大约90%或95%SMYS的静水压试验压力袁在钢管的周向会产生一定程度的应变遥对于采用JCOE与UOE等成型方式生产的直缝焊管袁其扩径过程也会在钢管的周向产生应变袁再与静水压试验造成的应变相叠加袁可能比通常不进行钢管全长扩径的螺旋钢管的应变大遥具体的应变大小可通过本文2.3节中介绍的方法测得袁另外袁还要考虑钢管成型焊接后残余应力的大小遥模拟试验中钢管内外防腐的加热工序产生应变时效引起管体横向屈服强度和屈强比上升遥根据螺旋焊接钢管的试验结果袁不同的拉伸试验方法及不同的制造工序对钢管管体横向拉伸性能渊主要是屈服强度冤有一定的影响遥当采用矩形试样时袁取样时所处的制造工序对管体横向屈服强度影响不大袁而当采用圆棒试样时袁取样时所处的制造工序对管体横向屈服强度影响较明显遥在钢管静水压试验以及模拟钢管内外防腐工序的时效热循环后分别取样试验袁采用圆棒试样测得的屈服强度值要明显高于矩形试样所得的值袁但稍低于液压环胀试验得到的屈服强度值遥4结论渊1冤采用圆棒试样得到的管体横向屈服强度要高于矩形试样得到的值袁特别是在钢管水压试验工序后袁抗拉强度基本上不受试样类型或试验方法的影响遥渊2冤建议采用圆棒试样进行钢管管体横向拉伸试验袁当不能获取圆棒试样时最好采用液压环胀试验方法测定屈服强度值遥国内钢管行业应注意研发钢管液压环胀试验装置遥渊3冤经过钢管水压试验和模拟钢管涂层工序的时效热循环后袁钢管管体横向屈服强度有所提高遥通常在钢管制造的成型和焊接工序后取样测得的管体横向屈服强度袁相对于钢管最终实际屈服强度存在一定程度的低估遥建议在钢管水压试验后取样检测管体横向拉伸性能袁并且在钢管内外防腐工序后取样进行对比以确定钢管最终交货状态的性能遥5参考文献咱1暂GloverAlan.X80design袁constructionandoperation咱C暂椅ProceedingsofsymposiumonX80gradesteelandlinepipe.Beijing院咱s.n.暂袁2004:143原198.咱2暂KnaufG.Pipelinesafetyfullscalebehaviorofhighstrengthsteels咱C暂椅ProceedingsofsymposiumonX80gradesteelandlinepipe.Beijing院咱s.n.暂袁2004:229原243.咱3暂石川信行袁冈津光浩袁近藤丈.X80级管线钢的生产和应用咱J暂.焊管袁2005袁28渊3冤院43-49.咱4暂吉玲康袁谢丽华袁杨肃袁等援高钢级管线钢管试样形状对拉伸试验结果的影响咱J暂.石油机械袁2006袁34渊1冤院11-15.咱5暂孙宏援高钢级螺旋缝焊接钢管拉伸试样类型选择咱J暂.焊管袁2007袁30渊5冤院36-38.咱6暂ChenXiande袁CollinsLaurie袁HamadFathi袁etal.Theevolutionanddeterminationofmechanicalpropertiesduringthemanufacturingprocessofhighstrengthspi-rallyweldedpipe咱C暂椅