试样形式对X65/X70厚壁海底用直缝埋弧焊管拉伸试验结果的影响
北京隆盛泰科石油管科技有限公司,北京 100101
中国石油集团石油管工程技术研究院,西安 710065
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目录
-----屈服强度
-----抗拉强度
-----屈服比
-----断后伸长率
摘要：以JCOE成型的X65级直径762mm*30.2mm和X70级直径765.2mm*31.8mm钢管为例,对X65/X70厚壁海底用直缝埋弧焊钢管管体横向和纵向拉伸试验进行了对比,分析了板状试样和圆棒试样对管体拉伸试验结果的影响。结果表明：试样形式对抗拉强度的影响较小,横向圆棒试样的屈服强度、屈强比均明显高于横向板状试样；纵向圆棒试样的屈服强度、屈强比均明显低于纵向板状试样。
前言
随着现代社会的发展,人们对天然气的需求快速增长,从面加快了海底油气管道建设的步伐。由于海底油气输送要求的承压能力较大,因此,海底管线用钢管向大壁厚高钢级方向发展。目前,国内试制的海底管线用钢管壁厚可达31.8mm,钢级为X70。
在钢管的理化性能试验中,拉伸性能是其最基本的性能指标。针对拉伸试样形式对钢管拉伸性能的影响,国内处专家学者曾进行了不同程度的研究。而对X65/X70大壁厚海底用直缝埋弧焊钢管,试样形式对其拉伸性能的影响是本研究的重点。
1试验材料与方法
试验用钢管为大壁厚直缝埋弧焊接钢管,其成型方式为JCOE,规格分别为X65级直径762mmx30.2mm和X70级直径765.2mmx31.8mm。试验执ASTM A370-2009标准,设备为MTS810-15和SHT4106材料试验机。钢管拉伸试验取样为距焊缝180度管体横向（垂直于钢管轴线方向）、纵向（平行于钢管轴线方向）的板状试样、圆棒试样。拉伸试验取样位置、试样形状及尺寸见表1。
表1 拉伸试验取样位置、试样形状及尺寸
| 取样方向 | 试样形状 | 试样尺寸/（mmxmm） |
| 横向 | 板状 | 宽度X标距：38.1x50.8 |
| 圆棒 | 直径x标距：12.7x50.8 | |
| 纵向 | 板状 | 宽度X标距：38.1x50.8 |
| 圆棒 | 直径x标距：12.7x50.8 |
2 拉伸试验结果
钢管主要拉伸试验指标包括屈服强度Rt0.5、抗拉强度Rm、伸长率A以及屈强比Rt0.5/Rm。
对X70级直径765.2mmx31.8mm钢管取6组试样,分别进行了拉伸试验,结果见图2和表3。
表2 X65级直径762x30.2mm管体拉伸试验结果
| 取样方向 | 板状试样平均值 | 圆棒试样平均值 | ||||||
| Rt0.5/MPa | Rm/MPa | Rt0.5/Rm | A/% | Rt0.5/MPa | Rm/MPa | Rt0.5/Rm | A/% | |
| 横向 | 536 | 627 | 0.86 | 55 | 570 | 615 | 0.93 | 26 |
| 纵向 | 549 | 611 | 0.90 | 53 | 532 | 603 | 0.88 | 25 |
表3 X65级直径762x30.2mm管体拉伸试验结果
| 取样方向 | 板状试样平均值 | 圆棒试样平均值 | ||||||
| Rt0.5/MPa | Rm/MPa | Rt0.5/Rm | A/% | Rt0.5/MPa | Rm/MPa | Rt0.5/Rm | A/% | |
| 横向 | 530 | 637 | 0.84 | 53.5 | 579 | 624 | 0.93 | 25 |
| 纵向 | 553 | 609 | 0.91 | 53 | 525 | 590 | 0.89 | 24 |
3 拉伸试验结果分析
3.1屈服强度
横向板状试样采用全壁厚展平试样,横向圆棒试样的直径为12.7mm。
横向板状试样虽然能代表钢管全壁厚,但试样在加工过程中经过展平,外表面存在压应力,内表面存在拉应力,势必会造成包申格效应,使得板状试样的屈服强试低于实际屈服强度。同时加工过程中存在加工硬化现象,试样在塑性变形时,晶粒发生滑移,出现位错的缠结,使晶粒拉长,破碎和钎维化,试样产生了残余应力大于加工硬化效应,因而测得的横向板状的屈服强度值低于实际值。
横向圆棒试样是从壁厚为31.8mm或30.2mm中切削加工而成。圆棒取自钢管壁厚中心,圆棒仅代表壁厚中心部份的拉伸性能。钢管壁厚越大,圆棒试样越趋近壁厚中心,偏离钢管表面。制样过程中同样存在冷剪时产生的加工硬化区。
由表2、表3可知,横向圆棒试样的屈服强度值明显高于板状试样,X65级直径762mmx30.2mm钢管所取试样的屈服强度平均高34MPa；X70级直径765mmx31.8mm钢管所取试样的屈服强试平均高49MPa。
纵向板状试样采用全壁厚试样,未展平；纵圆棒试样的直径为12.7mm。纵向全壁厚板状试样未展平,其拉伸性能代表全壁厚钢管拉伸性能,且不存在包申格效应,因此测试值基本等于实际屈服强度值。纵向圆棒试样同横向圆棒试样,是从壁厚31.8mm或30.2mm中切削加工而成,不能代表全壁厚钢管拉伸性能,仅代表钢管壁厚中心的拉伸性能。
纵向板状试样的屈服强度高于纵向圆棒状试样,X65级直径762mmx30.2mm钢管所取试样的屈服强度平均高17MPa；X70级直径765.2mmx31.8mm钢管所取试样的屈服强度平均高28MPa。
同时从横向板状、圆棒试样的对比可以看出,钢级越高,试样类别的差异越大。纵向也是如此
3.2 抗拉强度
对板状、圆棒试样的抗拉强度进行对比分析,可以发现试样类型对抗拉强度的影响汉有对屈服强度的影响显著,其规律也不同于屈服强度。横向板状试样的抗拉强度高于横向圆棒试样,纵向板状试样的抗拉强度也高于纵向圆棒试样。
由表2、表3可知,X65级直径762mmx30.2mm钢管横向板状试样的抗拉强度平均高于圆棒试样抗拉强度12MPa,纵向板状试样的抗拉强度平均高于圆棒试样抗拉强度8MPa；X70级直径765.2mmx31.8mm钢管横向板状试样的抗拉强度平均高于圆棒试样13MPa,从向板状试样的抗拉强度平均高于圆棒试样19MPa。
3.3 屈服比
屈服比的对比结果类似于屈服强度,即横向圆棒试样的屈强比明显高于横向板状试样,纵向板状试样的屈服比明显高于纵向圆棒状试样。
屈服比越趋近1,加工硬化程度越低。横向圆棒试样的屈强比较高,表明圆棒试样的加工硬化低于板状试样,再次说明了横向板状试样拉伸性能与实际值相差较大；纵向向板状试样的屈强
比略高于圆棒试样,表明纵向加工中圆棒试样中存在较大于板状试样的加工硬化。
由表2、表3可知,X65级直径762mmx30.2mm钢管横向板状试样的屈强比平均低于圆棒试样0.07,纵向板状试样的屈强比略高于圆棒试们的屈强比,平均高0.02；X70级直径765.2mmx31.8mm钢管横向板状试样的屈强比平均低于圆棒试样0.09,纵向板状试样的屈强比略高于圆棒试样的屈强比,平均高0.02。由此数据也可得知横向板状试样与圆棒试样对比差值显著。
3.4断后伸长率
断后伸长率A是反映金属材料塑性的一个重要指标,其数值越大,表示金属材料的塑性也越好。
本研究中拉伸试验板状式试样尺寸为38.1mmx50mm(宽度x标距),属于非比例试样,而圆棒试样尺寸为直径12.7mmx50mm（直径x标距）,属于比例试样。由于这两种试样的类型不同,伸长率不能直接对比。
4 结论
（1）试样形式对抗拉强度的影响较小。
（2）横向圆棒试样的屈服强度、屈强比均明显高于横向板状试样。
（3）纵向圆棒试样的屈肥强度、屈强比均明显低于纵向板状试样。
河北龙马钢管制造股份有限公司
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