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

作者：赵金兰,杨东升,王增辉

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

前言

试验材料与方法

拉伸试验结果

拉伸试验结果分析

-----屈服强度

-----抗拉强度

-----屈服比

-----断后伸长率

结论

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。

关键词：直缝埋弧焊管,拉伸性能,板状试样,圆棒试样,大壁厚、直缝钢管。

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
横向	圆棒	直径x标距：12.7x50.8
纵向	板状	宽度X标距：38.1x50.8
纵向	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R_t0.5、抗拉强度R_m、伸长率A以及屈强比R_t0.5/R_m。

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
取样方向	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
取样方向	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。

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