试样弯曲状态对X70级螺旋埋弧焊钢管拉伸强度的影响

孙文盛

(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院, 西安 710065; 2. 中国石油 宝鸡石油钢管有限责任公司, 宝鸡 721008)

试验技术与方法

试样弯曲状态对X70级螺旋埋弧焊钢管拉伸强度的影响

孙文盛1,2

(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院, 西安 710065; 2. 中国石油 宝鸡石油钢管有限责任公司, 宝鸡 721008)

对两种规格X70级螺旋埋弧焊钢管进行取样，对不同弯曲状态的试样进行了拉伸试验，分析了规定总延伸强度和抗拉强度随试样弯曲状态的变化趋势。结果表明：试样的弯曲状态对抗拉强度的影响较小，而对规定总延伸强度的影响较大；试样的弯曲程度越小，规定总延伸强度越大；试验前必须对板型试样进行展平，必要时可给予一定的预加载。最后，提出了工厂加工试样时对试样弯曲状态的控制要求。

X70级；螺旋埋弧焊钢管；弯曲状态；规定总延伸强度；抗拉强度

目前国内多条油气管线设计采用X70级螺旋埋弧焊钢管，由于钢板在生产钢管过程中受到压缩和拉伸变形，以及由塑性形变产生的内应力、加工硬化和包申格效应的影响[1]，导致钢管强度与原料卷板的相比发生了较大变化。API SPEC 5L-2013(45版)规定钢管的全壁厚横向矩形试样应展平[2]，在试样展平过程中，加工硬化和包申格效应也会对强度产生较大影响，但产品的最终交货是以钢管取样的拉伸试验结果为要求。笔者通过对不同规格的X70级螺旋埋弧焊钢管进行板样拉伸试验，研究了同种展平方式下不同平直情况对钢管强度的影响，以探讨板型试样加工时平直度的控制方法，规避加工过程带来的质量问题。

1 试验材料与试验方法

试验采用同一钢厂生产的X70级螺旋埋弧焊钢管，规格为φ914 mm×11.1 mm和φ1 016 mm×14.6 mm，化学成分见表1。依据API SPEC 5L-2013(45版)取样位置的规定，取钢管横向试样，分别测试规定总延伸强度Rt0.5和抗拉强度Rm。为了消除X70级钢管在展平过程中的回弹现象，降低反复展平过程中加工硬化和包申格效应对试验结果的影响[3]，试样加工采用两次压平和保压时间分别为5 s和10 s相配合的展平工艺，以控制试样的弯曲情况。

表1 钢管化学成分(质量分数)

拉伸试验在MTS5505型试验机上进行，试样采取长度400 mm、平行部分宽度38.1 mm、标距50 mm、厚度为钢管壁厚的非比例试样，为了减小试验过程对结果的影响，试验前需要对试验机及夹持过程产生的影响予以消除[4]。试样夹持前，将预加载力设为零，消除预加载对试样曲率的影响，为确保试样与夹头对中，利用设备上下钳口对中标尺对试样夹持过程进行校正。通过试验机丝杆的微动，使试样轴向处于自由对中状态，减小夹持和对中对试样曲率产生的影响。调整完成后，使用标距为50 mm的3542-050M-020-ST型Epsilon引伸计夹持试样平行部分的中部位置，并轻微晃动使其与试样表面贴紧，然后拔出定位销后进行拉伸试验。试样拉伸采用位移控制，数据采集全程拉伸速率为3 mm·min-1，试验温度为22 ℃。试样规格及加工方式见表2。

表2 试样规格及加工方式

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

拉伸试验结果见表3～4，可以看出，对于不同规格的板状拉伸试样，其规定总延伸强度Rt0.5和抗拉强度Rm有以下规律。

(1) 对于φ914 mm×11.1 mm钢管的拉伸试样，其规定总延伸强度随着试样弯曲程度的减小而逐渐增大，弧高0.3 mm时的规定总延伸强度与原始状态时的相差97 MPa；其抗拉强度亦随着试样弯曲程度的减小而逐渐增大，弧高0.3 mm时的抗拉强度与原始状态时的相差12 MPa。

表3 φ914 mm×11.1 mm钢管在不同弯曲状态下的强度

(2) 对于φ1 016 mm×14.6 mm钢管的拉伸试样，其规定总延伸强度也随着试样弯曲程度的减小而逐渐增大，弧高0.3 mm时的规定总延伸强度与原始状态时的相差42 MPa；其抗拉强度也随着弯曲程度的减小而逐渐增大，弧高0.3 mm时的抗拉强度与原始状态时的相差4 MPa。

表4 φ1 016 mm×14.6 mm钢管在不同弯曲状态下的强度

2.2 讨论

试验结果表明，两种规格的螺旋埋弧焊钢管板型试样通过展平后，其抗拉强度和规定总延伸强度随着弯曲程度的减小而逐渐增大，且增大幅度逐渐减小。

规定总延伸强度为总伸长为0.5%引伸计标距时的应力，在拉伸过程中引伸计夹持时，试样实际标距部分大于引伸计自身的标距[5]。随着载荷的增加，试验过程中记录了试样拉直过程中产生的应变，当引伸计变形达到0.5%时，试样本身的规定总延伸强度并未达到[6]，造成规定总延伸强度偏低。对于平行部分未展平的试样，管径越大试样本身的曲率就越小，试样本身的加工硬化影响相对较小，因此屈服偏差较展平试样的也就越小。试样本身越平直，试样拉直过程中引伸计变形就越小，规定总延伸强度测试值的主要贡献来源于试样本身，因此结果差异就越小。对比分析抗拉强度的试验结果，两种规格钢管在不同弯曲状态下的抗拉强度相差较小，最大相差12 MPa，这是由于抗拉强度是材料拉伸最大力值时的强度指标，差异主要来源于材料本身，弯曲状态对抗拉强度的影响较小。

试验采用的引伸计精度为0.5级，量程为10 mm，绝对误差为0.05 mm。在引伸计标距范围内，将夹持的弯曲部分近似看为圆弧段，达到引伸计精度等级上限时，计算得到弯曲部分的弧高为0.3 mm，示意图见图1。

图1 弧高计算示意图Fig.1 Schematic diagram of camber calculation

目前国内钢管螺旋焊管板型拉伸试样多采用非比例试样，试验多采用精度0.5级、量程10 mm的引伸计。对照试验结果和计算结果，同时考虑试验精度范围，在X70级螺旋埋弧焊钢管试样的加工过程中，试样引伸计标距部分的弧高控制在0.3 mm以下就能满足试验精度的要求。同时在试样夹持过程中，由于钳口作用力的存在，夹持过程会造成试样弯曲，引起结果偏差。为此，根据GB/T228.1-2010的规定，为了得到平直的试样和确保试样与夹头对中，可以施加不超过规定强度或预期屈服强度5%的预拉力[7]。

3 结论

(1) 对于X70级螺旋埋弧焊钢管，其抗拉强度主要决定于材料的本身，试样的弯曲状态对其影响较小；但其规定总延伸强度对试样夹持部分的弯曲状态较为敏感，试样的弯曲程度越小，规定总延伸强度越大。

(2) 加工试样时，试样应进行展平；使用精度等级0.5级、量程10 mm的引伸计进行试验时，引伸计标距部分的弧高应控制在0.3 mm以下；必要时试验过程应给予标准规定强度或预期规定总延伸强度5%的预拉力，以消除试样夹持过程中产生的弯曲。

(3) 采用钢管板状试样测定规定总延伸强度时，在保证标准要求的同时，试样加工平直控制要同时考虑展平和采用引伸计的影响，避免为了达到平直，反复压平引起的强度偏差。

[1] 韩秀林,李国鹏,张丽娜,等.X80直缝埋弧焊管制管前后拉伸性能的变化[J].焊管,2012,35(3):19-23.

[2] API SPEC 5L-2013 管线钢管规范[S].

[3] 孙宏.高钢级螺旋缝焊接钢管拉伸试样类型选择[J].焊管,2007,30(5):36-38.

[4] 张守斌,李红,苏洪英.管线钢规定总延伸强度Rt0.5的影响因素[J].理化检验-物理分册,2015,51(3):177-180.

[5] 熊庆人,霍春勇,申善颖.拉伸试样弯曲度对屈服强度测试值的影响[J].理化检验-物理分册,1998,34(1):12-14.

[6] 张群芳,侯永亮,谷峰.制样因素对X70管线钢规定总延伸强度Rt0.5的影响[J].理化检验-物理分册,2016,52(2):112-113.

[7] GB/T 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S].

Effect of Bending Condition of Specimens on the Tensile Strength of X70 Grade Spiral Submerged Arc Welded Steel Pipes

SUN Wensheng1,2

(1. College of Materials Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China; 2. CNPC Baoji Petroleum Steel Pipe Co., Ltd., Baoji 721008, China)

X70 grade spiral submerged arc welded steel pipes of two specifications were sampled, and the tensile tests were carried out on the specimens under different bending condition. The variation tendency of stipulated total extension strength and tensile strength with bending condition of specimens was analyzed. The results show that: the bending condition of the specimens had little influence on the tensile strength and great influence on the stipulated total extension strength; the less the bending degree of the specimens was, the larger the stipulated total extension strength was; the plate specimens should be flattened before testing, and could be given a certain preload if necessary. Finally, the control requirements of bending condition in the specimen processing were put forward for manufactories.

X70 grade; spiral submerged arc welded steel pipe; bending condition; stipulated total extension strength; tensile strength

10.11973/lhjy-wl201705004

2016-09-07

孙文盛(1983-)，男，工程师，主要从事金属材料理化检测工作，bsgsws@cnpc.com.cn

TG142.1+2; TG115.5+2

A

1001-4012(2017)05-0319-03