石油管材用拉伸试验标准对比分析*

2021-07-07梁明华何小东蔺卫平张华佳

石油管材与仪器 2021年3期

梁明华，何小东，蔺卫平，张华佳，李娜

(中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安 710077)

0 引言

金属拉伸试验是金属力学试验中最基础的试验。试验中的弹性形变、塑性形变、断裂等各阶段完全反映了材料抵抗外力作用的全过程[1]。拉伸试验可以获得材料的基本力学性能指标，如弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等。拉伸检验所得到的相关材料性能测试结果，对于材料选择、工艺设计、新产品研发、产品的采购和验收、材料的质量控制、产品的安全评价等都有不可替代的使用价值。

拉伸性能是衡量石油管材产品质量最重要的指标之一[2]。就油井管和输送钢管标准而言，各产品标准都对所涉及产品的力学性能提出了要求。如使用较多的美国石油学会标准API Spec 5L、API Spec 5CT和国家标准GB/T 9711、GB/T 19830等不仅规定了拉伸试验用标准，而且对拉伸试验用试样的尺寸提出了要求。目前，国外石油管产品标准引用的力学试验标准基本为ASTM A370[3]或ASTM E8/E8M[4]，国家石油管产品标准引用的力学标准还包括了GB/T 228.1—2010[5]，其修改采用ISO 6892-1:2009[6]。众多标准对拉伸试验的要求并不一致，这就给试验人员带来一定的困惑。由于各标准对试样尺寸均有相应要求，因此本文对上述经常使用的产品标准和拉伸试验标准的试样要求进行对比分析。同时对拉伸试验标准(GB/T 228.1、ASTM A370和ASTM E8/E8M)的试验要求进行了对比，以便于使用人对标准有清楚的认识，并在实际工作中正确地应用。

1 拉伸试样要求

石油管材拉伸试验用试样在产品标准和试验标准中均有要求。其中输送管标准API Spec 5L和GB/T 9711均规定了3种圆棒试样，标距长度内试样的规定直径分别为12.7 mm(0.500 in)、8.9 mm(0.350 in)和6.4 mm(0.250 in)；对于板状试样，API Spec 5L和GB/T 9711均要求符合ASTM A370标准，而GB/T 9711规定试样也可符合GB/T 228.1要求。油井管标准API Spec 5CT和GB/T 19830标准规定一致，规定了2种圆棒试样，标距长度内试样的规定直径分别为12.7 mm(0.500 in)和8.9 mm(0.350 in)，当管子规格太小而取不出8.9 mm(0.350 in)的试样时，不允许使用圆棒拉伸试样；这2项标准规定了3种条形(弧形截面)试样，标距长度内的宽度分别为38 mm(1.500 in)、25 mm(1.000 in)、19 mm(0.750 in)。

在ASTM A370、ASTM E8/E8M这2项试验标准中，对于棒状拉伸试样，都有5种常用的不同直径试样的规定。在英制单位中这几种直径的试样是一致的，而在公制单位中稍有不同。造成这一差异的原因是单位换算过程中产生的差异。我国的检验器具大部分使用的是公制计量单位。因此应用过程中大多以标准中的公制计量单位为准。对于试样的标距，ASTM A370中棒状拉伸试样的原始标距为4倍直径的长度，ASTME8/E8M中的E8部分也为4倍直径的长度。

GB/T 228.1与ASTM E8/8M及ASTM A370标准为2个不同的体系，试样截面尺寸大小、平行段长度比例都不一样，采用不同标准的试样会造成部分指标不能做横向对比。特别是断后伸长率这一定义，采用美标标距为4倍的试样直径，而采用国标则为5倍的试样直径，2种标准得出的断后伸长率不能进行比较。

对于石油管材用到的几种试样的平行段公差，ASTM A370和ASTM E8/E8M的英制描述完全一致，也是在单位换算中存在一些表述上的差异。相比较而言，GB/T 228.1比上述标准对公差的要求严格得多，规定如果试样的公差在标准的要求范围内，试样的横截面积可以用公称，而不需要通过实际检测再进行计算。如果试样的公差不满足，就很有必要对每个试样的尺寸进行实际测量。

各标准对试样平行段的要求见表1～表4。

表1 棒状试样对比

表2 板状试样对比

续表

表3 棒状试样平行段公差

表4 板状试样平行段公差

2 术语和定义

各标准中对术语的表示符号并不一致，ASTM A370和ASTM E8/E8M表述一致，涉及金属拉伸试验的力学性能名称和定义主要归纳在ASTM E6《力学性能试验方法相关术语》中。表5为石油管材力学性能检测过程中常遇到的中美标准术语和定义的比较，大部分术语的定义虽然名称和符号不同，但具有一致的物理意义，如国标中的最大力总延伸率(Agt)对应于美标中的均匀伸长率(Elu)。但也有术语名称相同但描述不同，如果对标准条款理解不一致将会得到不同的结果。如抗拉强度。在GB/T 228.1的定义为相应最大力Fm(对于无明显屈服的金属材料为试验期间的最大力；对于有不连续屈服的金属材料，为加工硬化开始之后，试样所承受的最大力)对应的应力，而在ASTM E6中的定义为材料在拉伸试验中所受的最大力除以试样原始横截面积。按照定义在获取图1曲线的抗拉强度时，对GB/T 228.1和ASTM E6条款理解不同将会得到不同的结果。按照GB/T 228.1定义，对于有不连续屈服的材料在加工硬化之后，试样所承受的最大力对应的应力，即为图1中的Rm；而按照ASTM E6的字面定义，是最大力对应的应力，即为图1中的ReH。当然ASTM E8/E8M在注37中推荐报告的抗拉强度为屈服之后的最大应力，但相关方需同意。建议在试验中遇到类似曲线，应在报告中注明抗拉强度的获取方法。

表5 术语和定义对比

图1 某材料拉伸曲线

3 试验设备

拉伸试验主要涉及到2个参数，一个是力，另一个是变形。试验机是能够施加变形力并测量过程中力值大小的设备，引伸计是测量变形的系统，它们的精确度和测试结果密切相关。对于ASTM A370和ASTM E8/E8M而言，试验机要符合ASTM E4的要求，引伸计要满足ASTM E83的要求。就标准对引伸计准确度的要求而言， ASTM A370和ASTM E8/E8M也不完全相同。引伸计和试验机在不同标准中的要求对比见表6和表7。

表6 试验机要求对比

表7 引伸计要求对比

按照标准GB/T 16825.1—2008《静力单轴试验机的检验第1部分：拉力和(或)压力试验机测力系统的检验与校准》的要求，级别为一的拉伸设备最大允许误差为：显示值误差±1.0%和显示值重复性误差1.0%，进回程误差1.5%，零点相对误差±0.1%，相对分辨力0.5%。ASTM E4-20 规定：显示力值与校准值的偏差不大于±1.0%。可以看出这几项标准对拉伸设备的规定大致相同。

GB/T 12160—2019《金属材料单轴试验用引伸计系统的标定》标准中，一级引伸计规定的位移示值绝对误差为±3.0 μm，相对误差为±1.0%。ASTM E83-16 规定B2 级引伸计的示值绝对误差为±0.000 2 m/m，相对误差为±0.5%。可以看出ASTM E83 规定的B2 级引伸计对于相对误差的要求要严格于GB/T 12160 规定的一级引伸计，而目前检测中普遍使用的0.5级引伸计完全满足ASTM E83 规定的B2 级引伸计要求。

4 试验速率

对于试验速率的控制，GB/T 228.1给出了应变控制的速率(方法A)和应力控制的速率(方法B)2种控制方法，并推荐了试验速率试验速率要求对比见表8。ASTM A370给出了4种试验速率的表示方法：1)空载试验机横梁试验速率；2)加载时夹头的分离速率；3)试样应力速率； 4)试样应变速率。ASTM E8/8M比ASTM A370增加了1种方法，即试验时间从施加作用力开始，或从某特定应力开始，至断裂时刻(达到最大力值或达到特定的规定应力)所经历的时间。各标准对试验过程中的速率要求也并不一致，表8对各标准速率要求进行比较。

表8 试验速率要求对比

从表8可以看出，对于屈服强度的测试，美国ASTM E8/8M 标准中列出了横梁位移、应变和应力3种控制方式，其中应力速率的加载速率范围小于国家标准，应变速率和夹头位移速率与国家标准推荐的速率范围基本相当；而ASTM A370标准中，应力速率的加载与ASTM E8/8M相同，范围小于国家标准，其横梁位移速率上限高于国家标准和ASTM E8/8M，约为其速率的4倍。在不同拉伸速率下获得的拉伸性能存在差异[7]，因此试验过程中一定要明确选择的试验方法和试验速率。

5 结果的修约

各标准对结果的修约见表9，从表9可以看出，各标准对修约的要求也不一致。例如强度指标，GB/T 228.1中修约至1 MPa，而美标中根据数值的取值范围修约到不同的值，这就对测试结果造成一定的影响。例如，常用的石油管材N80，如果测试过程中按照GB/T 228.1得到的屈服强度修约到1 MPa的结果为552 MPa，按照ASTM A370修约规则，修约到5 MPa为550 MPa。将这两个结果和API Spec 5CT《套管和油管规范》要求的N80最小屈服强度552 MPa相比较，就得到前者合格后者不合格的结论。延伸率、断后伸长率以及断面收缩率亦是如此，不同标准会带来结果的微小差异，因此试验过程中一定要明确试验过程中选用的标准。