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40 材料工程/2010年6期 大口径高钢级螺旋埋弧焊管强度 测试影响因素分析 AnalysisforFactorsAffectingStrengthTestingof SAWHPipewithLargeDiameter ’ 熊庆人L。,冯耀荣。。。,张建勋,赵文轸,刘 川 (1西安交通大学材料科学与工程学院,西安710049;2中国石油天然气集团公司管材研究所, 西安710065;3中国石油天然气集团公司石油管工程重点实验室,西安710065) — ’ — — — XIONGQingren。~,FENGYaorong~,ZHANGJianxun,ZHAOWenzhen,LIUChuan ’ ’ (1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China; ’ 2TubularGoodsResearehCenterofCNPC,Xian710065,China;3TheKeyLaboratoryfor ’ MechanicalandEnvironmentBehaviorofTubularGoodsofCNPC。Xian710065,China) 摘要:针对西气东输二线用大口径高钢级螺旋埋弧焊管,采用两种试样进行拉伸试验。综合分析影响螺旋焊管强度测 试的因素,如试样形式、试验方法等。研究结果表明:不同形式试样测定的螺旋焊管管体横向屈服强度值是包辛格效应、 形变强化效应及组织等因素综合作用的结果;包辛格效应是影响其屈服强度测试结果的主要因素;测定屈服强度时采用 的总伸长量应根据胀环试验测定的管体实际心服强度值确定。 关键词:X80螺旋缝埋弧焊管;拉伸试验;包辛格效应;形变强化;胀环试验 中图分类号:TG457.1 文献标识码:A 文章编号:1【)【)14381(201O)06-004005 Abstract:Theseveralissuessuchasthetypeofspecimenandthetestprocedurewhichaffectsthe strengthtestingofSAWHpipeareanalyzed.Itispresentedthattheyieldstrengthvalueofbasemetal intransversedirectionofSAWHpipefromdifferentkindsofspecimenmaybeaffectedbymanyfac~ tors,suchasBauschingereffect,strainhardeningeffect,bendingangleofthespecimensandmicro~ structureetc.Theyieldstrengthvaluesweremeasuredbytwokindsoftensilespecimencutfrom — SAWHpipeforthe2WestEastPipelineProject.theresultsshowthatBausehingereffectisthe “ — mainfactoraffectedtheyieldstrengthmeasurementfortheSAWHpipeusedinthe2WestEast PipelineProject.Itissuggestedthatthetotalelongationintotalextensionunderloadmethodforhigh gradeSAWHpipeshouldbeverifiedbyringexpansiontest. Keywords:X80SAWHpipe;tensiletest;Bauschingereffect;strainhardening;ringexpansiontest 在中国,石油天然气特别是作为洁净能源的天然 气的需求正在迅猛增长,为了提高管道输送能力,降低 管道建设成本和运行成本,迫切需要大规模采用高强 度管线钢。“” 西气东输工程和陕京二线工程使用rX70钢 级的管线钢管,使我国跟上了国外的发展水平;中油集 “ ” 团实施的X8O管线钢应用工程,首次将国产大口径 X80螺旋缝埋弧焊管应用于西气东输冀宁联络线上, 进一步缩短了同国际先进水平的差距。目前正在建设 的西气东输二线管道工程是世界上最长的X80输气 管道,管输量高达300亿立方米/年。不论长度、钢级、 管径、壁厚还是输送压力和天然气组分,西气东输二线 工程都堪称世界之最。 拉伸性能是管线钢管最基础和最重要的性能指 标,它是管道设计和安全评定的基础。对于低强度管 线钢及螺旋焊管,国内一直用展平的板状试样来测试 其强度。但是,在用这种试样测试高强度管线钢管,如 国产大口径X80螺旋焊管的强度时,却遇到了有关试 样形式、试验方法等方面的问题。关于高强度钢管的 强度测试问题,国际上有关研究机构如EPRG,Trans Canada,EUROPIPE等进行了一些研究_1],但其数 据来源主要是U()E焊管,涉及高强度SAWH焊管的 较少。本工作对在国产高钢级螺旋焊管强度测试过程 中存在的问题进行初步的分析和研究。 大口径高钢级螺旋埋弧焊管强度测试影响因素分析 41 1管线钢强度测试存在的问题 1.1试样形状 APISpec5L[4规定,拉伸试样可以是全截面试 样、板状试样或圆棒试样。管体横向板状试样应在室 温下展平,厚度为全壁厚,对于外径大于168.3mm的 钢管,试样标距内宽度为38.1mm。管体横向圆棒试 样应从未压平的管段上截取,可采用套取的办法进行 加工,根据管径和壁厚的不同,试样标距内直径可为 12.7,8.9,6.4ram。 对于X70及以下钢级的螺旋钢管,拉伸试验通常 采用板状试样。在X80螺旋焊管的研制和试生产评 价过程中,采用板状试样进行拉伸试验,常出现屈服强 度偏低的情况,有时甚至低于标准规定的下限值 (552MPa)。对于高钢级管材屈服强度测试时应该采 用的试样类型,有关的研究表明,传统展平试样对屈服 强度较低的钢管而言是适用的,但对高强度钢管已不 再适宜_2]。这一结论对高强度螺旋焊管是否适用,本 研究进行了一些比对试验。 1.2试验方法 APISpec5L第43版6.2.1规定,管线钢和钢管 的屈服强度应为试样标距长度内产生0.5总伸长 (用引伸计测定)时所需的拉伸应力,即采用负载下的 总伸长法测出的R。 APISpec5L第43版9.10.2.1规定,拉伸试验 方法应符合ASTMA370((钢产品力学试验方法及定 义》_5的要求。而ASTMA370的13.1.3采用的负载 下的总伸长法的注6中规定:在采用负载下的总伸长 法确定材料的屈服强度时,如果屈服点不超过8O,000 psi(550MPa),则总伸长量应为标距长度的0.005,即 0.5;但是如果屈服点超过了80,000psi,除非将负 载下的总伸长量增加,否则这种方法无效。 这样在X80级别管线钢出现以后,AP]Spec 5L6.2.1与ASTMA37013.1-3的注6出现了矛盾: 若按6.2.1的规定进行试验,测得的是R,但按 ASTMA37013.1.3的注6,此结果是无效的,而应该 将负载下的总伸长量增加,但增加多少并没有明确规 定,因此目前还是测定R。 1.3试样制备过程 从直缝焊管管体上切取的横向板状试样是弯曲 的,而对于螺旋焊管,由于成型方式的缘故,从管体上 切取的横向试样不仅存在弯曲,还存在翘曲,试样展平 比较困难。如果试样平直度不够,则可能会导致测试 值低于实际值]。采用圆棒试样可减少试样平直度的 影响,但却去除了母材的表面部分。 2试样准备及试验过程 2.1试样准备 试验用钢管均为螺旋缝埋弧焊管,钢级为X60和 X80。X80钢管有两种管径,一种为1016ram,另一种 为1219mm;X60钢管管径为1219ram。样品钢管的 壁厚为10.3~18.4mm。样品情况如表1所示。 表1SAWH焊管样品情况 Table1TypeandgeometryofSAWH 2.2试验过程 在距焊缝90。的母材位置取横向拉伸试样,试样 形式有板状试样和圆棒试样两种。板状试样在室温下 进行了展平,试样标距内宽度为38.1mm,厚度为钢管 原壁厚,标距长度为50ram。由于钢管壁厚和引伸计 标距长度的限制,所取圆棒试样直径为6.4mm,标距 为25mm,加工时未进行展平。 3试验结果及分析 3.1试样形状对强度测试的影响 3.1.1对抗拉强度的影响 将采用板状试样和圆棒试样测得的抗拉强度值示 于图1。由图1可以看出,数据点基本上分布在对角 线的两侧,接近对角线,说明两种形式的试样测得的抗 拉强度值基本一致。 抗拉强度表征了塑性金属材料的光滑试样承受单 向拉伸载荷时的实际承载能力,它代表金属材料的最 大均匀塑变抗力。对于同一种材料,无论试样形式如 何,承受单向拉伸载荷时,其承载能力相同,因此,板状 大口径高钢级螺旋埋弧焊管强度测试影响因素分析 43 型时的变形方向相反,这就导致了板状试样拉伸试验 的测试结果必然包含了包辛格效应的影响,即包辛格 效应会引起板状试样屈服强度的降低。而圆棒试样在 加工时不允许冷压平,可以认为没有产生包辛格效应。 从这个角度看,板状试样的屈服强度测试值要低于圆 棒试样。 3.1.2.2试样的弯曲度 APISpec5L标准只是要求板状试样在加工时要 进行冷展平,但对展平的程度并没有做出明确规定。 实际上,试样的弯曲度对板状试样的屈服强度测试值 影响很大。图5表示了西气东输二线用螺旋焊管取样 进行拉伸试验,板状试样具有不同弯曲度时,屈服强度 的测试结果。文献[4]对拉伸试样弯曲度对屈服强度 测试值影响的原因进行了较为详细的分析,这里不再 赘述。因此,在加工板状试样时,必须严格控制试样的 弯曲度。 Straightness{mm 图5板状试样直度对屈服强度的影响 Fig.5E{{ectofstripspecimenstraightnesson measuredyieldstrengthvalue 3.1.2.3加工硬化 从另一方面来说,从螺旋缝埋弧焊管截取的管体 横向拉伸试样,除了沿周向的弧形弯曲外,由于成型方 式的缘故,还存在程度不同的翘曲。因此,螺旋焊管的 管体横向拉伸试样比UOE焊管的管体横向试样更加 难以展平,而且强度愈高愈难展平,往往需要多次压 平。这样就会由于冷变形使试样产生加工硬化,引起 屈服强度升高。加工硬化决定于材料的应力一应变曲 线,其是否存在屈服平台和屈服伸长的程度对管线钢 的形变硬化有重要影响]。图6为拉伸试验时测得的 6号(X60)和87号(X80)试样的应力应变曲线。可 见,X60等强度较低的管线钢由于应力一应变曲线存在 屈服平台,形变硬化现象不明显;X80等高强度管线钢 具有连续的屈服行为,形变硬化现象较为明显。因此, 从X80钢管上截取的横向板状拉伸试样在冷压平后, 由于形变强化效应,屈服强度会有所升高。 图66和87。试样的应力一应变曲线 (a)6试样;(b)87试样 — Fig.6Tensilestressstraincurvesof6。and87 (a)6specimen;(b)87specimen 3.1.2.4组织差异 综上所述,螺旋焊管母材近表面组织中粒状贝氏 体等强度较高的组织含量较多,且MA多弥散分布, 而心部一般块状和多边形铁素体量较大,屈服强度较 低。这种心部和表面的组织差异,随着壁厚的增大而 增大。板状拉伸试样的厚度为钢管的原壁厚,既包含 心部组织,也包含近表面组织。圆棒试样在加工时,去 除了母材表面部分。这样,板状试样的屈服强度就要 高于圆棒试样,而且钢级越高、壁厚越厚,近表面和心 部组织差异越大,板状试样和圆棒试样屈服强度的差 异也越大。 图4所得的试验结果是上述多种因素综合作用的 结果:包辛格效应较大或试样的弯曲度较大时,板状试 样的屈服强度会低于圆棒试样;当后两个因素作用较 为明显时,其屈服强度会高于圆棒试样。 图7表示了采用不同形式拉伸试样对西气东输二 线用X80螺旋缝埋弧焊管进行拉伸试验的屈服强度 测试结果。从图7可以看出,大部分圆棒试样的屈服 强度测试值高于板状试样。这说明对于西气东输二线 用X801219mm× 18.4r am螺旋缝埋弧焊管,进行拉 伸试验时,在上述各因素中,包辛格效应(还有板状试 样弯曲度)的影响较为明显。 部分板状试样的屈服强度高于圆棒试样,这主 OO0OO00O 舳∞ ∞ 如如加 镀锌层表面KH一560硅烷膜耐蚀性能研究 49 的反应活性区,使镀锌层耐蚀性能明显提高。 4结论 (1)硅烷偶联剂KH一560处理后的钝化膜在5 NaCI溶液中的电化极化曲线表明:KH一560能影响镀 锌层的电极反应过程,自腐蚀电流密度降低,提高镀锌 层的耐腐蚀能力。由阻抗谱分析知,其极化电阻比空 白试样有所增大,耐蚀性能接近铬酸盐钝化试样。 (2)盐水浸泡实验结果及钝化膜表面分析表明: KH一560钝化的水平已接近铬酸盐钝化,腐蚀速率已 下降到未钝化试片的36。 参考文献 [1] E2] [3] [4] [5] 王双红,刘常升,单凤君.镀锌板的有机硅烷钝化技术及其研究进 — 展[J].腐蚀科学与防护技术,2008,20(1):3537. 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