试样加工方法及形状对X90/X100钢级管材性能测试结果的影响

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(1.中国石油管道学院 河北 廊坊 065000；2.河北石油职业技术学院 河北 廊坊 065000；3.中国石油管道局工程有限公司第四分公司 河北 廊坊 065000)

试样加工方法及形状对X90/X100钢级管材性能测试结果的影响

何莹1，2，张卫锋3

(1.中国石油管道学院 河北 廊坊 065000；2.河北石油职业技术学院 河北 廊坊 065000；3.中国石油管道局工程有限公司第四分公司 河北 廊坊 065000)

管线钢管随着钢级的提高，受金相组织的影响对热的敏感性加大，因此X90/X100管线钢管的性能测试用试样的加工方法及试样形状值得进行深入研究。试样取样及加工方法对X90/X100钢管的性能有直接影响，试样形状不同，测得的拉伸性能也不同，横向圆棒试样的拉伸性能检验结果明显高于矩形试样的检验结果，这主要是由于包辛格效应造成的。

形变强化；包辛格效应；拉伸性能

0 引 言

随着我国对石油天然气需求的日益增加，大口径厚壁高钢级管线钢管成为管道建设的主要选择。高钢级管线钢管最重要和最基础的性能指标是拉伸性能，它是管道设计和安全评定最基本的指标。管线钢管随着钢级的提高，受金相组织的影响对热的敏感性加大，因此X90/X100管线钢管的性能测试用试样的加工方法及试样形状值得进行深入研究，以测试到钢管的真实性能。

形变强化(即加工硬化)是指随着塑性变形量的增加金属流变强度也增加的现象；而包辛格效应是指当金属在一个方向塑性变形后，再反向变形时其屈服强度下降。

在采用矩形拉伸试样时，要对原本弯曲的试样进行展平，再反向产生塑性变形，此时拉伸试样受包辛格效应的影响导致材料屈服强度和抗拉强度降低，由于屈服强度比抗拉强度受到的影响更大，所以导致了钢管的屈强比大于卷板，而且一般认为钢管的钢级越高，包辛格效应带来的强度损失就越大。当采用圆棒拉伸试样时，由于钢管在弯制过程中，材料产生了加工硬化，圆棒试样在加工过程中不允许进行展平，这样材料不受包辛格效应的影响，而只受形变强化的影响，因此，材料的屈服强度和屈强比升高[1]。

通过对不同钢级钢管样品进行研究得出，纵向矩形试样的屈服强度基本高于圆棒试样，而横向矩形试样屈服强度值基本低于圆棒试样。这种现象是由多种因素引起的[2]。高钢级大壁厚管线钢管和薄壁管线钢管的规律是不同的，后者由于矩形试样和圆棒试样的组织没有大的差异，所以得到的抗拉强度基本相同[3]。

1 试验材料

选取X90Φ1219 mm×16.3 mm直缝埋弧焊管和X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋缝埋弧焊管作为试验材料。

2 试样加工方法对钢管性能的影响

2.1 拉伸性能的影响

从用作试验材料的钢管上切取样品时，应防止试样过热，产生加工硬化进而影响检测结果。通常，采用氧气切割法从钢管上截取样坯，规定从样坯切割线至试样边缘必须留有足够的加工余量。一般加工余量应不小于钢管的壁厚，且最小不得少于20 mm。用氧气切割法时，拉伸试样所留热影响区的加工余量最小为100 mm。氧气切割试样时宜快速进行，以减小高温对试样性能的影响[4]。有条件的情况下，尽量采用气割加水冷的方式从钢管上截取大块毛坯试样，可以避免切割热量对试样性能的影响。

对于X90Φ1 219 mm×16.3 mm直缝埋弧焊管，管体加工横向圆棒试样，横向长度最短要求130 mm，因此，在气割热影响试验中毛坯试样尺寸采取了130 mm(长)×130 mm(宽)、150 mm(长)×130 mm(宽)、170 mm(长)×130 mm(宽)、190 mm(长)×130 mm(宽)、270 mm(长)×270 mm(宽)5种毛坯尺寸进行气割，然后采用冷机加工加工成横向圆棒试样进行拉伸试验，试验结果见表1。

表1 X90 Φ1 219 mm×16.3 mm直缝埋弧焊管横向圆棒拉伸试验结果

从表1的拉伸检验结果可知，气割产生的热量对试样的抗拉强度影响不大，主要是对屈服强度有影响。考虑到钢管壁厚不同，壁厚越厚，热影响越大，因此，从钢管上用气割方法取大块毛坯试样时，试样长度方向大于300 mm为宜，试样宽度方向根据检测项目划出各种试样的取样位置，边缘至少留出100 mm的热影响区为宜。

2.2 冲击、金相、硬度的影响

从X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋缝埋弧焊管管体采用气割加水冷和气割的方法取样，加工成10 mm×10 mm×55 mm的2 mm的V型缺口试样进行夏比冲击试验，试验结果见表2。在该钢管上气割加水冷和气割的方式切取硬度试样和金相试样并加工，进行HV10硬度试验和金相检验，硬度试验结果见表3。表2的结果表明，气割样品的夏比冲击值稍有提高。表3的结果表明，气割的HV10硬度试样值变化也不大。金相检验结果发现，在光学显微镜下观察不出两种加工方法对金相组织的影响。

表2 X100 Φ1 219 mm×15.3 mm钢管夏比冲击试验结果

表3 X100Φ1 219 mm×15.3 mm钢管HV10硬度试验结果

3 试样形状对拉伸性能的影响

APISpec 5L中规定拉伸试样形状可以使用矩形全壁厚试样，也可以使用圆棒试样，但使用两种试样时测得的拉伸性能不同，特别是钢管的横向试样，试样的形状对检测结果的影响很大。对X90Φ1 219 mm×16.3 mm直缝埋弧焊钢管和X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋缝埋弧焊管冷切割后取横向矩形试样及圆棒试样进行拉伸试验，试验结果见表4和表5。表4中的圆棒试样和矩形试样的屈服强度对比如图1所示，表4中的圆棒试样和矩形试样的抗拉强度对比如图2所示。

表4 X90 Φ1 219 mm×16.3 mm直缝埋弧焊钢管拉伸试验结果

图1 圆棒试样与矩形试样的屈服强度

从图1和图2可以看出，X90Φ1 219 mm×16.3 mm直缝埋弧焊钢管，管体横向采用圆棒试样的屈服强度和抗拉强度均高于采用矩形试样的检验结果，这主要是由于矩形试样在加工时需要缓慢压平，包辛格效应影响造成的。

图2 圆棒试样与矩形试样的抗控强度

表5 X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋缝埋弧焊钢管拉伸试验结果

从表5的检验结果可见，X100Φ1 219 mm×15.3 mm螺旋缝埋弧焊管管体横向圆棒试样的拉伸试验结果略低于矩形试样的检验结果。

4 结 论

通过以上检测结果研究分析可以得出，试样取样及加工方法对X90/X100钢管的性能有直接影响，试样形状不同，测得的拉伸性能也不同，横向圆棒试样的拉伸性能检验结果明显高于矩形试样的检验结果，这主要是由于包辛格效应造成的。气割加水冷以及气割方法对钢管管体的夏比冲击、金相组织及硬度影响不大。为了使检验结果真实、可靠，对X90/X100钢管的检测时应按以下方法取样加工：

1)从钢管上截取大块毛坯试样时尽量采用气割加水冷的方式，如没有水冷条件，用气割方法取大块毛坯试样时，试样长度方向大于300 mm为宜，试样宽度方向根据检测项目划出各种试样的取样位置，边缘至少留出100 mm的热影响区为宜。

2)检验用的拉伸试样建议使用标准圆棒试样。

[1] 吴金辉，李云龙，王长安，等.制管预应变对管线钢拉伸性能的影响[J].焊管，2011,34(3)：33-37.

[2] 吉玲康，谢丽华，杨 肃，等.高钢级管线管试样形状对拉伸试验结果的影响[J].石油机械，2006,34(1)：11-15.

[3] 吕惠生，许文清，陈金陵.半圆形拉伸试样的研制[J].钢铁研究学报，2000,34(1)：56-58.

[4] 孙 宏.管线钢管理化性能试样截取与加工方法探讨[J]，焊管，2009,32(8)：55-58.

InfluenceofSampleProcessingMethodandShapeonPerformanceTestResultsofX90 /X100GradeSteelTube

HEYing1，2,ZHANGWeifeng3

(1.ChinaPetroleumPipelineCollege,Langfang,Hebei065000,China; 2.HebeiTechnicalCollegeofPetroleumProfession,Langfang,Hebei065000,China;3.No.4BranchCompanyofChinaPetroleumPipelineEngineeringCo.Ltd.,Langfang,Hebei065000,China)

With the steel grade increasing, the sensitivity of steel pipeline to heat increases because of the influence of metallographic structure. Therefore, the processing methods and the shapes of the test samples of X90/X100 steel pipeline should be studied intensively. The sampling and processing methods have a direct impact on the performance of X90/X100 steel pipe. When the sample shapes are different, the tensile properties measured are different too. The tensile properties of transverse round bar type sample are obviously higher than that of rectangular sample, which is mainly due to Bauschinger effect.

strain strengthening; Bauschinger effect; tensile properties

何 莹，男，1978年生，实验师，2009年毕业于河北工程大学土木工程专业，主要从事管道金属材料、建筑材料的研究和检测工作。E-mail:heying580@163.com

TG115

A

2096-0077(2017)05-0047-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.012

2017-02-21编辑葛明君)