王麗麗，顧志乾

（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

靜水壓試驗(yàn)對X80M鋼級螺旋縫埋弧焊管性能的影響

王麗麗，顧志乾

（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

分析了X80M鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋縫埋弧焊管在靜水壓試驗(yàn)前后拉伸性能、導(dǎo)向彎曲、殘余應(yīng)力、管徑等的變化情況。結(jié)果表明：與在靜水壓試驗(yàn)前相比，焊管經(jīng)過靜水壓試驗(yàn)后屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、最大力總延伸率變化明顯，屈服強(qiáng)度升高10.9%，屈強(qiáng)比升高10%，最大力總延伸率降低10.8%，抗拉強(qiáng)度變化較小，僅升高1.1%。分析X80M鋼級成品焊管性能時(shí)，建議在靜水壓試驗(yàn)后截取試樣。

螺旋縫埋弧焊管；管線鋼；X80M；靜水壓試驗(yàn)；屈服強(qiáng)度；殘余應(yīng)力

在螺旋縫埋弧焊管的生產(chǎn)中，取樣管的試驗(yàn)結(jié)果對整批焊管是否合格具有重要意義。在靜水壓試驗(yàn)前后取樣對拉伸試驗(yàn)及殘余應(yīng)力試驗(yàn)有明顯的影響，試驗(yàn)結(jié)果差異很大［1］。目前管線鋼管規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中并未對取樣時(shí)機(jī)進(jìn)行規(guī)定［2］。針對這種差異，筆者選取某公司生產(chǎn)的X80M鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋縫埋弧焊管，對同一爐批次、同一卷、同一工藝生產(chǎn)的焊管，進(jìn)行了靜水壓試驗(yàn)前后性能變化對比試驗(yàn)研究，并給出了取樣時(shí)機(jī)的建議。

1 試驗(yàn)材料

采用某鋼廠生產(chǎn)的X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板，其顯微組織為針狀鐵素體，晶粒度為13級［3-4］。X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板的化學(xué)成分及力學(xué)性能平均值見表1～2，板厚中心晶粒度如圖1所示。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)依據(jù)Q/SHCG 24.2—2015《天然氣輸送管道用鋼管技術(shù)條件第2部分：埋弧焊鋼管》［5］的要求，分別在水壓前后截取拉伸、沖擊、殘余應(yīng)力試樣。水壓前后的試樣取自同一焊管的同一端，A、B、C對應(yīng)卷板的頭部、中部、尾部。拉伸試樣取自管體橫向距焊縫180°處，為圓棒試樣，標(biāo)距內(nèi)長50 mm，直徑為12.7 mm，拉伸試驗(yàn)設(shè)備為1000HDX-G7靜液式萬能型材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A 370—2014《鋼制品力學(xué)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》［6］，拉伸試驗(yàn)測試項(xiàng)目包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和最大力總延伸率。拉伸試樣導(dǎo)向彎曲試樣寬度為38.0 mm，厚度為焊管壁厚；彎軸直徑為110 mm，彎曲角度為180°，試驗(yàn)設(shè)備為WAW-Y500微機(jī)控制電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A 370—2014。沖擊試樣取自管體橫向距焊縫90°處。殘余應(yīng)力試樣為取長度200 mm左右的管段，殘余應(yīng)力試驗(yàn)一般是在距焊縫100 mm處沿焊管縱向切開，測量管段周向、徑向、軸向張開量。靜水壓試驗(yàn)壓力P為：

式中S——環(huán)向應(yīng)力，MPa；

PR——端面密封工作油缸內(nèi)壓，MPa；

AR——端面密封工作油缸橫截面積，mm2；

AP——管壁橫截面積，mm2；

D——鋼管規(guī)定外徑，mm；

t——鋼管規(guī)定壁厚，mm；

AI——鋼管內(nèi)徑橫截面積，mm2。

當(dāng)環(huán)向應(yīng)力至少為規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的95%時(shí)，該技術(shù)要求使用最小允許壁厚tmin代替規(guī)定壁厚t，由公式（1）得出，靜水壓試驗(yàn)壓力為15.3 MPa。穩(wěn)壓時(shí)間為15 s。試驗(yàn)后，對水壓前、后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

表1 X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板的力學(xué)性能平均值

圖1 X80M鋼級18.4 mm板厚熱軋卷板的板厚中心晶粒度

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 拉伸試驗(yàn)對比

焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比見表3。

3.1.1 屈服強(qiáng)度

與水壓前相比，水壓后焊管屈服強(qiáng)度變化明顯。水壓前、水壓后屈服強(qiáng)度平均值分別為527.7 MPa、585.6 MPa。水壓后較水壓前屈服強(qiáng)度升高10.9%（57.9 MPa）。與水壓前相比，水壓后焊管屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差變小，分布集中，離散性變小，屈服強(qiáng)度趨于均勻，并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.2 抗拉強(qiáng)度

與水壓前相比，水壓后焊管抗拉強(qiáng)度變化較小，抗拉強(qiáng)度略微升高。水壓前、水壓后抗拉強(qiáng)度平均值分別為655.0 MPa、662.2 MPa；水壓后較水壓前抗拉強(qiáng)度升高1.1%（7.2 MPa），焊管抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.3 屈強(qiáng)比

與水壓前相比，水壓后焊管屈強(qiáng)比變化明顯，屈強(qiáng)比升高。水壓前、水壓后屈強(qiáng)比平均值分別為0.80、0.88；水壓后較水壓前屈強(qiáng)比升高10%，焊管屈強(qiáng)比均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.4 最大力總延伸率

與水壓前相比，水壓后焊管最大力總延伸率變化明顯，最大力總延伸率降低。水壓前、水壓后最大力總延伸率平均值分別為7.121%、6.346%；水壓后較水壓前最大力總延伸率降低10.8%。

3.2 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)對比

焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，水壓試驗(yàn)前后試驗(yàn)結(jié)果有一定差異；水壓試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因?yàn)閯偤附油甑匿摴芏唐趦?nèi)存在內(nèi)應(yīng)力，這對試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。一般焊管在水壓試驗(yàn)后有利于應(yīng)力的釋放，釋放應(yīng)力能減小彎曲裂紋產(chǎn)生的幾率［7］。

3.3 殘余應(yīng)力試驗(yàn)對比

焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的殘余應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，焊管成型后周向張開量為-80 mm，表現(xiàn)為負(fù)彈復(fù)；水壓后周向張開量為95 mm，表現(xiàn)為正彈復(fù)。

表3 焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

表4 焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.4 管徑變化對比

焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的管徑變化見表6。由表6可知，靜水壓試驗(yàn)前后焊管管徑有一定差異，靜水壓試驗(yàn)后，焊管周長變大，平均增長5.1 mm，變形量為0.13%，滿足Q/SHCG 24.2—2015鋼管周長為3 824.9～3 839.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 橢圓度變化對比

焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的橢圓度變化見表7。由表7可知，靜水壓試驗(yàn)前焊管橢圓度平均值為2.4 mm，靜水壓試驗(yàn)后橢圓度平均值為1.9 mm，靜水壓試驗(yàn)使焊管橢圓度變小，焊管形狀更加均勻，水壓前后橢圓度均滿足Q/SHCG 24.2—2015規(guī)定管端≤7.3 mm、管體≤14.6 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)果分析及建議

4.1 靜水壓試驗(yàn)對力學(xué)性能的影響

一般影響靜水壓試驗(yàn)后管線鋼性能的因素有兩個(gè)：一是包申格效應(yīng)，二是形變強(qiáng)化［8］。包申格效應(yīng)是指金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規(guī)定屈服強(qiáng)度增加；反向加載，規(guī)定屈服強(qiáng)度降低［9］。形變強(qiáng)化是指隨著塑性變形量的增加，金屬流變強(qiáng)度也增加的現(xiàn)象。鋼管強(qiáng)度是包申格效應(yīng)和形變強(qiáng)化能力綜合作用的結(jié)果。當(dāng)焊管經(jīng)過靜水壓試驗(yàn)后，受到包申格效應(yīng)的同向加載和形變強(qiáng)化作用，屈服強(qiáng)度升高，而韌性降低［10-12］。屈強(qiáng)比升高，最大力總延伸率降低，使焊管整體性能更加穩(wěn)定、均勻。

4.2 靜水壓試驗(yàn)對殘余應(yīng)力的影響

板材在出廠軋制及拆卷、矯直、銑邊、成型、焊接過程中都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，焊管的殘余應(yīng)力以成型和焊接過程產(chǎn)生的為主。成型過程是鋼帶彎曲塑性變形的過程，焊管外層產(chǎn)生拉伸塑性變形，內(nèi)層產(chǎn)生擠壓塑性變形，而中間層則是彈性變形區(qū)，不產(chǎn)生塑形變形；焊接時(shí)由于熱應(yīng)力作用產(chǎn)生不均勻塑性變形，由于快速冷卻產(chǎn)生相變作用，共同形成焊管的殘余應(yīng)力［13-15］。成型和焊接過程產(chǎn)生的是拉伸殘余應(yīng)力，在水壓過程中，焊管受到屈服強(qiáng)度95%的靜水壓試驗(yàn)壓力，并穩(wěn)壓15 s，周向拉應(yīng)力加強(qiáng)，管體向外擴(kuò)張。特別是水壓試驗(yàn)壓力接近鋼材屈服強(qiáng)度附近時(shí)，對殘余應(yīng)力影響明顯。

表5 焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的殘余應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果mm

表6 焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的管徑變化mm

表7 焊管在靜水壓試驗(yàn)前后的橢圓度變化mm

4.3 對取樣時(shí)機(jī)的建議

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，熱軋卷板進(jìn)場檢驗(yàn)時(shí)的屈服強(qiáng)度略高于Q/SHCG 24.2—2015標(biāo)準(zhǔn)要求，成型后焊管的屈服強(qiáng)度卻低于標(biāo)準(zhǔn)要求，但水壓試驗(yàn)后焊管的屈服強(qiáng)度又高于標(biāo)準(zhǔn)要求。對此，屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生爭議。焊管生產(chǎn)檢驗(yàn)過程的理化性能試驗(yàn)應(yīng)模擬工況，在更加接近焊管實(shí)際使用狀態(tài)下取樣，這種情況下的試驗(yàn)結(jié)果也更具代表性，因此在水壓后取樣更能反映焊管的實(shí)際力學(xué)性能，同時(shí)也可以減少焊管誤判而造成不必要的損失。筆者建議管線鋼管規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)規(guī)定取樣時(shí)機(jī)，若沒有規(guī)定，建議水壓后取樣。但目前國內(nèi)各個(gè)焊管制造廠受工序條件限制，以及從提高效率、降低成本上考慮，基本都是在成型焊接后取樣，在此位置取樣略低于標(biāo)準(zhǔn)值的焊管，建議采取水壓后重新加倍取樣的方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。殘余應(yīng)力試驗(yàn)，水壓前焊管表現(xiàn)為負(fù)彈復(fù)，即為合格；水壓后表現(xiàn)為正彈復(fù)，可能出現(xiàn)不合格。為了檢測成品焊管的應(yīng)力分布狀態(tài)，建議靜水壓試驗(yàn)后截取試樣。

5 結(jié)論

（1）水壓過程對焊管屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、最大力總延伸率影響明顯，水壓后屈服強(qiáng)度升高10.9%，屈強(qiáng)比升高10%，最大力總延伸率降低10.8%。靜水壓試驗(yàn)使焊管屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、最大力總延伸率分布集中，離散性變小，數(shù)值更加均勻，水壓后焊管屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）水壓過程對焊管的抗拉強(qiáng)度影響不大，水壓后較水壓前抗拉強(qiáng)度升高1.1%。水壓試驗(yàn)前后均滿足Q/SHCG 24.2—2015標(biāo)準(zhǔn)要求。水壓過程使焊管的內(nèi)應(yīng)力降低，導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果更好，水壓后試驗(yàn)結(jié)果滿足Q/SHCG 24.2—2015標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）靜水壓試驗(yàn)對殘余應(yīng)力影響明顯，使焊管殘余應(yīng)力分布轉(zhuǎn)變，在焊管環(huán)向上，彈復(fù)由內(nèi)彈變?yōu)橥鈴?，殘余?yīng)力分布由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。水壓前后取樣時(shí)機(jī)不同可能導(dǎo)致不同的試驗(yàn)結(jié)論。

（4）鑒于靜水壓試驗(yàn)對部分力學(xué)性能數(shù)據(jù)的影響，為了避免可能出現(xiàn)的誤判，在分析X80M鋼級成品焊管性能時(shí)，建議在靜水壓試驗(yàn)后截取試樣。

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Influence by Hydrostatic Testing on Properties of X80M SAWH Tube

WANG Lili，GU Zhiqian
（Shangdong Shengli Steel Pipe Co.，Ltd.，Zibo 255082，China）

Analyzed here in the article are diameter change，and changes of relevant properties of the Φ1 219 mm×18.4 mm X80M SAWH tube after being subjected to hydrostatic test，including tensile properties，guided bending，and residual stress，etc..The result shows that compared with correspondent before-test-data，properties of the tube after being hydrostatically tested like yield strength，yield ratio and percentage elongation at maximum force，etc are obviously changed，i.e.，yield strength is increased by 10.9%，and yield ratio by 10%，and percentage elongation at maximum force is decreased by 10.8%，whereas the tensile strength changes a little，just going up by 1.1%.Accordingly it is proposed that tube sampling be conducted after the hydrostatic test to analyze welding performance of the finished X80M tube.

SAWH tube；linepipe-purposed steel；X80M；hydrostatic testing；yield strength；residual stress

TG115.5

B

1001-2311（2016）04-0066-05

2015-12-20；修定日期：2016-07-07）

王麗麗（1986-），女，助理工程師，技術(shù)員，主要從事螺旋縫埋弧焊管質(zhì)量檢測工作。