王樹人，葉景深，吳金輝，黨曉雨

（1.遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽 111003；2.中國石油管道局工程有限公司東北分公司，遼寧 沈陽 110020，3.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077；4.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

拉伸性能是管線鋼重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是管道設(shè)計(jì)和安全性評價(jià)最基本的指標(biāo)。其屈服強(qiáng)度用規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5表示，它表示試樣規(guī)定總延伸率為0.5%的應(yīng)力，用引伸計(jì)測量變形。試樣可采用矩形試樣、圓棒試樣和脹環(huán)試樣3種方式，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常對于X80鋼級以下的管線鋼管拉伸試驗(yàn)，都選用矩形試樣。拉伸試樣截取方法按照API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》規(guī)定為“代表鋼管全壁厚的矩形試樣的截取應(yīng)符合ISO 6892-1∶2016《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：常溫測試法》或ASTM A 370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》要求，且按圖5所示截取”。由該標(biāo)準(zhǔn)中的圖5可知母材拉伸試樣一般取自管體橫向，與鋼管具有相同的曲率半徑。而長輸管線的發(fā)展趨勢是采用高鋼級大壁厚的管線鋼，鋼級和壁厚的增加給試樣校平帶來了困難，使其平直度難以保證，對Rt0.5的準(zhǔn)確性和重復(fù)性產(chǎn)生較大影響。目前國內(nèi)各大鋼鐵公司大都采用造價(jià)較高的帶全自動測量系統(tǒng)的進(jìn)口拉力試驗(yàn)機(jī)，配備Macro引伸計(jì)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量。本文通過對管線鋼矩形試樣在Rt0.5的測量過程中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析與研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了管線鋼矩形試樣拉伸試驗(yàn)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由球鉸式框架結(jié)構(gòu)和光柵傳感器組成球鉸式光電引伸計(jì)，把光柵傳感器測量精度高與球鉸式裝卡的優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合起來，把采集的信號通過數(shù)據(jù)處理器傳遞給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和軟件的功能運(yùn)算，能有效克服測量過程中的誤差，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，具有記錄全過程拉伸曲線的功能，滿足管線鋼相關(guān)檢驗(yàn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 測量過程中誤差的產(chǎn)生

導(dǎo)致拉伸試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差的影響因素有很多，其中包括對試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法的理解和掌握，試驗(yàn)設(shè)備和儀器的精度，材料均勻性和試樣加工質(zhì)量，引伸計(jì)的選用與裝卡等?，F(xiàn)主要從試樣加工和引伸計(jì)兩個方面進(jìn)行討論。

1.1 試樣的影響

1.1.1 試樣不平度的影響

管線鋼測量Rt0.5時采用50 mm定標(biāo)距，其測量的變形只有0.25 mm，因此它對試樣的不平度極為敏感。由于試樣存在不平，拉伸試驗(yàn)過程中引伸計(jì)標(biāo)距內(nèi)的實(shí)際變形由兩部分組成，一是試樣真實(shí)的彈塑性變形（相當(dāng)于完全展平后試樣的拉伸變形），另一個是試樣彎曲受拉展平所產(chǎn)生的附加變形。由于不平試樣受拉展平所需的拉伸應(yīng)力比較小，造成變形和力值的“不同步”；因此當(dāng)拉伸試樣存在彎曲時，所測Rt0.5將變小，而且試樣不平度越大，Rt0.5就越小。

1.1.2 試樣受力狀態(tài)的影響

在拉伸過程中，矩形拉伸試樣在單向拉力作用下，其長度、寬度和厚度方向變形是不均勻的，長度方向比其他方向變形快，表面比心部變形快，其他面比中性面變形快，這就容易造成引伸計(jì)裝卡在不同的位置和方向上，其滑移的速度不同，試驗(yàn)過程中所采集的數(shù)據(jù)也不完全一致。

1.2 引伸計(jì)的影響

1.2.1 引伸計(jì)結(jié)構(gòu)的影響

引伸計(jì)是用來測量拉伸試樣的微量變形，或者研究構(gòu)件在外力作用下的線性變形所采用的儀器。管線鋼常用引伸計(jì)為電子式引伸計(jì)，其安裝在試樣一側(cè)面或試樣圓柱面的一根母線上［1］，一般采用橡皮筋或其他彈性材料將其固定于試樣上。刀口與試樣側(cè)面或正面呈線型接觸，橡皮筋與試樣表面呈面型接觸。裝卡的松緊程度受人為因素影響較大，而且與裝卡彈性材料的性質(zhì)也有關(guān)系，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2.2 引伸計(jì)裝卡的影響

把電子式引伸計(jì)裝卡在母材表面時（圖1），由于試驗(yàn)機(jī)上、下夾頭之間一般都存在著同軸度誤差；因此試樣一般處于“偏心”拉伸狀態(tài)，這種“偏心”拉伸是純拉伸變形與純彎曲變形的組合變形［2］，其中的純彎曲變形使中性層一側(cè)的材料受到附加的拉伸變形；而中性層另一側(cè)的材料受到附加的壓縮變形。當(dāng)電子式引伸計(jì)安裝在附加的受壓變形一側(cè)時，在拉伸過程的最初階段，引伸計(jì)反映的變形為壓縮變形，造成引伸計(jì)“反走”現(xiàn)象［3］。

圖1 引伸計(jì)裝卡在試樣表面

把電子式引伸計(jì)裝卡在試樣的側(cè)面（圖2），由于試樣不平度的存在，在拉伸過程中，如果引伸計(jì)裝卡靠近附加拉伸變形一側(cè)時，在拉伸過程的最初階段，引伸計(jì)反映的變形為拉伸變形，造成引伸計(jì)“快走”現(xiàn)象。只有把引伸計(jì)安裝在厚度方向的中性面上，測量結(jié)果才是準(zhǔn)確的。而這些“偏心”是隨機(jī)出現(xiàn)的，這是引伸計(jì)測量結(jié)果極不穩(wěn)定的原因。

1.2.3 引伸計(jì)的選用

一般情況下，引伸計(jì)在標(biāo)定器上獲得很好的結(jié)果，是因?yàn)闃?biāo)定器的活動測桿相對于固定測桿做比較理想的直線運(yùn)動。但在試驗(yàn)測量中，由于試驗(yàn)機(jī)夾頭間同軸度誤差、試樣不平度誤差等，因此引伸計(jì)一般都處于偏心狀態(tài)下工作。若引伸計(jì)選擇不當(dāng)，測量誤差可能會比較大。因此不能只憑在標(biāo)定器上的檢定結(jié)果來選用引伸計(jì)［4］。

圖2 引伸計(jì)裝卡在試樣測面

2 專用測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

基于上述分析，遼陽石油鋼管制造有限公司在現(xiàn)有國產(chǎn)電液伺服試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)出了管線鋼矩形試樣拉伸試驗(yàn)測量系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)分為3個部分：試樣裝卡部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分。

2.1.1 試樣裝卡部分

試樣裝卡部分主要由球鉸支架部分組成，夾持板狀試樣如圖3所示。

圖3 夾持板狀試樣示意

2.1.2 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分由光柵傳感器和光柵數(shù)顯表（圖4）組成。光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的，主要用于線位移和角位移的測量。光柵傳感器由照明系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件組成。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，從而測量出標(biāo)尺光柵的移動距離。采集后的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在光柵數(shù)顯表上，以便操作人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

圖4 光柵數(shù)顯表

2.1.3 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分由全數(shù)字電液伺服控制器（簡稱控制器）和計(jì)算機(jī)專用軟件組成。采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器（圖5）和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理后，完成各種曲線的繪制，輸出到計(jì)算機(jī)屏幕。

圖5 全數(shù)字電液伺服控制器

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 裝卡結(jié)構(gòu)

裝卡部分采用球鉸式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，夾持時與試樣表面呈點(diǎn)狀機(jī)械接觸，夾持穩(wěn)定，避免引伸計(jì)與試樣之間或試樣與鉗口之間“打滑”產(chǎn)生震動，對測量結(jié)果和拉伸曲線造成的影響。引伸計(jì)裝卡正面如圖6所示。

圖6 引伸計(jì)裝卡正面

2.2.2 裝卡位置

裝卡位置選在試樣的中性面上，有效避免了力值和變形不同步問題，最大限度地克服了試樣變形的不均勻性對測量結(jié)果造成的影響。引伸計(jì)裝卡側(cè)面如圖7所示。

圖7 引伸計(jì)裝卡側(cè)面

2.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

在數(shù)據(jù)采集中，選用光柵傳感器，保證變形測量精度；球鉸式結(jié)構(gòu)的卡具有對信號放大兩倍的作用，提升了數(shù)據(jù)處理的精度水平。經(jīng)過控制器和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理后，完成應(yīng)力、應(yīng)變、位移、時間、力值等各種曲線的繪制，還可以根據(jù)要求同時出具各種關(guān)系曲線圖。

3 不同引伸計(jì)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

抽取不同鋼級和壁厚的3根鋼管，在同一位置截取樣塊，每個樣塊制成6個矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后分別采用電子式引伸計(jì)、Macro引伸計(jì)和球鉸式光電引伸計(jì)進(jìn)行Rt0.5的測量，不同引伸計(jì)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同引伸計(jì)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù) MPa

由表1可見，采用球鉸式光電引伸計(jì)的測量結(jié)果與全自動的Macro引伸計(jì)的測量結(jié)果接近，而且數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好。采用電子式引伸計(jì)的兩組數(shù)據(jù)離散較大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，隨機(jī)性較大，很難代表材料的真實(shí)結(jié)果?？估瓘?qiáng)度的測量與引伸計(jì)無關(guān)，全部數(shù)據(jù)都比較接近，離散度較小。

4 系統(tǒng)應(yīng)用的條件

（1）試樣要求。除按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加工滿足要求的試樣外，要求試樣不平度≤0.3 mm/50 mm［5］。試樣的裝卡過程中，在鉗口安裝試樣定位裝置，保證試樣裝卡垂直且居中，避免產(chǎn)生剪應(yīng)力，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）引伸計(jì)裝卡。該系統(tǒng)的引伸計(jì)裝卡在試樣的厚度方向，如果引伸計(jì)裝卡沒有保證水平或者在試樣長度方向沒有保證垂直而存在“偏心”時，會對規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5造成影響。因此引伸計(jì)的裝卡一定要保證垂直，而且要保持平穩(wěn)且水平。

（3）為了避免由于加載速度不同而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時也使不同試驗(yàn)設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)具有可比性，建議采用帶有電液伺服控制系統(tǒng)的萬能拉力試驗(yàn)機(jī)，以相同的恒定加載速度進(jìn)行試驗(yàn)。GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對屈服強(qiáng)度和規(guī)定強(qiáng)度的試驗(yàn)速率規(guī)定為：對于彈性模量E不小于150 GPa的材料，加載的應(yīng)力速率為6～60 MPa/s。筆者根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，對于管線鋼加載速度采用12～15 MPa/s比較適宜。

5 結(jié) 語

（1）采用上述設(shè)計(jì)的管線鋼矩形試樣拉伸試驗(yàn)測量系統(tǒng)，能更加準(zhǔn)確而直觀地測量出板狀拉伸試樣的Rt0.5值，有效降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性。

（2）該系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)性，原理簡單、操作方便、人員比對重復(fù)性好。