管線鋼力學性能均勻性研究

張小立，李建武

（1．中原工學院，鄭州450007；2．西安長慶科技工程有限責任公司，西安710018）

管線鋼力學性能均勻性研究

張小立1，李建武2

（1．中原工學院，鄭州450007；2．西安長慶科技工程有限責任公司，西安710018）

對高鋼級管線鋼中不同層厚、不同部位，包括橫向、縱向、焊縫及距離焊縫90°和180°位置，取不同直徑的拉伸試樣，進行了力學性能變化規律研究，發現距離焊縫180°的管體Rt0．5最低，此處為易破裂點．

管線鋼 ；力學性能；均勻性；易破裂點

高鋼級管線鋼管線的不同位置，包括橫向、縱向、焊縫、熱影響區及距離焊縫不同角度等位置，在輸送過程中的力學性能對富氣輸送的安全性以及現場檢驗等非常重要［1］．本文對X70以上鋼級的不同位置的力學性能進行了研究，發現距焊縫180°的管體Rt0．5最低，此處為宜破裂點．

1 試 驗

拉伸試樣按 ASTM A370—2002標準規定，在MTS810—15自動拉伸試驗機上進行．按照APISPEC 5L和ASTM E24規定，選取規格為10 mm×10 mm×55 mm的帶預制疲勞裂紋的三點彎曲試樣，利用擺錘、落錘等裝置進行動態加載，測定金屬材料在沖擊載荷作用下的CVN值．

試驗主要采用了5種管線鋼進行組織性能對比．試驗材料中，1＃、5＃為X80直縫埋弧焊管，其規格分別為?1 016 mm×18．4 mm、?1 016 mm×17．5 mm；2＃、3＃為X80鋼級螺旋埋弧焊（UOE）管，其規格均為?1 016 mm×15．3 mm；4＃為X70直縫埋弧焊管（SSAM），其規格為?1 016 mm×21 mm．分別對這幾種管線鋼的拉伸、沖擊、落錘、硬度和金相試樣進行對比試驗．取材部位為焊縫、母材，取材方向為距離焊縫90°橫向、180°縱向等．

試樣規格如下：①拉伸試樣取?12．5 mm的圓棒樣，試樣頭部加工成單肩式，其直徑一般為1．5～2．0 d；②沖擊試樣為夏比V型缺口試樣（缺口平行于鋼的表面），試樣規格為10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度為2 mm，其尺寸偏差分別為 （10±0．05）mm、（55±0．06）mm；③1＃、4＃、5＃管線鋼分層拉伸對比試樣均為圓棒形（樣品不展平，只取中間試驗段60 mm，兩端夾持段另焊），其標準為?12．5 mm和?10 mm中層試樣及?6．25 mm的上、中、下三層試樣；④落錘沖擊試樣規格為300 mm×75 mm×19．5 mm．

2 管線鋼不同位置的力學性能

圖1所示為3種管線鋼的母體橫向分層拉伸試樣應力－應變曲線．

由圖1a可知，1＃管線鋼上、中、下三層的屈服強度、抗拉強度及彈性模量均相近，說明其母材組織成分很均勻；由圖1b可知，4＃鋼中層的屈服強度、抗拉強度及彈性模量均比上層和下層低；由圖1c可知，5＃管線鋼上層的屈服強度、抗拉強度及彈性模量均比中層和下層高．

導致這些性能不同的原因是：鋼板內外冷卻速率及成分擴散速率不同，導致組織分布不均和卷成鋼管時的應力分布不同；屈服強度高的材料，能夠提高許用

圖1 分層拉伸應力－應變曲線

應力，可減輕構件的重量，強度較高．

圖2所示為3種管線鋼的應力－應變曲線圖．由圖2可知，1＃和5＃鋼的屈服強度、抗拉強度及彈性模量均比4＃鋼的高；X80鋼有十分明顯的屈服平臺；1＃鋼的屈服強度、抗拉強度比5＃鋼高，彈性模量則很接近．

圖2 1＃、4＃和5＃管線鋼母體橫向應力－應變曲線

圖3所示為3種管線鋼的拉伸Rm和Rt0．5曲線圖．

圖3a所示為1＃、2＃、3＃鋼不同部位的抗拉強度試驗結果．從總體上看，焊縫的抗拉強度都很好，母材的橫向抗拉強度比縱向抗拉強度略高，這主要與材料的軋制方向有關．

圖3b所示為1＃、2＃、3＃鋼不同部位的屈服強度試驗結果．可以看出，管體橫向的Rt0．5要比縱向好．由于1＃鋼為X80級UOE管線鋼，2＃、3＃鋼均為X80級SSAM管線鋼，可見，UOE管線鋼不同方向和不同部位的屈服強度較SSAM管線鋼均勻．而SSAM管線鋼不同部位方向的Rt0．5落差較大，距焊縫180°的管體Rt0．5最低，此處為宜破裂點．

圖3 1＃、2＃、3＃管線鋼的拉伸Rm 和Rt0．5曲線圖

由圖1－圖3可知，幾種鋼橫向、縱向的Rm和Rt0．5符合標準；1＃鋼90°縱向的屈強比過高，不符合標準；2＃、3＃鋼180°橫向的Rt0．5過低，也不符合標準；4＃鋼橫向的屈強比過高，不符合標準．橫向和縱向拉伸試驗結果對比表明，1＃、4＃、5＃管線鋼橫向拉伸的屈服強度和抗拉強度以及彈性模量明顯比縱向拉伸的高，說明沿鋼板軋制方向具有明顯的各向異性；寬度和厚度方向力學性能有明顯的差異．

圖4所示為3種管線鋼分層沖擊試驗結果．

圖4 3種管線鋼分層沖擊試驗結果

由圖4a可知，1＃管線鋼不同層的沖擊功和沖擊韌性與溫度的關系為：上、下層的沖擊功和沖擊韌性隨溫度的降低而降低，中層與上、下層正好相反，隨溫度的降低而升高；不同層的沖擊功和沖擊韌性相差較大，中層整體最高，上層次之，下層最低．由圖4b可知，4＃管線鋼不同層的沖擊功和沖擊韌性與溫度的關系為：上、中、下層的沖擊功和沖擊韌性都隨溫度的降低而降低；不同層的沖擊功和沖擊韌性相差較大，上層整體最高，中層次之，下層最低．由圖4c可知，1＃管線鋼不同層沖擊功和沖擊韌性與溫度的關系為：上層的沖擊功和沖擊韌性隨溫度的降低而急速降低，但中、下層沒有變化；不同層的沖擊功和沖擊韌性相差較大，0℃時上層整體最高，下層次之，中層最低，－20℃時上層降到最低，中、下層不變．

因此，管線鋼由于軋制、卷管及制備過程中的成分不均勻性，導致力學性能（強度、韌性）的不均勻［2］．

3 結 語

（1）管線鋼上、中、下層的強度和韌性值略有不同．這是由于鋼板內外冷卻速率及成分擴散速率不同，導致組織分布不均和卷成鋼管時的應力分布不同所造成的．由不同部位屈服強度的試驗結果發現，距焊縫180°的管體Rt0．5最低，此處為宜破裂點．

（2）管線鋼橫向拉伸的屈服強度和抗拉強度以及彈性模量明顯比縱向拉伸高，說明沿鋼板軋制方向具有明顯的各向異性，寬度和厚度方向力學性能有明顯的差異．

［1］張小立，馮強，劉迎來．高鋼級管線鋼二次加熱后韌性指標協調性及與組織的關系探討［J］．材料熱處理學報，2008，29（6）：66－69．

［2］羅金恒，趙新偉，韓曉毅，等．西氣東輸管道可靠度預評估［J］．焊管，2005，28（3）：62－65．

The Homogeneity of Mechanical Property in Pipeline Steel

ZHANG Xiao－li1，LI Jian－wu2
（1．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007；2．Xi’an Changqing Technology Engineering Co．，Ltd，Xi’an 10018，China）

The homogeneity of mechanical properties of pipeline steel is very important to safety of gas riched deliver of pipeline．In this research，the mechanical properties for the different deep direction and different position，and different diameter for stretch of linesteel are studied．The research showes that theRt0．5is the lowest for the pipes of the 180°from the weld joint positon，also this is the easy break place．

pipeline steel；mechanical properties；homogeneity；easy break position

TG142．1

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．05．004

1671－6906（2011）05－0016－04

2010－08－02

博士后基金項目（20060390319）

張小立（1969－），女，甘肅武威人，高級工程師，博士．