管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用

王嘯修，趙永安，楊劍峰，董超君

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

1 概 述

一般情況下采用圓棒或板狀試樣的拉伸試驗(yàn)來檢測鋼管屈服強(qiáng)度，就可滿足常規(guī)管線管技術(shù)規(guī)范的要求，如API SPEC 5L[1]，CSA Z245.01[2]，DNV[3]和 CDP[4]等 。

由于圓棒試樣和板狀試樣均經(jīng)過了再加工，故經(jīng)試驗(yàn)檢測的屈服強(qiáng)度值相比原鋼管真實(shí)屈服強(qiáng)度值會存在一定的差異。由于制作圓棒試樣時(shí)，受機(jī)械加工熱量和精度的影響，試樣的屈服強(qiáng)度會發(fā)生變化，因此圓棒試樣不能代表鋼管的全壁厚性能。板狀試樣是使用圓弧瓦塊壓平之后進(jìn)行加工的，會受到再次變形的包辛格效應(yīng)和壓平精度的影響，故檢測出來試樣的屈服強(qiáng)度也不能反應(yīng)鋼管真實(shí)的性能。

因此在 ISO 15363[5]， AS 1855[6]， ASTM A370[7]和GB/T 20568[8]等標(biāo)準(zhǔn)中，都提出了從鋼管上截取出一定寬度的管環(huán)作為樣件進(jìn)行管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)來獲得屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)方法及技術(shù)要求，以更加準(zhǔn)確可靠的檢驗(yàn)出原態(tài)鋼管的橫向屈服強(qiáng)度。但這些標(biāo)準(zhǔn)中都僅給出了試驗(yàn)裝置示意圖，文獻(xiàn)[9-11]中也僅對管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)介紹，對如何實(shí)現(xiàn)管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)技術(shù)要求的詳細(xì)設(shè)計(jì)均未指出。

因此，為實(shí)現(xiàn)管環(huán)橫向屈服強(qiáng)度的管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)，還需要在深入分析后進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)介紹，并予以驗(yàn)證。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

通過對文獻(xiàn)[5-8]各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中給出的管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)要求進(jìn)行綜合分析，總結(jié)如下：管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)及樣件設(shè)計(jì)如圖1所示，周長變化實(shí)時(shí)采集設(shè)計(jì)及人工外徑卷尺測量設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)及樣件設(shè)計(jì)

圖2 周長變化實(shí)時(shí)采集設(shè)計(jì)及人工外徑卷尺測量設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)上要求管環(huán)樣件與上壓板間隙Δ≤0.2 mm，如圖1（a）所示；管環(huán)樣件翹曲度Q≤0.15 mm， 平行度C≤0.15 mm， 如圖1（b）所示； 鏈條單節(jié)長度對應(yīng)管環(huán)圓心角度α≤18°，如圖2（a）所示；脹環(huán)變形速率v范圍要求0.000 25/s~0.000 025/s；計(jì)算屈服強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系見式（1）。

式中：σ0.5—管環(huán)外徑應(yīng)變量0.5%時(shí)計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度；

D—試樣平均外徑；

T—試樣平均壁厚；

P—試樣外徑應(yīng)變量ξ為0.5%的外周長時(shí)加壓液體的壓力值。

根據(jù)技術(shù)規(guī)范提出的形式及參數(shù)設(shè)計(jì)，可以解讀出實(shí)現(xiàn)管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)主要是工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、周長延伸量檢測技術(shù)、密封設(shè)計(jì)技術(shù)和充液流速計(jì)算設(shè)定。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)上滿足裝配關(guān)系的同時(shí)，需要考慮合適的試樣與上壓板之間的間隙，以保證管環(huán)可以無額外約束條件的被脹大。

在圖1（a）中的豎直方向上需要依賴裝置內(nèi)力或者其他外力進(jìn)行約束，并始終保證小間隙的合理存在。管環(huán)周向上則依靠管環(huán)自身的形變實(shí)現(xiàn)力能儲蓄，并獲得0.5%變形量下的液體壓強(qiáng)，從而計(jì)算出管環(huán)的屈服強(qiáng)度。

流體通道應(yīng)完善合理。密封腔室里的空氣，應(yīng)在注液的同時(shí)被排出到腔外，以維持加壓期間的鎮(zhèn)定性和安全性。排放口宜高于腔室，以便空氣徹底排出。

裝配后管環(huán)樣件與上壓板間隙Δ規(guī)定不大于0.2 mm，這要求管環(huán)加工后的翹曲度和平行度的累計(jì)公差范圍也不能大于0.2 mm。對于直徑較大的管環(huán)，加工精度要求比較高。實(shí)際上，在滿足密封性的前提下，Δ值可以適當(dāng)放寬，這在實(shí)踐中也已經(jīng)得到驗(yàn)證。另外，內(nèi)外焊縫的余高都應(yīng)去除并且與管體圓滑過渡。

2.2 密封技術(shù)

由于試驗(yàn)變形速率很低（<0.1 mm/s），彈性體可以看作承受的是靜力。對其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析如下。

彈性回復(fù)率：彈性體在經(jīng)過多次試驗(yàn)膨脹之后，要基本能夠回復(fù)到原尺寸，以維持可密封性和樣件的可安裝性。文獻(xiàn)[12]也對彈性體的回復(fù)性能進(jìn)行了介紹。

材料強(qiáng)度：優(yōu)質(zhì)彈性體的彈性范圍一般都超過5%，脹環(huán)試驗(yàn)時(shí)的基體變形量一般不超過2%，周向拉應(yīng)力的影響可以不考慮。彈性體在徑向上受到的是管環(huán)樣件和內(nèi)表液體施加的平衡壓力，大小約等于液壓壓力。綜合考慮，材料的抗拉強(qiáng)度不低于水壓壓強(qiáng)就能滿足彈性體的強(qiáng)度要求。彈性體的唇口需要提供密封作用，變形量稍微大一點(diǎn)，其撕裂強(qiáng)度要求稍高，由于唇口蠕動變形的不確定性，考慮撕裂強(qiáng)度要大于水壓壓力值，并注意壽命和安全余量。

介質(zhì)耐性：加壓介質(zhì)為水、乳化液或液壓油，密封材料需要適用于水或油環(huán)境。

工作溫度：考慮介質(zhì)為常溫水或油，因此溫度范圍在其液態(tài)溫度區(qū)間即可。

彈性模量：標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)備壓力系統(tǒng)精度控制在±1%。鋼鐵彈性模量一般在200 GPa左右，彈性體的模量越小越好。故密封件的彈性模量應(yīng)滿足如下函數(shù)關(guān)系。

式中：Ee—密封件的彈性模量，MPa；

σΔ—試驗(yàn)允許的屈服強(qiáng)度誤差值，MPa；

t—密封件的壁厚，mm；

ξe—管環(huán)應(yīng)變量ξ為0.5%時(shí)的密封件外徑應(yīng)變量；

φ—密封件的初始外徑，mm。

2.3 周長延伸量檢測技術(shù)

在計(jì)算管環(huán)外徑周長變形量時(shí)，需要考慮鏈輪的直徑d。管環(huán)外徑產(chǎn)生0.5%變形量時(shí)，測量裝置顯示的周長理論變形量應(yīng)按（4）式計(jì)算。

節(jié)距數(shù)量影響，在節(jié)距為20時(shí)，與管環(huán)周長實(shí)際變形量相對誤差不足0.6%，換算為絕對誤差，不足0.003%（D0+d），即使在管徑1 000 mm時(shí)候，絕對誤差小于0.03 mm，影響可以忽略。具體計(jì)算方法這里不作介紹。

2.4 充液流速計(jì)算設(shè)定

脹環(huán)變形速率v范圍要求0.000 25~0.000 025/s，其對拉伸性能測試的影響可參見文獻(xiàn)[13]。管環(huán)屈服強(qiáng)度定義為是其管環(huán)應(yīng)變量ξ=0.5%時(shí)的應(yīng)力值，亦即總的變形率為0.005。按照總變形率和變形速率計(jì)算，充液流量Vf計(jì)算公式

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)公式計(jì)算的流速要求，選擇合適充液流量的液壓系統(tǒng)即可。

3 寶鋼焊管應(yīng)用設(shè)計(jì)

這里選擇寶鋼供貨給某管道項(xiàng)目用焊管為應(yīng)用設(shè)計(jì)例，該合同要求使用管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)方式檢測焊管的屈服強(qiáng)度。焊管外徑D為406.4 mm，壁厚T為8.0 mm和12.7 mm，鋼級為X70M （屈服強(qiáng)度范圍為485~635 MPa）。管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)裝置關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的分析結(jié)論，該直徑為406.4 mm焊管管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，密封件3和O形圈組件5被預(yù)先安裝在內(nèi)模1上。從注液口12進(jìn)入的液體，經(jīng)過通道b流入密封件3的腔室內(nèi)，并把腔室內(nèi)的氣體趕往通道a，經(jīng)排氣口8流出內(nèi)模1。當(dāng)排氣口8流出液體時(shí)，關(guān)閉排氣口8。此后，注液口12不斷提供一定流速的液體，同時(shí)提供足夠的背壓，以脹大密封腔室的容積，從而推動管環(huán)樣件2的外圓周長（直徑）脹大。當(dāng)引伸組件11實(shí)時(shí)測量到管環(huán)試樣2的周長 （直徑）變化量達(dá)到設(shè)定的屈服應(yīng)變數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)讀取此時(shí)的液壓壓力，從而計(jì)算出管件試樣2的屈服強(qiáng)度數(shù)值。

3.2 密封設(shè)計(jì)

彈性密封件的壁厚t都設(shè)計(jì)為7 mm。按照彈性體對系統(tǒng)誤差最大貢獻(xiàn)σΔ=0.5 MPa設(shè)計(jì)，并把其他參數(shù)帶入公式（2）和（3）計(jì)算，對于壁厚8 mm和12.7 mm用彈性體的彈性模量計(jì)算結(jié)果為分別小于78 MPa和118 MPa。在彈性體密封件采用同樣材質(zhì)的情況下，最終確定彈性模量不大于78 MPa。按照管環(huán)屈服強(qiáng)度上限635 MPa和管環(huán)最大壁厚為12.7 mm，根據(jù)公式（1）推算P值最大值約40 MPa，因此彈性體撕裂強(qiáng)度不能低于P值，并考慮一定安全余量。根據(jù)市場現(xiàn)有材料性能的情況，選擇某規(guī)格的常規(guī)聚氨酯，其基本性能見表1。

表1 彈性體性能指標(biāo)

3.3 測量設(shè)計(jì)

引伸組件安裝在樣環(huán)上的組裝方式如圖4所示。鏈輪直徑d=15 mm，鏈條節(jié)數(shù)為36。推算出鏈節(jié)數(shù)量產(chǎn)生的相對誤差不足0.2%，絕對誤差小于0.005 mm，精度滿足要求。

圖4 引伸組件在樣環(huán)上裝配示意圖

按照名義尺寸，根據(jù)公式（4）計(jì)算0.5%應(yīng)變量對應(yīng)周長伸長量為6.62 mm。但對具體樣件試驗(yàn)時(shí)，按照管環(huán)的實(shí)際測量6點(diǎn)壁厚均值及外徑均值進(jìn)行計(jì)算。

3.4 速度控制

脹環(huán)變形速率v范圍要求0.000 25~0.000 025/s，對于壁厚8 mm以及12.7 mm的管環(huán)按照公式（5）計(jì)算得到的Vf范圍分別為0.458~4.58 mL/s和0.446~4.46 mL/s。最終選擇排量為2.5 mL/s氣動泵，調(diào)整轉(zhuǎn)速為60 r/min。

4 應(yīng)用結(jié)果

限于篇幅，針對兩種規(guī)格鋼管的試驗(yàn)結(jié)果，本研究僅各選取具有代表性的一件管環(huán)作為實(shí)例。

圖5（a）所用管環(huán)規(guī)格的6點(diǎn)平均壁厚8.04 mm，平均外徑為406.7 mm。按公式（4）計(jì)算周長變形量為6.62mm，起始值為0.1 mm，橫坐標(biāo)6.72 mm，對應(yīng)液壓壓力為21.926 MPa（3 180 psi）。按照公式（1）計(jì)算，σ0.5=554.6MPa。

圖5（b）所用管環(huán)規(guī)格的6點(diǎn)平均壁厚為12.75 mm，平均外徑為406.5 mm。按公式（4）計(jì)算周長變形量為6.62 mm，起始值0.1 mm，橫坐標(biāo)6.72 mm，對應(yīng)液壓壓力34.475 MPa（5 000 psi）。按照公式（1）計(jì)算， σ0.5=549.1 MPa。

圖5 不同規(guī)格鋼管的壓力與周長變形關(guān)系曲線

從上述規(guī)格的批量試驗(yàn)結(jié)果來看，采用脹環(huán)試驗(yàn)取得的屈服強(qiáng)度，絕對值明顯高于板狀試樣的拉伸屈服強(qiáng)度，與圓棒試樣的接近。批量脹環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動范圍比圓棒試樣和板狀試樣都要小。

5 結(jié) 語

本研究針對脹環(huán)試驗(yàn)法取得管環(huán)屈服強(qiáng)度中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并依據(jù)技術(shù)規(guī)范中明確要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了推理設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是如何成功精確實(shí)現(xiàn)脹環(huán)試驗(yàn)這一目標(biāo)，并進(jìn)行了成功驗(yàn)證。這對于今后開展水壓前、水壓后和涂層后的管件屈服強(qiáng)度變化、板狀試樣、圓棒試樣和管環(huán)樣件之間試驗(yàn)結(jié)果的具體對比以及鋼級規(guī)格對管環(huán)件屈服強(qiáng)度的影響等，提供了必要條件。

另外，本研究所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置并不是成功實(shí)現(xiàn)管環(huán)液壓脹形試驗(yàn)的唯一形式。在裝備功能結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集與處理等方面，都可以進(jìn)一步自動化和智能化。

［1］ API SPEC 5L—2012，Specification for Line Pipe［S］.

［2］ CSA Z245.1—2007，Steel Pipe［S］.

［3］ DNV-OS-F101—2013，Submarine Pipeline Systems［S］.

［4］CDP-S-NGP-PL-006—2011-2，天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件［S］.

［5］ISO 15363—2000，Metallic Materials-tube Ring Hydraulic Pressure Test［S］.

［6］AS 1855—2008，Methods forthe Determination of Transverse Tensile Properties of Round Steel Pipe［S］.

［7］ASTM A370—2011，Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products［S］.

［8］GB/T 20568—2006，金屬材料管環(huán)液壓試驗(yàn)方法［S］.

［9］王樹人，葉蘇錦，王長安，等.X80級管線鋼管屈服強(qiáng)度測量影響因素的分析［J］.焊管，2009，32（12）：16-19.

［10］柳淑芳，時(shí)德，李默，等.包申格效應(yīng)與鋼管拉伸性能檢測方法探討［J］.石油機(jī)械，2004，32（08）：47-48.

［11］熊慶人，馮耀榮，張建勛，等.大口徑高鋼級螺旋埋弧焊管強(qiáng)度測試影響因素分析 ［J］.材料工程，2004（08）：40-45.

［12］劉建紅.管道用脹環(huán)試樣試驗(yàn)臺主密封圈的設(shè)計(jì)［J］.潤滑與密封，2009，34（04）：93-95.

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