管线钢力学性能均匀性研究

张小立，李建武

（1．中原工学院，郑州450007；2．西安长庆科技工程有限责任公司，西安710018）

管线钢力学性能均匀性研究

张小立1，李建武2

（1．中原工学院，郑州450007；2．西安长庆科技工程有限责任公司，西安710018）

对高钢级管线钢中不同层厚、不同部位，包括横向、纵向、焊缝及距离焊缝90°和180°位置，取不同直径的拉伸试样，进行了力学性能变化规律研究，发现距离焊缝180°的管体Rt0．5最低，此处为易破裂点．

管线钢 ；力学性能；均匀性；易破裂点

高钢级管线钢管线的不同位置，包括横向、纵向、焊缝、热影响区及距离焊缝不同角度等位置，在输送过程中的力学性能对富气输送的安全性以及现场检验等非常重要［1］．本文对X70以上钢级的不同位置的力学性能进行了研究，发现距焊缝180°的管体Rt0．5最低，此处为宜破裂点．

1 试 验

拉伸试样按 ASTM A370—2002标准规定，在MTS810—15自动拉伸试验机上进行．按照APISPEC 5L和ASTM E24规定，选取规格为10 mm×10 mm×55 mm的带预制疲劳裂纹的三点弯曲试样，利用摆锤、落锤等装置进行动态加载，测定金属材料在冲击载荷作用下的CVN值．

试验主要采用了5种管线钢进行组织性能对比．试验材料中，1＃、5＃为X80直缝埋弧焊管，其规格分别为ø1 016 mm×18．4 mm、ø1 016 mm×17．5 mm；2＃、3＃为X80钢级螺旋埋弧焊（UOE）管，其规格均为ø1 016 mm×15．3 mm；4＃为X70直缝埋弧焊管（SSAM），其规格为ø1 016 mm×21 mm．分别对这几种管线钢的拉伸、冲击、落锤、硬度和金相试样进行对比试验．取材部位为焊缝、母材，取材方向为距离焊缝90°横向、180°纵向等．

试样规格如下：①拉伸试样取ø12．5 mm的圆棒样，试样头部加工成单肩式，其直径一般为1．5～2．0 d；②冲击试样为夏比V型缺口试样（缺口平行于钢的表面），试样规格为10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度为2 mm，其尺寸偏差分别为 （10±0．05）mm、（55±0．06）mm；③1＃、4＃、5＃管线钢分层拉伸对比试样均为圆棒形（样品不展平，只取中间试验段60 mm，两端夹持段另焊），其标准为ø12．5 mm和ø10 mm中层试样及ø6．25 mm的上、中、下三层试样；④落锤冲击试样规格为300 mm×75 mm×19．5 mm．

2 管线钢不同位置的力学性能

图1所示为3种管线钢的母体横向分层拉伸试样应力－应变曲线．

由图1a可知，1＃管线钢上、中、下三层的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均相近，说明其母材组织成分很均匀；由图1b可知，4＃钢中层的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均比上层和下层低；由图1c可知，5＃管线钢上层的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均比中层和下层高．

导致这些性能不同的原因是：钢板内外冷却速率及成分扩散速率不同，导致组织分布不均和卷成钢管时的应力分布不同；屈服强度高的材料，能够提高许用

图1 分层拉伸应力－应变曲线

应力，可减轻构件的重量，强度较高．

图2所示为3种管线钢的应力－应变曲线图．由图2可知，1＃和5＃钢的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均比4＃钢的高；X80钢有十分明显的屈服平台；1＃钢的屈服强度、抗拉强度比5＃钢高，弹性模量则很接近．

图2 1＃、4＃和5＃管线钢母体横向应力－应变曲线

图3所示为3种管线钢的拉伸Rm和Rt0．5曲线图．

图3a所示为1＃、2＃、3＃钢不同部位的抗拉强度试验结果．从总体上看，焊缝的抗拉强度都很好，母材的横向抗拉强度比纵向抗拉强度略高，这主要与材料的轧制方向有关．

图3b所示为1＃、2＃、3＃钢不同部位的屈服强度试验结果．可以看出，管体横向的Rt0．5要比纵向好．由于1＃钢为X80级UOE管线钢，2＃、3＃钢均为X80级SSAM管线钢，可见，UOE管线钢不同方向和不同部位的屈服强度较SSAM管线钢均匀．而SSAM管线钢不同部位方向的Rt0．5落差较大，距焊缝180°的管体Rt0．5最低，此处为宜破裂点．

图3 1＃、2＃、3＃管线钢的拉伸Rm 和Rt0．5曲线图

由图1－图3可知，几种钢横向、纵向的Rm和Rt0．5符合标准；1＃钢90°纵向的屈强比过高，不符合标准；2＃、3＃钢180°横向的Rt0．5过低，也不符合标准；4＃钢横向的屈强比过高，不符合标准．横向和纵向拉伸试验结果对比表明，1＃、4＃、5＃管线钢横向拉伸的屈服强度和抗拉强度以及弹性模量明显比纵向拉伸的高，说明沿钢板轧制方向具有明显的各向异性；宽度和厚度方向力学性能有明显的差异．

图4所示为3种管线钢分层冲击试验结果．

图4 3种管线钢分层冲击试验结果

由图4a可知，1＃管线钢不同层的冲击功和冲击韧性与温度的关系为：上、下层的冲击功和冲击韧性随温度的降低而降低，中层与上、下层正好相反，随温度的降低而升高；不同层的冲击功和冲击韧性相差较大，中层整体最高，上层次之，下层最低．由图4b可知，4＃管线钢不同层的冲击功和冲击韧性与温度的关系为：上、中、下层的冲击功和冲击韧性都随温度的降低而降低；不同层的冲击功和冲击韧性相差较大，上层整体最高，中层次之，下层最低．由图4c可知，1＃管线钢不同层冲击功和冲击韧性与温度的关系为：上层的冲击功和冲击韧性随温度的降低而急速降低，但中、下层没有变化；不同层的冲击功和冲击韧性相差较大，0℃时上层整体最高，下层次之，中层最低，－20℃时上层降到最低，中、下层不变．

因此，管线钢由于轧制、卷管及制备过程中的成分不均匀性，导致力学性能（强度、韧性）的不均匀［2］．

3 结 语

（1）管线钢上、中、下层的强度和韧性值略有不同．这是由于钢板内外冷却速率及成分扩散速率不同，导致组织分布不均和卷成钢管时的应力分布不同所造成的．由不同部位屈服强度的试验结果发现，距焊缝180°的管体Rt0．5最低，此处为宜破裂点．

（2）管线钢横向拉伸的屈服强度和抗拉强度以及弹性模量明显比纵向拉伸高，说明沿钢板轧制方向具有明显的各向异性，宽度和厚度方向力学性能有明显的差异．

［1］张小立，冯强，刘迎来．高钢级管线钢二次加热后韧性指标协调性及与组织的关系探讨［J］．材料热处理学报，2008，29（6）：66－69．

［2］罗金恒，赵新伟，韩晓毅，等．西气东输管道可靠度预评估［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

博士后基金项目（20060390319）

张小立（1969－），女，甘肃武威人，高级工程师，博士．