20#钢深冷后力学性能测试

兰洪强，刘继银，梁 政，张 毅，赵轩刚

（1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 610017；2.中国石油西气东输管分公司苏浙沪管理处，江苏南京 320100；3.西南石油大学教育部重点实验室，四川成都 610059；4.中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林 719000）

天气气管道冷冻封堵技术作为一种新型的天然气管道维抢修技术，有着封堵压力高、避免了在管道避免开孔、不用清管、施工作业时间短等诸多优点，但是天然气管道管材经过深冷后其力学性能是否和深冷前一样，这是一个不容忽视的问题；若经过深冷后其力学性能下降则会在后期输气过程中留下安全隐患，同时也会影响天然气管道冷冻封堵技术的大力推广与应用，因此设计相应工况下的常用天然气管道管材的力学性能测试是排除这种安全隐患的唯一途径；与此同时得到的测试结果还能为优化天然气管道冷冻封堵技术的各项参数提供依据。

1 20#钢深冷后力学性能测试

1.1 试样制备

根据选定试验机的要求，按标准制备了拉伸试验样品、冲击功试验样品、压缩试验样品并分别编号。样品试件和分组编号（见图1）。

1.2 试件深冷

此次对试件进行深冷所选用的冷冻剂为干冰，其接触温度为-70℃，与天然气管道冷冻封堵技术所用的冷冻介质相同，将制备的干冰和试件放入聚氨酯保温箱，对试件进行深冷；冷冻时间为12 h，该时间大于天然气管道冷冻封堵施工过程中的冷冻时间。冷冻结束后取出试件，在常温下恢复8 h，恢复该时间小于等于天然气管道冷冻封堵后的解冻时间，恢复期结束后分别对试件进行各项力学性能测试。

1.3 拉伸、压缩、冲击功测试

拉伸实验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的实验方法。利用拉伸实验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。

20#钢属于低碳钢，在承受压缩荷载时，起初变形较小，力的大小沿直线上升，当超过比例荷载后，变形开始增快，此时显示荷载减慢或基本不变或有所回落的现象，这表明材料已达到屈服，此时的荷载即为屈服荷载。屈服阶段结束后，塑性变形迅速增加，试件截面面积也随之增大，而使试件承受的荷载也随之增加，这时试件被压成鼓形，最后压成饼形而不破坏，其强度极限无法测定。

测定钢材的冲击韧度，观察破坏情况，并进行冷冻前后性能比较。

把金属材料制成标准试件，安置在冲击实验机坐上，使它受冲力而折断。记录试件折断所消耗的能量。将能量用带缺口的截面积相除，所得的数值为材料的冲击韧度。

对试件进行拉压试验用WE300A液压万能实验机，对试件进行冲击功试验用300/150摆锤式机械冲击实验机。

2 测试结果

2.1 记录测试数据

记录整个实验过程的数据，并将其制成表格，其中拉伸实验的数据（见表1），压缩实验的数据（见表2），冲击功实验的数据（见表3）。

（1）拉伸实验结果

表1 拉伸实验结果

表2 压缩实验结果

（2）压缩实验结果（见表2）。

（3）冲击功实验结果（见表3）。

表3 冲击功实验结果

2.2 测试结果分析

2.2.1 拉伸实验 将深冷组和对比组拉伸实验的数据取平均值（见表4）。

表4 拉伸实验数据处理

由表4可以看出深冷后的测试数据和拉伸实验对比组的各项测试数据相比变化很小，其屈服强度在承压范围内。

2.2.2 压缩实验 将深冷组和对比组压缩实验的数据取平均值（见表5）。

表5 压缩实验数据处理

由表5可以看出，实验前试样的几何偏差很小，这可以说明此次对比结果的准确性，深冷后的测试数据和拉伸实验对比组的屈服压力偏差很小，其屈服强度在承压范围内。

2.2.3 冲击功实验 将深冷组和对比组冲击实验的数据取平均值（见表6）。

表6 冲击功实验数据处理

由表6可以看出，深冷后的测试数据和拉伸实验对比组的冲击功偏差很小，其剪切屈服强度在承压范围内。

3 结论

由表4～表6可以看出，20#钢材在固体干冰冷冻环境中冷冻12 h后，在自然环境中恢复8 h，测试的拉压和冲击性能与冷冻前变化很小，其力学性能与未经过冷冻→恢复环境温度→恢复承压状态过程的20#钢材力学性能参数没有明显变化，因此这一实验结果可以有力的作为天然气管道冷冻封堵技术在冷冻环节不会对钢材的性能产生任何影响的佐证，为冷冻封堵技术在天然气管道中的运用及推广提供了安全保障，同时也为天然气管道冷冻封堵技术的冷冻时间界限、解冻时间等各项参数优化提供了依据。

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