X90直缝埋弧焊管加工硬化性能分析*

陈晓莉 , 霍春勇 , 李 鹤 ,李炎华 , 张继明 , 吉玲康

（1.西安交通大学 材料科学与工程学院，西安710049；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；3.石油管工程重点实验室，西安710077）

X90直缝埋弧焊管加工硬化性能分析*

陈晓莉1，2，3, 霍春勇2，3, 李 鹤2，3,李炎华2，3, 张继明2，3, 吉玲康2，3

（1.西安交通大学 材料科学与工程学院，西安710049；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；3.石油管工程重点实验室，西安710077）

对国内不同厂家生产的X90直缝埋弧焊管进行了静拉伸试验，分析了管线钢的加工硬化性能。结果表明：X90直缝埋弧焊管的拉伸曲线具有连续屈服特征，没有明显的屈服平台，属于典型的Round house型曲线。真应力－真应变的双对数曲线在整个范围内不能近似为一条直线，在整个塑性变形区域内不完全符合Hollomon公式，不具有确定的加工硬化指数。但表现为三个阶段的加工硬化，第一阶段和第三阶段具有确定的加工硬化指数（分别记为n1和n2），n1＜n2。在忽略试样不均匀性及试验误差的前提下，随屈强比的升高，均匀延伸率、加工硬化指数均呈现下降趋势。

焊管；X90钢；静拉伸；屈强比；均匀延伸率；加工硬化指数

0 前言

随着经济的飞速发展，各行各业对能源的需求及消耗日益增加，传统能源(煤和石油)燃烧所带来的环境污染问题也日益明显，我国对洁净能源天然气的需求迅猛增长。管道运输是天然气常用的输送方式，为了提高管道运输的可靠性和经济性，天然气管道向着高压、大直径、大壁厚、大输量和高钢级的方向发展成为必然趋势。

近年来，我国输气管道用管线钢发展迅速，西气东输一线管道工程采用X70管线钢管，西气东输二线管道工程大规模采用X80管线钢管。目前，在油气管道工程上正式使用的最高强度级别管线钢是X80，国内外正在积极研究开发X80及以上的高强度管线钢管，我国迫切需要应用X80及以上高钢级管线钢进行长距离高压(大于12 MPa)输送[1]。中国石油集团公司正在积极研究X90及X100等高钢级管线钢的工程应用问题。

天然气输送管道钢级、管径、设计系数的提高以及高压、富气输送工艺的采用，大大提高了运营效益，同时给管道安全也提出了更高的要求。管线钢的力学性能是管道设计和安全评定最基本的指标，因此，研究高强度、高韧性管线钢的力学性能很有意义。

1 拉伸试验简介

静拉伸试验是材料力学性能试验中最基本的方法，用静拉伸试验可以得到材料的应力－应变曲线。金属在拉伸时一般表现为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。典型的管线钢的拉伸应力－应变曲线有Luders伸长型（有明显屈服平台）和Round house型（无明显屈服平台）两种。研究结果表明，Round house型管线钢的变形能力优于Luders伸长型管线钢[2]，典型的管线钢应力－应变曲线如图1所示。

图1 典型的管线钢应力－应变曲线

金属材料在拉伸时，材料开始屈服以后，继续变形将产生加工硬化，但材料的加工硬化行为不能用工程应力－应变曲线来描述，因为试样在拉伸变形过程的每一瞬间横截面积和长度都在变化，而工程应力是以不变的初始横截面积来计算，工程应变是以初始的标距长度来度量的，因此必须采用真应力－应变曲线。真应力－应变曲线在工程应力－应变曲线的左上方，金属材料的工程应力－应变曲线和真应力－应变曲线对比如图 2所示[3]。

图2 金属材料的工程应力－应变曲线和真应力－应变曲线对比

工程应力－应变曲线上的应力达到最大值时开始出现颈缩，在颈缩前变形沿整个试样长度是均匀的，颈缩后变形则主要集中在局部区域，随着变形增加，试样横截面越来越小，局部应力越来越高，直至不能承受外加载荷而断裂。在试样发生颈缩前，真应力、真应变与工程应力、工程应变的关系见式（1）和式（2）。

式中：e—工程应变；σ—工程应力；εt—真应变；σt—真应力。

试样从开始屈服到发生颈缩的真应力和真应变的关系可用Hollomon方程描述[4]，见式（3）。对式（3）两边同时取对数，可得到式（4）。

式中：K—强度系数；n—加工硬化指数或应变硬化指数。

由式（4）可知，真应力－真应变的对数坐标曲线的斜率值即为n，n值的大小反映了材料抵抗进一步变形的能力。

在本研究中，对我国不同厂家生产的X90直缝埋弧焊管进行了静拉伸试验，研究了X90直缝埋弧焊管的加工硬化性能。

2 试验材料

本研究选用国内不同厂家生产的X90直缝埋弧焊管，钢管外径1 219mm、壁厚16.3mm。从焊管上距焊缝180°的管体部位取横向拉伸试验样坯，加工成圆棒拉伸试样，如图3所示。试样标距35mm，标距段试样的直径为8.9mm。在UTM5305材料试验机上按照ASTM A 370—2012a[5]进行试验。X90直缝埋弧焊管的拉伸试样编号及化学成分见表1。

图3 X90圆棒拉伸试样

表1 X90直缝埋弧焊管拉伸试样编号及其化学成分

3 试验结果及分析

8种X90直缝埋弧焊管拉伸试样的拉伸应力－应变曲线如图4所示，其中图4（a）为工程应力－应变曲线，图4（b）为真应力－真应变曲线。

图4 X90直缝埋弧焊管拉伸试样的应力－应变曲线

从图4可以看出，本研究X90直缝埋弧焊管拉伸试样的应力－应变曲线具有连续屈服特征，没有明显的屈服平台，属于典型的Round house型曲线，试样既有足够的强度，又有足够的变形能力。

图5 X90直缝埋弧焊管拉伸试样真应力－真应变双对数曲线

加工硬化指数n反映了材料在变形过程中的加工硬化能力。8种X90直缝埋弧焊管拉伸试样真应力－真应变的双对数曲线如图5所示。由图5可见，X90直缝埋弧焊管的真应力－真应变双对数曲线不能近似为一条直线，说明材料在整个塑性变形区域内不完全符合Hollomon公式，不具有确定的n值。但X90直缝埋弧焊管表现为三个阶段的加工硬化：第一阶段，真应力－真应变的双对数曲线在0.5%～1.0%应变区间内，双对数曲线近似为一条直线，可认为管线钢试样有确定的加工硬化指数（记为n1）；第二阶段，随着真应变继续增加，在1.0%～2.0%应变区间内，双对数曲线的斜率逐渐增大；第三阶段，当应变大于2.0%后，双对数曲线又近似为一条直线，可认为管线钢试样有确定的加工硬化指数（记为n2），n1＜n2。

由图5可知，本研究X90直缝埋弧焊管拉伸试样真应力－真应变的双对数曲线不能近似为一条直线，说明管线钢的组织不是单一相，而是双相或多相，硬相为管线钢提供必要的强度，软相保证了管线钢有足够的塑性。现有金属材料塑性变形的基本方式是滑移和孪生。在管线钢塑性变形的起始阶段，组织中位错和亚结构相对较少，塑性变形阻力较小，此阶段主要是软相发生变形，故加工硬化指数n1较小；随着塑性变形的发展，位错增殖和位错缠结等使滑移困难，形变阻力较大，此阶段主要是硬相发生变形，故加工硬化指数较大。现有的一些研究表明，管线钢的组织类型、软硬相体积分数对加工硬化指数有一定的影响[6-7]。

图5中8种X90直缝埋弧焊管的加工硬化性能见表2。由图5和表2可知，8种X90直缝埋弧焊管的拉伸试样表现出三个阶段的加工硬化，第一阶段和第三阶段分别对应确定的加工硬化指数(n1和n2)，对每种试样，n1均小于n2。

表2 X90直缝埋弧焊管的加工硬化性能

试样均匀延伸率及加工硬化指数(n1和n2)与屈强比的关系如图6所示。从图6（a）可以看出，在忽略试样不均匀性及试验误差的前提下，随X90直缝埋弧焊管拉伸试样屈强比的升高，试样均匀延伸率呈现下降趋势。从图6（b）可以看出，在忽略试样不均匀性及试验误差的前提下，随X90直缝埋弧焊管拉伸试样屈强比的升高，试样的加工硬化指数(n1和n2)均呈现下降趋势。

图6 X90拉伸试样的均匀延伸率及加工硬化指数与屈强比的关系

由此可知，对本研究X90直缝埋弧焊管，在忽略试样不均匀性及试验误差的前提下，随屈强比的升高，均匀延伸率和加工硬化指数均呈现下降趋势，这也与文献[8-10]中的结果较符合。因此，对于高钢级管线钢，强度并不是越高越好，要根据管线钢的应用环境和条件，综合考虑管线钢的屈强比、延伸率和加工硬化指数。

4 结 论

（1）本研究X90直缝埋弧焊管的拉伸试样具有连续屈服特征，没有明显的屈服平台，具有较高的强度和变形能力，属于典型的Round house型曲线。

（2）本研究X90直缝埋弧焊管的真应力－真应变的双对数曲线不能近似为一条直线，在整个塑性变形区域内不完全符合Hollomon公式，不具有确定的加工硬化指数。但表现为三阶段的加工硬化，第一阶段和第三阶段具有确定的加工硬化指数（分别记为 n1和 n2）， n1＜n2。本研究的X90直缝埋弧焊管的组织应为双相或多相。

（3）对本研究X90直缝埋弧焊管，在忽略试样不均匀性及试验误差的前提下，随屈强比升高，均匀延伸率、加工硬化指数均呈现下降趋势。

致谢：此项目得到中国石油天然气集团公司的支持。

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Strain-hardening Performance Analysis of X90 SAWL Pipes

CHEN Xiaoli1，2，3,HUO Chunyong2，3,LI He2，3,LI Yanhua2，3,ZHANG Jiming2，3,JI Lingkang2，3
(1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China；2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China；3.Key Laboratory of Petroleum Pipe Project of CNPC,Xi’an 710077,China)

The static tensile tests were conducted for X90 SAWL pipes produced by different China domestic manufacturers,and the strain-hardening performance of pipeline steel was analyzed.The results indicated that the tensile curve of X90 SAWL pipes has no significant yield platform,it belongs to the typical Round house curve.The double logarithmic curve of the true stress and strain cannot approximate to a straight line within the whole scope,in the plastic deformation area not completely comply with Hollomon formula,not with determined strain-hardening indexes.But the strain-hardening indexes of X90 pipes has three stages,the first and third stages are with determined strain-hardening indexes(marked as n1and n2),and n1is less than n2.Under the condition of ignoring the non-uniformity of samples and the experimental error,the uniform elongation(UEL)and strain-hardening indexes respectively shows a downward trend with the increase of yield ratio.

welded pipe;X90 steel;static tensile test;yield ratio;uniform elongation;strain-hardening index

TG113.25

A

1001－3938（2015）04-0011-04

陕西省自然科学基础研究计划资助项目（项目编号：2011JQ6017）。

陈晓莉（1986—），女，西安交通大学材料科学与工程学院硕士生。

2014-12-18

谢淑霞