X80高强度管线钢拉伸试验伸长率变化规律研究*

许晓锋，秦长毅，李 娜，蔺卫平，梁明华，李记科

(中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077)

X80高强度管线钢拉伸试验伸长率变化规律研究*

许晓锋，秦长毅，李 娜，蔺卫平，梁明华，李记科

(中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077)

为了解决高强度管线钢拉伸试验伸长率换算遇到的问题，选用多种X80管线钢材料对其拉伸试验伸长率变化规律进行了研究。研究结果表明，基于碳素钢和低合金钢旧材料建立的Oliver公式仍适用于X80高强度管线钢，但材料系数不同。确立了X80管线钢拉伸试验伸长率变化公式，根据新的材料系数分析了对试验结果评判的影响，并提出了标准修订建议，提醒使用者注意该问题，避免可能产生的不良后果。

X80；管线钢；伸长率；变化规律；Oliver公式

现行管线钢管标准ISO 3183《石油天然气工业 管道输送系统用钢管》和API SPEC 5L《管线钢管规范》[1-2]中10.2.4.2条规定“对于试样标距长度小于50mm的试样，应按照ISO2566-1或ASTM A370，将断裂后测得的伸长率转换为50mm长度上的伸长率。”在执行此条款过程中，存在以下两个问题：①ISO 2566-1《钢伸长值的换算 第1部分：碳素钢和低合金钢》[3]适用于拉伸强度不超过700MPa的钢材，而现代高强钢的拉伸强度早已超过了这个值，因此ISO 2566-1的适用性存疑；②小试样伸长率的转换有多种方法，包括等截面换算、同比例标距换算和不同比例标距换算，不同的方法得出的结果不同，由于标准没有明确规定造成执行标准可能的不一致。受影响的是GB/T 9711《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》[4]和GB/T 17600.1《钢的伸长率换算 第1部分：碳素钢和低合金钢》[5]。

X70以上高钢级管线钢已在我国油气输送管道工程领域广泛应用[6-7]，拉伸试验伸长率是反映材料塑性的重要指标，对工程安全有一定的影响[8]。因此，研究现代高强度、高韧钢伸长率变化的内在规律，验证ISO 2566-1中转换公式的适用性或是建立新的评判准则是目前亟待解决的问题。

1 研究思路和试验

1.1 研究思路

ISO 2566-1中伸长率换算的基础是低强度(拉伸强度不超过700MPa)碳素钢和低合金钢，其拉伸试验伸长率满足Oliver公式[9-10]，即

式中：A—断后伸长率；

S0—试样原始横截面积；

L0—原始标距长度；

α，m—材料相关的系数，ISO 2566-1中m＝0.4。

ISO 2566-1是否适用于高钢级管线钢管(抗拉强度大于700MPa)，这是需要确认的第一个问题，其实质是验证拉伸试验伸长率的变化规律是否满足Oliver公式。

Oliver公式经过变换可得到一个线性关系式，即公式(2)，这样，验证问题也就变得简单多了。

1.2 试样制作及试验

本试验采用X80管线钢，其抗拉强度625～825MPa，壁厚21.4mm。为获得比较全面和代表性的试验数据，选取直缝焊管、螺旋焊管、热轧板卷和钢板各类钢材，每类钢材选取两个不同厂家的产品分别加工成圆棒试样进行拉伸试验。试样分为5类，每类同时选取3个试样。其中，第1类试样为全尺寸试样，规格为Φ12.5mm×50mm；第2、3类试样为小尺寸试样，且与第1类组成等比例试样，其规格分别为Φ8.75mm×35mm和Φ6.25mm×25mm；第4、5类试样为50mm标距的小尺寸试样，其规格分别为Φ10mm×50mm和Φ8.75mm×50mm。具体试验材料及取样位置见表1。

表1 试验材料及取样位置

试样原始标距采用固定间距5mm或10mm的标距机进行标记，试验在UTM5305电子拉伸试验机上进行，用游标卡尺测量试样的断后伸长率。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

分别对019K 1#、019K 2#、020K 1#、020K 2#、021K 1#、021K 2#、022K 1#和022K 2#进行拉伸试验，结果见表2～表9。

表2 019K 1#试样的拉伸试验结果

表3 019K 2#试样的拉伸试验结果

表4 020K 1#试样的拉伸试验结果

表5 020K 2#试样的拉伸试验结果

表6 021K 1#试样的拉伸试验结果

表7 021K 2#试样的拉伸试验结果

表8 022K 1#试样的拉伸试验结果

表9 022K 2#试样的拉伸试验结果

2.2 等比例试样结果对比

根据Oliver公式，等比例试样伸长率应相同。第1、2、3类试样为等比例试样，表2～表9中试验结果显示其值相差不大。等比例试样断后伸长率的平均值和标准偏差见表10。由表10可见，偏差值相对较小。

表10 等比例试样断后伸长率的平均值和标准偏差

从表2～表9的试验结果来看，与第1类试样相比，第2、3类试样的值相对高一些，这与材料中心部位的塑性较好是符合的。除材料厚度方向性能差异和操作误差等因素外，可以初步认为其值是相同的。

2.3 试验结果整体分析

求取等比例试样的平均值，与第4、5类试样进行整体分析，具体分析和lgA 的关系。8种试样拉伸试验伸长率的拟合曲线如图1所示。019K 2#、020K 1#、021K 1#、021K 2#、022K 1#和022K 2#试样的抗拉强度小于700MPa，其拉伸试验伸长率结果分析见图1(a)～图1(f)。019K 1#和020K 2#试样抗拉强度大于700MPa，超出了ISO 2566-1目前的适用范围，其拉伸试验伸长率结果分析见图1(g)和图1(h)。分析结果汇总见表11。

图1 8种试样拉伸试验伸长率的拟合曲线

表11 8种试样试验结果线性拟合统计

从图1可以看出，试验结果的平均值之间普遍具有较好的线性关系。8种试样中，7个拟合曲线线性相关系数在0.80以上，其中5个达到0.90以上，3个接近1.00，具有很好的线性关系，初步证明Oliver公式同样适用于X80高强度管线钢。

现行ISO 2566-1规定适用于拉伸强度不超过700MPa的钢材，而试验中部分试样的抗拉强度已超过这个值，可见该标准的适用范围存在扩展的可能。

2.4 试验数据的深入分析

为了减少不同类型、不同来源的产品对伸长率变化的影响，选取固定试样通过测量不同标距对应的断后伸长率值进行伸长率换算公式的研究，可以将影响因素减少到最小。选取断裂位置居中的试样可以获得尽可能多的值，而且避免了移位补偿等方法带来的误差。下面选取6个试样进行研究和分析，结果见表12和图2。

表12 不同试样标距对应断后标距及其关系

图2 不同试样标距对应伸长率的拟合曲线

从分析结果来看，由于材料、加工等原因，试验结果存在一定的差异，但特定试样的伸长率变化规律完全符合Oliver公式。试验结果进一步表明Oliver公式适用于X80高强度管线钢。

2.5 试验值与标准要求值的比较

拟合曲线的斜率值即Oliver公式中的m值，与现行ISO 2566-1适用的0.4不同，X80高强度管线钢的材料系数偏大。小尺寸试样的伸长率换算到50mm标距长度的伸长率时，当材料系数较大时，换算得到的值就较小。其结果是否还满足标准要求，是否会得到完全不同的评判结论，下面进行初步分析。

为了反映X80材料的整体性能，对8种材料的试验结果进行分析和拟合，拟合得到的材料系数m=0.69，如图3所示。初步确立的X80管线钢拉伸试验伸长率为

小尺寸试样按照新旧材料系数进行换算所得结果见表13。由表13可见，换算结果的差值较大，且试样规格越小换算结果的差值越大。可见，如果根据现行标准采用较小的材料系数进行换算，结果会偏高，不能真实反映材料的使用性能。

图3 8种材料拉伸试验伸长率分析结果

表13 以019K 1#为例采用新旧材料系数伸长率换算结果

根据新的材料系数将小尺寸试样的伸长率等截面换算到50mm标距长度的伸长率，并与API SPEC 5L标准(第45版)表7中的要求值进行比较，比较结果如图4所示。从图4可以看出，采用新的材料系数后，尽管换算后的试验值会减小，但仍满足标准要求，未对之前和目前试验结果的评判带来颠覆性影响。

从维护产品质量和安全角度考虑，应加强高钢级管线钢拉伸试验伸长率变化规律的系统研究，确定能真实反映产品性能的参数。基于目前的工作，建议对管线钢管标准GB/T 9711、ISO 3183和API SPEC 5L做如下修改和完善，将条款“对于试样标距长度小于50mm的试样，应按照ISO 2566-1或ASTM A370，将断裂后测得的伸长率转换为50mm长度上的伸长率。”修改为：“对于试样标距长度小于50mm的试样，应按照ISO 2566-1或适用的其他标准，将断裂后测得的伸长率转换为50mm长度上的伸长率。”同时增加一个注：“高强度管线钢材料伸长率换算的材料系数可能与现行ISO 2566-1适用的0.4不同，比如X80高强度管线钢的材料系数偏大，约为0.69。”GB/T 17600.1和ISO 2566-1的适用范围和具体材料相关的系数也应进行相应的修订。

图4 试验值与标准要求值比较

3 结 论

(1)针对高强度管线钢拉伸试验伸长率换算遇到的问题，选用多种X80管线钢材料对其拉伸试验伸长率变化规律进行了研究。试验结果表明，基于碳素钢和低合金钢旧材料建立的Oliver公式仍适用于X80高强度管线钢，但材料系数不同。

(2)X80高强度管线钢的材料系数偏大，约为0.69。目前，根据现行的标准采用较小的材料系数(0.4)进行换算，结果会偏高，不能真实反映材料的使用性能。但采用新的材料系数后，尽管换算后的试验值会减小，但仍满足标准要求，没有对以前和目前试验结果的评判带来颠覆性影响。

(3)从维护产品质量和安全角度考虑，应加强高钢级管线钢拉伸试验伸长率变化规律的系统研究，确定能真实反映产品性能的参数。在完全确定各钢级管线钢材料具体的材料系数之前，基于目前的工作，可对现有标准进行初步的修改和完善，提醒使用者注意该问题，避免可能产生不良后果。

[1]ISO 3183：2012，Petroleum and Natural Gas Industries―Steel Pipe for Pipeline Transportation Systems[S].

[2]API SPEC 5L：2012，Specification for Line Pipe[S].

[3]ISO 2566-1：1984，Steel-conversion of Elongation Values―Part 1：Carbon and Low Alloy Steels[S].

[4]GB/T 9711—2011，石油天然气工业 管线输送系统用钢管[S].

[5]GB/T 17600.1—1998，钢的伸长率换算 第1部分：碳素钢和低合金钢[S].

[6]王茂堂，何莹，王丽，等.西气东输二线X80级管线钢的开发和应用[J].电焊机，2009，39(5)：6-14.

[7]罗海文，董瀚.高级别管线钢X80～X120的研发与应用[J].中国冶金，2006，16(4)：9-15.

[8]束德林.金属力学性能[M].北京：机械工业出版社，1999：1-48.

[9]郭卫民，刘成宝，李永德，等.热轧碳素钢板断后伸长率与试样尺寸的关系[J].机械工程材料，2014，38(2)：11-14.

[10]OLIVER D A.Proposed new criteria of ductility from a new law connecting the percentage elongation with size of test-piece[J].Proceedings Institution of Mechanical Engineers，1928(115)：827-831.

Study on Tensile Test Elongation Variation Law for X80 High Strength Pipeline Steel

XU Xiaofeng,QIN Changyi,LI Na,LIN Weiping,LIANG Minghua,LI Jike
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

In view of the tensile test elongation conversion problems for high strength pipeline steel，several kinds of X80 pipeline steel materials were selected to conduct the study on the tensile test elongation variation law.The tests results showed that Oliver formula，which was established based on old carbon steel and low alloy steel material，is still applicable to X80 high strength pipeline steel but with different material coefficient.The tensile test elongation variation formula for X80 pipeline steel was established，the effect of the new material coefficient on the test result judgment was analyzed and revision suggestions for the standards were put forward.Reminded users pay attention to the problem,to avoid possible adverse consequences.

X80;pipeline steel;elongation;variation law;Oliver formula

TE113.25

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.002

国家质检公益性行业科研专项经费资助(项目号201510205-03)。

许晓锋(1982—)，男，硕士，高级工程师，2007年毕业于中国石油大学(华东)材料加工工程专业，现主要从事石油管材标准化工作。

2016-04-19

李红丽