高强度管线钢屈强比参数的一些探讨

1、 技术讨论 高强度管线钢屈强比参数的一些探讨 3李晓红 辛希贤 樊玉光(西安石油大学机械工程学院 摘要 对 X80、 X65、 X60及 X46几种管线钢进行了静载圆棒拉伸试验及理论分析 , 研究了屈 强比提高 , 管线钢真实应力 、 静力韧度和均匀变形容量等的变化特性 。分析和比较了 X80等 4种 材料屈强比 s/b 和真实应力屈强比 S s /Sb 。 X80钢屈强比虽比 X60、 X65高 , 但其静力韧度及均匀变形容量相当 , 表明高强度管线钢屈强比 s/b 的升高并不意味着其塑性下降 。同时还指出 , X80、 X65、 X60这 3种管线钢的均匀变形容量占静力韧度的百分率也相近

2、, 3种管线钢的 塑性变形更多发生在塑性失稳开始之后 。 关键词 高强度管线钢 屈强比 静力韧度引随着钢级提高 , s和抗拉强度 b 均有不同程度提高 , 而 s增长较快 ,屈强比 s/b 值呈明显升高趋势 。 目前 , 国内外各 管道规范对这一指标的要求是 :低于 X65级板卷s/b 0185, 部分 X65、 X70级及更高级板卷 ,由于 s 增 幅 较 大 , s/b 放 宽 到 0190甚 至01931。 EPRG (Eur opean Pi peline Research Gr oup 的研究认为 2:在钢管承受内压变形至破裂前 , 环向变形存在一个极限值 , 该值随钢管屈强比的增

3、大而减小 ; 还发现 , 临界裂纹长度与屈强比也有关 系 , 屈强比越高 , 临界裂纹长度越小 。 Gaessler 等 人认为保证管线安全的屈强比可以达到 0193。朱 维斗 3等人研究了均匀变性容量与变形硬化指数 及屈强比之间的理论关系 , 认为屈强比对材料均匀 变性容量的影响并非像习惯上认为的那样严重 。 可 以看出 , 管线钢高屈强比问题仍是学术界和工程界 研究的重点和难点问题之一 1。笔者拟在此对 X80管线钢等 4种具有不同屈 强比材料 , 通过静载圆棒拉伸试验及理论分析 , 研 究屈强比提高 , 管线钢真实应力 、 静力韧度和均匀 变形容量等的变化特性 。力学性能及屈强比测定通常

4、认为 , 屈强比越大 , 材料屈服后的塑性范 围越小 , 这对于工程输气管道 、 尤其是支线接管连 结处应力与应变集中区域等 , 意味着塑性可变形量 和安全裕度的减小 。采用 G B228 2002金 属 拉 力 试 验 方 法 , 在 MTS880试验机上进行圆棒拉伸试验 , 测出 4种试 验材料工程应力 2应 变曲线和真实应力 2应 变曲线 , 如图 1所示 。 每种材料制备标准 5mm 圆棒试样 4件 。 为避免包辛格效应及焊接过热影响材料力学性图 1 试验材料工程应力 2应 变曲线和真实应力 2应 变曲线能 , 试样制备采用卷板未经展平 , 沿钢板横向取 样 , 并位于板厚中部 (板厚

5、方向两侧加工 。试验 中 , 使用位移计测定轴向及颈部径向位移 。 轴向位 5 0 12006年 第 34卷 第 9期石 油 机 械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY3基金项目 :陕西省教育厅专项科研计划资助项目 (05JK278 。移加载 , 加载速度 1mm /min, 试验温度 20 。屈服强度 s 和抗拉强度 b定义式为s=P s /A0(1b=P b /A0(2式中 Ps 试件屈服时载荷 ; Pb 试件承受最大载荷 ; Ao 试件原始截面积 。因此 , 工程应力屈强比 s/b 反映了载荷之 比 , 即s/b =P s /P b (3 工程中 , s/b 作

6、为管线钢质量控制参量 , 也 是对管线钢作为不考虑缺陷的连续介质在加工使用 等过程中承载裕度的要求 。油气管线由于是焊接构件 , 焊接裂纹的存在并 引起失效难以避免 。 对于韧性较好管线钢材料 , 裂 纹失效控制参量包括 COD 、 J 积分等并非仅由载荷 确定 , 还决定于结构尺寸 、 缺陷尺寸 、 缺陷类型等 诸多因素 ; 同时 , 裂纹尖端塑性区内 ,服状态或超过极限状态 , 因此 , s。图 12应 变曲线 , 得到材料屈服强度 s b、屈强比 s/b等性能指标 , 见表 1。可以看出 , 随着钢级升高 , 管线钢屈强比增大 。图 1上方曲线为材料真实应力 2应 变曲线 , 反 映了圆

7、棒试件拉伸变形过程中 , 尤其是颈缩以后横 截面积明显变化对计算应力的影响 , 也反映了材料 从弹性到塑性直到最终断裂阶段的真实力学行为过 程 。 从曲线变化趋势可见 , 材料屈服后始终不断形 变强化 , 完全避开了工程应力应变曲线上抗拉极限 后应力降低的假象 。 真实应力 S 和真实应变 可定 义为S =P /A(4=d =l 0ll=lnl 0(5 式中 P 瞬时载荷 ; A ; l14s和 b状态的真实 s和真实抗拉应力 Sb、真实应力屈强比 s/Sb , 与同种材料的工程应力屈强比 s /b 相比 , S s /Sb 值相应小约 13%以上 。这表明 , 高强度 X80钢与较低钢级的

8、X65、 X60等同样 , 屈服后真实应力从 Ss到 Sb裕度仍较大 。表 1 4种试验材料的基本力学性能材料 s /MPab /MPas /b S s /MPaS b /MPaS s /Sb 静力韧度 /(MJ m -3sb均匀变形容量 /(MJ m -3均匀变形 容量 /%X4642354201784211564118016618218791644 X6044953101844511663910017116119551134 X6546055701834631566012017014118491335 X8063673201876591886618017615611561736真实应力屈强

9、比与工程应力屈强比关系 圆棒拉伸试验过程中 , s 到 b均匀变形阶段的真实应力 2应 变曲线可以采用 L üd wik 公式来近似 描述 4S =S s +n (6 式 (6 中的 Ss相当于屈服强度 , (S, 为 真实应力应变 。在均匀变形阶段 , 真实应力应变 (S, 可用工程应力应变 (, 表达S =(1+ (7 =ln (1+ (8 将式 (7 、 (8 代入式 (5 得(1+ =s(1+s +ln (1+ n (9 于是有=s(1+s 1+( n1+(10 屈服状态时S s =s (1+s (11 极限状态时S b =b (1+b (12 因此 , 屈强比SS b=b(

10、1+(1+b (13 已知工程应变 s<b , 则1+s1+b<1(14 真实应力屈强比与工程应力屈强比关系 S sS b<sb(15 式 (15 表明 , 真实应力屈强比小于工程应 力屈强比 , 该结论与表 1试验结果一致 。静力韧度及均匀变形容量韧性是另一个重要的材料性能参数 , 是指材料 在断裂前吸收塑性功和断裂功的能力 。 而静力韧度 是度量材料准静态拉伸韧性的力学性能指标 , 为材 料真实应力 2应 变曲线下的面积5W =kS d (16式中 k 拉断时真实应变 , 称为断裂延性 。 由图 2材料真实应力 2应 变曲线积分获得静力 韧度 , 这里采用 O rigin

11、 Graph 软件计算积分。 图 2 从表 1列出的 4种试验材料静力韧度值可以看出 , X80钢与 X65、 X60钢相比 , 强度大幅提升 , 但静力韧度值相当 ; 而与 X46钢相比韧度值下降 约 10%以上 。材料的均匀变形容量是指材料在外力的作用下 , 从 s b 这一阶段的塑性变形量 。材料的均 匀变形容量的大小 , 影响到材料的塑性成型极限 、 局部损伤处应力应变集中程度 、 管线抗意外事故安 全性等服务性能 4。工程中常以屈强比来间接衡 量材料的均匀变形容量 。图 2也示出了 s b 阶段的均匀变形容量 , 积分值见表 1。 X80钢与 X65、 X60钢相比 , 3种 管线钢

12、的均匀变形容量相差不多 , 但屈强比明显上 升 , 表明用屈强比间接衡量材料的均匀变形容量已 不十分准确 。 3种管线钢的均匀变形容量占静力韧 度的百分率也相近 , 但比 X46钢低 10%, 这意味 着 3种管线钢的塑性变形更多发生在塑性失稳开始之后 。从上述分析结果来看 , X80钢与 X65、 X60钢 具有相似的塑性变形和抵抗塑性损伤的能力 , 具有 相似强度储备性能 。结 论(1 试验和理论分析表明 , X80、 X65、 X60、X46钢的工程应力屈强比 s /b 较真实应力屈强比 S s /Sb 高 , 说明在屈服后真实应力 S s 到 S b 裕度仍较大 。(2 X60、 X6

13、5、 X80钢屈强比上升 , 均匀变 形容量相当 , 表明用屈强比间接衡量材料的均匀变 形容量已不十分准确 。(3 、 3种管线钢的均匀变 , 意味着 3种管 。参 考 文 献1 李鹤林 1天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题 1石油管工程应用基础研究论文集 1北京 :石油工业出版社 , 2001:2192 Pist one V 1T oughness necessary t o p revent ductile fracturep r opagati on 1EPRG 25AnniversaryM eeting B russels, 1997:87983 朱维斗 , 李 年 , 冯耀荣等 1金属材料的均匀变性容量与变形硬化指数和屈强比的关系 1石油管工程应用基础 研究论文集 1北京 :石油工业出版社 , 2001:1611664 周惠久 , 黄明志 1金属材料强度学 1北京 :石油工业出版社 , 1989:1381405 刘瑞堂 , 刘文博 , 刘锦云 1工程材料