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/S b。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,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。关键词高强度管线钢屈强比静

2、力韧度均匀变形容量引言随着钢级提高,管线钢材料的屈服强度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/b0185,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

3、。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 B2282002金属拉力试验方法,在MTS880试验机上进行圆棒拉伸试

4、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512006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/m in,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

5、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,各点进入屈服状态或超过极限状态,因此,s/b与管线裂纹失效状态并非线性相关。图1下方曲线为材料工程应力2应变曲线,得到材料屈服强度s 、

6、抗拉强度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=l0l d ll=lnll0(5式中P瞬时载荷;A试样瞬时截面积;l试样瞬时长度。表1还列出了4种材料在s和b状态的真实屈服应力Ss和真实抗拉应力Sb、真实应力屈强比S s/S b,与同种

7、材料的工程应力屈强比s/b相比,S s/S b值相应小约13%以上。这表明,高强度X80钢与较低钢级的X65、X60等同样,屈服后真实应力从Ss到Sb裕度仍较大。表14种试验材料的基本力学性能材料s/MPab/MPas/b S s/MPa S b/MPa S s/S b 静力韧度/(MJm-3sb均匀变形容量/(MJm-3均匀变形容量/%X4642354201784211564118016618218791644 X6044953101844511663910017116119551134 X6546055701834631566012017014118491335 X806367320187

8、6591886618017615611561736真实应力屈强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Lüd 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+s1+ln(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S sS b=sb(1+s(1+b(13已知工程应变s<b

9、,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61石油机械2006年第34卷第9 期力屈强比,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 Graph 软件计算积分 。图2材料静力韧度及均匀变形容量从表1列出的4种试验材料

10、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

11、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 /S b 高,说明在屈服后真实应力S s 到S b 裕度仍较大。(2X60、X65、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。(3X80、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,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。

12、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,2001:2192Pist 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