高强度管线钢屈强比参数的一些探讨(精)

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/ 和b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/ 的b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 , 3

2、 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/ 值b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/ 放b 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

3、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认为 , 屈强比越大 , 材料屈服后的塑性范 围越小 ,

4、 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 (板厚方向两侧加工 。试验 中 , 使用位移计测

5、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/ 反b映了载荷之 比 , 即s/ b =P s /P b (3工程中 , s/ 作b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

6、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

7、, 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 0l l =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 / 相b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 X65、 X60 等同样 , 屈服后真实应力从 Ss到 Sb裕度仍较大 。表 14 种

8、试验材料的基本力学性能材料 s /MPab /MPas / b S s /MPaS b /MPaS静s力/Sb韧度 /(MJ ?m -3sb均匀变形容量 /(MJ ?m -3均匀变形 容量 /%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,到s 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+ 将式 (7(8、 (8 代入式 (5 得 (1+ = s(

9、1+ s +ln (1+于n是(9有=s(1+ s1+( 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(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

10、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

11、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

12、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、 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。(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 , 2001:2192Pist 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