梁明华，蔺卫平，李 娜，张华佳，任继承

(中国石油集团石油管工程技术研究院，国家石油管材质量监督检验中心 陕西 西安 710077)

0 引 言

天然气在高压下长距离输送是我国天然气管道输送的发展趋势，管线钢管越来越向高性能、高钢级、大壁厚和高尺寸方向发展[1]。拉伸性能是管线钢最重要的力学性能指标之一，它也是管道设计和安全评定最基本的指标，是保证管道工程安全运行必不可少的技术参数，因此测试结果的准确性至关重要[2]。

管线钢材料的化学成分和组织结构等因素决定了其力学性能，但相同的材料通过不同的拉伸试验过程所反映的性能指标数值却不一定相同。管线钢性能试验时，试样、测量仪器、设备、夹持方法、拉伸速率及人员等均能影响到性能试验结果。本文结合试验数据，分析了影响管线钢拉伸性能的相关因素，即从取样方向、取样位置、取样方式、试样平直度、试验操作、试验速率和数据处理等方面综合分析，从而指导产品检测与验收，提高检测结果的准确性和可重复性。

1 试样因素

1.1 取样方向对拉伸性能的影响

取样方向对于拉伸试验的结果影响较大。选用某X80钢板，分别取相对于轧制方向为纵向、横向和30°方向的矩形拉伸试样，试样的取样方向如图1所示，这三个不同方向的拉伸试样试验结果见表1。

图1 拉伸试样取样方向

试样抗拉强度/MPa屈服强度Rt0.5/MPa取样方向宽度×标距/mm单个值均值单个值均值横向38.1×5078278678478461962663362630°方向38.1×50758754753755598589603597纵向38.1×50731737732733598566576580

由表1可见，不同的取样方向的抗拉强度、屈服强度的试验值存在明显差异，纵向力学性能最差，30°方向次之，横向力学性能最好。

通常认为，细化晶粒可以提高材料的强度，材料的塑性也相应提高，这是提高金属材料强度和塑性的有效方法[3]。在管线钢材料中并非各向同性，它的晶粒尺寸在不同方向上并不一致。强度和韧性在晶粒拉长方向一般比较好，这是由于晶粒伸长方向和载荷方向为同一方向时，跟载荷垂直的方向上的晶粒度就相对大了，所以强度和韧性都比较好的方向出现在沿晶粒拉长方向，而其它方向上的韧性和强度就相对差一些[4]。

1.2 取样位置的影响

某弯管不同取样部位的力学性能指标见表2，取样位置如图2所示。

表2 某弯管不同取样方向的力学性能指标

由表2可见，对于在不同部位取样的弯管，其拉伸性能也存在显著差异，除焊缝外的几个取样位置中，抗拉强度相差26 MPa，屈服强度相差47 MPa。可见同一产品取样部位不同获得的试验结果有显著差异，这是由于是金属弯管在加工成形过程中存在不均匀性,其热处理、组织结构、冶金缺陷等随位置的不同而不同。这就使得该产品的不同位置力学性能出现显著差异。

图2 拉伸试样取样方向

1.3 取样方式的影响

在管线钢取样的过程中，很多厂家采用火焰切割切取样块的方法，然后在样块上通过机械加工形成所需要的试样。从某L415管线钢管上用火焰切割方法切取试块，图3是试块上取样位置示意图，试样1距离火焰切割边缘距离小于10 mm。图4给出了拉伸曲线，拉伸试验结果在表3中给出。

图3 某L415管线钢管取样示意图

图4 某L415管线钢拉伸曲线

试样编号宽度×标距/mm抗拉强度/MPa屈服强度(0.5%EUL)/MPa试样1 38.1×50626600试样2 38.1×50623541试样3 38.1×50622509试样4 38.1×50621513合格范围520～760 415～565

从表3可见四个试样的抗拉强度差异不大，但距离火焰切割边缘最近的的试样1屈服强度明显高于其它试样，试样2结果虽有所降低，但仍然偏高，试样3和试样4屈服值趋于正常。

其原因是因为管线钢含碳量较低,在经过冷变形制成钢管以后,当受热温度在200 ℃以上时会产生应变时效,即有可能导致屈强比和屈服强度升高。在试样的加工过程中,有两个加工步骤可能对钢板造成温度影响[5]。一是从钢管上用火焰切割的方法切取试块的过程。试样所在的试块一般通过火焰切割切取,需要约3～5 min,如果切割边缘距离试样较近，会使试样受到温度升高的影响。二是车削圆棒试样的过程。圆棒试样标准中规定不允许展平,所以是用带有弧度的板条试块直接车削而成。车削过程由于会产生较多的切削热,车刀前刀面温度可达到700～800 ℃,虽然切削热只有10%～40%传入工件 ,但如果车削过程中冷却不充分,也可能应变时效。其中正是前一个环节造成上述L415管线钢试样1及试样2屈服强度偏高的原因。

1.4 板状试样平直度的影响

长输管线的发展趋势是采用高钢级大壁厚的管线钢，钢级和壁厚的增加给试样校平带来了困难，使平直度难以保证。尤其是在板卷的进货检验中，一般规定试样取自距离板头部1 m、板边1/4处、并且与轧制方向成30°、45°或90°角的位置，这样就给试样校平带来更大的问题，难以保证试样的平整，拉伸试验前需对试样缓慢压平。管线钢管横向板状试样也存在试样压平平直度的问题，管线钢规定总延伸强度(Rt0.5)采用50 mm定标距,测量的变形只有0.25 mm,因此不平度可显著地影响试样的测试结果。

存在不平度的试样实际拉伸过程中引伸计的形变由两部分组成，一是不平试样在拉力作用下变直所产生的附加变形；另一个是试样真实的变形。由于弯曲试样拉直过程中的附加引伸计变形,使得引伸计在到达规定的变形量(Rt0.5)时,试样并未真正达到真实的屈服程度，这就造成了得到的规定总延伸强度(Rt0.5)变小。试样不平度度越大，规定总延伸强度(Rt0.5)就越小。

表4给出了某厂X65钢级在不同平直度下的试验结果。一般来讲，当试样不平度不大于0.3 mm/50 mm时，试样不平度对Rt0.5的测定结果影响较小，可以忽略；而试样不平度大于0.3 mm/50 mm时，测得的Rt0.5较充分展平试样降低较大[6]。

表4 某厂X65级管线钢不同平直度拉伸试验结果

2 试验装置及操作

2.1 试样装卡的影响

进行拉伸试验时，要求试样的受力方向和试样的轴线保持一致。如果两个方向不一致，会使试样产生附加弯曲应力，从而影响拉伸结果的精度。棒状试样由于端部均为圆形的截面，试验机上下夹块的V型槽可起到对中的作用，如果试验机同轴度较好一般不会出现这种情况。然而板状(条状)试样是夹持在两个平行板的夹块中间，如果没有对中装置极易造成试样的对中度较差，这和试验机的同轴度并无太大关系，这就会造成试验时的偏心力作用。因此试样的对中度差除了由于试验机本身的对中不好外，还可能由于试样本身形状不对称，夹头的构造和安装不正确等因素产生。

2.2 试验机力值的“清零”与“回零”

按照GB/T 228.1拉伸试验要求，试验力的检定必须符合1级精度或优于1级精度的要求。试验过程中零位控制是得到准确结果的基础。在试验机具备试验条件后，首先将试样夹持到试验机的上夹具上，此时试样并未受到拉力，当前试样的受力状态的力值为零，因此就要进行试验力的“清零”。如果等试样上夹具和下夹具都夹紧后才开始“清零”是绝对不允许的，由于夹具在夹紧试样过程中会产生一个初始力，把初始力清零就会直接影响试验力的结果。试样夹持以后，由于试样夹持过程所带来的初始力应该通过调整试验机，恢复到力值为零的状态，即“回零”，然后再夹持引伸计开始试验。

2.3 引伸计的校准与使用

引伸计必须经过校准，引伸计的校准是一个精密的操作，必须将引伸计的线端连接到测量系统中，将引伸计装夹到变形标准器上，调整测量系统平衡后，转动标准校准器的刻度盘使精密螺杆移动，进行校准。

对于需使用引伸计的试验，试样在上、下夹具都夹紧后，必须对产生的初始力进行消除，然后把引伸计夹持在试样上，使两刀刃垂直接触试样，然后“清零”。这样，引伸计夹持的标距才是在试样自由状态下的原始标距，然后才能进入试验，否则将会对试验结果造成影响。

2.4 试验速率的影响

试验速率是影响拉伸试验结果的重要因素，这从拉伸国家标准GB/T 228.1《金属材料室温拉伸试验方法》中大篇幅地对试验速率的规定可以体现出来。表5给出的是某厂生产的X80管线钢在不同拉伸速率下的屈服强度和抗拉强度。从表5可以看出，三种拉伸速率下获得的材料屈服强度和抗拉强度并不一致，随着试验速率的提高，屈服强度和抗拉强度都有所提高。对于产生这一现象的原因，一般认为，拉伸试验进入屈服阶段后材料开始塑性变形。金属材料的屈服点是弹性变形过渡到塑性变形的转折点。目前已知，弹性变形以声速进行，因此加载速度对它无影响[7]。塑性变形主要以滑移方式进行，而晶体滑移是通过位错运动来实现的。位错运动过程中，点阵摩擦阻力、原子间交互作用如P-N力等，使得位错具有黏滞性[8]。随着加载速率增加，塑性变形所需的时间不够，即材料对滑移的抗力提高，宏观上就表现出屈服强度增高。

表5 某厂X80级管线钢不同拉伸速率下试验结果

2.5 数据处理的影响

高强度管线钢正常的拉伸曲线特征应为载荷和应变同时从“零”点出发，然后是弹性变形阶段，接着是连续屈服的圆滑过渡段，随后是稳定的强化段，最后为径缩断裂阶段。将弹性段拟合的直线与横坐标(应变)的交点定义为原点，后期得到的塑性屈服强度和规定总延伸强度都是以此点为基础的。试验过程中如果出现原点偏离或者引伸计的滑移，均要对曲线进行修正，否则都会与真实的结果有偏差。图5～图9给出了几种常见的情况及修正方式。

图5 管线钢正常的拉伸曲线

图6 载荷与应变不同步，应变为零时已有一定的载荷

图7 因试样弯曲或引伸计打滑，起始段为非直线段

图8 因引伸计打滑应变突然增大，拉伸曲线不连续

图9 因引伸计打滑应变突然减小，拉伸曲线不连续

3 结束语

鉴于以上几个方面因素对管线钢拉伸试验结果的不同影响,在实际检测工作中，应正确认识这些因素对拉伸试验强度指标和塑性指标的影响倾向，试验前选择正确的取样部位和取样方向，选择正确的试样加工方式，加工成具有规定横截面形状和尺寸的试样，避免样坯和试样制备过程中加工硬化和热影响，提高试样的加工精度。选用检定合格的测量仪器和设备,采用适宜的夹持方法与拉伸速率,试验中精心操作,试验后认真分析,这样才能有效地提高拉伸试验结果的准确度,获得可靠的管线钢拉伸性能数据。