L485M直缝埋弧焊钢管力学性能研究及应用分析

L485M直缝埋弧焊钢管力学性能研究及应用分析

 张杨

中石化石油机械股份有限公司沙市钢管分公司  湖北荆州  434000

摘要：在现代工程领域中，钢管作为重要的输送和支撑结构材料广泛应用。L485M直缝埋弧焊钢管因其高强度和良好的耐腐蚀性在输送管道中具有重要地位。为确保工程结构的安全性与可靠性，对其力学性能的研究尤为关键。本论文对L485M直缝埋弧焊钢管的力学性能进行了深入研究与分析，旨在为该钢管在实际应用中的性能评价提供科学依据。通过钢管母材和焊接接头的力学性能测试，以及对测试结果的综合分析，本研究揭示了L485M钢管的力学性能特点、焊接接头的强度和韧性情况，并探讨了不合格批次钢管的处理策略。

关键词：L485M钢管；直缝埋弧焊；力学性能；焊接接头；硬度

引言

L485M钢管作为一种重要的输送管道材料，在工程领域有着广泛的应用。钢管的力学性能直接关系到工程结构的安全性和可靠性。因此，研究钢管的力学性能对于工程实践具有重要意义。本文将重点关注L485M直缝埋弧焊钢管的力学性能，包括母材和焊接接头方面的研究，并对不合格批次钢管的处理方法进行探讨，为工程实践提供可靠的指导。
1钢管母材力学性能

钢管母材的力学性能是评价其材料特性和应用潜力的重要指标之一。L485M直缝埋弧焊钢管作为输送管道中的核心组成部分，其母材的力学性能直接影响着整体结构的安全性和可靠性。首先，拉伸性能是衡量钢材抵抗拉伸变形和破坏的关键特性。通过拉伸试验，可以获得钢管母材的屈服强度、抗拉强度和伸长率等参数，从而了解其抗拉性能和变形行为。这些参数不仅影响钢管在正常工作状态下的稳定性，还对抵御外部荷载和应对异常情况具有重要作用。其次，硬度是评价钢材抵抗局部塑性变形和耐磨性的指标。硬度测试可以揭示钢管母材不同区域的硬度分布情况，对于了解材料的均匀性和强度分布具有重要意义。特别是在各种工程环境下，硬度的分布会影响到焊接、连接和支撑等工程应用的可行性和安全性。最后，断裂韧性是评价钢材在冲击和断裂载荷下的表现能力。通过断裂韧性试验，可以了解钢管母材在极端加载情况下的能量吸收能力，从而为工程结构的安全性提供依据。韧性参数对于预测钢管母材在意外冲击或突发事故下的行为至关重要。综上所述，对L485M直缝埋弧焊钢管母材力学性能的深入研究，可以揭示其基本特性和在工程实践中的应用潜力。
2钢管焊接接头力学性能

钢管焊接接头的力学性能是工程中至关重要的技术性指标，其强度、韧性和应力分布直接影响着工程结构的稳定性和安全性，焊接接头的强度是指其在承受外部荷载时的抵抗能力。以L485M直缝埋弧焊钢管为例，焊接接头通常由焊缝、热影响区和母材构成，各部分的强度差异可能引起应力集中，影响整体强度。强度计算可以应用著名的应力分析公式，如拉力计算公式σ = F / A，其中F表示加载力，A为焊缝横截面积。焊接接头的韧性衡量其在冲击或断裂加载下的变形能力。冲击韧性试验常用于测定焊接接头的韧性参数，通过冲击吸收功和断裂韧性的测量，可以得出焊接接头在冲击载荷下的能量吸收能力和破裂行为。这种测试方法常涉及标准化的冲击试验设备，如冲击试验机，以获得韧性参数的定量数据。焊接过程中产生的热应力和残余应力可能导致接头的变形、裂纹和疲劳破坏。综上所述，钢管焊接接头的力学性能评价涉及强度、韧性和应力分布的深入分析。在实际工程中，可以通过应用拉力、冲击韧性试验，获得焊接接头的关键性能参数，从而为工程设计和实践提供科学依据。[1]
3钢管力学性能测试及结果分析
3.1试验材料和试验方法

本研究在深入研究L485M直缝埋弧焊钢管力学性能的过程中，采用了一系列严格的试验材料和方法，确保了研究的可靠性和科学性。

试验材料： 从不同生产批次中选取了多个L485M钢管作为试验样本，以充分考虑材料的多样性。同时，针对不同部位，包括钢管母材和焊接接头，分别提取了试验样本，以对比其力学性能。

试验方法：

1.拉伸性能试验：首先，根据GB/T 228.1-2021标准，从不同位置截取钢管试样，进行拉伸性能试验。在万能材料试验机的控制下，以一定的拉伸速率施加加载，记录下加载-变形曲线，从中获得屈服强度、抗拉强度、伸长率等参数。

2.冲击韧性试验：遵循GB/T 229-2020标准，选取合适的试样，通过冲击试验机对焊接接头进行冲击韧性试验。试验过程中，严格控制环境温度和湿度，在低温试验箱内保温后进行冲击试验，确保测试结果的准确性。通过测试，测定了冲击吸收功和断裂韧性等重要参数。

3.硬度测试：采用了维氏硬度计，对焊缝、热影响区和母材进行硬度测试。在不同位置测量硬度，以获得不同部位的硬度分布情况，从而了解焊接接头的强度变化[2]。
3.2试验结果分析
（1）钢管拉弯性能试验

表1  拉伸性能试验
 

钢管的拉伸性能试验是一项关键的实验，通过评估钢管在拉伸载荷下的表现，揭示了钢管在工程应用中的承载能力和变形特点。结合实验数据，可以对这些试验结果进行详细分析。在这组实验中，针对L485M直缝埋弧焊管，型号为 1016×21mm进行了拉伸性能试验，并测得了屈服强度、抗拉强度和屈强比等参数。通过试验数据的分析，可以得出以下结论：

首先，通过观察屈服强度和抗拉强度的数值，可以看出这组钢管样本在不同试验中存在一定的变化范围。屈服强度反映了材料开始发生塑性变形的能力，而抗拉强度则表示材料在受拉伸力作用下的最大承载能力。根据实验数据，可以看出这组钢管样本的屈服强度在490到625之间变化，抗拉强度在640到705之间变化。这些变化可能受到钢管制造过程、材料组成和试验误差等因素的影响。其次，屈强比是一个重要的性能指标，它表示了材料在拉伸加载下的塑性变形能力。通过实验数据，可以发现这组钢管样本的屈强比在0.71到0.92之间变化。较高的屈强比意味着材料在拉伸过程中具有较好的塑性，能够在受力时发生更多的塑性变形，而较低的屈强比可能表明材料的塑性能力相对较弱。综合分析这些实验数据，可以得出结论，这组直缝埋弧焊管L485M样本在拉伸性能方面存在一定的差异。这些差异可能受到制造工艺、材料性质以及试验条件的影响。进一步的研究可以考虑对这些影响因素进行更深入的分析，以更好地理解钢管的力学性能特点，为工程应用提供更可靠的设计依据。这种针对试验结果的综合分析对于确保钢管在实际工程中的稳定性和安全性具有重要意义[3]。

图1  拉伸性能曲线图
（2）钢管断裂韧性试验

                            表2  钢管冲击功试验

    在钢管的力学性能研究中，钢管的断裂韧性是一个重要的指标，它能够反映材料在冲击载荷下的抵抗能力以及在突发载荷作用下的稳定性。结合实验数据，对这些钢管断裂韧性试验结果进行详细分析。通过钢管的冲击功试验，可以了解钢管在冲击加载下的表现。冲击试验是通过施加快速而突然的冲击载荷，来模拟材料在突发事故或不可预测载荷下的行为[4]。

从表2中的试验结果可以看出，对材料规格描述为1016×25mm和1016×21mm的L485M型直缝埋弧焊管进行了断裂韧性试验。冲击功1、冲击功2和冲击功3分别代表了不同试验次数下的冲击功，而冲击功平均值则为这些冲击功的平均数。从试验数据中可以观察到，在不同试验条件下，钢管的冲击功存在一定的差异。冲击功数值较大的试验样本表明其在冲击加载下能够吸收更多的能量，具有较好的抵抗冲击破坏的能力。而冲击功数值较小的试验样本可能在冲击加载下发生了较为严重的破坏。同时，冲击功的平均值是对这些试验数据的综合评估，可以更好地反映钢管的整体冲击性能。不同试验样本的冲击功数据存在差异，这可能是由于制造工艺、材料组成、试验条件等因素的综合影响导致的。制造工艺的不同可能影响到钢管的微观结构和组织，从而影响其断裂韧性。材料的硬度、韧性以及强度等性质也可能对冲击性能产生影响。在制造过程中，焊接工艺变化可能导致钢管的组织结构发生变化，进而影响其冲击性能。不同工艺参数可能导致不同的晶粒大小、相变和残余应力，进而影响材料的断裂行为。钢管的冲击性能与其材料的韧性、硬度等性质密切相关。较高的韧性意味着材料在冲击加载下能够吸收更多的能量，从而减缓破裂的发生。硬度较高的材料可能在冲击载荷下更容易发生脆性破裂。试验条件如温度、湿度、试验速率等也可能对冲击性能产生影响。试验温度的变化可能改变材料的韧性和脆性特性，从而影响其冲击性能。试验速率的变化可能导致不同的能量吸收能力。这些差异对于工程应用中的安全性和稳定性具有重要意义。钢管作为工程管线的组成部分，其在突发冲击载荷下的性能至关重要。深入了解冲击性能的差异有助于为工程设计提供更准确的指导，以确保工程在不可预测情况下的稳定性和安全性。

                      图2  钢管冲击功试验曲线图

（3）钢管焊接接头硬度
    钢管焊接接头的硬度是评价其材料变形能力和耐磨性的重要指标之一。通过硬度测试，可以了解焊接接头不同部位的硬度分布情况，从而揭示其强度和变形特性。焊接接头的硬度分布可以受到多种因素的影响，包括焊接过程中的热循环、残余应力以及金属晶粒的变化等。实验结果显示，L485M直缝埋弧焊管在不同规格描述下进行了焊接接头硬度测试，数据如表3所示。从试验数据可以看出，焊接接头的硬度存在一定的差异。硬度值较高的区域可能表明焊缝附近的材料在焊接过程中经历了较高的温度变化，可能伴随着晶粒的细化和硬度的增加。而母材区域的硬度相对较低，这可能是因为母材在焊接过程中的热影响较小，导致其硬度没有显著增加。焊接接头硬度的分布情况对工程应用具有重要影响。过高的硬度意味着焊缝区域的材料易发生脆性破裂，从而降低焊接接头的强度和韧性。因此，在工程设计中，需要合理控制焊接参数，以确保焊接接头的硬度分布在合理范围内。通过焊接接头硬度的测试和分析，可以获得焊缝区域和母材区域的硬度分布情况，有助于理解焊接接头的强度和变形特性，并为工程设计提供可靠的依据。
                    表3  钢管焊接接头硬度实验结果

4不合格批次钢管的处理及问题规避措施

    在钢管生产和应用过程中，出现不合格批次钢管的情况可能对工程的可靠性和安全性产生负面影响。为了应对这种情况，需要采取适当的处理方法和问题规避措施，以确保工程的顺利进行。当发现不合格批次钢管时，应立即隔离，避免其误用或混淆。适当标识不合格批次，以防止其在后续工程中被使用。如果条件允许，可以选择将不合格批次钢管退还给供应商，要求更换合格材料。这有助于确保工程材料的质量和性能。针对不合格批次，可以进行再次复验，确认其不合格的具体原因。为避免不合格批次钢管对工程产生影响，在选择钢管供应商时，应进行充分的审查和评估，确保供应商有稳定的质量保证体系和合格的生产工艺，减少不合格材料的可能性。在收货时进行严格的钢管检验，包括外观、尺寸、材料成分等方面。通过严格的检验，可以及早发现不合格批次，避免其投入工程。在工程过程中，建立完善的质量监控体系，对每批钢管进行跟踪和监测，及时发现问题并采取措施。在工程计划中，考虑到可能出现不合格材料的情况，制定备用方案以应对突发情况，保障工程进度。

结束语

    在本研究中，我们深入研究了L485M直缝埋弧焊钢管的力学性能与应用。通过拉伸性能试验、断裂韧性试验以及硬度测试，我们揭示了钢管母材和焊接接头的关键性能参数。实验结果表明，不同规格和位置的钢管表现出不同的力学性能特点，这对工程实践至关重要。针对不合格批次钢管，我们提出了处理方法和问题规避措施，以确保工程质量。通过本研究，我们为工程设计和应用提供了有力的科学依据，以确保工程结构在不同工况下的稳定性和可靠性。未来的研究可以进一步深入探讨材料制备工艺和焊接工艺的影响，以优化钢管的力学性能与应用效果。
参考文献
[1]王燕.直缝埋弧焊管焊缝性能不合格及点状缺陷产生原因[J].钢管,2020,49(04):39-42.

[2]肖旻堃.管线钢管承压时焊接接头的应力分布研究[J].焊管,2016,39(01):12-16+20.

[3]张阿昱. 海底油气输送直缝埋弧焊管化学成分控制与力学性能研究[D].西安石油大学,2014.

[4]王东超.直缝埋弧焊钢管背弯不合格原因分析[J].理化检验(物理分册),2014,50(07):507-511+514.