輸送流體用無(wú)縫鋼管壓扁檢測(cè)技術(shù)研究

一、檢測(cè)原理

壓扁試驗(yàn)是評(píng)估無(wú)縫鋼管塑性變形能力及表面與內(nèi)部缺陷的重要方法。其核心原理在于，通過(guò)向規(guī)定長(zhǎng)度的鋼管試樣施加徑向壓力，使其在垂直于管軸線的方向產(chǎn)生局部壓扁變形，直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓扁距離或試樣出現(xiàn)缺陷表征。

• 塑性變形原理：基于金屬材料的塑性力學(xué)行為。當(dāng)施加的載荷使鋼管局部應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度但低于抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性流動(dòng)。壓扁過(guò)程即是考察鋼管在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)（徑向壓應(yīng)力、周向拉應(yīng)力及切向應(yīng)力）下，抵抗塑性變形而不產(chǎn)生裂紋或破裂的能力。

• 缺陷暴露原理：鋼管的表面缺陷（如裂紋、折疊）和內(nèi)部缺陷（如夾雜、分層、內(nèi)折）在原始狀態(tài)下可能不易察覺。在壓扁變形過(guò)程中，這些缺陷區(qū)域由于應(yīng)力集中、塑性差或結(jié)合不牢，會(huì)成為裂紋的起源點(diǎn)并擴(kuò)展，從而被宏觀檢測(cè)到。

• 焊縫/母材評(píng)估：對(duì)于無(wú)縫鋼管，雖無(wú)縱焊縫，但壓扁試驗(yàn)同樣能評(píng)估其整個(gè)圓周方向塑性的均勻性，以及是否存在因穿孔、軋制工藝不當(dāng)導(dǎo)致的隱性缺陷。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

壓扁檢測(cè)主要作為一個(gè)獨(dú)立的塑性及質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目，但常與其他試驗(yàn)共同構(gòu)成鋼管的型式檢驗(yàn)體系。

1. 常規(guī)壓扁試驗(yàn)：將試樣壓至兩平板間距離為規(guī)定值，檢查試樣是否出現(xiàn)裂紋、裂口或焊縫開裂。主要用于檢驗(yàn)鋼管承受規(guī)定程度塑性變形的能力。

2. 反復(fù)壓扁試驗(yàn)：將試樣反復(fù)進(jìn)行多次壓扁和卸壓，觀察是否產(chǎn)生缺陷。此項(xiàng)目更為苛刻，用于評(píng)估鋼管在反復(fù)塑性變形下的耐久性。

3. 壓扁至焊縫檢查試驗(yàn)：此項(xiàng)目主要針對(duì)焊接鋼管，用于檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量。對(duì)于無(wú)縫鋼管，此概念不適用，但其原理強(qiáng)調(diào)了在壓扁過(guò)程中需特別關(guān)注可能存在的薄弱環(huán)節(jié)。

4. 完整性壓扁試驗(yàn)：將試樣壓扁至平行板間無(wú)間隙，即上下內(nèi)壁完全接觸。此試驗(yàn)旨在暴露更微小的缺陷，對(duì)鋼管的塑性要求極高。

三、檢測(cè)范圍

壓扁檢測(cè)廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域?qū)斔土黧w用無(wú)縫鋼管的品質(zhì)控制：

• 石油天然氣工業(yè)：用于鉆探、油氣輸送管道。要求鋼管在承受外部土壤壓力、施工應(yīng)力及內(nèi)部壓力時(shí)具備良好的塑性，防止脆性破壞。

• 鍋爐及壓力容器制造：用于制造過(guò)熱器、再熱器、省煤器等受壓部件。確保鋼管在加工（如彎管、擴(kuò)口）和使用過(guò)程中不發(fā)生脆裂。

• 化工行業(yè)：輸送腐蝕性、有毒介質(zhì)的管道。塑性良好的鋼管能更好地抵抗應(yīng)力腐蝕開裂。

• 電力工業(yè)：電站鍋爐的高溫高壓管道。要求在高溫度下仍具備足夠的塑性儲(chǔ)備。

• 機(jī)械結(jié)構(gòu)用管：雖非輸送流體，但其壓扁檢測(cè)原理相同，用于評(píng)估作為結(jié)構(gòu)件時(shí)的抗擠壓變形能力。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓扁試驗(yàn)的規(guī)定存在細(xì)節(jié)差異。

• 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）：

  • GB/T 246：金屬材料 管材 壓扁試驗(yàn)方法。規(guī)定了試驗(yàn)的通用方法、試樣尺寸、試驗(yàn)速度和結(jié)果評(píng)定。

  • GB/T 5310：高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管。規(guī)定了鍋爐管壓扁試驗(yàn)的試樣長(zhǎng)度、壓板距離（H）計(jì)算公式及合格判據(jù)。通常H值根據(jù)鋼管外徑（D）和壁厚（S）計(jì)算。

  • GB/T 9948：石油裂化用無(wú)縫鋼管。對(duì)壓扁試驗(yàn)的要求與鍋爐管類似，但具體技術(shù)參數(shù)根據(jù)鋼級(jí)和用途有所不同。

• 美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）：

  • ASTM A370：鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義。其中包含管材壓扁試驗(yàn)的指導(dǎo)。

  • ASTM A530/A530M：專門針對(duì)專用碳鋼和合金鋼管的一般要求標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了壓扁試驗(yàn)等補(bǔ)充要求。

  • ASTM A999/A999M：合金鋼及不銹鋼公稱管通用要求。對(duì)不銹鋼管的壓扁試驗(yàn)有特定規(guī)定。

• 標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）：

  • ISO 8492：金屬材料 管材 壓扁試驗(yàn)。與GB/T 246等效，是通用的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

• 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析：

  • 試樣長(zhǎng)度：多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試樣長(zhǎng)度約為鋼管外徑的1.5倍，但具體范圍略有不同。

  • 壓板距離（H）：這是核心差異點(diǎn)。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 5310）通常給出明確的計(jì)算公式，例如 H = (1+e)S / (e + S/D)，其中e為變形系數(shù)，與鋼種有關(guān)。ASTM標(biāo)準(zhǔn)則常在具體產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（如ASTM A106, A335）中直接列表給出不同鋼級(jí)和尺寸的H值，或引用計(jì)算公式。

  • 合格判據(jù)：基本一致，即試樣無(wú)裂紋、裂口或焊縫開裂。但“裂紋”的定義可能略有寬松，例如，ASTM標(biāo)準(zhǔn)可能允許在試樣棱角處出現(xiàn)因應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂不作為拒收依據(jù)，而某些中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則更為嚴(yán)格。

  • 試驗(yàn)速率：GB/T 246和ISO 8492強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)應(yīng)平緩進(jìn)行，通常規(guī)定為“足以使測(cè)量準(zhǔn)確進(jìn)行的速率”。ASTM標(biāo)準(zhǔn)也類似，但更注重結(jié)果而非具體速率。

五、檢測(cè)方法

1. 試樣制備：

   • 從驗(yàn)收狀態(tài)的鋼管兩端截取試樣。

   • 試樣長(zhǎng)度通常為10mm ~ 100mm，具體依據(jù)外徑按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試樣兩端面應(yīng)光滑，無(wú)毛刺、飛邊，以免引起應(yīng)力集中。

   • 試樣不應(yīng)受到熱處理、冷矯直或任何形式的加工硬化影響。

2. 試驗(yàn)設(shè)備：

   • 使用具備足夠剛度和容量的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)或?qū)Ｓ脡毫C(jī)。

   • 上下壓板應(yīng)具有足夠的硬度和平整度，寬度應(yīng)大于壓扁后試樣的寬度，長(zhǎng)度應(yīng)大于試樣長(zhǎng)度。

3. 操作要點(diǎn)：

   • 將試樣垂直于壓板軸線放置于兩平行壓板之間。

   • 啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使兩壓板以恒定速率相互靠近，對(duì)試樣施加徑向載荷。

   • 施壓過(guò)程應(yīng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊。

   • 壓板距離降至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（H）時(shí)停止，或按標(biāo)準(zhǔn)要求壓至規(guī)定階段（如第一階段、第二階段或直至試樣閉合）。

   • 卸載后，取出試樣進(jìn)行目視檢查。

六、檢測(cè)儀器

1. 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：具備力-位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可記錄壓扁過(guò)程中的載荷-變形曲線。機(jī)架剛度高，確保載荷施加穩(wěn)定。配備數(shù)字控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)恒位移速率控制。通常配有不同尺寸和形狀的夾具和壓板以適應(yīng)各種規(guī)格鋼管。

2. 專用液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：專為管材檢驗(yàn)設(shè)計(jì)，出力大，結(jié)構(gòu)緊湊。操作簡(jiǎn)便，專注于執(zhí)行壓扁、擴(kuò)口等特定試驗(yàn)?？赡芗捎懈呔鹊奈灰茰y(cè)量裝置（如光柵尺）用于精確控制壓板距離。

3. 輔助測(cè)量工具：

   • 游標(biāo)卡尺/千分尺：用于精確測(cè)量試樣原始尺寸（外徑、壁厚）及壓扁后的壓板距離。

   • 放大鏡：用于對(duì)壓扁后的試樣進(jìn)行細(xì)致觀察，輔助發(fā)現(xiàn)微細(xì)裂紋。

七、結(jié)果分析

1. 分析方法：

   • 宏觀目視檢查：是主要分析方法。在充足光照下，用肉眼或規(guī)定倍數(shù)的放大鏡（通常不超過(guò)10倍）觀察試樣內(nèi)外表面及邊緣，檢查是否存在裂紋、裂口或材料剝離。

   • 載荷-變形曲線分析（若設(shè)備支持）：觀察曲線是否平滑。曲線突然的陡降通常預(yù)示著裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。通過(guò)曲線可以分析材料的壓扁韌性。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 合格：試樣壓扁后，無(wú)目視可見的裂紋、裂口或材料剝離。試樣邊緣因原生形狀導(dǎo)致的輕微開裂，若未延伸到管體，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可能不被判為不合格。

   • 不合格：出現(xiàn)下列情況之一即判為不合格：

     • 出現(xiàn)任何貫穿性裂紋。

     • 出現(xiàn)明顯的表面或內(nèi)部裂紋、裂口。

     • 出現(xiàn)金屬分層或剝離。

   • 復(fù)驗(yàn)與判定：若初次試驗(yàn)不合格，標(biāo)準(zhǔn)通常允許進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。復(fù)驗(yàn)需按更嚴(yán)格的規(guī)定（如加倍試樣）進(jìn)行。若復(fù)驗(yàn)仍不合格，則該批產(chǎn)品拒收。結(jié)果的終判定必須嚴(yán)格依據(jù)產(chǎn)品訂貨合同或所執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的具體條款。