包申格效應(yīng)對X65、X70、X80鋼級螺旋埋弧焊管強度的影響

蔡文利

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

螺旋埋弧焊管具有生產(chǎn)方式靈活、運行成本低的優(yōu)勢，在我國油氣輸送管線建設(shè)中占有重要份額。 實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，螺旋埋弧焊管在制管前后，管體相比于卷板，強度性能會發(fā)生較大變化。 前期的相關(guān)研究表明，造成以上原因主要是由于螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中存在包申格效應(yīng)而引起的。 本研究從螺旋埋弧焊管制管工藝、拉伸試樣的取樣加工方面分析了包申格效應(yīng)產(chǎn)生的原因，并通過對 X65、X70、X80 鋼卷板與螺旋埋弧焊管的強度變化進(jìn)行對比分析，得出這3 種材質(zhì)螺旋埋弧焊管在生產(chǎn)過程中包申格效應(yīng)的變化規(guī)律，為鋼管生產(chǎn)及質(zhì)量控制提供參考。

1 螺旋埋弧焊管的包申格效應(yīng)

金屬經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生微量塑性變形，然后再同向加載，屈服強度升高； 反向加載變形則屈服強度降低的現(xiàn)象叫包申格效應(yīng)[1-3]。 螺旋焊管制造過程中，同時存在著形變強化和包申格效應(yīng)兩種現(xiàn)象，兩者綜合作用使卷板在制成鋼管后拉伸性能發(fā)生明顯變化[4]。

從卷板到鋼管成型，螺旋埋弧焊管生產(chǎn)工藝流程為： 拆卷—鋼帶矯直—頭尾剪切對接—銑邊—成型—內(nèi)外焊接。 其中，拆卷過程卷板受力隨曲率半徑變化而變化，卷板尾部曲率半徑大受力小，卷板頭部曲率半徑小受力大，成型過程卷板彎曲變形受力較大。 制成螺旋焊管后，在管坯上取橫向拉伸試樣，拉伸試樣按API 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作，橫向拉伸試樣既可以是板狀試樣也可以是圓棒試樣，板狀試樣應(yīng)取自壓平試塊，而圓棒試樣應(yīng)取自未壓平試塊[5]。 因為圓棒試樣的制取受到鋼管管徑和壁厚的影響，而且一些管線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求拉伸試驗采用壓平的板狀試塊，所以大多數(shù)拉伸試樣需對試塊進(jìn)行壓平，這時，試樣在壓平加工過程中受到較大的彎曲變形[6]。 鋼管橫向壓平試樣具體變形過程如圖1 所示。

圖1 鋼管橫向壓平試樣變形過程示意圖

1.1 卷板頭部和尾部拉伸性能對比

分別在X70 鋼卷板及用該卷板生產(chǎn)的Φ813 mm×11.9 mm 螺旋埋弧焊管上取拉伸試樣，取樣位置在每卷原料拆卷矯直后的卷板尾部和頭部1.5 m 處。 三輥成型后在與卷板試樣取樣位置相鄰處取鋼管的拉伸試樣，相鄰位置卷板試樣和鋼管試樣為一組，共計20 組40 件樣品。

X70 鋼卷板及Φ813 mm×11.9 mm 螺旋埋弧焊管屈服強度對比結(jié)果見表1。 對比每組卷板和鋼管的試驗結(jié)果，抗拉強度和延伸率變化不大，鋼管相對于卷板屈服強度降低，卷板尾部平均降低50.7 MPa，頭部平均降低 25.3 MPa。

鋼管與卷板之間強度差異是形變強化和包申格效應(yīng)綜合作用的結(jié)果[7-11]，包申格效應(yīng)大于形變強化作用，使屈服強度降低。 卷板頭部屈服強度損失小于尾部，因為拆卷過程發(fā)生了形變強化作用。卷板尾部在鋼管成型和試樣壓平過程中，受到兩次相反方向的較大外力，所以屈服強度損失較大。

表1 X70 鋼卷板及Φ813 mm×11.9 mm螺旋埋弧焊管屈服強度對比

1.2 板狀試樣與圓棒試樣拉伸試驗結(jié)果對比

為了進(jìn)一步分析試樣壓平對螺旋埋弧焊管屈服強度的影響，采用 X65 鋼級，4 個爐批，10 卷原料，在同一機組生產(chǎn)制成Φ1 016 mm×12.7 mm螺旋埋弧焊管后，抽取20 組拉伸試樣，每組各取一個板狀試樣和1 個圓棒試樣，試驗結(jié)果如圖2所示。 由圖2 可見，圓棒試樣屈服強度值平均比板狀試樣高93 MPa。 分析其原因，圓棒試樣加工時不需要壓平，而板狀試樣需要壓平，板狀試樣在成型和試樣壓平兩次反向加載過程中發(fā)生了包申格效應(yīng)，彈性極限下降，屈服強度降低[12-13]，因此，板狀試樣的屈服強度低于圓棒試樣。

圖2 相同位置板狀試樣和圓棒試樣屈服強度分布

通過對卷板頭部與尾部拉伸性能對比，以及板狀試樣與圓棒試樣的拉伸試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)在鋼管成型和試樣壓平過程中產(chǎn)生的包申格效應(yīng)是螺旋埋弧焊管板狀試樣屈服強度降低的原因。

2 同鋼級卷板和鋼管屈強比變化對比

由于鋼管生產(chǎn)中并不一定能在取樣卷板對應(yīng)的鋼管位置上取拉伸試樣，因此一一對應(yīng)的屈服強度變化數(shù)據(jù)較少。 包申格效應(yīng)會使材料的屈服強度降低，但對材料抗拉強度的影響很小，因此其屈強比是降低的[14-15]。 為了進(jìn)一步深入研究包申格效應(yīng)對螺旋埋弧焊管的影響，抽取了某管廠X65、X70 和X80 鋼卷板檢驗數(shù)據(jù)和使用該卷板在同一機組生產(chǎn)的螺旋埋弧焊管的拉伸試驗數(shù)據(jù)，分析其屈強比的變化規(guī)律。

2.1 X65鋼卷板及鋼管屈強比的變化趨勢

在X65 鋼兩種壁厚的卷板以及由其制成的鋼管上取樣，經(jīng)壓平制成板狀拉伸試樣，進(jìn)行拉伸試驗。 X65 鋼卷板及不同壁厚鋼管的屈強比變化趨勢如圖3 所示。

圖3 X65 鋼卷板及不同壁厚鋼管的屈強比變化趨勢

從圖3 可以看出，圖3 （a） 中鋼管的屈強比相對卷板的屈強比有降低趨勢但不明顯，圖3 （b）中鋼管的屈強比低于卷板的屈強比。 可見，材質(zhì)相同 （即 δ 相同，同為 X65 鋼），管徑和螺距相同 （即 L、S 值相同），僅壁厚 t 不同，鋼管的成型受力就不同。 成型受力F 為

在這種情況下，壁厚t 的變化對鋼管成型受力的影響比較大。 當(dāng)制管材質(zhì)為X65 鋼時，薄壁鋼管在成型過程中受力較小，形變強化作用與包申格效應(yīng)基本接近，包申格效應(yīng)對屈服強度的影響也小，因此鋼管屈強比降低趨勢不明顯。

2.2 X70鋼卷板及鋼管屈強比的變化趨勢

在X70 鋼兩種壁厚的卷板以及由其制成的鋼管上取樣，經(jīng)壓平制成板狀拉伸試樣，進(jìn)行拉伸試驗。 X70 鋼卷板及不同壁厚鋼管的屈強比變化趨勢如圖4 所示。 不同壁厚X70 鋼管的屈強比均比其卷板的屈強比有所下降。

圖4 X70 鋼卷板及不同壁厚鋼管的屈強比變化趨勢

2.3 X80鋼卷板及鋼管屈強比的變化趨勢

在X80 鋼3 種壁厚卷板及由其制成的鋼管上取樣，管體試樣部分經(jīng)壓平制成板狀試樣，另一部分不壓平制成圓棒試樣，進(jìn)行拉伸試驗。 X80 鋼卷板及不同壁厚鋼管屈強比變化趨勢如圖5 所示。

圖5 X80 鋼卷板及不同壁厚鋼管的屈強比變化趨勢

由圖5 可見，化學(xué)成分和微觀組織接近，徑厚比D/t不同的X80 鋼管，成型過程中其受力隨壁厚增大而增大，鋼管的屈強比隨成型過程受力增大而表現(xiàn)出由低于卷板、接近卷板、到高于卷板的趨勢。 圖5 （a） 和圖5 （b） 中板狀試樣和圓棒試樣的屈強比接近，無明顯高低變化趨勢。

X80 鋼管的屈強比隨成型受力增大，出現(xiàn)相對卷板升高趨勢，與其他鋼級中的變化趨勢不同。 這是因為X80 管線鋼同時采用控軋、控冷工藝獲得針狀鐵素體 （貝氏體），具有連續(xù)屈服特征，因而具有高的形變強化能力，能夠補償和抵消因制管產(chǎn)生的包申格效應(yīng)所引起的強度損失[12]。

3 結(jié) 論

（1） 包申格效應(yīng)對螺旋埋弧焊管屈服強度有一定影響，在管材訂貨時要考慮該影響，必需預(yù)留強度的裕量，以彌補制管過程中強度的損失。 同材質(zhì)不同徑厚比，強度損失不同。 不同的取樣形式與加工方法，包申格效應(yīng)的表現(xiàn)不同。

（2） 由于管線鋼的化學(xué)成分、軋制工藝、微觀組織以及卷板厚度對屈強比都有一定的影響，同材質(zhì)不同徑厚比，成型過程中受力大小不同，所以包申格效應(yīng)大小不同，屈強比變化的不同。

（3） 受包申格效應(yīng)影響，螺旋埋弧焊管屈服強度和屈強比下降，但在X80 鋼級中有例外現(xiàn)象，鋼管屈強比隨成型受力增大，出現(xiàn)相對卷板升高趨勢。 X80 鋼級中管體板狀試樣和圓棒試樣屈強比無明顯高低變化趨勢。