X80鋼級(jí)熱軋板卷及螺旋焊管拉伸性能統(tǒng)計(jì)分析

李建一，王 旭，孫靈麗，宮 慶，石國(guó)紅

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司 華油鋼管公司，河北 青縣062658；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津300457）

0 前 言

螺旋焊管制造過程中，同時(shí)存在著板卷形變強(qiáng)化和包申格效應(yīng)兩種現(xiàn)象，二者的綜合作用使板卷在制成鋼管后的拉伸性能發(fā)生明顯變化[1-5]。研究分析制管過程中拉伸性能的變化規(guī)律，合理確定板卷技術(shù)指標(biāo)，一方面可避免出現(xiàn)批量鋼管拉伸性能不合格，另一方面可避免出現(xiàn)因指標(biāo)過高而造成技術(shù)浪費(fèi)，對(duì)于控制螺旋焊管質(zhì)量具有重要意義[6-7]。

筆者對(duì)工業(yè)化大批量生產(chǎn)過程中不同規(guī)格、不同廠家生產(chǎn)的X80鋼級(jí)熱軋板卷及其制成的螺旋焊管進(jìn)行了拉伸性能試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，旨在揭示X80板管性能差異，為X80鋼級(jí)熱軋板卷訂貨和出廠質(zhì)量控制提供參考。

1 拉伸性能統(tǒng)計(jì)

1.1 板卷拉伸性能

對(duì)板寬為1 550mm，壁厚分別為18.4mm，17.5mm，16.5mm，15.3mm和12.8mm的X80鋼級(jí)熱軋板卷進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。拉伸試樣從距板卷外圈約1.5 m、板寬1/2位置截取，取樣方向與板卷軋制方向成30°角，采用圓棒試樣，試樣尺寸依據(jù)壁厚確定且與鋼管拉伸試樣相同，按照ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。不同規(guī)格、不同廠家生產(chǎn)的板卷拉伸性能統(tǒng)計(jì)見表1。

1.2 鋼管拉伸性能

對(duì)規(guī)格φ 1 219mm×18.4mm，φ 1 219mm×17.5mm， φ 1 219mm×16.5mm， φ 1 016mm×15.3mm和φ 1 016mm×12.8mm的X80鋼級(jí)螺旋埋弧焊管進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。試驗(yàn)均在靜水壓試驗(yàn)后進(jìn)行，拉伸試樣從距焊縫約180°管體橫向位置截取，采用圓棒試樣，試樣尺寸依據(jù)管徑和壁厚確定，按照ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。不同規(guī)格、不同原料廠家生產(chǎn)的鋼管拉伸性能統(tǒng)計(jì)見表2。

1.3 板管性能差異

不同規(guī)格、不同廠家生產(chǎn)的X80板卷制管前后拉伸性能差異見表3。

2 分析與討論

從表1～表3中可看出，所有規(guī)格、所有廠家鋼管的屈服強(qiáng)度均高于板卷，最大的平均值提高了42 MPa，最小的平均值提高了2 MPa；各規(guī)格之間差值有所不同，最大的（壁厚16.5mm）平均值提高了28 MPa，最小的（壁厚15.3mm和12.8mm）平均值提高了11 MPa，各規(guī)格差值分布情況如圖1所示；各廠家之間差值也有所不同，綜合分析A廠家提高最多，而D廠家提高最少。同時(shí)可以看出，所有規(guī)格、所有廠家鋼管的抗拉強(qiáng)度與板卷相比，最大的平均值提高了32 MPa，最小的平均值提高了-25 MPa；各規(guī)格之間差值有所不同，最大的（壁厚16.5mm）平均值提高了21 MPa，最小的（壁厚12.8mm）平均值提高了5 MPa，各規(guī)格鋼管強(qiáng)度差值分布情況如圖1所示；各廠家之間也存在差異，綜合分析，A廠家提高最多，E廠家提高最少。綜合以上數(shù)據(jù)，X80板卷制成鋼管后屈服強(qiáng)度呈升高趨勢(shì)，因規(guī)格、廠家和工藝的不同增加值有所不同；抗拉強(qiáng)度總體呈升高趨勢(shì)，但增加量小于屈服強(qiáng)度，因規(guī)格、廠家和工藝的不同有所差異，存在部分降低的現(xiàn)象。

表1 X80鋼級(jí)熱軋板卷拉伸性能統(tǒng)計(jì)

表2 X80鋼級(jí)螺旋埋弧焊管拉伸性能統(tǒng)計(jì)

表3 板管拉伸性能差異（平均值）

圖1 板管強(qiáng)度差異

鋼管與板卷之間的強(qiáng)度差異是形變強(qiáng)化和包申格效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。有關(guān)研究指出[5-8]，當(dāng)管線鋼的屈服強(qiáng)度大于450 MPa時(shí)，包申格效應(yīng)大于形變強(qiáng)化作用，使鋼管強(qiáng)度降低更為明顯。采用圓棒試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣不需要壓平，不存在包申格效應(yīng)引起的強(qiáng)度損失，所測(cè)定的強(qiáng)度更能反應(yīng)鋼管的真實(shí)強(qiáng)度水平，因而圓棒試樣在X70以上高鋼級(jí)鋼管中被推薦使用[9]。

X80板卷及鋼管拉伸試驗(yàn)全部采用圓棒試樣，不存在包申格效應(yīng)的影響，引起板管性能差異的因素主要是形變強(qiáng)化。在螺旋焊管制造過程中，引起形變強(qiáng)化的過程主要是鋼管成型；且由于在靜水壓試驗(yàn)后取樣，靜水壓試驗(yàn)也會(huì)產(chǎn)生一定的形變強(qiáng)化作用。

X80管線鋼的組織類型為針狀鐵素體。針狀鐵素體中存在著高密度的可移動(dòng)位錯(cuò)，易于實(shí)現(xiàn)多滑移，這種組織特征使得針狀鐵素體管線鋼具有連續(xù)的屈服行為，在成型變形過程中產(chǎn)生形變強(qiáng)化提高強(qiáng)度；同樣，在靜水壓試驗(yàn)過程中鋼管也會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，進(jìn)一步強(qiáng)化提高強(qiáng)度。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中研究了靜水壓試驗(yàn)對(duì)X80鋼管強(qiáng)度的影響，其中屈服強(qiáng)度提高明顯，抗拉強(qiáng)度略有提高，進(jìn)一步證實(shí)了靜水壓試驗(yàn)對(duì)形變強(qiáng)化的作用。在成型和靜水壓試驗(yàn)的綜合強(qiáng)化作用下，X80板卷制成鋼管后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈升高趨勢(shì)；因材料的抗拉強(qiáng)度由材料形變強(qiáng)化的飽和值所決定，強(qiáng)度越高變化值越小，故抗拉強(qiáng)度的增加值小于屈服強(qiáng)度。

在上述5種規(guī)格鋼管中，只有φ1 219mm×16.5mm鋼管的靜水壓試驗(yàn)壓力為100%SMYS，其余均為95%SMYS，故該規(guī)格鋼管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加值均高于其他規(guī)格鋼管。同時(shí)，這也更進(jìn)一步說明了靜水壓試驗(yàn)對(duì)鋼管強(qiáng)度的影響。

板卷軋制過程中因表面冷卻速度快，組織更加細(xì)小，故表層強(qiáng)度高于芯部；鋼管成型和靜水壓試驗(yàn)過程中，鋼管表面產(chǎn)生的塑性變形大于芯部，形變強(qiáng)化作用更加明顯，故表層強(qiáng)度增加值大于芯部；因此，鋼管表層強(qiáng)度大于芯部。在圓棒拉伸試樣加工過程中，需要去除表層金屬來獲得標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣，故表層金屬的去除量必然會(huì)對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于上述5種規(guī)格鋼管來說，拉伸試樣分別保留了原始壁厚的69%，72%，61%，58%和50%，除去進(jìn)行100%SMYS靜水壓試驗(yàn)的φ1 219mm×16.5mm鋼管，對(duì)其余4種鋼管來說，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加值與拉伸試樣保留原始壁厚的比例存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即試樣去除表層金屬越少（保留原始壁厚比例越大），強(qiáng)度提高越大；試樣去除表層金屬越多（保留原始壁厚比例越?。?，強(qiáng)度提高越小。這種現(xiàn)象的存在，也許是部分規(guī)格、部分廠家板卷制管后抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)降低的原因之一。另外，不同廠家生產(chǎn)X80板卷時(shí)采用的化學(xué)成分和軋制工藝也有所不同，也是造成制管后強(qiáng)度變化量不同的原因之一。

因制管后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都呈升高趨勢(shì)，且屈服強(qiáng)度增加值大于抗拉強(qiáng)度，故屈強(qiáng)比呈升高趨勢(shì)。所有規(guī)格、所有廠家鋼管的屈強(qiáng)比與板卷相比，最大的平均值提高了0.05，最小的平均值提高了-0.02，但綜合分析整體升高。

從表1～表3中可以看出，所有規(guī)格、所有廠家鋼管的伸長(zhǎng)率與板卷相比，最大的平均值降低了2.0%，最小的平均值降低了-1.4%；各規(guī)格之間有一定差異，最大的（壁厚16.5mm）平均值降低了1.0%，最小的（壁厚15.3mm）平均值降低了0.4%，整體呈降低趨勢(shì)，存在少量升高的現(xiàn)象，各規(guī)格板管伸長(zhǎng)率差值分布情況如圖2所示。板卷在制管過程中經(jīng)過形變強(qiáng)化后強(qiáng)度提高，必然會(huì)造成塑性的降低，即伸長(zhǎng)率的降低。從圖1和圖2中可以看出，強(qiáng)度的升高和伸長(zhǎng)率的降低基本存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即強(qiáng)度提高越大則伸長(zhǎng)率降低越多。

圖2 不同規(guī)格板管伸長(zhǎng)率差異

3 結(jié) 語

（1）X80螺旋焊管制造過程中，因采用圓棒拉伸試樣不存在包申格效應(yīng)的影響，在形變強(qiáng)化作用下，鋼管屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈升高趨勢(shì)，且屈服強(qiáng)度增加量大于抗拉強(qiáng)度，屈強(qiáng)比呈升高趨勢(shì)，伸長(zhǎng)率呈降低趨勢(shì)。

（2）靜水壓試驗(yàn)對(duì)鋼管的形變強(qiáng)化效果有一定的影響，試驗(yàn)壓力越高鋼管的強(qiáng)度增加值越大，形變強(qiáng)化效果越明顯。

（3）圓棒拉伸試樣加工過程中需要去除鋼管表層金屬，而表層金屬組織更細(xì)小、強(qiáng)度高于芯部，且在制管過程中形變強(qiáng)化效果大于芯部，故表層金屬去除越少（保留原始壁厚比例越大）強(qiáng)度越高，形變強(qiáng)化效果越明顯，越能反應(yīng)鋼管的真實(shí)強(qiáng)度水平。因此，建議在制定拉伸試驗(yàn)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)鋼管管徑和壁厚選擇盡可能大的試樣尺寸；必要時(shí)可協(xié)商確定API SPEC 5L[12]標(biāo)準(zhǔn)以外的試樣尺寸，如φ10mm圓棒試樣。

（4）各廠家因化學(xué)成分和軋制工藝不同，制管后拉伸性能變化情況也不相同，應(yīng)研究分析各自板卷性能變化規(guī)律，合理制定板卷出廠技術(shù)指標(biāo)。

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