管端縮口及去應(yīng)力退火工藝研究

駱敬輝，宋佳芮，侯振宇

（1.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津 300301；2.藍(lán)光奧的斯電梯曳引機(jī)(天津)有限公司，天津 300457）

管端縮口及去應(yīng)力退火工藝研究

駱敬輝1，宋佳芮2，侯振宇1

（1.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津 300301；2.藍(lán)光奧的斯電梯曳引機(jī)(天津)有限公司，天津 300457）

通過(guò)對(duì)管體進(jìn)行整體縮徑的方式摸索不同規(guī)格的管端縮口工藝，得出了縮徑前后的物理參數(shù)變化，為了消除殘余應(yīng)力，以試驗(yàn)的方式研究了去應(yīng)力退火的工藝。

縮口；殘余應(yīng)力；去應(yīng)力退火

1 引言

在石油管行業(yè)中，特殊扣接頭的設(shè)計(jì)大都采用螺紋+密封的結(jié)構(gòu)形式，螺紋結(jié)構(gòu)用來(lái)承受軸向載荷，密封結(jié)構(gòu)用來(lái)承受內(nèi)外壓力載荷，接頭的密封面通常設(shè)計(jì)在管端，在螺紋對(duì)頂之后，增加扭矩對(duì)提高密封性能有一定作用，然而，過(guò)高的扭矩容易使臺(tái)肩屈服。首先，由于加工密封面的需要，使鋼管端部的密封面部分壁厚大大減小，其次，為了保證鋼管內(nèi)徑與接箍的齊平，往往又需要進(jìn)行管端內(nèi)倒角加工，這樣有限的臺(tái)肩厚度大大減小，對(duì)密封性能及抗壓縮性能極為不利。因此為了提高特殊扣的密封能力兼顧抗過(guò)扭能力，在薄壁鋼管的加工工藝上，在加工前通常采用管端縮口（收口）形式，縮口加工是特殊扣接頭加工前的常見(jiàn)工藝。

2 縮口的實(shí)現(xiàn)

2.1 縮口工藝的實(shí)質(zhì)

管端縮口是一種無(wú)切屑的冷擠壓工藝，它是根據(jù)金屬塑性成形原理，將冷態(tài)的鋼管管端裝在收口模具型腔內(nèi)，在強(qiáng)大的壓力和一定的速度作用下，迫使鋼管在模具型腔中順勢(shì)屈服變形，從而獲得所要求的尺寸和形狀。

管端縮口是靠縮口模具來(lái)控制管體金屬流動(dòng)的，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸和形狀的要求，靠金屬體積的轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)管端成型。如圖1所示，將管端插入有錐度的型腔內(nèi)，在軸向壓力下，管體按照型腔的尺寸控制滑動(dòng)發(fā)生縮口變形。

圖1 縮口示意圖

2.2 縮口工藝的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

鋼管縮口變形時(shí)，管體處于壓應(yīng)力狀態(tài)，見(jiàn)圖2，在與模具的接觸位置，管體內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力，操作中，應(yīng)使這種變形緩慢而有限，防止管端和模具損壞?？s口前，管端外緣應(yīng)加工倒角（1～2 mm）×45°，以避免端面棱角劃傷模具，為保證金屬流動(dòng)流暢，模具與管體均應(yīng)涂抹混合石墨的潤(rùn)滑油?？s口屬于塑性變形，當(dāng)外部擠壓力去除后其彈性變形量將恢復(fù)，即“彈復(fù)”，試驗(yàn)表明恢復(fù)量在0.3%～0.7%。管體壓入量應(yīng)提前計(jì)算，以某特殊扣的密封面長(zhǎng)度為例，在壓入過(guò)程中應(yīng)分段多次縮口。通過(guò)試驗(yàn)與近似計(jì)算得到表1。

表1 幾種常見(jiàn)規(guī)格的鋼管管端壓入模具量

以常見(jiàn)的?88.9 mm×6.45 mm鋼管為例（K為模具錐度）：

在管端縮口過(guò)程中，管端在型腔模具的空間的限制下受到軸向壓力的作用，管端徑向變形，產(chǎn)生縮口現(xiàn)象。

圖2 管端壓入模具圖

評(píng)價(jià)縮口的兩個(gè)指標(biāo)[1]：

式中：D1為鋼管縮徑前的平均外徑；D2為鋼管縮徑后的平均外徑。

對(duì)一段管體進(jìn)行整體縮徑后，其壁厚增加，長(zhǎng)度增加。以?88.9 mm×6.45 mm P110鋼管為例，選取縮徑模具內(nèi)徑86.20mm，按照?qǐng)D3預(yù)先進(jìn)行測(cè)量位置標(biāo)記，整體縮徑后，測(cè)量如下尺寸見(jiàn)表2、表3。

圖3 取樣標(biāo)記示意圖

表2 縮徑前后長(zhǎng)度變化

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐得知，不同鋼種與縮徑之間的基本關(guān)系見(jiàn)表4，值得注意的是，對(duì)于大壁厚的鋼管，必須進(jìn)行多次縮口處理[2]，防止管端開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生，管端縮口屬于冷加工，在加工中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能。

3 管端縮口的后續(xù)問(wèn)題

為了研究管端縮口區(qū)域的性能變化情況，考慮到縮口區(qū)域較小，無(wú)法直接加工試樣（材力性能），現(xiàn)取300mm鋼管為樣品，按照?qǐng)D1的處理方式，對(duì)樣品進(jìn)行整體縮徑處理，模具尺寸按照縮口的目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表3 縮徑前后的壁厚變化 /mm

表4 不同鋼種與縮徑之間的基本關(guān)系

3.1 喇叭口現(xiàn)象

對(duì)鋼管進(jìn)行整體縮徑后，冷加工的處理方式在管體內(nèi)部（縱向與環(huán)向）會(huì)形成殘余應(yīng)力，當(dāng)鋼管被擠壓出模具型腔，環(huán)向約束消失，管端的內(nèi)應(yīng)力徑向釋放，加之收到表面滑移阻力的影響，靜態(tài)下表現(xiàn)為管端出現(xiàn)喇叭口狀的彈性恢復(fù)，見(jiàn)圖4圓圈內(nèi)部分。

圖4 縮徑后管端出現(xiàn)喇叭口現(xiàn)象

3.2 翹曲現(xiàn)象

縮徑后的管體在縱切取拉伸試樣后會(huì)出現(xiàn)兩端翹曲現(xiàn)象，如圖5所示。因?yàn)殡S著管體的切開(kāi)，基體內(nèi)大量殘余應(yīng)力會(huì)自由釋放，將性能取樣變形為翹曲狀態(tài)。

圖5 縮徑后取樣發(fā)生的翹曲現(xiàn)象

3.3 位錯(cuò)密度的變化

冷加工時(shí)，縮口模具強(qiáng)制作用剪切力在滑移面上移動(dòng)產(chǎn)生位錯(cuò)，它的運(yùn)動(dòng)在宏觀上表現(xiàn)為塑性變形，這是金屬表現(xiàn)塑性的原因。試樣經(jīng)過(guò)冷加工后，晶格組織上產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)，但是隨著位錯(cuò)的不斷增加，有一部分位錯(cuò)會(huì)離開(kāi)滑移面形成固定位錯(cuò)，這些固定位錯(cuò)就像是定在某些區(qū)域的釘子一樣，它對(duì)其余位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)起到阻礙作用，這時(shí)，金屬的塑性特征得到減小，也就是說(shuō)縮徑冷加工的材料強(qiáng)度會(huì)增加。

以?88.9 mm×6.45 mm P110鋼管為例，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的位錯(cuò)密度變化見(jiàn)表5。

表5 處理工藝對(duì)位錯(cuò)密度的影響

經(jīng)過(guò)退火后，位錯(cuò)密度有所下降，甚至低于冷加工之前，隨著退火時(shí)間的增加，位錯(cuò)密度逐漸趨于穩(wěn)定，但始終存在，即使單純的退火，對(duì)降低位錯(cuò)也是有一定幫助的。

3.4 殘余應(yīng)力的變化

對(duì)縮徑后的管段進(jìn)行開(kāi)縫法的殘余應(yīng)力測(cè)量：

式中：Df為開(kāi)縫后的外徑平均值{=（Df+Df+Df）/3}，mm；D0為開(kāi)縫前的外徑平均值{=（D01+D02+D03）/3}，mm；υ為泊松系數(shù)0.30；E為彈性模量，MPa，取E=20.6×104Mpa；t為平均壁厚。

利用開(kāi)縫法殘余應(yīng)力的計(jì)算公式，以?88.9 mm×6.45 mm P110鋼管為例，計(jì)算得到縮徑前后的內(nèi)部殘余應(yīng)力，見(jiàn)表6。

管端縮口屬于冷加工范疇，冷加工過(guò)程存在加工硬化現(xiàn)象。隨著金屬材料變形量的增加，材料的強(qiáng)度和硬度增加，塑形下降，其對(duì)管端的性能有一定的影響。

外力對(duì)材料的做功約有90%轉(zhuǎn)變成熱能散失，但是約有10%左右以殘余應(yīng)力形式的彈性能留在塑形變形的材料當(dāng)中，使材料的內(nèi)能增加，宏觀表現(xiàn)就是增加了殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力，當(dāng)外力去除后而仍然保留下了的內(nèi)應(yīng)力，它是由于金屬的內(nèi)部變形不均勻而引起的，絕大部分的內(nèi)應(yīng)力存在于晶格畸變中，翹曲與喇叭口現(xiàn)象都是由于過(guò)大的殘余應(yīng)力造成的，殘余應(yīng)力的存在會(huì)降低材料的抗腐蝕性能，即應(yīng)力腐蝕[3]。

表6 縮徑前后的殘余應(yīng)力變化

對(duì)于管端而言，隨著螺紋的加工，端面壁厚變薄，加速了殘余應(yīng)力的釋放，有可能造成加工參數(shù)的不穩(wěn)定，影響加工精度，甚至出現(xiàn)開(kāi)裂。

4 去應(yīng)力退火工藝

去應(yīng)力退火是將工件加熱到Ac1以下的適當(dāng)溫度（根據(jù)鋼種確定），保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻的工藝方法。去應(yīng)力退火是一種無(wú)相變的退火，其目的是為了去除由于機(jī)械加工、變形加工等后等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

4.1 去應(yīng)力退火工藝曲線（見(jiàn)圖6）

圖6 去應(yīng)力退火工藝曲線

去應(yīng)力退火的溫度范圍一般為500～650℃，一般應(yīng)比最后一次回火溫度低40～60℃，以免降低硬度及力學(xué)性能[3]。

4.2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)程序及取樣，見(jiàn)圖7。

本試驗(yàn)取3個(gè)規(guī)格鋼管，分別按照下列試驗(yàn)程序進(jìn)行：

（1）取樣總長(zhǎng)約1 200mm，縱向4象限標(biāo)記，做定位標(biāo)記測(cè)量外徑與壁厚（每圈8個(gè)點(diǎn)）。

（2）分為 3段（每段400mm），一段為原始，另一段為縮徑樣，另一段為縮徑后+退火樣。

（3）測(cè)量縮徑后的外徑壁厚，測(cè)量縮徑后退火后的外徑壁厚。

（4）原始段測(cè)量殘余應(yīng)力，取拉伸試樣。

（5）縮徑段測(cè)量殘余應(yīng)力，取拉伸試樣。

（6）縮徑再退火后測(cè)量殘余應(yīng)力，取拉伸試樣。

（7）整理數(shù)據(jù)。按照如上所述試驗(yàn)程序完成后，得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

可見(jiàn)，去應(yīng)力退火對(duì)消除殘余應(yīng)力，恢復(fù)材料的機(jī)械性能十分有必要。對(duì)同一鋼管的去應(yīng)力退火，其實(shí)是加熱溫度、保溫時(shí)間、及冷卻速度三者共同作用的結(jié)果[4]。針對(duì)熱處理對(duì)象的規(guī)格、大小及鋼種制定合適的退火工藝需要進(jìn)行大量的小樣熱處理科學(xué)試驗(yàn)[3]。

5 結(jié)論

在特殊扣螺紋加工中，為了保證扭矩臺(tái)肩部位的加工完整性，進(jìn)而提高密封及抗過(guò)扭能力，管端收口是一種有效的預(yù)處理方法，但是，由以上的試驗(yàn)可知，收口這種冷加工方式增大了管端的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生了不利的影響，通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)消除殘余應(yīng)力變得十分有必要，進(jìn)行去應(yīng)力退火處理是消除殘余應(yīng)力的常見(jiàn)工藝，在試驗(yàn)中摸索合適的退火工藝是對(duì)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖7 去應(yīng)力退火取樣標(biāo)記圖

表7 幾種管體材料的去應(yīng)力退火結(jié)果

[1] 俞漢清.金屬塑性成型原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 張水忠.擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3] 王榮聲.工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4] 張艾麗.劉志斌.關(guān)偉宏.焊接件去應(yīng)力退火工藝參數(shù)試驗(yàn)[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2000，42（4）：41-43.

Study on Pipe End Necking Down and Stress Relief Annealing Process

LUO Jing-hui1,SONG Jia-rui2and HOU Zhen-yu1

(1.Technology Center of Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China;2.BlueLight Otis Elevator Traction Machine[Tianjin]Company Limited,Tianjin 300457,China)

Pipe end necking down processes for pipes with different sizes were explored by way of entire pipe diameter necking down to obtain physical parameter variation before and after diameter necking down.In order to eliminate residual stress,stress relief annealing process was studied by way of experiment.

necking down;residual stress;stress relief annealing

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.005

2013-09-1 5

2013-10-1 2

駱敬輝（197 6—），男，碩士，工程師，主要從事石油管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)工作。