D1422 mm的X80管線鋼管冷彎試驗結(jié)果與性能分析

馬愛清，劉 宇，谷云龍，張坤義，高廣林

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊 065000 2.中國石油天然氣管道局第五工程公司，河北廊坊 065000

0 引言

石油天然氣需求量的與日俱增需要更大輸量的石油天然氣管道，而冷彎管道的優(yōu)點是節(jié)約能源、不需加熱、彎制過程簡單、見效快，符合降低成本、增加效益的思想。到目前為止，對于大口徑D1422mm的X80鋼級管線鋼，我國還沒有廠家進(jìn)行過試制，因此本次試驗具有前瞻性，可為以后大口徑X80鋼級管線鋼冷彎管試制提供技術(shù)性指導(dǎo)。

冷彎過程主要是加工硬化過程，產(chǎn)生了包申格效應(yīng)，在冷彎過程中鋼材內(nèi)部晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，晶粒的拉長、破碎和纖維化，強度和硬度增加，韌性下降。冷彎后管體外觀尺寸和力學(xué)性能是否能夠達(dá)到施工要求，目前還是個難題。本文主要介紹本次冷彎管試驗前后其外觀尺寸的變化及力學(xué)性能分析。

1 材料與試驗過程

1.1 試驗材料

本次試驗用的樣管為國產(chǎn)X80、D1422 mm×21.4mm、長7.4m的直縫埋弧焊鋼管，無防腐層，化學(xué)成分見表1。

表1 D1422mm的X80試驗樣管母材化學(xué)成分/%

1.2 試驗設(shè)計方案

試驗前先在管道上劃線確定好位置，并采用內(nèi)徑千分尺測量橢圓度，測厚儀測量厚度，鋼管彎制過程中，在管口設(shè)置鉛垂線，以保證管口平面度。通過調(diào)整油缸起升高度控制每次成形角度，彎制過程中用起升角度儀記錄最大起升角度，累計角度儀測量累計角度，用機械角度儀測量冷彎后的累計角度，并記錄其現(xiàn)場數(shù)據(jù)。冷彎結(jié)束后重復(fù)測量并記錄管道冷彎后的外觀尺寸。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 冷彎外觀尺寸試驗結(jié)果

對X80鋼級、D1422 mm管線鋼管的冷彎數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，處于管道中間位置的橢圓度最大，最大值為2.61%。橢圓度最小的位置為彎制第一點，最小值為1.94%。對于彎制前后的壁厚進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，外弧側(cè)減薄率最大，最大值為2.43%，內(nèi)弧側(cè)減薄率最小，最小值為0.09%，減薄率最大與最小位置分別處于靠近外弧側(cè)與內(nèi)弧側(cè)的中間位置。冷彎后用鋼板尺和塞尺進(jìn)行波浪度和起波高度的測量，起弧位置位于距管端2 140 mm處。波浪度最大位置靠近彎管段中心，最大波浪度為0.27%；起波高度最大位置靠近內(nèi)弧側(cè)中間位置，最大起波高度為0.32%。

2.2 理化性能試驗

對冷彎后D1422mm的X80管進(jìn)行了一些常規(guī)理化性能檢驗，包括拉伸、-10℃沖擊試驗和系列溫度的沖擊試驗。

2.2.1 拉伸性能試驗

圖1、圖2為試件縱橫向內(nèi)外弧側(cè)冷彎前后屈服強度的對比情況。

圖1 縱向和橫向內(nèi)弧側(cè)冷彎前后屈服強度對比

圖2 縱向和橫向外弧側(cè)冷彎前后屈服強度對比

可以看出內(nèi)弧側(cè)不管是沿縱向還是橫向，其冷彎前屈服強度比冷彎后屈服強度都大，說明冷彎后會造成屈服強度下降。原因是在冷彎過程中由于內(nèi)弧側(cè)受到壓力作用，金屬內(nèi)部位錯沿著一定的滑移面滑移，遇到林位錯而彎曲，結(jié)果在位錯前方，林位錯密度增加，形成位錯纏結(jié)或胞狀組織。但是在加載反向應(yīng)力時，位錯向著反方向運動，在反方向像林位錯這樣的阻礙減少，因此位錯在較小應(yīng)力下移動較大距離。

外弧側(cè)縱向位置冷彎后屈服強度增加，橫向屈服強度變化不大，說明冷彎過程對外弧側(cè)橫向屈服強度影響較小，對縱向屈服強度影響比較大。縱向冷彎后屈服強度增加原因：在冷彎過程中由于外弧側(cè)受到拉力作用下，金屬內(nèi)部位錯沿著一定的滑移方向滑移，遇到林位錯而彎曲，結(jié)果在位錯前方，林位錯密度增加，形成位錯纏結(jié)或胞狀組織。這種位錯結(jié)構(gòu)在力學(xué)上是穩(wěn)定的，此時卸載后再同向加載，位錯線不能明顯運動，宏觀上表現(xiàn)為屈服強度增加。

圖3、圖4為圓棒橫向拉伸試驗曲線，從圖中可以看出，冷彎后外弧側(cè)屈服強度和抗拉強度比冷彎前的高；中性區(qū)的屈服強度和抗拉強度與彎制后的相比則沒有太大的變化；冷彎后內(nèi)弧側(cè)的屈服強度和抗拉強度比冷彎前的低。原因是在冷彎過程中外弧側(cè)受拉力，中性區(qū)幾乎是既不受拉力也不受壓力，內(nèi)弧側(cè)主要是受壓力，所以相當(dāng)于預(yù)拉力和預(yù)壓力，于是產(chǎn)生了包申格效應(yīng)，使得預(yù)拉力的屈服強度和抗拉強度提高，預(yù)壓力的屈服強度和抗拉強度降低。

圖3 不同位置拉伸曲線

2.2.2 夏比沖擊韌性

2.2.2.1 沖擊韌性

圖4 圖3的局部放大圖

在鋼板厚度1/4處取橫向和縱向試樣，加工成10mm×10mm×55mm的開V型缺口的試件，在-10℃的酒精中進(jìn)行夏比沖擊試驗，試驗結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 -10℃不同位置夏比沖擊功單個值

圖6 -10℃不同位置夏比沖擊功平均值

圖5數(shù)據(jù)顯示，只在彎管的熱影響區(qū)出現(xiàn)了一個27.5 J的不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值，低于標(biāo)準(zhǔn)值有可能是內(nèi)部存在缺陷造成的。圖6顯示，冷彎后的內(nèi)弧、外弧、焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊功都比冷彎前的低，材料已經(jīng)發(fā)生塑性變形，而金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，晶粒拉長、破碎和纖維化，強度和硬度增加，韌性下降，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。但是冷彎后與冷彎前相比，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性下降較多。冷彎后中性區(qū)夏比沖擊功比冷彎前的大，冷彎后焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性都下降，說明了冷彎對焊縫和熱影響區(qū)沖擊韌性的影響比較大，所以在制管時一定要注意焊接對焊縫帶來的影響。

2.2.2.2 不同溫度下的沖擊試驗

圖7所示為冷彎前后外弧側(cè)在不同溫度下的夏比沖擊功，從圖中可以看出：隨著溫度的降低，沖擊韌性值有下降的趨勢，冷彎后沖擊韌性離散性增強。冷彎后外弧側(cè)比冷彎前外弧側(cè)的沖擊韌性降低了，這說明一定量的彎曲降低了沖擊韌性。

圖7 冷彎后和冷彎前外弧側(cè)在不同溫度下的夏比沖擊功

2.2.3 彎曲試驗

在管道焊縫處分別取冷彎前后的試樣進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗，試驗壁厚為全壁厚，彎曲直徑為90mm，彎曲角度為180°，沒有出現(xiàn)異常裂紋，滿足彎曲要求。

3 結(jié)論與建議

D1422 mm的X80冷彎管外觀尺寸和力學(xué)性能數(shù)據(jù)表明，外觀尺寸試驗中橢圓度最大位置靠近彎管中心，橢圓度為2.61%。外弧側(cè)壁厚減薄率最大和內(nèi)弧側(cè)壁厚減薄率最小位置位于測點中心，波浪度最大位置靠近彎管段中心，波浪度為0.27%。其原因是冷彎過程中中性層纖維出現(xiàn)了拉伸和壓縮現(xiàn)象，而在彎曲段中心外弧側(cè)受拉伸作用最強，內(nèi)弧側(cè)受壓縮作用最強。

拉伸性能試驗中冷彎后彎管段內(nèi)弧側(cè)縱向屈服強度不滿足要求，縱向彎曲段外弧側(cè)屈強比不滿足要求，這是因為在彎曲過程中產(chǎn)生了包申格效應(yīng)，其對縱向的影響比較大，使得內(nèi)弧側(cè)屈服強度和抗拉強度都降低，屈服強度降低過多導(dǎo)致低于標(biāo)準(zhǔn)要求，外弧側(cè)屈服強度和抗拉強度增加，屈服強度增加較多，導(dǎo)致其更接近于抗拉強度，使得屈強比高于標(biāo)準(zhǔn)要求，但是對橫向拉伸性能的影響較小。直管段中性區(qū)和外弧側(cè)屈服強度有個別不滿足要求是因為存在一定的離散性。

對于以上存在的問題，筆者提出以下建議：在冷彎過程中可以在內(nèi)部設(shè)置一個直徑略大于彎管內(nèi)徑的芯軸，相當(dāng)于添加一個反向應(yīng)力，這樣在冷彎后可以減少中間位置變形量；曲率半徑一般要求在30 D即可。

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