關于雙金屬復合無縫鋼管軋制成型過程的探究

陳春丹

（衡陽華菱鋼管有限公司 湖南衡陽 421001）

關于雙金屬復合無縫鋼管軋制成型過程的探究

陳春丹

（衡陽華菱鋼管有限公司 湖南衡陽 421001）

在金屬塑性成型過程中，冷軋以及熱軋工藝都較為復雜，特別是對于雙金屬復合無縫鋼管的軋制成型來說更為繁瑣。因此對無縫鋼管的軋制過程對于提高成品管壁厚、直徑精度以及優(yōu)化軋制工藝進行深入研究具有十分重要的意義。本文就雙金屬復合無縫鋼管軋制成型過程進行分析。

雙金屬；復合無縫鋼管；軋制成型

1 引言

雙金屬復合無縫鋼管的優(yōu)勢體現(xiàn)在其既可以發(fā)揮出基層管材碳鋼、低合金鋼優(yōu)良的機械力學性能，且成本較低，也具備不銹鋼覆蓋層耐腐蝕的優(yōu)秀性能，可以滿足復雜環(huán)境下管材的使用要求。當前，雙金屬復合無縫鋼管的應用范圍不斷擴大，也獲得了各行各業(yè)的認可。冷軋以及熱軋是鋼管生產(chǎn)工藝流程中最為關鍵的工序，其會對管材的力學性能產(chǎn)生較大影響。所以，無縫鋼管成型過程的研究在工程實踐以及理論上都有著重要意義。

2 雙金屬復合無縫鋼管概述

雙金屬復合無縫鋼管是由基層材以及覆層材在高溫高壓環(huán)境下結合而來，依據(jù)其制造方法的不同，可將其分為冷軋以及熱軋復合管、爆炸復合管、爆炸軋制復合管、反相凝固復合管、鑄造軋制復合管等。在工藝應用中，復合鋼管的制造方法有三種，即軋制復合管、爆炸復合管以及爆炸復合-軋制復合管。軋制復合管是使用軋機加工復合鋼管，分為冷軋以及熱軋。在機器壓力作用下或者是高溫環(huán)境中，復合金屬表面破碎，金屬截面內(nèi)發(fā)生了塑性變形，在壓力荷載下，兩個表面逐漸結合。

3 雙金屬復合無縫鋼管軋制成型過程研究

這里以雙金屬復合無縫鋼管冷軋過程為例進行分析。

3.1 有限元模型與邊界條件

生產(chǎn)復合無縫鋼管的坯料由外層碳鋼Q235、內(nèi)層SUS316L不銹鋼組成。管坯的材料模型均采用由實驗獲得的真實應力應變材料曲線。在計算中，采用了多個線性動力強化材料模型和米塞斯屈服準則，采用了直接約束法來匹配接觸算法。無縫鋼管的界面處已達到相互結合的條件，能實現(xiàn)無縫鋼管的界面可靠的結合。

3.2 計算結果與分析

3.2.1 界面結合強度分析

在無縫鋼管的界面位置，平均等效應力為400MPa，最大的等效應力可達420MPa。結合區(qū)域的界面粘結強度，使用下面的公式確定：

式中，σ為復合鋼管的界面處的結合應力強度值；σt1為外層管坯316L不銹鋼的塑性硬化變形抗力應力值；σt2為內(nèi)層管坯Q235鋼塑性硬化變形抗力應力值；f1為外層管坯不銹鋼覆層厚度的權值；f2為內(nèi)層管坯Q235鋼基層厚度的權值。通過上述公式可評估復合鋼管軋制成型后界面處的粘結強度，由粘結強度來判斷鋼管的復合效果。

將外層管坯不銹鋼與內(nèi)層管坯碳鋼的變形抗力應力值代入上述公式，可求出復合鋼管的界面粘結強度，得到粘結強度約為414MPa，說明在無縫鋼管的界面處已達到相互結合的條件，能實現(xiàn)無縫鋼管的界面可靠的結合。

3.2.2 應力分布分析

鋼管軋制過程中的應力分布具有如下規(guī)律：①軸向應力對比分析。在鋼管的外徑處，輥縫與輥縫臨近區(qū)域分別為拉應力與壓應力。在復合鋼管的界面，最大的軸向拉應力和壓應力發(fā)生的位置與外徑一致，但應力值略有減小。在鋼管的內(nèi)壁位置，軸向壓應力相對外徑與內(nèi)壁的應力值較小，而內(nèi)壁處的拉應力則增加，而最大的拉應力和壓應力發(fā)生的位置與外徑、界面處一致。管坯經(jīng)第二道次軋制成型時，外壁處軸向應力分布呈現(xiàn)“W”型分布，且應力值有正值也有負值。②環(huán)向應力對比分析。分析鋼管的環(huán)向應力分布曲線可知，在第一道次軋輥處，鋼管的外徑、界面與內(nèi)壁處的應力均為壓應力，且最大值的位置均發(fā)生在軋輥的輥縫附近處，最小壓應力發(fā)生在軋輥的輥縫與軋輥下方位置。在第二道次軋輥處，鋼管的外徑均為壓應力，且最大環(huán)向壓應力主要集中在第二道次軋輥的下方，在軋輥的輥縫附近的環(huán)向應力相對其它位置較小。③徑向應力對比分析。徑向應力與環(huán)向應力的大小基本相等，分布規(guī)律較為類似。

3.2.3 應力分布對雙金屬復合管壁厚精度影響的分析

雙金屬復合無縫鋼管冷軋成型后，壁厚沿圓周方向的分布如圖1所示?？梢钥闯?，經(jīng)兩道次軋制后，第一道軋制輥縫處較大的外管壁厚量得到了明顯的改善，而在第二道軋制的輥縫處產(chǎn)生了外管壁厚略微的增加現(xiàn)象，且壁厚在圓周方向上呈對稱分布，而其它區(qū)域的壁厚基本達到了成品管的壁厚10mm，內(nèi)層管的壁厚基本穩(wěn)定在1.6mm左右。經(jīng)過第二道次軋制后，由于第二道次的軋輥與第一道次軋輥的布置方式相反，故，在第一道次軋制后產(chǎn)生的凸耳剛好處于第二道次軋輥的下方，管坯經(jīng)受較大的徑向壓應力，使得輥縫處的壁厚減小，經(jīng)軋制成型后后，鋼管的凸耳變小。同時，管坯在第二道軋輥的輥縫處時，坯料受到一定的徑向拉應力，故而形成外管壁厚的突起現(xiàn)象，而交界面則受到較小的壓應力，從而使內(nèi)管的壁厚較為均勻。

圖1 雙金屬復合無縫鋼管成型后的壁厚分布

4 結束語

綜上所述，在雙金屬復合無縫鋼管和單金屬無縫鋼管的軋制成型研究通過長期實踐調(diào)查已經(jīng)獲得了很多成果，對于軋輥孔型的改善有著積極影響。對雙金屬復合無縫鋼管軋制成型過程的內(nèi)應力分布以及內(nèi)應力對于成型管的直徑、壁厚的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)雙金屬復合無縫鋼管軋制成型過程中，壁厚量得到了明顯的改善，應力更加均衡。由此可見，該技術具有推廣價值。

[1]張春秋，鮑巖，葉金鐸，等.雙金屬復合無縫鋼管冷軋成型過程的數(shù)值研究[J].重型機械，2014（1）：24～30.

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TG335.71

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1004-7344（2016）36-0246-01

2016-11-3