油氣管道X80管線鋼的干式滑動(dòng)摩擦磨損特性研究①

張季惠 唐林虎

(1.西北民族大學(xué)化工學(xué)院；2.蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院)

管道運(yùn)輸是我國(guó)石油和天然氣最主要的運(yùn)輸方式[1]，高性能X80管線鋼是用于生產(chǎn)輸油(氣)管道的主要鋼材，鋼管擴(kuò)徑是 UOE制管工藝的最后尺寸和精度的關(guān)鍵工藝[2, 3]， 機(jī)械擴(kuò)徑對(duì)焊管的殘余應(yīng)力均有顯著的削峰作用[4]，鋼管生產(chǎn)中采用的機(jī)械擴(kuò)徑頭是淬火后的冷作模具鋼(62±1HRC)[5]。目前，學(xué)者針對(duì)X80管線鋼的沖擊韌性[6]、耐腐蝕性[7]、不同土壤中的電化學(xué)性能[8]、疲勞壽命預(yù)測(cè)[9]及不同電化學(xué)環(huán)境下斷裂特性等方面展開了深入研究[10]。蔡錦達(dá)等通過(guò)建立錐形模機(jī)械擴(kuò)徑力解析公式，揭示了擴(kuò)徑力與摩擦系數(shù)的關(guān)系[4]。李聚群通過(guò)揭示摩擦與彎曲中性層的關(guān)系，建立了半徑與摩擦系數(shù)的公式，分析了摩擦對(duì)擴(kuò)徑口部拉裂的影響[11]。擴(kuò)徑過(guò)程中，擴(kuò)徑頭與X80管線鋼處于高壓狀態(tài)下的摩擦磨損狀態(tài)，這將會(huì)導(dǎo)致X80管線鋼內(nèi)壁的形貌發(fā)生改變，引起摩擦表面損傷，從而縮短輸油(氣)管道的壽命；另外，摩擦系數(shù)對(duì)擴(kuò)徑頭的力學(xué)特性也會(huì)產(chǎn)生顯著影響。而目前未發(fā)現(xiàn)有關(guān)于X80管線鋼摩擦磨損特性的相關(guān)論文。筆者將通過(guò)研究管線鋼X80(評(píng)價(jià)材料)與淬硬冷作模具鋼Cr12MoV(62±1HRC，對(duì)偶材料)的摩擦磨損特性，為X80管線鋼輸油(氣)管道的生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

以球-盤接觸方式，在中科院化物所THT07-135型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行X80管線鋼(評(píng)價(jià)材料)與淬硬冷作模具鋼Cr12MoV(62±1HRC，對(duì)偶材料)的干式滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，相對(duì)濕度40%，試驗(yàn)前后將全部試樣放入溶液經(jīng)超聲波清洗。上試樣采用X80管線鋼，直徑為5mm，長(zhǎng)度為15mm，銷的一端是直徑為5mm的球頭；下試樣為直徑28mm，厚度4mm的片狀Cr12MoV試樣，經(jīng)1 040℃熱處理，并經(jīng)低溫回火后，得到硬度60±1HRC的樣件[12]。 試驗(yàn)X80管線鋼上試樣磨損前后的質(zhì)量差利用電子天平稱量，單位滑動(dòng)距離的磨損率計(jì)算公式為Ws=Δm/L。磨損上試樣及其磨損形貌采用附有能譜儀的FEI INSPECT F50熱場(chǎng)掃描電鏡進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相同法向載荷(5N)下滑動(dòng)速度對(duì)摩擦磨損特性的影響

圖1為不同滑動(dòng)速度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)摩擦階段。另外，滑動(dòng)速度越大，達(dá)到穩(wěn)態(tài)摩擦階段的時(shí)間越短。

圖1 不同滑動(dòng)速度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

圖2為摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化規(guī)律曲線，可以看出，X80管線鋼與Cr12MoV干式滑動(dòng)摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)在0.701～0.828范圍變化。隨著滑動(dòng)速度的提高，摩擦系數(shù)先緩慢增大，當(dāng)滑動(dòng)速度達(dá)到0.15m/s時(shí)，摩擦系數(shù)以較大的幅度增大，當(dāng)滑動(dòng)速度為0.20m/s時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值0.828，之后緩慢下降?？傮w上，滑動(dòng)速度越低，摩擦系數(shù)越小。如圖3所示，X80管線鋼的磨損率隨滑動(dòng)速度的提高基本呈線性增長(zhǎng)。

圖2 摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化規(guī)律曲線

圖3 滑動(dòng)速度對(duì)磨損率的影響

圖4為不同滑動(dòng)速度下X80管線鋼磨損形貌的SEM顯微照片，顯然，滑動(dòng)速度在0.05～0.15m/s范圍變化時(shí)，磨損形貌基本相同，在形貌特征方面與滑動(dòng)速度為0.20m/s和0.25m/s時(shí)有明顯的區(qū)別。在低速時(shí)，磨損表面粗糙，如圖4a～c所示，在摩擦表面上存在大量魚鱗片狀物、少量疲勞裂紋、稀少的凹坑(0.05m/s除外)，顯然，滑動(dòng)速度為0.05m/s時(shí)，X80管線鋼發(fā)生磨粒磨損及較輕的疲勞磨損，間或附帶粘結(jié)磨損。當(dāng)滑動(dòng)速度繼續(xù)增大時(shí)，磨損表面稍有軟化現(xiàn)象，如圖4c所示。當(dāng)滑動(dòng)速度增到0.20m/s時(shí)，磨損表面更加光滑平整(圖4d)，這是因?yàn)榇藭r(shí)由于溫度升高，使得金屬表面軟化，從而淬硬鋼Cr12MoV對(duì)X80管線鋼有熨抹效應(yīng)，粘附效應(yīng)加重，此時(shí)，X80管線鋼發(fā)生粘結(jié)磨損。圖5為下試樣Cr12MoV的磨損表面，顯然，該摩擦表面有從上試樣X80管線鋼上粘帶下的材料。當(dāng)滑動(dòng)度增到0.25m/s時(shí)，摩擦過(guò)程中的溫度更高(圖4e)，磨損表面更加軟化，此時(shí)在上試樣球面的帶動(dòng)下，發(fā)生金屬流變，熨抹效應(yīng)更加明顯，故摩擦系數(shù)稍有降低。期間附伴有熔焊現(xiàn)象，如圖4f為對(duì)圖4e上熔融物的EDS分析，結(jié)果表明，該融焊物是含氧量為24%的金屬氧化物。

圖4 不同滑動(dòng)速度下X80管線鋼磨損

圖5 不同滑動(dòng)速度下Cr123MoV磨損

2.2 相同滑動(dòng)速度(0.15m/s)下法向載荷對(duì)摩擦磨損特性的影響

圖6為不同法向載荷下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，法向載荷為1N時(shí)的摩擦過(guò)程不太平穩(wěn)，摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度較大。

圖6 不同法向載荷下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

圖7是法向載荷對(duì)X80管線鋼摩擦特性的影響規(guī)律，隨法向載荷的增大，摩擦系數(shù)先以較大幅度升高，當(dāng)載荷為3N時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最大值0.746，當(dāng)載荷為5N時(shí)略降到0.735，當(dāng)載荷為7N時(shí)升高到0.745，之后又降低到0.728。圖8表明，X80管線鋼的磨損率隨載荷的增大以非線性的方式逐漸升高，這說(shuō)明載荷越大，相應(yīng)的磨損率升高的幅度越大。

圖7 法向載荷對(duì)X80管線鋼摩擦特性的影響

圖8 法向載荷對(duì)X80管線鋼磨損率的影響

圖9為不同法向載荷下X80管線鋼磨損表面的SEM顯微照片，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)形貌的變化與摩擦系數(shù)的變化有直接聯(lián)系。圖9a有平行于滑動(dòng)方向的犁溝，說(shuō)明X80管線鋼存在較為嚴(yán)重的磨粒磨損，且伴有粘結(jié)磨損，如圖10a所示，對(duì)偶盤Cr12MoV表面明顯有從上試樣X80管線鋼粘結(jié)的材料。9b和10b表明，當(dāng)載荷增大后， X80管線鋼磨損表面較為光滑，形成了較寬的犁溝，為磨粒磨損與粘結(jié)磨損并存。圖9c、e磨損表面較為光滑，有魚鱗片狀物，結(jié)合圖10c、e可知，載荷為5N時(shí)，以磨粒磨損為主，較輕的疲勞磨損與極少的粘結(jié)磨損為輔，當(dāng)載荷為9N時(shí)，以磨粒磨損與粘結(jié)磨損為主。

圖9 不同法向載荷下X80管線鋼磨損

圖10 不同法向載荷下Cr12MoV磨損

3 結(jié)論

3.1當(dāng)滑動(dòng)速度在0.05～0.15m/s范圍變化時(shí)，滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響有限，摩擦系數(shù)在0.701～0.735內(nèi)變化，當(dāng)在0.15～0.25m/s范圍變化時(shí)，滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響較大，摩擦系數(shù)在0.701～0.828內(nèi)變化。

3.2當(dāng)法向載荷在1～3N范圍時(shí)，載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響較大，摩擦系數(shù)在0.648～746內(nèi)變化；當(dāng)法向載荷在3～9N范圍時(shí)，載荷對(duì)摩擦系數(shù)基本無(wú)影響。

3.3X80管線鋼的磨損率隨滑動(dòng)速度的提高以線性方式增大；而隨法向載荷的增大以非線性方式升高，載荷越大，對(duì)磨損率影響程度越顯著。

3.4滑動(dòng)速度在0.05～0.15m/s范圍變化時(shí)，X80管線鋼發(fā)生磨粒磨損及較輕的疲勞磨損，間或附帶粘結(jié)磨損；增到0.20m/s時(shí)，發(fā)生粘結(jié)磨損；當(dāng)增到0.25m/s時(shí)，磨損表面更加軟化，附伴有熔焊現(xiàn)象。

3.5當(dāng)法向載荷為1N時(shí)，X80管線鋼存在較為嚴(yán)重的磨粒磨損，且伴有粘結(jié)磨損；在載荷增大至3N時(shí)，以磨粒磨損與粘結(jié)磨損為主。當(dāng)法向載荷為5、7N時(shí)，以磨粒磨損為主，較輕的疲勞磨損與極少的粘結(jié)磨損為輔，當(dāng)載荷為9N時(shí)，以磨粒磨損與粘結(jié)磨損為主。

[1] 康凱, 李天雷,邱里，等. 川渝山區(qū)長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)與施工[J].化工機(jī)械, 2015，42(6)：852～853.

[2] 周秀峰, 楊慶東, 張瑞乾, 等. 鋼管擴(kuò)徑頭重壓摩擦副潤(rùn)滑技術(shù)研究及應(yīng)用[J].焊管, 2011,34(9):23～26.

[3] 李國(guó)鵬, 波趙, 潘小燕, 等. X80 管線鋼熱影響區(qū)不同區(qū)域組織與韌性的規(guī)律性研究[J].焊管, 2013,36(3):15～21.

[4] 劉倩, 王立君,楊春閣. 大口徑直縫埋弧焊管內(nèi)的殘余應(yīng)力[J].化工機(jī)械,2005,32(6): 371～374.

[5] 唐林虎. 淬硬工具鋼的精密干式硬態(tài)車削機(jī)理研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué), 2012.

[6] 李紅英, 魏冬冬, 林武, 等. X80 管線鋼沖擊韌性研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào), 2010,31(11):73～77.

[7] 偉趙, 勇鄒, 夏佃秀, 等. 抗大應(yīng)變管線鋼X80在堿性腐蝕環(huán)境中的耐蝕性[J].材料熱處理學(xué)報(bào), 2016,37(1):176～179.

[8] 王新華, 王翠, 王德國(guó), 等. 充氫的X80 高強(qiáng)鋼在不同土壤中的電化學(xué)行為研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015,39(1):143～149.

[9] 馬秋榮, 金作良, 郭志梅, 等. 高壓油氣輸送管道疲勞壽命預(yù)測(cè)研究[J].焊管, 2014,37(8):12～15.

[10] 佳強(qiáng), 王莉萍. 不同電化學(xué)充氫狀態(tài)下X70 和X80 管線鋼的斷裂特性[J].金屬熱處學(xué)報(bào), 2015,40(12):56～58.

[11] 李聚群, 楊曉紅, 姚志英. 管材擴(kuò)徑時(shí)摩擦對(duì)變形狀態(tài)的影響[J].鍛壓技術(shù), 2008,33(1)：133～135.

[12] 王麗君, 苗彬, 孟先新. Cr12MoV鋼不同熱處理?xiàng)l件下的硬度和金相組織分析[J].模具工業(yè), 2005，(9):52～56.