UOE直缝埋弧焊管制管过程中应力应变对屈服强度的影响

1、UOE焊管在制造过程中各种因素对屈服强度影响的分析刘世泽 王利树 谢仕强 （广州番禺珠江钢管有限公司 广州 511450）【摘要】UOE钢管生产工艺是直缝埋弧焊管的最先进的工艺。以其高质量、高产能的特点成为当今制管行业的朝流。由于包辛格效应形变硬化以及钢材显微组织的不同等因素，引起屈服强度的变化。本文结合生产实际分析了这些因素对屈服强度的影响，从而对钢管测量的屈服强度值进行了评估。同时掌握了制造过程中应力应变的变化规律，就便于调整其影响测试屈服强度的工艺参数。【关键词】UOE钢管 屈服强度 针状铁素体 应力 应变 包辛格效应 加工硬化 扩径0 引言管线钢在制管成型、扩径以及把拉伸试样压平的全过

2、程中所产生应变形成了非常复杂的应变循环，因此，管道用的钢板在制管后发生了屈服强度的改变，这除了与包辛格效应有关外，还与钢管成型过程中的形变硬化有关，最终的屈服强度值是取决于两者综合的结果，为了保证最终的屈服强度符合标准要求，在制定原材料的屈服强度值和制管过程中就应预测到屈服强度的变化规律，并制定相关的工艺参数，避免最终测试的屈服强度不合格。本文主要是通过生产实践，讨论了不同显微组织的包辛格效应、加工硬化对于屈服强度的影响的规律，从而给制定钢板屈服强度值时提供依据。1 UOE钢管制造过程中的应力、应变UOE钢管在成型、扩径、制样、拉伸过程中，钢管内、外层应力、应变的变化情况如表1所示：在UO成型

3、过程中，“U”成型的弯曲应变和“O”成型的周向压缩导致钢管的压缩应弯为主。在拉伸试样压平和拉伸试验过程中，其应力方向恰与“O”成型阶段后的应力反向，因此，如果不扩径，由于包辛格效应，用压平拉伸试样所测得的屈服强度降低。同时，压缩比越大则测试的屈服强度越低。如果进行扩径，则管体的应变状态转变为拉应变，产生加工硬化，从而弥补了包辛格效应带来的强度损失。扩径率越大，则加工硬化的程度越大。2 影响钢管强度的因素2.1 管线钢的强度水平的影响管线钢强度对材料的加工硬化能力和包辛格效应都有重要影响。随着钢的强度增加，则加工硬化指数趋于降低，即加工硬化能力减少，包辛格效应加强。当管线钢的屈服强度小于450M

4、pa时，加工硬化的效果大于包辛格效应1，由此引起钢管测试屈服强度的增加。当管线钢的屈服强度大于450Mpa时，则包辛格效应大于形变硬化效果，由此引起钢管测试屈服强度减少12，但是经过扩径后测试的屈服强度均大于钢板的屈服强度（见表1）管线钢成型过程中抗拉强度的变化与屈服强度的变化不同，钢管的抗拉强度总比钢板高，这种钢管强度增加的倾向，对低强度管线钢更为明显，从表1可看出抗拉强度的增加在50Mpa以内。随着屈服强度的变化，钢管的屈强比也发生变化，从表1可看出，扩径后钢管的屈强比总是高于钢板的屈强比。2.2 钢的显微组织影响铁素体珠光体或少珠光体管线钢具有不连续的屈服行为，钢板在UO成型后，测试的屈

5、服强度有降低的，也有升高的，但大多数是降低的（见表1）。对于X60 610*14.2mm的钢管屈服强度经成型、焊接后，降低的幅度最大为40Mpa，经扩径后，均弥补了由于包辛格效应造成的屈服强度的损失。针状铁素体板条中存在着高密度的可移动位错，易于实现多滑移。这种组织特征使得管线钢具有连续的屈服行为。钢板在UO成型后，压平拉伸试样屈服强度的测试结果不降低，扩径后钢管的屈服强度比用来制造钢管的板材的强度要高得多，这说明钢管成型和扩管时的形变硬化大于压平拉伸试样的包辛格效应。我公司对于规格为711*15.9mm，材质为X60的钢管，扩径量控制在1.0-1.2%，则屈服强度比钢板升高为（ ）， 生产实

6、践证明，用针状铁素体钢制造X60钢级的钢管，屈服强度可用低一个等级的板材来制造。但是，因为影响成品屈服强度测试值的的因素很多，如果采用低一级的板料来制造高一级的钢管，事先要进行试验。例如：Welland的具体条件下,Stelco生产的X70钢板的最小屈服强度只要达到441 Mpa就可以使焊管的屈服强度达到API 5L 规定的483 Mpa3。2.3 钢管形变量的影响钢管形变量对其屈服强度的影响与形变的程度有关。也和钢管的强度级别有关。形变量越大，则形变硬化的程度越大。钢级越高，钢管屈服强度测试值的增量越小。在UOE制管中，应变量一般大于2%，随着变形量的增加形变强化的作用越明显，钢管的屈服强度

7、测试值的增量就越大。铁素体珠光体管线钢与针状铁素体管线钢的应力应变曲线是可以预测的，图2为两种不同显微组织的钢板和钢管的应力应变图。 图2 钢板和钢管的应力应变曲线具有不同的t/D值（t为管壁厚度，D为管径）则具有不同的形变量，t/D的比值越大钢管的形变量越大，则测试的屈服强度就越大，也就是说，同一种材料、同一种管径的钢管、厚壁比薄壁的测试的屈服强度要高些。2.4 拉伸试样的加工粗糙度和拉伸试验的速率的影响 拉伸试样的的加工的粗糙度和拉伸试验的速率对于测试的屈服强度有一定的影响。拉伸试样加工的粗糙度应符合标准要求，如达不到标准的规定，则可能所测试的屈服强度要下降一些。拉伸时的速率对测试的屈服强

8、度也有影响，在弹性阶段速率越高则所测试的屈服强度越大，反之，则要低一些。因此在做拉伸试验时，应按标准进行。ASTM的要求，在弹性阶段测试的加载速率应控制在1.15-11.5Mpa/Sec内,在屈服后加载速率应控制在0.05-0.5Mpa/Min内。3 管体的真实屈服强度压平拉伸试样测得的屈服强度，由于包辛格效应的影响，并非钢管的真实的屈服强度。全截面管段的拉伸试验只适用于管经小于或等于50的无缝管及焊管；圆棒拉伸试验需然在API 5L标准中有规定，但受壁厚的限制和加工较困难，所以一般不采用。在UOE制管扩径过程中，由于形变强化，钢管管体的真实屈服强度总会比板材高一些。众所周知，扩径率愈高，塑性

9、变形量愈大，则形变硬化程度愈高，这是必然的规律。我公司UOE钢管扩径率一般控制在1%-1.2%以内。4 分析与建议4.1、管线钢的强度水平、钢材的显微组织、钢管的形变量以及包辛格效应等均是影响管线钢管最终测试屈服强度的因素。拉伸试样的加工粗糙度以及拉伸试验的的速率对于测试的屈服强度也有一定的影响。4.2、在UOE焊管制造过程中，每道工序冷加工的差异将会导致钢管在性能上差异。成型、压缩和扩径的实质就是冷变形，这些工序的变形量的大小都会使钢板制成钢管后屈服强度发生改变。在UOE制管过程中，最终测试的屈服强度和抗拉强度都有所增加，但抗拉强度的增加只是少量的，因此高强度钢管的屈强比总是比钢板的屈服强度

10、比要高些。4.3、针状铁素体型的管线钢具有连续的屈服行为，在钢管成形、压缩和扩管时，形变硬化大于压平拉伸试样的包辛格效应，因此，钢管的屈服强度比钢板的屈服强度要高得多。从生产实际可知，用X60的针状铁素体钢板制成的711*15.9mm的钢管，扩径后屈服强度的增量大约平均要高（ ）Mpa。因此，建议在采用针状铁素体型钢板制造高强度的UOE钢管时，可采用低一个等级（低20 Mpa30 Mpa）的钢板来制造。同时建议客户招标要求驻厂监造时，焊管的拉伸性能只考核最终的拉伸性能。参考文献1 高惠临.管线钢 组织 性能 焊接行为. 陕西科学技术出版社, 1995.12 Izumi Takeuchi(1) .P