直縫焊管生產工藝對X65M鋼級鋼材屈服強度的影響
來源:至德鋼業 日期:2021-07-13 13:40:06 人氣:249
以某X65M鋼級鋼板為例,分析了直縫焊管生產工藝對該材質焊管最終屈服強度的影響。分析認為:成型工藝對X65M鋼級鋼板的屈服強度影響較大,成型后母材屈服強度減小30~70 MPa;擴徑雖能使屈服強度增加,但增幅不大,不足以彌補成型后造成的屈服強度損失;棒狀試樣的屈服強度普遍比板狀試樣的大,但增量不大。建議鋼管生產廠對原料的理化性能及金相組織進行充分評估,預測屈服強度變化趨勢,避免成品鋼管的屈服強度超出標準要求。
目前國內大多數鋼管生產廠家均采用JCOE法生產直縫鋼管,JCOE具有設備投資少、建設周期短、生產鋼管規格靈活等特點。在生產JCOE鋼管時,鋼板經銑邊后預彎、J成型、C成型和O成型等多道下壓步驟,形成一個不太規則的管坯,隨后通過擴徑整圓,使其直度、圓度進一步得到優化。在這一系列過程中,鋼管屈服強度會發生變化。一般情況下,在JCO成型過程中,鋼管內層圓周方向承受壓縮變形,外層承受拉伸變形。鋼管內層由于承受壓縮變形產生了包辛格效應,包辛格效應是指金屬材料經過預先加載產生少量塑性變形,而后再經同向加載,屈服強度增大;反向加載,屈服強度減小。在生產JCOE鋼管時,成型過程和在隨后壓平拉伸試樣及拉伸試驗的過程中,管線鋼管經過反復拉壓應變,屈服強度減小。在隨后的擴徑過程中,內外層均承受拉伸變形,管體整個斷面均由于承受拉伸變形產生了加工硬化,屈服強度會增大,最終鋼板制成JCOE鋼管后,屈服強度的增減幅度由這兩個因素共同決定。各鋼廠由于生產工藝不同,在制成JCOE鋼管后屈服強度的大小并不一致。
以某X65M鋼級試驗材料為例,說明直縫焊管生產工序對該材質鋼管最終屈服強度的影響。
1原材料概況
此批X65M鋼級鋼板化學成分見表1,滿足API Spec 5L—2012《管線鋼管規范》及GB/T 9711—2011《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》標準的規定。X65M鋼級鋼板的力學性能見表2,進廠驗收屈服強度值合格,比鋼管的標準值平均高20~70 MPa。X65M鋼級鋼板母材的金相組織如圖1所示,金相組織為鐵素體+珠光體。
2直縫生產各工序對其屈服強度的影響
該批X65M鋼級鋼板制成JCOE鋼管后,其屈服強度普遍偏小,有的未達到API Spec 5L—2012規定的450 MPa。由于原材料入廠驗收時屈服強度均合格,為弄清屈服強度值在直縫焊管生產的哪個環節發生了損失,進行了以下試驗:在JCOE鋼管同一部位成型前、成型后和擴徑后分別制作塊狀試樣,并進行拉伸試驗,其屈服強度對比情況如圖2所示。
從圖2可以看出:JCOE鋼管成型后比成型前屈服強度平均減小了30~60 MPa;擴徑后母材屈服強度有所增加,但增量不大,不足以彌補成型后造成的屈服強度損失,說明軋制過程對母材屈服強度影響較大;這是因為在成型時鋼板內層受壓、外層受拉,而在拉伸試樣校平時,鋼管內層受拉、外層受壓,在試驗時整個拉伸試樣受拉應力,會產生一定的包辛格效應。為弄清包辛格效應的影響力,在不同JCOE鋼管的同一部位分別取板狀和棒狀試樣,并進行對比試驗,JCOE鋼管母材板狀、棒狀試樣的屈服強度對比結果如圖3所示。
由圖3可以看出:棒狀試樣的屈服強度普遍比板狀試樣的大,但增量不大,不足以抵消成型后屈服強度值的損失。
由此可見,成型工藝對此種X65M鋼級鋼板的屈服強度影響較大,成型后母材屈服強度減小30~70 MPa;擴徑雖能使屈服強度值有所增大,但增幅不大,不足以抵消成型后屈服強度值的損失。加工成棒狀試樣的屈服強度普遍比板狀試樣的略大。
3原因分析
目前,國內使用的管線鋼顯微組織主要有兩種:一種是鐵素體+珠光體型低鋼級管線鋼,主要包括X65M及以下鋼級;另一種是針狀鐵素體型高鋼級管線鋼。該X65M鋼級鋼板的顯微組織為鐵素體+珠光體型管線鋼,晶粒尺寸較大,由文獻可知,該基體在受力發生形變過程中,鐵素體相已發生塑性變形,而珠光體只發生彈性變形,從受力狀態回復后,在基體內兩相之間就形成了“內應力”,表現為屈服強度值減小。X65M鋼板應力-應變曲線如圖4所示。從圖4可以看出:拉伸曲線有明顯的屈服點和屈服平臺,所以即使經過擴徑,屈服強度值也不能得到明顯增大。而針狀鐵素體型管線鋼具有連續屈服行為,在卷曲過程中包辛格效應較小。
4結語
該X65M鋼級鋼板的顯微組織為鐵素體+珠光體,且晶粒尺寸較大,拉伸曲線屈服平臺明顯,在直縫鋼管成型過程中,屈服強度損失較大,在擴徑后形變強化不足,造成部分成品管屈服強度小于API Spec 5L—2012標準規定值(450 MPa)的現象。針對此問題,有如下建議:
(1)在生產前,應對原料的理化性能及金相顯微組織進行充分評估,預測屈服強度的變化趨勢,避免成品鋼管的屈服強度超出相關標準要求范圍。
(2)在鋼廠采購X65M鋼級鋼板時,應要求鋼板的屈服強度大于API Spec 5L-2012標準規定下限值30 MPa。
(3)鋼廠應改進鋼板的生產工藝,改變鋼板的顯微組織狀態,細化晶粒尺寸,提高其形變強化的能力,滿足鋼板制成鋼管后屈服強度達到APISpec 5L-2012標準要求的450 MPa以上。