直縫焊管生產工藝對X65M鋼級鋼材屈服強度的影響

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。