管线钢的形变强化_包申格效应与钢管强度

行业综述
管线钢的形变强化、
包申格效应与钢管强度*
高惠临
(西安石油大学材料科学与工程学院,西安710065)
摘 要:基于管线钢的形变强化和包申格效应,分析了管线钢的强度水平、形变量、钢管成型方式和钢的显微组织对管线钢管强度的影响。

结果表明:钢管强度是形变强化能力和包申格效应综合作用的结果;钢板强度水平可引起钢管强度变化;钢板屈强比较高时,因包申格效应大于形变强化效果,钢管屈服强度降低;随着钢管应变量的增加,钢管可获得高的强度;钢管成型后的扩径也有利于钢管强度的增加。

关键词:管线钢;形变强化;包申格效应;钢管强度
中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1001-3938(2010)08-0005-05
D efor mation Strengtheni n g,Bauschinger
E ffect and Steel P i p e Strength
GAO H ui li n
(School of M aterials S cience and Eng ineering,X i an Shi y ou Universit y,X i an710065,China) Abstrac t:Based on defor m ati on streng then i ng and Bausch i nge r effect of pi pe li ne stee,l the effects o f streng t h l eve,l de for m ati on var i able,for m i ng m ode and m icrostructure on streng th o f p i peli ne steel w ere ana l yzed.T he results i ndicated tha t stee l p i pe strength i s co m prehensi v e eff ec t due to defor m ation streng t heni ng capac ity and Bausch i nger effect.
Streng t h level o f stee l p l a te can lead to stee l pipe strength variati on.In case o f y i e l d rati o of stee l plate is hi gher,y ield streng t h o f steel pipe w ill reduce because o f Bausch i nger effect is b i gger t han tha t of de f o r m ati on strengthen i ng.W ith p i pe stra i n capac ity i ncreasi ng,high streng t h can be obta i ned for stee l p i pe.Stee l p i pe expansi on after for m i ng is good to i ncrease steel pipe streng t h.
K ey word s:p i pe li ne stee;l defor m ation streng t hen i ng;Bausch i nge r e ffect;steel pipe streng t h
0 前 言
管线钢在制管成型过程中产生形变强化。

按照API标准进行钢管的强度测试,在压平试样(flattened tensile spec i m en)的制作和拉伸过程中产生包申格效应。

这种形变强化和包申格效应的相互作用,构成了管线钢管所特有的强度问题。

管线钢的形变强化能力决定于材料的应力-应变曲线。

当管线钢具有连续的应力-应变曲线
化能力通常以形变强化指数n来表征。

在制管成型和随后压平拉伸试样的制作及拉伸试验过程中,管线钢经受拉、压反复应变。

金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,而后再同向加载,屈服强度升高;反向加载,屈服强度降低
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焊管!第33卷第8期!2010年8月*国家自然科学基金项目(50874090)
的现象称为包申格效应。

在管线钢管中,通常以钢管屈服强度与钢板屈服强度的差值(D s = s 钢管- s 钢板)作为包申格效应的表征,这种表征实质上反映了形变强化能力和包申格效应的综合作用。

1 制管过程中的应力-应变
管线钢在制管成型过程中的应力-应变对钢管强度有重要影响。

图1为UOE 钢管成型和压平拉伸试样的制作过程示意图。

由图看出,对钢管内
表面而言,在钢管U -O 成型过程中,U 成型的弯曲形变和O 成型的周向压缩导致压缩应变。

在随后的拉伸试样压平和拉伸试验的过程中,其应力方向与U -O 成型阶段后的应力反向。

如果在U -O 成型后不进行扩径,由于包申格效应,用压平拉伸试样所测得的钢管屈服强度降低。

如果采用较大应变量的扩径,则钢管的应变状态转变为拉应变,这样在随后压平试样的拉伸过程中,基本上不产生包申格效应。

钢管外表面与钢管内表面的应力-应变有所差别,但同样因形变强化和包申格效应的
作用而引起钢管强度的变化。

图1 UOE 钢管的成型和压平拉伸试样的制作过程[1]
2 影响钢管强度的因素
管线钢管的强度是管线钢形变强化能力和包申格效应综合作用的结果。

在钢管制造过程中,下列因素通过对形变强化能力和包申格效应的作用而影响钢管的强度水平。

2.1 管线钢的强度水平
管线钢的强度水平对材料的形变强化能力和包申格效应都有重要影响。

通常认为,随着管线钢强度的增加,形变强化能力减少,包申格效应增加
[1]。

管线钢强度控制参数的变化对钢管的影响可在图2中得到综合反应。

由图2看出,当管线钢的屈服强度大于一定值(450MPa)时,因包申格效应大于形变强化效果,由此引起钢管屈服强度的减少。

当管线钢的屈服强度小于一定值(
450MPa)时,因包申格效应小于形变强化效果,
由此引起钢管屈服强度的增加。

图3的研究结果则表明,具有较高屈强比的管线钢,因包申格效应大于形变强化效果,钢管屈服强度降低。

所以,对于高强度和高屈强比的管线钢,应该充分注意包申格效应引起钢管屈服强度降低的作用。

在管线钢管的成型过程中,抗拉强度的变化与屈服强度的变化不同。

图4表明,钢管表现出
图2 钢板屈服强度对D s 的影响[1]
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6!焊 管
2010年8月
较钢板高的抗拉强度。

这是因为材料的抗拉强度由材料形变强化的饱和值所决定,此时,形变强化大于包申格效应。

这种钢管抗拉强度增加的倾向对低强度管线钢更为明显。

随着屈服强度和抗拉强度的变化,钢管屈强比也发生变化。

图5的结果表明,当管线钢的屈强比低于一定值(如0.75~0.80)时,由于形变强化起主要作用,钢管屈服强度增加,致使钢管的屈强比大于钢板的屈强比;当管线钢的屈强比高于一定值(如0.75~0.80)时,钢管的屈强比小于钢
板的屈强比。

图5 钢板屈强比对D s /D b 的影响[1]
2.2 应变量
钢管在制管过程中的形变程度对钢管的屈服
强度有重要影响。

图6表示了不同强度级别管线钢在不同应变条件下,钢管与钢板屈服强度差值的变化趋势。

可以看出,在小于1%的应变量范围内,随应变量的增加,包申格效应的作用越明显,因而钢管屈服强度降低的趋势明显。

当应变量大于2%时,由于形变强化的作用,随应变量的增加,钢管的屈服强度呈增加的趋势。

图6的试验结果还表明,在同一应变条件下,强度级别越高的管线钢,其钢管屈服强度降低的趋势越明显。

图6 应变量对D s 的影响[1]
钢管的成型比t/D (t 为管壁厚度,D 为管径)反映了钢管应变量的大小。

图7表明,随t/D 的增加,由于钢管应变量的增加,管线钢管可获得高的强度。

通常认为,在大直径钢管成型过程中,t /D 每增加0.2%,钢管与钢板屈服强度的差值将增加13M Pa [2]。

图7 t /D 对D s 的影响[2]
2.3 钢管成型方式
由于钢管在制管过程中的应力-应变过程和应变量对钢管的强度有重要影响,因而钢管不同
的成型方式使钢管强度具有不同的变化趋势。

在UOE 制管过程中,应变量一般大于2%。

这时,随着应变量的增加,形变强化的作用越明显,钢管屈服强度的增量就越大。

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7! 第33卷第8期 高惠临:管线钢的形变强化、包申格效应与钢管强度
当制造螺旋埋弧焊管时,由于在制管成型过程中的应变量小于2%,所以形变强化的效果较小,这时包申格效应将使钢管的屈服强度降低。

由于这种原因,对螺旋埋弧焊管而言,尤其应注意因包申格效应所引起的强度降低问题。

钢管成型后的扩径(不大于1.5%的应变)不仅对改善钢管管径精度和残余应力状态有利,而且还有利于钢管的强度增加。

如图8所示,经1 25%
的扩径可使钢管的强度增加。

图8 扩径对钢管强度的影响[2]
2.4 钢的显微组织
铁素体-珠光体(F +P)管线钢与针状铁素体(AF)管线钢具有明显不同的应力-应变行为。

这两类钢的应力-应变曲线如图9所示,由这两类钢制造的钢管屈服强度与钢板屈服强度的关系如图10所示。

F+P 管线钢的应力-应变曲线具有明显的屈服平台或屈服伸长。

由这样的管线钢进行钢管成型和扩径后,屈服强度因形变硬化作用稍有增加。

因而,由于包申格效应,钢管的屈服强度低于钢板的屈服强度。

试验表明,当用X65(
屈服强度
图9 F+P 管线钢与AF 管线钢的应力-应变曲线[1]
图10 F+P 管线钢与AF 管线钢的强度[2]
为448M Pa)F +P 管线钢制造钢管时,钢板的屈服强度应不低于469M Pa 。

AF 管线钢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AF 管线钢具有连续的屈服行为,在钢管成型和扩径时的形变强化大于压平拉伸试样的包申格效应,因而针状铁素体组织可使得钢管的强度比钢板的强度高。

试验表明,可用469MPa 的AF 管线钢来制造X70(482M Pa)管线钢管。

3 钢管真实屈服强度
综合考虑管线钢的强度水平、组织特征、钢管成型方式和钢管成型比等多种因素的影响,可建立钢管屈服强度与钢板屈服强度之间的关系(见图11)。

可见,管线钢的包申格效应使钢管的屈服强度降低。

通常认为,由于包申格效应的作用,钢管屈服强度比钢板屈服强度低40~80MPa ,或钢管的强度损失可达10%~15%
[1]。

图11 钢板屈服强度与钢管屈服强度的关系[1]
然而,必须指出的是,采用压平拉伸试样
(flattened tensile speci m en)所测定的钢管屈服强度并不代表钢管在服役过程中的真实屈服强度。

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8!焊 管
2010年8月
管线钢管在服役过程中的真实屈服强度可采用环扩试样(ring expansion speci m en ,或称胀环试样)获得。

这种环扩试样在制样过程中不产生包申格效应,因而,用这种环扩试样所测得的屈服强度可作为管线钢管的真实屈服强度。

通过环扩试验,可建立如图12所示的钢管真实屈服强度与钢板屈服强度间的关系。

由图可见,由于制管成型过程中的形变强化,通常钢管真实屈服强度高于钢板的屈服强度。

所谓包申格效应引起钢管强度降低的现象主要在压平拉伸试样的制样过程中产生,在实际钢管中并不明显,对包申格效应的过度
关注并非必要。

图12 钢板屈服强度与钢管真实屈服强度的关系[1]
由于环扩试验的复杂性和局限性,近年来提出采用圆棒拉伸试样代替矩形压平拉伸试样来测定钢管的屈服强度。

如图13所示,采用圆棒拉伸试样所测定的屈服强度高于压平拉伸试样所测定的屈服强度。

采用圆棒拉伸试样时不需要压平,不存在包申格效应引起的强度损失,因而,采用圆棒拉伸试样所测定的屈服强度可反映钢管真实强度水平。

图13的结果还表明,
当管线钢的强度级
图13 矩形压平拉伸试样与圆棒拉伸试样所测定
的屈服强度[3]
别大于X70(480M Pa)时,包申格效应使钢管强度降低的作用更为明显,因而圆棒拉伸试样在大于X70的高强度管线钢管中被推荐使用
[3]。

4 结 论
有关管线钢包申格效应与钢管强度的研究已进行多年,目前仍有不同的研究结果,以下研究结论可供参考。

(1)钢管强度是形变强化能力和包申格效应综合作用的结果。

通常认为,由于包申格效应的作用,钢管屈服强度比钢板的屈服强度低40~80M Pa ,钢管的强度损失可达10%~15%。

(2)钢板的强度水平可引起钢管强度的变化。

当钢板的屈服强度较高时,因包申格效应大于形变强化效果,钢管屈服强度降低。

与此相反,当钢板的屈服强度较低时,因包申格效应小于形变强化效果,钢管屈服强度增加。

(3)具有较高屈强比的钢板,因包申格效应大于形变强化效果,钢管屈服强度降低。

(4)由于钢管的抗拉强度由材料形变强化的饱和值决定,钢管表现出较钢板高的抗拉强度。

(5)当钢板的屈强比较低时,由于形变强化起主要作用,钢管屈服强度增加,致使钢管的屈强比大于钢板的屈强比。

与此相反,当钢板的屈强比较高时,钢管的屈强比小于钢板的屈强比。

(6)在小于1%的应变量范围内,随着形变量的增加,包申格效应的作用越明显,因而钢管的屈服强度降低的趋势明显。

当应变量大于2%时,由于形变强化的作用,随形变量的增加,钢管的屈服强度呈增加的趋势。

(7)随着t /D 的增加,由于钢管应变量的增加,钢管可获得高的强度。

(8)螺旋埋弧焊管比直缝埋弧焊管的应变量小,前者因包申格效应所引起的强度降低问题较后者明显。

(9)由于形变强化的作用,钢管成型后的扩径有利于钢管的强度增加。

(10)AF 管线钢具有连续的屈服行为,由于形变强化的作用,可使得钢管的强度比钢板的强度高。

与此相反,F+P 管线钢的应力-应变曲线
(下转第13页)
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9! 第33卷第8期 高惠临:管线钢的形变强化、包申格效应与钢管强度
(2)目前内焊跟踪主要是采用自动跟踪和看∀红线#的方法,对大壁厚钢板须加大钝边的尺寸和坡口角度,增加多种规格的铣刀盘,根据实际情况改变坡口角度和钝边尺寸。

2.3 采用合适的焊缝成形系数
一般要求焊缝成形系数( =B /H )>1,以保证在焊接过程中不产生裂纹,如图6所示。

在实际生产过程中,通常12 5mm 壁厚钢管的焊缝宽度为15~16mm,深度6~7mm,成形系数2 1~2 7,而西气东输二线18 4mm 壁厚钢管焊缝宽度为15~17mm,深度10~11mm ,成形系数1 4~1 7,如果能增加外焊缝坡口,控制成形系数接近2,
则裂纹产生的可能性将大大降低。

图6 焊缝成形系数对裂纹的影响[3]
2.4 精确调型
钢管成型质量将直接影响其后的焊接质量,可以减少焊缝的残余应力,也就降低了横向裂纹
产生的机会。

3 结 语
(1)焊缝中心低熔点物质和焊缝熔池拉应力是横向裂纹产生的内因,焊缝横向裂纹的产生受焊接速度、卷板厚度的影响。

(2)焊缝边缘处于应力集中区域,同时焊缝表面冷却速度要高于内部,所以横向裂纹容易在焊缝边缘和焊缝近表面出现;由于焊接热输入大,热影响区的组织比较粗大,所以,在拉应力的作用下很容易向母材扩展。

(3)通过选择合适的焊接材料,改进焊接工艺,采用合适的焊缝成形系数,进行精确调型,能有效避免横向裂纹的产生。

参考文献:
[1]陈祝年.焊接工程师手册[M ].北京:机械工业出版
社,2002.
[2]第一机械工业部哈尔滨焊接研究所.焊接裂缝金相分
析图谱[M ].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1981.[3]陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策[M ].北京:机械工
业出版社,1997.
作者简介:张克修(1969-),男,高级工程师,现在辽阳石油钢管厂从事螺旋焊管焊接工艺工作。

收稿日期:2010-01-14
编辑:刘志军
(上接第9页)
具有明显的屈服平台或屈服伸长,由于包申格效应,钢管的屈服强度低于钢板的屈服强度。

(11)可采用环扩试样和圆棒拉伸试样代替矩形压平拉伸试样来获取钢管的实际强度。

(12)所谓包申格效应引起钢管强度降低的现象主要在采用压平拉伸试样的过程中产生,在实际钢管中并不明显,对包申格效应的过度关注并非必要。

参考文献:
[1]高惠临.管线钢∃组织性能焊接行为[M ].西安:陕
西科学技术出版社,1995.
[2]S TALH EI M D G,BARN ES K R,M CCUTCHEON D B .
高强度石油天然气管线钢的合金设计[M ].付俊岩,刘清友译.北京:冶金工业出版社,2007:27-39.
[3]GLOVER A.R esearch and A ppli cati on of X100and
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作者简介:高惠临(1948-),男,教授,博导,主要研究方向为管道材料与管道安全。

收稿日期:2010-01-06
编辑:肖恩凯
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13! 第33卷第8期 张克修等:X 80螺旋埋弧焊管焊缝横向裂纹产生原因及预防措施。