D1422 mm的X80管線鋼管冷彎試驗結果與性能分析

馬愛清，劉 宇，谷云龍，張坤義，高廣林

1.中國石油天然氣管道科學研究院，河北廊坊 065000 2.中國石油天然氣管道局第五工程公司，河北廊坊 065000

0 引言

石油天然氣需求量的與日俱增需要更大輸量的石油天然氣管道，而冷彎管道的優(yōu)點是節(jié)約能源、不需加熱、彎制過程簡單、見效快，符合降低成本、增加效益的思想。到目前為止，對于大口徑D1422mm的X80鋼級管線鋼，我國還沒有廠家進行過試制，因此本次試驗具有前瞻性，可為以后大口徑X80鋼級管線鋼冷彎管試制提供技術性指導。

冷彎過程主要是加工硬化過程，產生了包申格效應，在冷彎過程中鋼材內部晶粒發(fā)生滑移，出現位錯的纏結，晶粒的拉長、破碎和纖維化，強度和硬度增加，韌性下降。冷彎后管體外觀尺寸和力學性能是否能夠達到施工要求，目前還是個難題。本文主要介紹本次冷彎管試驗前后其外觀尺寸的變化及力學性能分析。

1 材料與試驗過程

1.1 試驗材料

本次試驗用的樣管為國產X80、D1422 mm×21.4mm、長7.4m的直縫埋弧焊鋼管，無防腐層，化學成分見表1。

表1 D1422mm的X80試驗樣管母材化學成分/%

1.2 試驗設計方案

試驗前先在管道上劃線確定好位置，并采用內徑千分尺測量橢圓度，測厚儀測量厚度，鋼管彎制過程中，在管口設置鉛垂線，以保證管口平面度。通過調整油缸起升高度控制每次成形角度，彎制過程中用起升角度儀記錄最大起升角度，累計角度儀測量累計角度，用機械角度儀測量冷彎后的累計角度，并記錄其現場數據。冷彎結束后重復測量并記錄管道冷彎后的外觀尺寸。

2 試驗結果與分析

2.1 冷彎外觀尺寸試驗結果

對X80鋼級、D1422 mm管線鋼管的冷彎數據進行分析可知，處于管道中間位置的橢圓度最大，最大值為2.61%。橢圓度最小的位置為彎制第一點，最小值為1.94%。對于彎制前后的壁厚進行對比可以發(fā)現，外弧側減薄率最大，最大值為2.43%，內弧側減薄率最小，最小值為0.09%，減薄率最大與最小位置分別處于靠近外弧側與內弧側的中間位置。冷彎后用鋼板尺和塞尺進行波浪度和起波高度的測量，起弧位置位于距管端2 140 mm處。波浪度最大位置靠近彎管段中心，最大波浪度為0.27%；起波高度最大位置靠近內弧側中間位置，最大起波高度為0.32%。

2.2 理化性能試驗

對冷彎后D1422mm的X80管進行了一些常規(guī)理化性能檢驗，包括拉伸、-10℃沖擊試驗和系列溫度的沖擊試驗。

2.2.1 拉伸性能試驗

圖1、圖2為試件縱橫向內外弧側冷彎前后屈服強度的對比情況。

圖1 縱向和橫向內弧側冷彎前后屈服強度對比

圖2 縱向和橫向外弧側冷彎前后屈服強度對比

可以看出內弧側不管是沿縱向還是橫向，其冷彎前屈服強度比冷彎后屈服強度都大，說明冷彎后會造成屈服強度下降。原因是在冷彎過程中由于內弧側受到壓力作用，金屬內部位錯沿著一定的滑移面滑移，遇到林位錯而彎曲，結果在位錯前方，林位錯密度增加，形成位錯纏結或胞狀組織。但是在加載反向應力時，位錯向著反方向運動，在反方向像林位錯這樣的阻礙減少，因此位錯在較小應力下移動較大距離。

外弧側縱向位置冷彎后屈服強度增加，橫向屈服強度變化不大，說明冷彎過程對外弧側橫向屈服強度影響較小，對縱向屈服強度影響比較大。縱向冷彎后屈服強度增加原因：在冷彎過程中由于外弧側受到拉力作用下，金屬內部位錯沿著一定的滑移方向滑移，遇到林位錯而彎曲，結果在位錯前方，林位錯密度增加，形成位錯纏結或胞狀組織。這種位錯結構在力學上是穩(wěn)定的，此時卸載后再同向加載，位錯線不能明顯運動，宏觀上表現為屈服強度增加。

圖3、圖4為圓棒橫向拉伸試驗曲線，從圖中可以看出，冷彎后外弧側屈服強度和抗拉強度比冷彎前的高；中性區(qū)的屈服強度和抗拉強度與彎制后的相比則沒有太大的變化；冷彎后內弧側的屈服強度和抗拉強度比冷彎前的低。原因是在冷彎過程中外弧側受拉力，中性區(qū)幾乎是既不受拉力也不受壓力，內弧側主要是受壓力，所以相當于預拉力和預壓力，于是產生了包申格效應，使得預拉力的屈服強度和抗拉強度提高，預壓力的屈服強度和抗拉強度降低。

圖3 不同位置拉伸曲線

2.2.2 夏比沖擊韌性

2.2.2.1 沖擊韌性

圖4 圖3的局部放大圖

在鋼板厚度1/4處取橫向和縱向試樣，加工成10mm×10mm×55mm的開V型缺口的試件，在-10℃的酒精中進行夏比沖擊試驗，試驗結果見圖5、圖6。

圖5 -10℃不同位置夏比沖擊功單個值

圖6 -10℃不同位置夏比沖擊功平均值

圖5數據顯示，只在彎管的熱影響區(qū)出現了一個27.5 J的不滿足標準要求的數值，低于標準值有可能是內部存在缺陷造成的。圖6顯示，冷彎后的內弧、外弧、焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊功都比冷彎前的低，材料已經發(fā)生塑性變形，而金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現位錯的纏結，晶粒拉長、破碎和纖維化，強度和硬度增加，韌性下降，金屬內部產生了殘余應力。但是冷彎后與冷彎前相比，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性下降較多。冷彎后中性區(qū)夏比沖擊功比冷彎前的大，冷彎后焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性都下降，說明了冷彎對焊縫和熱影響區(qū)沖擊韌性的影響比較大，所以在制管時一定要注意焊接對焊縫帶來的影響。

2.2.2.2 不同溫度下的沖擊試驗

圖7所示為冷彎前后外弧側在不同溫度下的夏比沖擊功，從圖中可以看出：隨著溫度的降低，沖擊韌性值有下降的趨勢，冷彎后沖擊韌性離散性增強。冷彎后外弧側比冷彎前外弧側的沖擊韌性降低了，這說明一定量的彎曲降低了沖擊韌性。

圖7 冷彎后和冷彎前外弧側在不同溫度下的夏比沖擊功

2.2.3 彎曲試驗

在管道焊縫處分別取冷彎前后的試樣進行導向彎曲試驗，試驗壁厚為全壁厚，彎曲直徑為90mm，彎曲角度為180°，沒有出現異常裂紋，滿足彎曲要求。

3 結論與建議

D1422 mm的X80冷彎管外觀尺寸和力學性能數據表明，外觀尺寸試驗中橢圓度最大位置靠近彎管中心，橢圓度為2.61%。外弧側壁厚減薄率最大和內弧側壁厚減薄率最小位置位于測點中心，波浪度最大位置靠近彎管段中心，波浪度為0.27%。其原因是冷彎過程中中性層纖維出現了拉伸和壓縮現象，而在彎曲段中心外弧側受拉伸作用最強，內弧側受壓縮作用最強。

拉伸性能試驗中冷彎后彎管段內弧側縱向屈服強度不滿足要求，縱向彎曲段外弧側屈強比不滿足要求，這是因為在彎曲過程中產生了包申格效應，其對縱向的影響比較大，使得內弧側屈服強度和抗拉強度都降低，屈服強度降低過多導致低于標準要求，外弧側屈服強度和抗拉強度增加，屈服強度增加較多，導致其更接近于抗拉強度，使得屈強比高于標準要求，但是對橫向拉伸性能的影響較小。直管段中性區(qū)和外弧側屈服強度有個別不滿足要求是因為存在一定的離散性。

對于以上存在的問題，筆者提出以下建議：在冷彎過程中可以在內部設置一個直徑略大于彎管內徑的芯軸，相當于添加一個反向應力，這樣在冷彎后可以減少中間位置變形量；曲率半徑一般要求在30 D即可。

[1]艾治勇，陳務軍，付功義，等.鋼管冷彎成形與回彈分析[J].建筑技術開發(fā)，2005，32（6）：30-33.

[2]李延豐，鄭磊，陳小偉.X90和X100鋼級D 813mm×16mm直縫埋弧焊管制造技術的研究[J].鋼管，2008，37（5）：30-34.

[3]焦如義，劉艷麗，劉小力，等.大口徑熱煨彎管內涂敷技術及裝備研究[J].石油工程建設，2013，39（2）：51-55.

[4]池強，劉迎來，高廣林，等.X70鋼螺旋焊縫冷彎管的質量評價[J].理化檢驗—物理分冊，2009，45（4）：195-198.