斜軋穿孔孔腔的形成及預防

梁海泉，秦利波，李進喜，張嘉麟

斜軋穿孔孔腔的形成及預防

梁海泉，秦利波，李進喜，張嘉麟

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

分析了穿孔毛管管坯中心出現孔腔的機理，根據滑移線場原理深入闡述了影響孔腔形成的力學因素，提出增加橫向附加壓應力改善中心區域應力狀態的思想，并據此提出減小導板間距的方法，以避免孔腔形成。實際應用結果顯示：將穿孔機導板間距由151 mm調整至149 mm，可避免因頂頭前伸量過小引起的孔腔，有效改善管體壁厚均勻度。

無縫鋼管；斜軋穿孔；孔腔；滑移線場；臨界壓下量；應力

隨著穿孔工藝的進步和技術的提高，穿孔毛管質量不斷得到改善［1-6］。同時，為了避免管坯形成孔腔而致使成品管形成內折，眾多技術專家學者對穿孔毛管孔腔形成機理進行了深入研究［7-9］。本文在已有研究成果的基礎上，采用滑移線場方法闡釋孔腔形成機理，并根據力學分析結果，結合生產實踐，提出新的對策。

1 孔腔的形成與內折

斜軋穿孔實心管坯時，因壓下量的逐步增加和金屬的縱橫向流動，管坯中心在二次咬入之前即產生破裂，在頂頭接觸管坯前常易出現金屬中心破裂現象。隨著管坯的不斷旋轉和軋輥的輾軋作用，管坯中心破裂區域逐步擴大并相互連接，同時，在裂口部位將產生應力集中，進而導致破裂區域迅速擴展。當管坯中心金屬破裂面積增大至一定程度后，管坯中心金屬連續性破壞，形成中心孔洞，亦即孔腔，如圖1所示［10］。

管坯中心區域形成孔腔后，內表面粗糙度較高，當與頂頭相互接觸，將在頂頭軸向力和切向力的綜合作用下，粗糙表面凸起部分或與基體剝離部分金屬將黏附在管體上。同時，由于孔腔內表面金屬處于高溫狀態，極易被空氣氧化而與基體無法焊合，最終造成大量內折形成。孔腔表面內折形貌如圖2所示。內折缺陷將惡化鋼管內表面質量，嚴重時形成通體內折，以致形成廢品。因此，穿孔過程中力求避免過早形成孔腔。

圖1 孔腔形成示意

圖2 孔腔表面內折形貌

2 形成機理與影響因素

2.1 孔腔形成機理

根據軋制變形原理，切應力可以使得一部分金屬相對于另一部分金屬進行滑動，即進行所謂的滑移。如果切應力未超過材料的斷裂強度，那么兩部分金屬仍然沒有被切斷，所以金屬各部分間仍存在一定的聯系；若變形區內存在裂紋，垂直于顯微裂紋的橫向拉應力將使裂紋端部產生較強的應力集中，致使兩側的金屬迅速分開，裂紋面積加大，最終使得相對滑移的兩部分金屬完全失掉聯系，即破裂。具體到管坯穿孔過程，在軋件進入穿孔變形區后，隨著壓下量逐漸增加，變形滲透不斷增大，變形區滑移線場分布如圖3所示［11］。圖3（a）～（d）所示壓下量逐漸增大，當壓下量達到圖3（d）所示程度，中心區域開始發生剪切變形。同時，由于各區域變形的不均勻性，中心區域存在橫向拉應力，其應力分布狀態如圖4所示。隨著穿孔過程的進行，管坯不斷旋轉，從而切應力和正應力不斷反復變換方向，這將在一定程度上削弱金屬的強度，促進中心裂紋的發生和發展。于是，坯料中心在不斷變換方向的剪切應力和橫向拉伸應力作用下，塑性變形很快發展起來，當達到強度極限后坯料中心區域金屬破裂，進而形成孔腔［12］。

2.2 影響因素

諸多因素對穿孔孔腔的形成有影響，而其主要影響因素包括：管坯成分、頂前壓下量、橢圓度和單位壓縮次數等。當管坯成分相同，不同因素以不同力學機理對孔腔的形成發生作用。

圖3 變形區滑移線場分布示意

圖4 中心區域應力分布狀態示意

（1）頂前壓下量的影響。頂前壓下量決定了管坯金屬在二次咬入之前的不均勻變形程度。隨著頂前壓下量的增加，管坯金屬的不均勻變形程度不斷增加，滑移線場滲透區域不斷增大，導致管坯中心區域的切應力和正應力值增加，尤其是橫向附加應力值不斷增大，從而容易促使管坯中心孔腔形成。為了避免頂前壓下量過大，一般用臨界壓下量來表示壓縮量的最大值。20鋼在不同工藝條件下的臨界壓下量見表1［12］。當壓縮量小于臨界壓下量，則不易形成孔腔或不形成孔腔。

表1 20鋼臨界壓下量

（2）橢圓度的影響。按照體積不變定律可知，橫向變形愈大則縱向延伸愈小，并導致管坯中心區域橫向拉應力增加。在管坯穿孔過程中，橫斷面上存在很大的不均勻變形，而這種不均勻變形使得橢圓度增加，而大的橢圓度值導致橫向拉應力值增大，金屬的橫向擴展隨之增加，加劇了孔腔形成趨勢。因此，實際生產中應當采用較小的橢圓度進行管坯穿孔。

（3）單位壓縮次數的影響。在管坯穿孔過程中，單位壓縮次數是指從一次咬入到二次咬入過程中管坯的旋轉次數，隨著旋轉次數的增多，管坯中心切應力和拉應力的交變次數增加。由于中心區域金屬在反復交變應力作用下強度將會降低，并在應力值達到破裂極限時，中心區域金屬破裂并形成孔腔，所以在頂前壓下量不變的條件下，反復交變次數的增多將更容易導致管坯金屬中心開裂，即形成孔腔。孔腔形成過程如圖5所示［13］。

圖5 孔腔形成過程示意

綜合上述3個因素可知，避免孔腔形成的方法包括：減小頂前壓下量，減小變形區軋件橢圓度和減少管坯頂前單位壓縮次數。因此，實際生產中多采用減小頂頭前伸量方法避免孔腔形成。

3 解決對策

在實際生產過程中，無定心穿孔工藝存在成品管頭部壁厚均勻性差的缺點，該缺點是制約成材率提高的關鍵因素。為提高鋼管的頭部壁厚均勻性，需采用減小頂頭前伸量的措施，但是生產中易出現管體內折現象。因此，在力學分析結果基礎上提出新的解決辦法，可有效解決頂頭前伸量過小而導致孔腔形成的問題。

3.1 對策分析

由孔腔形成機理可知，切應力提供了初始顯微裂紋，而拉應力將其撕裂程度迅速擴展。初始正應力分布狀態中心區域拉應力最小，如圖6（a）所示；因此，降低拉應力強度σmax將成為避免孔腔形成的有效措施。據此原理，在實際生產中可采用減小導板間距的措施，使導板對軋件的橫向約束強度增加，且軋件與導板接觸面積增大，從而使軋件在橫向疊加應力σp作用下，中心區域拉應力強度降低至（σmax-σp），如圖6（b）所示。而導板間距減小即橢圓度減小，有利于軋件不均勻變形在軋件中心產生的拉應力減小，即有利于避免孔腔形成。同時，應避免導板間距過小導致純軋時間過長，單位壓縮次數增加，反而增大孔腔形成趨勢。

圖6 管坯橫斷面應力狀態

3.2 生產實踐

3.2.1 實際問題

國內某鋼管公司在生產J55鋼級Φ139.7 mm× 7.72 mm石油套管時采用了無定心穿孔工藝，工藝參數及試驗結果見表2。在生產過程中，由于頂頭前伸量較大，管坯自定心作用沒有被充分利用，壁厚不均程度較為嚴重。采用工藝1時，有31%的鋼管，其頭部壁厚不均度大于壁厚公差的80%（表2）。

表2 J55鋼級Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管工藝參數及試驗結果

為了提高成材率，充分利用管坯端部壓下糾正頭部偏心的工藝規律，改進工藝參數，減小頂頭前伸量（工藝2）。頂頭后置有效解決了頭部壁厚不均問題，不均度大于壁厚公差的80%的鋼管比例降低至13%。但由于頂頭前伸量較小，10%的鋼管出現了通體內折現象。減小頂頭前伸量后鋼管的內表面狀態如圖7所示。

由此可見，在無定心穿孔工藝中，頂頭位置的調整關系到壁厚均勻性和孔腔形成的兩個相互矛盾的因素，工藝2不能解決內折問題。

圖7 減小頂頭前伸量后鋼管的內表面狀態

3.2.2 問題的解決

由孔腔形成的影響因素可知，產生內折的原因是頂前壓下量過大，超出臨界壓下量。為改善鋼管頭部壁厚均勻度，頂頭位置亦不可后移，所以在工藝2的基礎上調整導板間距，使管坯橫向產生附加壓應力，從而改善應力狀態，避免孔腔的形成。因此，工藝3將導板間距由151 mm減小至149 mm。

生產結果表明，采用工藝3生產的鋼管，其內表面質量良好，鋼管產生內折的比例為0，即鋼管100%無內折缺陷，減小導板間距后鋼管的內表面狀態如圖8所示。同時，工藝3明顯改善了鋼管壁厚不均度，分析結果見表2。從表2可以看出：壁厚不均度大于80%壁厚公差的鋼管比例降至4%，且比例為88%鋼管壁厚不均度小于60%壁厚公差。

圖8 減小導板間距后鋼管的內表面狀態

由此可知，采取減小導板間距方法（工藝3）能有效解決管體內折問題和壁厚不均問題，使管體內折得到解決且提高成材率。同時，這一結果也證明了3.1節的力學分析原理適用于實際工業生產。

4 結論

（1）通過滑移線場分析，管坯中心區域由于變形量逐步增加，滑移線場逐步滲透，經切應力、正應力的綜合作用及方向改變，最終致使中心區域開裂并形成孔腔。

（2）通過力學分析得出，避免孔腔形成的方法包括：減小頂前壓下量，減小變形區軋件橢圓度和減少管坯頂前單位壓縮次數。

（3）通過生產實踐研究，將導板間距由151 mm減小至149 mm，管坯中心產生橫向附加壓應力，100%鋼管無內折缺陷，從而有效避免了頂頭前伸量過小致使孔腔形成的問題。

（4）通過減小導板間距，在有效避免孔腔形成的同時，管體壁厚均勻度得到有效改善，壁厚不均度超過80%的鋼管比例降至4%。

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Formation of Cavity During Rotary Piercing and its Prevention

LIANG Haiquan，QIN Libo，LI Jinxi，ZHANG Jialin
（Tianjin Pipe（Group）Corporation，Tianjin 300301，China）

Analyzed in the paper is the forming mechanism of the cavity occurs in the center of a piercing shell. Based on the principle of slip line field，the mechanical factors leading to the formation of a cavity is elaborated.To avoid the formation of a cavity，the idea of improving the stress condition at the center area by adding a transversal compression stress is put forward，and so is the method of reducing the distance between the guide shoes.The application results indicate that when the distance between the guide shoes is adjusted from 151 mm to 149 mm，it is able to prevent the insufficient plug lead from causing a cavity，and to improve the homogeneity of pipe body wall thickness.

seamless steel tube；rotary piercing；cavity；slip line field；critical reduction；stress

TG335.71

B

1001-2311（2016）05-0034-04

2016-04-15；修定日期：2016-05-12）

梁海泉（1977-），男，高級工程師，主要從事管材工藝研究與新技術開發等工作。