螺旋焊管制造中的包辛格效應及其應對措施

趙紅標

（山西省鍋爐壓力容器監督檢驗研究院，山西 太原 030012）

0 引言

以批量為單位組織生產的螺旋焊管，不僅要求具備一定的生產效率，更重要的是要求鋼管能夠保持穩定而合格的質量。近年來，隨著管道天然氣、煤層氣的不斷推廣和使用，L415（X60）及以上鋼級鋼管被廣泛應用。然而，隨著鋼材強度級別的提高，螺旋焊管管體出現了屈服強度值降低甚至不合格的現象，嚴重影響了產品交貨時間，提高了生產成本，甚至造成很大的經濟損失。因此，弄清屈服強度值降低的原因并提出解決措施，對鋼管生產企業格外重要。

本文以山西省某焊管生產企業2010年生產的一批L415MB、D508×7.1螺旋焊鋼管為例，分析管體屈服強度降低原因，并提出應對措施。

1 螺旋焊管生產及檢驗驗收

螺旋焊管原材料為太原不銹鋼股份有限公司生產的L415MB卷板，其材料質量證明書數據符合GB／T 9711.2—1999和鋼管技術規格要求，焊管生產企業按規定對原材料化學成分和力學性能進行了進廠復驗，其結果亦滿足相關要求。原料鋼板經卷制、焊接完成后，按試驗批對成品螺旋焊管進行了檢驗驗收，結果顯示：前5個試驗批試樣中有3個試驗批管體試樣屈服強度不合格，如表1所示。根據標準復驗規定，又從不合格批成品螺旋焊管中加倍抽取另外2根鋼管試樣復驗管體屈服強度，結果仍有2個試驗批屈服強度不合格，如表2所示。對復驗不合格批（管號為6-1206～6-1255、6-1256～6-1302）鋼管的處理，按照標準逐根進行了管體拉伸試驗檢驗驗收。所有管體拉伸試驗結果表明：螺旋焊管管體試樣屈服強度與原材料相比均有不同程度的降低，降低幅度約為30MPa～50MPa。

2 管體屈服強度降低原因分析

螺旋焊管生產流程為：整料機裝料→整料→剪切（原料寬1 500mm，剪為2×750mm）→捆卷→生產機上料→開卷→壓平→刨邊→卷焊→鋼管成型。隨后從抽取的試管上截取橫向拉伸試驗試樣，并對橫向試樣進行壓平，其中整料、捆卷、開卷、壓平、卷焊、橫向試樣壓平工序中原材料內外層經過3次壓縮—拉伸應變，且每次應變方向相反，應變量達到某一數值后產生包辛格效應。包辛格效應是金屬在塑性加工過程中，正向加載引起的塑性應變強化導致金屬材料在隨后的反向加載過程中呈現塑性應變軟化（屈服極限降低），反之亦然。金屬材料在單向塑性加工的力學分析中，通常對包辛格效應不予考慮，但對于具有反復正反向加載卸載的塑性變形過程，則應予考慮。鋼管強度是形變強化和包辛格效應綜合作用的結果，在小于1%的應變量范圍內（例如螺旋焊管），隨著形變量的增加，包辛格效應的作用越來越明顯，多次塑性變形使得包辛格效應將大于形變強化效應，當原料鋼板屈服強度較高時，包辛格效應大于形變強化效果。上述因素的綜合作用結果導致了L415MB螺旋焊管管體屈服強度降低。

3 應對包辛格效應確保產品質量的措施

包辛格效應在金屬材料加工中是不可避免的，尤其是對高強鋼而言更為明顯。實踐表明，采用L415MB及以上鋼級制造焊接鋼管時，應認真考慮包辛格效應對鋼管管體屈服強度的不利影響。因此，為確保產品質量建議采取應對措施。

3.1 合理選用制管原材料是確保鋼管拉伸性能的關鍵

（1）方法一：GB／T 14164—2005表B.1注規定：需方在按照鋼管標準來選用本標準牌號時，不宜直接按本表選用對應規定總延伸強度的鋼帶牌號，應充分考慮制管過程中包辛格效應對規定總延伸強度的影響，由供需雙方協商選用合適的鋼帶牌號，以保證焊管成品性能符合相應標準的要求。因此，制造L415MB及以上鋼級的焊接鋼管時，在征得需方同意情況下，鋼管制造企業可適當提高一個鋼材強度級別來采購合適的制管原材料。本案例中，該焊管生產企業在后續批次的L415MB、D508×7.1鋼管生產中，經與需方和山西省鍋檢院共同協商，選用L450MB材料制造鋼管，制成后的成品管經檢驗其性能全部達到L415MB焊管質量要求。該產品敷設于山西省臨縣—隰縣段長輸天然氣管線，2012年2月投用，2018年使用單位組織四川宇通管道技術有限責任公司和河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院對該段管線進行首次全面檢驗，檢驗結果未發現任何材料問題或由材料問題引起的其他新生缺陷，管線至今運行正常。

（2）方法二：GB／T 14164—2005表11注c規定：在考慮包辛格效應時，規定總延伸強度的限制可作相應調整；GB／T 14164—2013表4及表5注a規定：需方在選用表中牌號時，由供需雙方協商確定合適的拉伸性能范圍和屈強比要求，以保證鋼管成品拉伸性能符合相應標準要求。因此，在制造L415MB及以上鋼級的焊接鋼管時，如選用同牌號原材料制造鋼管，則應在原材料采購合同中附加屈服強度最低值限制，即將原材料標準屈服強度最低值提高40MPa～50MPa。

表1 螺旋焊管管體拉伸試驗結果

3.2 鋼管制造前應進行制造工藝評定

鋼管成型加工工藝對包辛格效應的大小具有一定的影響作用。包辛格效應是在原材料加工成型環節發生的，那么，鋼管制造前進行制造工藝評定，可以有效預防包辛格效應造成成品管拉伸性能不合格，這一點至關重要，鋼管制造企業應給予高度重視。

表2 螺旋焊管管體拉伸試驗復驗結果

4 結論

（1）鋼管成型加工工藝即原料板經多次正反方向的塑性變形，導致鋼管產生包辛格效應。對于強度級別較高的鋼管（L415MB及以上鋼級），包辛格效應大于形變強化效果，這是管體屈服強度降低的內在原因。

（2）制造L415MB及以上鋼級的焊接鋼管時，必須考慮包辛格效應的不利影響。

（3）為應對包辛格效應，在選材方面，可適當提高一個鋼材強度級別來選用合適的制管原材料，或者在同牌號制管原材料采購合同中將原材料標準屈服強度最低值提高40MPa～50MPa；在制管方面，制管前應進行制造工藝評定，這是有效預防管體屈服強度不合格的重要手段。