無縫鋼管斷后伸長率不合格原因分析

彭先明，趙健明，馬 帥

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽421001）

力學性能是鋼鐵產品的重要性能指標之一，鋼鐵產品的力學性能采用拉力試驗機進行試驗，斷裂后測出的力學性能指標有：屈服強度（試樣呈現屈服現象時的應力點）、抗拉強度（相應最大力對應的應力）、斷后伸長率（斷后標距的殘余伸長與原始標距之比的百分率）等。由于該方法簡便快捷，因而廣泛應用于鋼鐵產品的檢驗及質量評估中［1-2］。

某A機組生產的執行技術標準為GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的12Cr1MoVG和20G鋼管，在進行理化性能檢驗時，偶爾會出現斷后伸長率不合格情況。影響斷后伸長率的主要因素有：金屬材料自身的性能、內部存在的各種冶金缺陷，試樣的幾何形狀、標距和直徑，試樣表面光潔度和測量誤差等［1］。現重點分析試樣形狀造成鋼管斷后伸長率不合格的原因。

1 斷后伸長率不合格影響因素分析

1.1 試 樣

由于A機組專門用于中厚壁管的生產，所取拉伸試樣可采用全壁厚弧形條狀試樣（簡稱條狀樣），也可以采用圓棒試樣（簡稱圓棒樣）［3］。現場調查發現，斷后伸長率不合格的試樣均為條狀樣。這兩種形狀試樣的試驗結果是有差異的，圓棒樣通常較條狀樣的斷后伸長率高，原因：一是圓棒樣經機加工后，表面光滑，缺陷較少，而條狀樣的兩表面均為直接軋制面，表面缺陷相對較多；二是兩種形狀試樣在拉伸時的應力和應變狀態也有差異，圓棒樣的派生應力相等，四周收縮變形均勻，而條狀樣的派生應力不相等，四周收縮變形存在差異，也造成了兩種試樣斷后伸長率的差異［2］。

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，在A機組生產的兩支12Cr1MoVG鋼管上分別取樣（試樣編號1和2），各加工成兩個25 mm寬度的條狀樣（編號a和b）和兩個Φ10 mm圓棒試樣（編號c和d），試樣的形狀、尺寸和表面光潔度經測量完全滿足GB/T 228.1—2010和GB/T 2975—1998《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》要求后，為減少偏差，拉伸試驗由同一個人在同一臺設備上進行［3］，斷后伸長率按比例標距進行測量。12Cr1MoVG鋼管的拉伸試驗結果見表1。從表1可以看出，兩種形狀試樣的測試結果中，抗拉強度和屈服強度相差不大，而圓棒樣的平均斷后伸長率比條狀樣的高6.7%。

表1 12Cr1MoVG鋼管的拉伸試驗結果

1.2 生產情況

現場有3套機組同時生產12Cr1MoVG和20G鋼管，統計其近期條狀樣的斷后伸長率測試結果，結果見表2。從表2中可以發現，B機組和C機組生產的20G和12Cr1MoVG鋼管的斷后伸長率均要高于A機組生產的。

表2 12Cr1MoVG和20G鋼管條狀樣斷后伸長率情況%

查詢近兩年的理化性能檢驗數據發現，B機組和C機組生產的20G和12Cr1MoVG鋼管的斷后伸長率均沒有出現不合格的現象，而A機組所取的條狀樣則斷斷續續出現了多次斷后伸長率不合格的情況，這說明A機組存在某些固有因素致使其產品在拉伸試驗中引起斷后伸長率偏低。3個機組中，A機組是Assel三輥斜軋管機組，其余2個機組為PQF連軋管機組。因此認為，應當是軋制工藝的不同導致試樣的幾何形狀不同，最終引起斷后伸長率的差異。進一步觀察分析認為：Assel三輥斜軋管機組會在鋼管內表面產生等距的內螺旋，而PQF連軋管機組則內表面光滑。由于內螺旋的存在致使試樣標距內的橫截面積變化，從而表現出圓棒樣和條狀樣之間的拉伸試驗結果差異（表1），以及各機組生產的鋼管的斷后伸長率的差異（表2）。

1.3 矯直的影響

生產的12Cr1MoVG和20G鋼管都要經過矯直，若矯直壓下量大，會引起鋼管外表面發生冷變形，產生加工硬化，最終導致材料屈強比上升、斷后伸長率下降。實際生產中，A機組專用于中厚壁管的生產，其矯直的壓下量與B和C機組相比會相對較大，所取的條狀樣會保留加工硬化面，因而測出的斷后伸長率低，而圓棒樣則切除了管壁外表加工硬化面，因而測出的斷后伸長率高。矯直也是條狀樣斷后伸長率偏低或不合格的原因之一。

2 對比試驗與模擬分析

針對影響斷后伸長率的兩個因素，對矯直前后、不同的內螺旋深度的試樣進行對比試驗，并用計算機模擬內螺旋對試樣斷后伸長率的影響。

2.1 對比試驗結果

選取A機組生產的12Cr1MoVG鋼管，在同一支鋼管上分別取樣加工成25 mm寬度的條狀樣和Φ10 mm圓棒樣進行拉伸試驗，拉伸試驗結果對比見表3。從表3中可以看出：矯直對圓棒樣影響很小，而對條狀樣雖有影響，但影響不大；有無內螺旋對條狀樣的斷后伸長率則有較大的影響，無內螺旋條狀樣的斷后伸長率在28%以上，與圓棒樣的接近，有內螺旋的條狀樣則為20%～27%，其斷后伸長率的高低和內螺旋的深度有關。

表3 A機組生產的12Cr1MoVG鋼管25 mm寬條狀樣和Φ10 mm圓棒樣拉伸試驗結果對比

鋼管的條狀拉伸試樣如圖1所示，設定標距為100 mm，沒有內螺旋的試樣在標距內的厚度呈一致性，存在內螺旋的矩形條狀樣在標距內的厚度則呈不均勻分布。進行拉伸試驗時，斷裂總是發生在試樣最薄弱處，而在試樣寬度相同情況下，螺底是試樣壁厚的最薄處，也是其斷裂處。鋼管的一個內表面螺距為30～50 mm，于是在拉伸試驗中，隨著試樣受拉力作用延伸變形，應當在100 mm標距內發生的均勻變形伸長只發生在一個螺距中，即原來在100 mm標距中的延伸變形，現在只能在30～50 mm的螺距內隨內螺旋形狀改變發生不均勻變形，螺頂區域延遲變形或少量變形，有效變形區大為減少，從而減少了參與變形的有效長度，故斷后伸長率減少。同時，鋼管的斷后伸長率與鋼管內螺旋深度有關，內螺旋越深，斷后伸長率越低，最終導致相關材料的斷后伸長率偏低或不合格。

圖1 條狀拉伸試樣示意

2.2 計算機模擬

采用Abaqus有限元軟件計算Φ133 mm×16 mm規格12Cr1MoVG無縫鋼管的斷后伸長率，如圖2所示。通過模擬加載力和斷后伸長率的變化曲線，計算在相同加載力下有無內螺旋試樣的斷后伸長率差異情況，模型單元為八節點六面體非調和三維模型，如圖2（a）所示；沒有內螺旋條件下計算出正常狀態的斷后伸長率為25%，如圖2（b）所示；而內螺旋深度為1.2 mm時的斷后伸長率為18%，用模擬軟件計算出1.2 mm深的內螺旋對斷后伸長率的影響為28%，如圖2（b）所示。計算機模擬結果與實際的同等內螺旋深度拉伸試樣對測試延伸率的影響接近，因而可認為拉伸試樣存在內螺旋對斷后伸長率測試結果有較大影響。

圖2 計算機模擬12Cr1MoVG鋼管斷后伸長率

3 分析與討論

分析發現，試樣形狀是斷后伸長率的重要影響因素之一，同一產品采用條狀樣比采用圓棒樣測出的斷后伸長率低；機組之間對比分析可知，Assel三輥斜軋管機組的產品的斷后伸長率比其他機組的低，由此產生不合格現象。矯直對兩種形狀的試樣影響較小，而條狀樣中的內螺旋是引起斷后伸長率偏低或不合格的重要因素之一。

由于材料試驗的目的是真實反映材料的性能，而鋼管的條狀樣斷后伸長率偏低或不合格不是材料本身的塑性差，而是由試樣尺寸的差異引起的，因此對帶有內螺旋的鋼管進行拉伸試驗時，如果內螺旋引起的試樣橫截面形狀公差大于GB/T 228.1的規定，為使試驗結果具有可比性，應該在加工拉伸試樣時去掉無縫鋼管內壁的內螺旋，這樣才能排除試樣結構對試驗結果的影響［4-12］。

4 整改措施

4.1 內螺旋產生原因

（1）三輥軋管機的特性。將三輥軋管機輾軋段母線設計成一條直線，變形原理如圖3所示，送進角β為0時，在輾軋段處毛管與軋輥外表面的接觸是一條直線，此時輾軋段的母線與軋制中心線是平行的，理論上這種情況下是不會產生內螺旋的。但是，實際生產中若軋輥的送進角β為0，造成毛管只旋轉而不前進，無法完成軋制過程。送進角β不為0時，此時輾軋段處毛管與軋輥表面的接觸就不是一條直線，而是一條空間曲線，此空間曲線與軋制中心線不平行，造成內螺旋無法避免。

圖3 三輥軋管機斜軋變形原理示意

（2）軋管機輾軋角ψ調整不當。Ⅲ區的作用是使經過減壁后的毛管在此段得到良好的輾軋均壁，以減少鋼管內外表面的螺旋，當輾軋角調整不當，平整段的軋制母線與芯棒表面之間距離不等，就會大大削弱輾軋均壁的效果，造成內螺旋產生。

（3）工模具磨損。在生產過程中，由于軋輥表面磨損，破壞了軋輥的輥型，導致軋輥輾軋段的變化，輾軋段空間不平行和鋼管輾軋不充分產生內螺旋；同時若芯棒表面磨損嚴重且磨損不均勻，也易造成鋼管內表面輾軋不均勻，加劇內螺旋的產生。

4.2 整改措施

生產前，對軋制參數（送進角、輾軋角、軋制中心線等）進行校正，避免孔型參數發生變化；生產過程中定期檢查軋輥、芯棒等工模具表面質量，發現磨損及時修磨或更換處理；及時取樣對內表面進行檢測，發現內螺旋過深及時停車檢查，并加以整改。

5 結語與建議

Assel三輥斜軋管機組所生產的鋼管存在的內螺旋是引起其條狀樣的斷后伸長率不合格的重要因素之一。由于條狀樣斷后伸長率偏低或不合格不是材料本身的塑性差，而是由試樣的尺寸差異引起的，根據GB/T 228.1要求，對Assel三輥斜軋管機組生產的壁厚≥8 mm的鋼管，可以采用條狀樣，也可以采用圓棒樣。如果發現試樣的形狀尺寸存在超過標準要求的內螺旋且厚度符合相關產品標準要求，建議采用圓棒樣進行拉伸試驗。