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

某A機組生產(chǎn)的執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(nèi)部存在的各種冶金缺陷，試樣的幾何形狀、標(biāo)距和直徑，試樣表面光潔度和測量誤差等［1］。現(xiàn)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(chǎn)，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(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(jīng)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(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)也有差異，圓棒樣的派生應(yīng)力相等，四周收縮變形均勻，而條狀樣的派生應(yīng)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(chǎn)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(jīng)測量完全滿足GB/T 228.1—2010和GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)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(shè)備上進行［3］，斷后伸長率按比例標(biāo)距進行測量。12Cr1MoVG鋼管的拉伸試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，兩種形狀試樣的測試結(jié)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(jié)果

1.2 生產(chǎn)情況

現(xiàn)場有3套機組同時生產(chǎn)12Cr1MoVG和20G鋼管，統(tǒng)計其近期條狀樣的斷后伸長率測試結(jié)果，結(jié)果見表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，B機組和C機組生產(chǎn)的20G和12Cr1MoVG鋼管的斷后伸長率均要高于A機組生產(chǎn)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(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，B機組和C機組生產(chǎn)的20G和12Cr1MoVG鋼管的斷后伸長率均沒有出現(xiàn)不合格的現(xiàn)象，而A機組所取的條狀樣則斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)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(chǎn)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(rèn)為，應(yīng)當(dāng)是軋制工藝的不同導(dǎo)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(rèn)為：Assel三輥斜軋管機組會在鋼管內(nèi)表面產(chǎn)生等距的內(nèi)螺旋，而PQF連軋管機組則內(nèi)表面光滑。由于內(nèi)螺旋的存在致使試樣標(biāo)距內(nèi)的橫截面積變化，從而表現(xiàn)出圓棒樣和條狀樣之間的拉伸試驗結(jié)果差異（表1），以及各機組生產(chǎn)的鋼管的斷后伸長率的差異（表2）。

1.3 矯直的影響

生產(chǎn)的12Cr1MoVG和20G鋼管都要經(jīng)過矯直，若矯直壓下量大，會引起鋼管外表面發(fā)生冷變形，產(chǎn)生加工硬化，最終導(dǎo)致材料屈強比上升、斷后伸長率下降。實際生產(chǎn)中，A機組專用于中厚壁管的生產(chǎn)，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(nèi)螺旋深度的試樣進行對比試驗，并用計算機模擬內(nèi)螺旋對試樣斷后伸長率的影響。

2.1 對比試驗結(jié)果

選取A機組生產(chǎn)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(jié)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(nèi)螺旋對條狀樣的斷后伸長率則有較大的影響，無內(nèi)螺旋條狀樣的斷后伸長率在28%以上，與圓棒樣的接近，有內(nèi)螺旋的條狀樣則為20%～27%，其斷后伸長率的高低和內(nèi)螺旋的深度有關(guān)。

表3 A機組生產(chǎn)的12Cr1MoVG鋼管25 mm寬條狀樣和Φ10 mm圓棒樣拉伸試驗結(jié)果對比

鋼管的條狀拉伸試樣如圖1所示，設(shè)定標(biāo)距為100 mm，沒有內(nèi)螺旋的試樣在標(biāo)距內(nèi)的厚度呈一致性，存在內(nèi)螺旋的矩形條狀樣在標(biāo)距內(nèi)的厚度則呈不均勻分布。進行拉伸試驗時，斷裂總是發(fā)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(nèi)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(yīng)當(dāng)在100 mm標(biāo)距內(nèi)發(fā)生的均勻變形伸長只發(fā)生在一個螺距中，即原來在100 mm標(biāo)距中的延伸變形，現(xiàn)在只能在30～50 mm的螺距內(nèi)隨內(nèi)螺旋形狀改變發(fā)生不均勻變形，螺頂區(qū)域延遲變形或少量變形，有效變形區(qū)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(nèi)螺旋深度有關(guān)，內(nèi)螺旋越深，斷后伸長率越低，最終導(dǎo)致相關(guān)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(guī)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(nèi)螺旋試樣的斷后伸長率差異情況，模型單元為八節(jié)點六面體非調(diào)和三維模型，如圖2（a）所示；沒有內(nèi)螺旋條件下計算出正常狀態(tài)的斷后伸長率為25%，如圖2（b）所示；而內(nèi)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(nèi)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(jié)果與實際的同等內(nèi)螺旋深度拉伸試樣對測試延伸率的影響接近，因而可認(rèn)為拉伸試樣存在內(nèi)螺旋對斷后伸長率測試結(jié)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(fā)現(xiàn)，試樣形狀是斷后伸長率的重要影響因素之一，同一產(chǎn)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(chǎn)品的斷后伸長率比其他機組的低，由此產(chǎn)生不合格現(xiàn)象。矯直對兩種形狀的試樣影響較小，而條狀樣中的內(nèi)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(nèi)螺旋的鋼管進行拉伸試驗時，如果內(nèi)螺旋引起的試樣橫截面形狀公差大于GB/T 228.1的規(guī)定，為使試驗結(jié)果具有可比性，應(yīng)該在加工拉伸試樣時去掉無縫鋼管內(nèi)壁的內(nèi)螺旋，這樣才能排除試樣結(jié)構(gòu)對試驗結(jié)果的影響［4-12］。

4 整改措施

4.1 內(nèi)螺旋產(chǎn)生原因

（1）三輥軋管機的特性。將三輥軋管機輾軋段母線設(shè)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(chǎn)生內(nèi)螺旋的。但是，實際生產(chǎn)中若軋輥的送進角β為0，造成毛管只旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(diào)整不當(dāng)。Ⅲ區(qū)的作用是使經(jīng)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(nèi)外表面的螺旋，當(dāng)輾軋角調(diào)整不當(dāng)，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(nèi)螺旋產(chǎn)生。

（3）工模具磨損。在生產(chǎn)過程中，由于軋輥表面磨損，破壞了軋輥的輥型，導(dǎo)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(chǎn)生內(nèi)螺旋；同時若芯棒表面磨損嚴(yán)重且磨損不均勻，也易造成鋼管內(nèi)表面輾軋不均勻，加劇內(nèi)螺旋的產(chǎn)生。

4.2 整改措施

生產(chǎn)前，對軋制參數(shù)（送進角、輾軋角、軋制中心線等）進行校正，避免孔型參數(shù)發(fā)生變化；生產(chǎn)過程中定期檢查軋輥、芯棒等工模具表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)磨損及時修磨或更換處理；及時取樣對內(nèi)表面進行檢測，發(fā)現(xiàn)內(nèi)螺旋過深及時停車檢查，并加以整改。

5 結(jié)語與建議

Assel三輥斜軋管機組所生產(chǎn)的鋼管存在的內(nèi)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(jù)GB/T 228.1要求，對Assel三輥斜軋管機組生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)試樣的形狀尺寸存在超過標(biāo)準(zhǔn)要求的內(nèi)螺旋且厚度符合相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，建議采用圓棒樣進行拉伸試驗。