制造工艺对焊管力学性能的影响

为获得从热轧板卷或钢板到成品钢管这一过程中材料力学性能的变化规律，针对国内外对于焊管制造不同工序过程中力学性能变化的研究进行了分析。结果表明：制管工艺对钢管的力学性能有显著影响，主要涉及包辛格效应、加工硬化以及应变时效等。制管成型过程的弯曲变形使材料的屈服强度降低，而随后的扩径和/或水压试验以及涂层加热则会明显提高钢管的屈服强度，影响的程度与具体的制造工艺及工序、强度水平等因素密切相关。

对于焊接钢管而言，制管工艺过程对材料的力学性能有显著的影响。这是由于不同的焊接钢管制造工艺不同，一种焊管制造过程中不同工序力学性能也会有较大的变化。近些年来，钢管行业对制管工序对钢管性能的影响开展了大量研究工作，以期发现其规律特点。国内外的钢管行业在不同工序阶段取样对比、预应变过材料的影响、应变时效等方法对力学性能的变化规律开展了研究。

1焊管制造过程的主要工序

焊管在生产过程中经过了不同的变形，管壁的不同位置变形也不一样，对于不同的钢管生产工艺，其变化规律是有一定差异的，这主要是由钢管制造过程中材料的变形特点所决定的，表1给出了螺旋埋弧焊管、直缝埋弧焊管（UOE或JCOE）及HFW焊管对材料性能有影响的工艺对比。另外，当采用全壁厚板状试样时，试样的压平过程产生的弯曲变形也应考虑。

2焊管成型过程（包辛格效应）对性能的影响

金属材料的包辛格效应发生在各个领域，如炮管的自增强、焊管制造等。对于焊管制造行业而言，如果对生产焊管用的热轧卷板和钢板的包辛格效应值估计偏差较大，都会对钢管制造有不可忽视的不利影响，由于此类原因而造成钢管屈服强度不合格也时有发生。

钢管实际生产中，包辛格效应的确切值尚未取得定量的计算方法，也没有统一的规范。一般认为，管材因为包辛格效应而使屈服强度降低达15%，而抗拉强度没有明显变化。根据国内外的大量实践经验，对于X65以下钢级的控轧卷板，厚度在12mm以下，生产Φ508mm～Φ711mm钢管时，包辛格效应降低值一般在40～50MPa左右，但个别厂家生产的卷板则可达70MPa．对于X70钢级，模拟制管过程中，在弯曲加载条件下测试包辛格效应，其屈服强度的降低值约35MPa，但最大不超过40MPa．对于X80钢级，模拟制管过程中，在弯曲加载条件下测包辛格效应值为40～60MPa，在实际检验中，对于Φ610mm×7.9mm螺旋焊管甚至达到55～75MPa．需要说明的是，由于钢管壁厚较小，所使用试样均为压平板状试样。随着板卷及钢板生产工艺的进步，大口径、大壁厚以针状铁素体型组织为主的X70钢级、X80钢级管线钢，其包辛格效应较小。

针对螺旋焊管拉伸性能的统计分析表明：制管前后屈服强度变化值与强度水平有明显的相关性，但是没有呈现出线性关系。

生产实践发现，对于X52～X65区间的螺旋缝埋弧焊接钢管，板卷经过成型与焊接过程制成螺旋钢管后，由于包辛格效应，管体横向的屈服强度指标相比板卷明显下降，而对于X70以上钢级，包辛格效应值则明显降低，材料的组织是影响屈服强度变化或包辛格效应大小的主要因素。对X80钢级Φ1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊钢管的研究结果表明：板卷矫平前后拉伸性能没有明显的差异；板卷经过成型与焊接过程制成螺旋钢管后，由于包辛格效应，材料的屈服强度指标总体上有一定程度的下降，但因成分、工艺等因素的不同而有一定差异。X80级大口径、大壁厚钢管在成型焊接后状态取样的试验出现的屈服强度下降较小，也与此类钢管采用圆棒拉伸试样有关。

3静水压试验或扩径工艺对钢管性能的影响

通常，静水压试验是钢管在生产过程中必须进行的检验项目，试验压力依据钢管的规格、钢级等确定，从60%SMYS至100%SMYS，因此必然对钢管的性能有影响。除了静水压试验外，直缝埋弧焊管还要进行全长扩径，其共同点为使钢管产生周向的扩张力。这两种工艺可以归结为材料的加工硬化或形变强化行为。X65钢级螺旋焊管的试验结果表明，静水压试验显著改变了钢管管体横向的拉伸试验应力应变曲线的形状。但是随着X80钢级以上钢管的应用，在采用更有优势的圆棒拉伸试样后，其影响显现了出来。YankuiBian等针对X80钢的研究结果表明，螺旋焊管（水压试验后）与UOE焊管（扩径后）均表现出了良好的形变强化。水压试验工序能够用于提高螺旋钢管的屈服强度，其类似于UOE管的扩径工序提高强度的方式。相对于成型和焊接后钢管的状态，水压试验后钢管的状态更接近于钢管的最终交货状态，建议在钢管水压试验后取样进行力学性能试验。

4应变时效对钢管性能的影响

随着国际上管线设计理念逐渐延伸到基于应变设计，以及对于X70钢级以上的高钢级管线钢的深入研究，随着钢管钢级的提高，以及基于管道应变设计思路的提出，管线设计时还应考虑钢管涂敷期间和服役期间发生塑性应变后力学性能的变化。因此，应变时效的研究已经成为新材质，特别是X80钢级及以上材质研究和评定过程中不可缺少的一部分。国内外对于钢管涂覆处理时的温度对钢管性能影响开展了大量的研究工作。由于国际上直缝埋焊管的应用更加广泛以及抗大变形钢管目前只考虑直缝埋弧焊管，因此研究主要集中于直缝埋弧焊管，而螺旋埋弧焊管则相对较少。对X70及X80直缝埋弧焊管采用加热炉加热到200～250℃的方式模拟钢管的涂层加热过程，即使采用板状拉伸试样，其管体横向的屈服强度及屈强比从200℃起显著提高，夏比冲击韧性没有明显变化。而对于螺旋焊管，采用圆棒试样时，才出现类似的结果。加拿大IPSCO的研究则结合了水压试验和模拟钢管涂层工序的时效热循环。在钢管制造工序的早期阶段测得的管体横向屈服强度会造成对要投入运行的钢管最终实际屈服强度一定程度的低估。研究表明：UOE焊管与螺旋埋弧焊管有不同的形变强化特征，与螺旋埋弧焊管相比，UOE钢管在管体纵向上具有优异的形变强化行为，但是对于时效更敏感。需要指出的是，应用于基于应变设计管道的钢管，其拉伸性能要求包括管体横向、管体纵向、屈强比、均匀延伸率及拉伸曲线形状等指标。

5结束语

焊接钢管的制造工艺对于钢管的性能产生重要影响，钢管使用前的最终强度性能有一定程度的低估。要保证钢管的性能满足产品技术规范要求，就必须掌握制管过程中材料性能变化的规律，可以从源头上明确板卷或钢板的力学性能指标，又可以优化钢管产品技术，满足管线的技术规范的要求。另外，为了进一步分析差异性，可开展高钢级板卷或钢板的成分、组织及性能相关性及对钢管性能影响的研究工作，对板卷或钢板生产钢管的成分、组织及性能的相关性进行统计分析研究。