工藝參數(shù)對(duì)L360M鋼級(jí)小彎曲半徑彎管成型質(zhì)量的影響

許 彥，劉迎來(lái)，聶向暉，豐振軍，李 亮，李記科

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077； 2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，許多城市地下油氣管道與市政管網(wǎng)互相交錯(cuò)，環(huán)境復(fù)雜，隱蔽性強(qiáng)且變更頻繁，管道老化，帶來(lái)極大的安全隱患。采用管廊帶進(jìn)行管架架空敷設(shè)能夠有效治理病害管道，即采用綜合管架一般為兩至三層管架。底層管架放置管徑大、自重大、檢修較頻繁、輸送液體類(lèi)介質(zhì)的管線；中層管架放置管徑較小、自重較輕、檢修頻率低、輸送氣體類(lèi)介質(zhì)的管線；頂層管架放置少量小口徑管線、部分電力電纜和弱電電纜。管架架空敷設(shè)，優(yōu)點(diǎn)在于經(jīng)濟(jì)適用、施工快捷、方便檢修，能有效處理管線交叉問(wèn)題。然而一旦面臨障礙物，又會(huì)造成管架高度不一、垂直落差大等情況，進(jìn)而影響管道走向，必須在狹窄的空間內(nèi)急劇轉(zhuǎn)變方向，影響到了管線的安全運(yùn)行。小彎曲半徑彎管能夠在狹窄間距的管架中急劇轉(zhuǎn)變方向，具有一定的連接長(zhǎng)度，能夠減少管道安裝時(shí)的焊接接頭，提高了管道的安全系數(shù)，減少了管道占地空間，因此具有非常廣泛的應(yīng)用[1-4]。然而受制于材料和工藝的限制，小彎曲半徑彎管容易產(chǎn)生各種成型質(zhì)量缺陷[5-9]，如彎管外弧側(cè)嚴(yán)重變扁、彎管橫截面趨于橢圓形、彎管外弧側(cè)減薄量過(guò)大、彎管外弧側(cè)彎裂和彎管內(nèi)弧側(cè)起皺等。感應(yīng)加熱彎制方法是利用感應(yīng)加熱方法在鋼管圓周形成一條狹窄的環(huán)形加熱帶，在鋼管移動(dòng)的同時(shí)，使其連續(xù)彎曲的工藝，充分利用了感應(yīng)加熱具有加熱迅速、加熱帶窄、冷卻快的特點(diǎn)。本文針對(duì)小彎曲半徑感應(yīng)加熱彎管成型質(zhì)量開(kāi)展試驗(yàn)分析，以常用的L360M鋼級(jí)為例，研究彎曲半徑及熱處理工藝等工藝參數(shù)對(duì)彎管成型質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 材料及試驗(yàn)

選用同一批次生產(chǎn)φ406.4 mm×10 mm 的L360M直縫焊管進(jìn)行感應(yīng)加熱彎制。隨后對(duì)部分彎管進(jìn)行了回火熱處理。彎管的尺寸由管徑、彎曲角度和彎曲半徑三者確定，一般彎管的彎曲半徑為5～6倍鋼管直徑，本試驗(yàn)主要考慮彎曲半徑及加熱溫度等工藝參數(shù)對(duì)感應(yīng)加熱彎管成型質(zhì)量的影響，所制備的彎管彎曲半徑分別為3～6倍鋼管直徑，其加熱溫度為940～960 ℃，回火熱處理溫度為500 ℃。彎管母管的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

彎制完成后按照?qǐng)D1取樣位置對(duì)小口徑感應(yīng)加熱彎管進(jìn)行幾何尺寸測(cè)量、力學(xué)拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)及金相檢驗(yàn)等試驗(yàn)研究。

圖1 彎管取樣位置及編號(hào)示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen location and numbering of bend

2 彎曲半徑對(duì)彎管壁厚的影響

彎管母管的名義壁厚為10 mm，實(shí)際測(cè)量鋼管的管體壁厚為10.06 mm；在感應(yīng)加熱彎制后，彎曲段外弧側(cè)管體壁厚減薄，內(nèi)弧側(cè)管體壁厚增加，中性區(qū)管體壁厚變化不大。隨著彎軸半徑縮短，即彎曲半徑減小，彎管的彎曲段管體壁厚發(fā)生明顯變化，如圖2所示。當(dāng)彎曲半徑為6D(D為鋼管直徑)時(shí)，外弧側(cè)管體壁厚均值為9.27 mm，內(nèi)弧側(cè)管體壁厚為10.80 mm，中性區(qū)管體壁厚為9.96 mm，分別變化了-7.85%、+7.36%和-0.99%；當(dāng)彎曲半徑為3D時(shí)，外弧側(cè)管體壁厚均值為8.42 mm，內(nèi)弧側(cè)管體壁厚為11.67 mm，中性區(qū)管體壁厚為9.62 mm,分別變化了-16%、+16%和-4.37%?？梢?jiàn)隨著彎曲半徑減小，彎管的外弧側(cè)管體壁厚逐漸減薄，內(nèi)弧側(cè)管體壁厚逐漸增加，中性區(qū)管體壁厚略有減薄。其原因在于：當(dāng)彎曲半徑較小時(shí)，將使彎管圓弧外側(cè)的拉應(yīng)力增大，外弧側(cè)管體壁厚減薄，對(duì)于相同規(guī)格的管材，彎曲半徑越小，變形程度越大，外側(cè)管壁減薄越嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)裂紋或斷裂，而管內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力的作用后則有失穩(wěn)起皺的可能性；同時(shí)，在彎矩作用下產(chǎn)生的管壁外側(cè)拉力和內(nèi)側(cè)壓力的合力都指向管橫截面中心，導(dǎo)致管壁材料在橫截面圓周方向上產(chǎn)生壓縮變形，為了減小變形阻力，中性層內(nèi)移，使得彎管原中性區(qū)位置管體壁厚發(fā)生減薄。

圖2 不同彎曲半徑下彎管壁厚變化Fig.2 The wall thickness variation of pipe with different bending radius

3 工藝參數(shù)對(duì)彎管拉伸性能的影響

根據(jù)圖1在彎管各取樣部位取全壁厚板狀試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。本試驗(yàn)所用鋼管材料為L(zhǎng)360M鋼級(jí)管線鋼，為熱機(jī)械軋制狀態(tài)，而感應(yīng)加熱彎制工藝相當(dāng)于對(duì)該管線鋼進(jìn)行了二次加熱，進(jìn)行了淬火熱處理，加熱溫度為940～960 ℃。對(duì)不同彎曲半徑下彎管的不同取樣部位管體拉伸性能進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3。其加熱后的彎曲段管體屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯高于未加熱的直管段管體。其中，未加熱的直管段管體屈服強(qiáng)度為401 MPa，抗拉強(qiáng)度為526 MPa；二次加熱后彎管管體的最大屈服強(qiáng)度值為520 MPa，最大抗拉強(qiáng)度值為635 MPa，分別增大了119 MPa和109 MPa，且最大值出現(xiàn)在彎曲段外弧側(cè)管體、其次是中性區(qū)管體，最后是彎曲段內(nèi)弧側(cè)管體和直管段管體。由以上結(jié)果可知，感應(yīng)加熱彎制工藝對(duì)彎曲段管體力學(xué)拉伸性能影響較大，尤其是外弧側(cè)管體，出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)；而彎曲半徑的選擇對(duì)彎管的力學(xué)拉伸性能的影響未見(jiàn)明顯規(guī)律。

(a)抗拉強(qiáng)度；(b)屈服強(qiáng)度圖3 不同取樣部位力學(xué)拉伸強(qiáng)度指標(biāo)(a) tensile strength；(b) yield strengthFig.3 Mechanical tensile strength index at different sampling sites

斷后伸長(zhǎng)率是斷裂后試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值，而拉伸試樣在均勻變形階段伸長(zhǎng)量比較大，所以斷后伸長(zhǎng)率主要反映均勻變形階段的塑性變形能力。斷面收縮率是斷裂后試樣截面積的相對(duì)收縮值，而拉伸試樣在頸縮后橫截面積減小比較快，主要反映了局部變形階段(頸縮階段)的塑性變形能力。如圖4所示，加熱溫度對(duì)彎管的塑性變形能力影響較為明顯，尤其是彎曲段外弧側(cè)管體的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均出現(xiàn)明顯減??；而彎曲半徑的選擇對(duì)彎管的塑性變形能力的影響未見(jiàn)明顯規(guī)律。

4 熱處理工藝對(duì)彎管沖擊韌性的影響

對(duì)不同熱處理工藝下彎管的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,根據(jù)二次加熱及回火熱處理情況，將熱處理狀態(tài)分為原始熱軋態(tài)、回火熱處理、淬火熱處理、淬火+回火熱處理四種狀態(tài)，結(jié)果見(jiàn)圖5。該試驗(yàn)所用L360M鋼級(jí)彎管母管具有良好的韌性，經(jīng)過(guò)感應(yīng)加熱彎制(對(duì)應(yīng)圖5中淬火工藝)后彎管管體韌性下降，后續(xù)經(jīng)過(guò)回火熱處理(對(duì)應(yīng)圖5中淬火+回火工藝)后彎管管體韌性變化不大，低于原始鋼管；而原鋼管母管經(jīng)回火熱處理后韌性得到明顯提高。

(a)斷后伸長(zhǎng)率; (b)斷面收縮率圖4 不同取樣部位力學(xué)拉伸塑性指標(biāo)(a) elongation;(b) reduction of areaFig.4 Mechanical tensile plastic index at different sampling sites

圖5 不同熱處理工藝下彎管管體的韌脆轉(zhuǎn)變曲線Fig.5 The ductile and brittle transformation curves of bend under different heat treatment processes

圖6 不同取樣部位彎管管體的韌脆轉(zhuǎn)變曲線Fig.6 The ductile and brittle transition curves of the bend at different sampling sites

同時(shí)，對(duì)不同取樣部位的管體韌性進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。直管段管體具有良好的沖擊韌性，其后依次是彎曲段內(nèi)弧側(cè)管體和彎曲段中性區(qū)管體，而彎曲段內(nèi)弧側(cè)管體的韌性最差。

5 工藝參數(shù)對(duì)彎管金相組織的影響

對(duì)幾種熱處理狀態(tài)下不同取樣部位彎管的組織進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為彎管直管段管體原始組織，圖7(b)為彎管直管段管體回火后組織，其類(lèi)型沒(méi)有改變，仍然是多邊形鐵素體+珠光體，晶粒大小未發(fā)生變化，但晶界間出現(xiàn)明顯的析出物。感應(yīng)加熱彎管內(nèi)弧側(cè)管體組織含有多邊形鐵素體，組織晶粒細(xì)??；外弧側(cè)和中性區(qū)管體組織為粒狀貝氏體，晶粒粗大。感應(yīng)加熱淬火將使彎管的合金固溶量增多，奧氏體穩(wěn)定性增強(qiáng)，淬火時(shí)還會(huì)促進(jìn)中低溫組織轉(zhuǎn)變，對(duì)材料起到強(qiáng)化作用；而回火過(guò)程會(huì)促使中低溫組織分解、殘余奧氏體轉(zhuǎn)變、碳化物聚集以及a-Fe的回復(fù)和再結(jié)晶。淬火溫度對(duì)材料韌性的影響可以從淬火后材料的奧氏體晶粒度來(lái)分析。淬火溫度對(duì)奧氏體晶粒度影響的實(shí)質(zhì)是其對(duì)晶界處原子跨越晶界的擴(kuò)散過(guò)程的影響，二次熱處理導(dǎo)致彎曲段外弧側(cè)管體奧氏體晶粒直徑增大，使得試樣韌性惡化。在淬火后的回火過(guò)程中，析出相顯著增多，析出強(qiáng)化作用不斷增強(qiáng)；但是由于析出相的增加，合金元素的固溶比例不斷減少，固溶強(qiáng)化減弱，多重因素共同作用導(dǎo)致性能出現(xiàn)波動(dòng)[10-14]。

(a)直管段(原始)10.6級(jí)；(b)直管段(回火)10.6級(jí)；(c)彎曲段內(nèi)弧側(cè)(淬火)11.6級(jí)；(d)彎曲段內(nèi)弧側(cè)(淬火+回火)10.6級(jí)；(e)彎曲段外弧側(cè)(淬火) 5.6級(jí)；(f)彎曲段外弧側(cè)(淬火+回火) 7.6級(jí)；(g)彎曲段中性區(qū)(淬火)9.6級(jí)；(h)彎曲段中性區(qū)(淬火+回火)9.6級(jí)圖7 不同熱處理工藝下彎管管體金相組織(a)straight pipe section (original) ，10.6 grade；(b)straight pipe section (tempered)，10.6 grade；(c)intrados (quenching)，11.6 grade；(d)intrados(quenching + tempering)，10.6 grade；(e)extrado (quenching)，5.6 grade；(f)extrado (quenching + tempering)，7.6 grade；(g)neutral (quenching)，9.6 grade；(h)neutral (quenching + tempering)，9.6 gradeFig.7 Microstructure of bend under different heat treatment processes

6 結(jié)論

1)彎曲半徑的變化會(huì)直接導(dǎo)致彎管壁厚發(fā)生畸變，即隨著彎曲半徑減小，彎管的外弧側(cè)管體壁厚逐漸減薄，內(nèi)弧側(cè)管體壁厚逐漸增加，中性層內(nèi)移使壁厚略有減薄。

2)感應(yīng)加熱彎制后彎管彎曲段內(nèi)弧側(cè)管體力學(xué)性能最接近直管段，其次是中性區(qū)，外弧側(cè)波動(dòng)最大，這與熱處理工藝對(duì)組織的影響有關(guān)。感應(yīng)加熱彎管內(nèi)弧側(cè)管體組織含有多邊形鐵素體，組織晶粒細(xì)小；外弧側(cè)和中性區(qū)管體組織為粒狀貝氏體，晶粒粗大。