包申格效应对X65、X70、X80钢级螺旋埋弧焊管强度的影响

蔡文利

（宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008）

0 前 言

螺旋埋弧焊管具有生产方式灵活、运行成本低的优势，在我国油气输送管线建设中占有重要份额。 实际生产中发现，螺旋埋弧焊管在制管前后，管体相比于卷板，强度性能会发生较大变化。 前期的相关研究表明，造成以上原因主要是由于螺旋埋弧焊管生产中存在包申格效应而引起的。 本研究从螺旋埋弧焊管制管工艺、拉伸试样的取样加工方面分析了包申格效应产生的原因，并通过对 X65、X70、X80 钢卷板与螺旋埋弧焊管的强度变化进行对比分析，得出这3 种材质螺旋埋弧焊管在生产过程中包申格效应的变化规律，为钢管生产及质量控制提供参考。

1 螺旋埋弧焊管的包申格效应

金属经预先加载产生微量塑性变形，然后再同向加载，屈服强度升高； 反向加载变形则屈服强度降低的现象叫包申格效应[1-3]。 螺旋焊管制造过程中，同时存在着形变强化和包申格效应两种现象，两者综合作用使卷板在制成钢管后拉伸性能发生明显变化[4]。

从卷板到钢管成型，螺旋埋弧焊管生产工艺流程为： 拆卷—钢带矫直—头尾剪切对接—铣边—成型—内外焊接。 其中，拆卷过程卷板受力随曲率半径变化而变化，卷板尾部曲率半径大受力小，卷板头部曲率半径小受力大，成型过程卷板弯曲变形受力较大。 制成螺旋焊管后，在管坯上取横向拉伸试样，拉伸试样按API 相关标准制作，横向拉伸试样既可以是板状试样也可以是圆棒试样，板状试样应取自压平试块，而圆棒试样应取自未压平试块[5]。 因为圆棒试样的制取受到钢管管径和壁厚的影响，而且一些管线技术标准要求拉伸试验采用压平的板状试块，所以大多数拉伸试样需对试块进行压平，这时，试样在压平加工过程中受到较大的弯曲变形[6]。 钢管横向压平试样具体变形过程如图1 所示。

图1 钢管横向压平试样变形过程示意图

1.1 卷板头部和尾部拉伸性能对比

分别在X70 钢卷板及用该卷板生产的Φ813 mm×11.9 mm 螺旋埋弧焊管上取拉伸试样，取样位置在每卷原料拆卷矫直后的卷板尾部和头部1.5 m 处。 三辊成型后在与卷板试样取样位置相邻处取钢管的拉伸试样，相邻位置卷板试样和钢管试样为一组，共计20 组40 件样品。

X70 钢卷板及Φ813 mm×11.9 mm 螺旋埋弧焊管屈服强度对比结果见表1。 对比每组卷板和钢管的试验结果，抗拉强度和延伸率变化不大，钢管相对于卷板屈服强度降低，卷板尾部平均降低50.7 MPa，头部平均降低 25.3 MPa。

钢管与卷板之间强度差异是形变强化和包申格效应综合作用的结果[7-11]，包申格效应大于形变强化作用，使屈服强度降低。 卷板头部屈服强度损失小于尾部，因为拆卷过程发生了形变强化作用。卷板尾部在钢管成型和试样压平过程中，受到两次相反方向的较大外力，所以屈服强度损失较大。

表1 X70 钢卷板及Φ813 mm×11.9 mm螺旋埋弧焊管屈服强度对比

1.2 板状试样与圆棒试样拉伸试验结果对比

为了进一步分析试样压平对螺旋埋弧焊管屈服强度的影响，采用 X65 钢级，4 个炉批，10 卷原料，在同一机组生产制成Φ1 016 mm×12.7 mm螺旋埋弧焊管后，抽取20 组拉伸试样，每组各取一个板状试样和1 个圆棒试样，试验结果如图2所示。 由图2 可见，圆棒试样屈服强度值平均比板状试样高93 MPa。 分析其原因，圆棒试样加工时不需要压平，而板状试样需要压平，板状试样在成型和试样压平两次反向加载过程中发生了包申格效应，弹性极限下降，屈服强度降低[12-13]，因此，板状试样的屈服强度低于圆棒试样。

图2 相同位置板状试样和圆棒试样屈服强度分布

通过对卷板头部与尾部拉伸性能对比，以及板状试样与圆棒试样的拉伸试验结果对比，发现在钢管成型和试样压平过程中产生的包申格效应是螺旋埋弧焊管板状试样屈服强度降低的原因。

2 同钢级卷板和钢管屈强比变化对比

由于钢管生产中并不一定能在取样卷板对应的钢管位置上取拉伸试样，因此一一对应的屈服强度变化数据较少。 包申格效应会使材料的屈服强度降低，但对材料抗拉强度的影响很小，因此其屈强比是降低的[14-15]。 为了进一步深入研究包申格效应对螺旋埋弧焊管的影响，抽取了某管厂X65、X70 和X80 钢卷板检验数据和使用该卷板在同一机组生产的螺旋埋弧焊管的拉伸试验数据，分析其屈强比的变化规律。

2.1 X65钢卷板及钢管屈强比的变化趋势

在X65 钢两种壁厚的卷板以及由其制成的钢管上取样，经压平制成板状拉伸试样，进行拉伸试验。 X65 钢卷板及不同壁厚钢管的屈强比变化趋势如图3 所示。

图3 X65 钢卷板及不同壁厚钢管的屈强比变化趋势

从图3 可以看出，图3 （a） 中钢管的屈强比相对卷板的屈强比有降低趋势但不明显，图3 （b）中钢管的屈强比低于卷板的屈强比。 可见，材质相同 （即 δ 相同，同为 X65 钢），管径和螺距相同 （即 L、S 值相同），仅壁厚 t 不同，钢管的成型受力就不同。 成型受力F 为

在这种情况下，壁厚t 的变化对钢管成型受力的影响比较大。 当制管材质为X65 钢时，薄壁钢管在成型过程中受力较小，形变强化作用与包申格效应基本接近，包申格效应对屈服强度的影响也小，因此钢管屈强比降低趋势不明显。

2.2 X70钢卷板及钢管屈强比的变化趋势

在X70 钢两种壁厚的卷板以及由其制成的钢管上取样，经压平制成板状拉伸试样，进行拉伸试验。 X70 钢卷板及不同壁厚钢管的屈强比变化趋势如图4 所示。 不同壁厚X70 钢管的屈强比均比其卷板的屈强比有所下降。

图4 X70 钢卷板及不同壁厚钢管的屈强比变化趋势

2.3 X80钢卷板及钢管屈强比的变化趋势

在X80 钢3 种壁厚卷板及由其制成的钢管上取样，管体试样部分经压平制成板状试样，另一部分不压平制成圆棒试样，进行拉伸试验。 X80 钢卷板及不同壁厚钢管屈强比变化趋势如图5 所示。

图5 X80 钢卷板及不同壁厚钢管的屈强比变化趋势

由图5 可见，化学成分和微观组织接近，径厚比D/t不同的X80 钢管，成型过程中其受力随壁厚增大而增大，钢管的屈强比随成型过程受力增大而表现出由低于卷板、接近卷板、到高于卷板的趋势。 图5 （a） 和图5 （b） 中板状试样和圆棒试样的屈强比接近，无明显高低变化趋势。

X80 钢管的屈强比随成型受力增大，出现相对卷板升高趋势，与其他钢级中的变化趋势不同。 这是因为X80 管线钢同时采用控轧、控冷工艺获得针状铁素体 （贝氏体），具有连续屈服特征，因而具有高的形变强化能力，能够补偿和抵消因制管产生的包申格效应所引起的强度损失[12]。

3 结 论

（1） 包申格效应对螺旋埋弧焊管屈服强度有一定影响，在管材订货时要考虑该影响，必需预留强度的裕量，以弥补制管过程中强度的损失。 同材质不同径厚比，强度损失不同。 不同的取样形式与加工方法，包申格效应的表现不同。

（2） 由于管线钢的化学成分、轧制工艺、微观组织以及卷板厚度对屈强比都有一定的影响，同材质不同径厚比，成型过程中受力大小不同，所以包申格效应大小不同，屈强比变化的不同。

（3） 受包申格效应影响，螺旋埋弧焊管屈服强度和屈强比下降，但在X80 钢级中有例外现象，钢管屈强比随成型受力增大，出现相对卷板升高趋势。 X80 钢级中管体板状试样和圆棒试样屈强比无明显高低变化趋势。