截面畸變對小半徑熱煨彎管性能的影響

王高峰 楊專釗 劉迎來 聶向暉 許 彥 趙金蘭

1.中國石油集團石油管工程技術研究院 2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室

彎頭、熱煨彎管是解決油氣輸送管道鋪設中狹窄空間急劇轉向問題的管道構件，雖然彎頭能夠實現管道的急劇變向需求，但是與一般熱煨彎管相比沒有直管段，在現場進行對口焊接時可能會影響焊接質量[1]。另外，選用沖壓彎頭需要投入大量資金進行各類專業模具的制作；選用焊接彎頭，焊縫過多，相對母材產生的缺陷概率高。鑒于彎頭制造和應用中存在的問題，有必要開展小半徑熱煨彎管的研發。小半徑熱煨彎管可減少管網占用空間，在施工中便于對口焊接、保證質量，可節省檢驗及裝備投資費用[2]。因此，具有非常廣泛的應用，其加工工藝是近年油氣輸送管材加工研究的熱點之一。然而，受制于材料和工藝的限制，小半徑熱煨彎管存在橫截面趨于橢圓形、外弧側減薄量過大、內弧側增厚、起皺等各種截面畸變[1]，這些缺陷不僅降低了管道承載能力，而且還會影響管道內介質的正常流通。目前，國內外關于彎管截面畸變的研究主要集中在畸變機理、受力分析、有限元數值模擬和影響因素分析等方面，且涉及管件多數是電力及核能源用小口徑管件[3-11]，而關于油氣輸送管道用較大口徑小半徑熱煨彎管截面畸變對管材性能的影響鮮有報道。因此，以3D（D表示管道直徑）熱煨彎管為研究目標，分析截面畸變對管材性能的影響。

1 試驗材料及方法

彎管母管為直縫埋弧焊管，管道直徑（D）為610 mm，管壁厚為11 mm，材質為L415，化學組成如表1所示。彎曲半徑（R）為3D，以不同的工藝參數煨制6根小半徑3D彎管，分別編號為彎管1～6，此外，為了對比小半徑熱煨彎管與常規彎管截面畸變情況及畸變對性能的影響，試驗還加工了2根彎曲半徑為5D的熱煨彎管，分別編號為彎管7和彎管8。彎管熱煨成型后以10%NaCl水溶液立即淬火，之后進行550 ℃回火熱處理，在空氣中冷卻至室溫，8根彎管的工藝參數如表2所示。

成品彎管表面經噴砂除銹處理后，對橫截面尺寸進行測量，主要測量壁厚、圓度等幾何尺寸，其中壁厚采用超聲波測厚儀測量，圓度采用游標卡尺測量。測量過程如下所述：環向設焊縫為0°，逆時針間隔30°測量一次，共測量11個位置，軸向以管端為參考點，每間隔200 mm測量一次，圓度軸向測量間距與壁厚軸向測量間距相同。利用數理統計對測量數據進行分析，分析彎管截面畸變的變化規律；此外，對彎管彎曲段各部位取樣進行理化性能實驗，分析截面畸變與性能的相關性。

2 截面畸變分析

2.1 彎管壁厚環向分布趨勢

圖1 壁厚環向趨勢圖

彎管壁厚環向分布趨勢如圖1所示，其中90°位置為彎管內弧側；180°位置為彎管中性區；270°位置為彎管外弧側。由圖1可知，無論是5D彎管還是小半徑3D彎管，壁厚環向分布都有相同的趨勢，即內弧側90°處壁厚增加，外弧側270°處壁厚減小，中性區180°處壁厚不變，但是，3D彎管壁厚環向分布趨勢較為陡峭。

2.2 減薄率及增厚率分析

減薄率、增厚率是指壁厚減薄量、增厚量與原始壁厚比值的百分數，彎管外弧側減薄率（以下簡稱減薄率）與彎管內弧側增厚率（以下簡稱增厚率）如圖2所示。由圖2可知，3D彎管減薄率和增厚率約是5D彎管的2倍。

圖2 減薄率與增厚率圖

2.3 圓度分析

鋼管圓度是指圓形鋼管的橫截面上存在外徑不等的現象，即存在著不一定相互垂直的最大外徑和最小外徑，最大外徑與最小外徑之差即為圓度偏差，試驗用彎管母管圓度最大值為2.2 mm。一般情況下，彎管圓度是彎管內外弧側之間的外徑與中性區處外徑之差。圖3是彎管軸向不同位置的圓度變化趨勢圖。由圖3可知，3D彎管趨勢變化較為明顯，圓度相對較大，5D彎管趨勢變化較為緩和，圓度相對較小，兩者圓度在軸向上變化趨勢基本一致，即在彎管起弧位置圓度較小，隨著彎管角度的增加，在彎曲段中央部位圓度達到峰值，之后隨著角度的增加圓度又開始逐漸減小，在收弧處圓度達到較小值。

圖3 圓度在軸向上的變化趨勢圖

3 畸變對性能及組織的影響分析

在彎管1～8的彎曲段內弧側、中性區、外弧側部位分別取樣進行拉伸試驗、夏比沖擊試驗及微觀組織檢驗。其中拉伸試樣為橫向樣，試樣寬度為38.1 mm，標距為50 mm；沖擊試樣為橫向樣，尺寸為10 mm×7.5 mm×55 mm，缺口類型為“V”形缺口，試驗溫度為－10 ℃，拉伸試驗及沖擊試驗標準為ASTM A370；微觀組織試驗標準為ASTM E3—11及 ASTM E112—13。

3.1 力學性能分析

圖4 夏比沖擊韌性圖

試驗結果表明（圖4），所有彎管－10 ℃夏比沖擊韌性試驗結果均符合標準要求（均值大于等于90 J）3D彎管中，彎管1、彎管2、彎管3及彎管5的內弧側強度均不符合標準要求（要求大于等于L415 MPa），僅彎管4和彎管6所有部位強度符合標準要求（圖5）。

圖5 拉伸性能圖

通過比較所有彎管內弧側、中性區及外弧側的強度和韌性可知，無論是常規的5D彎管還是小半徑3D彎管，總體規律是：彎管內弧側的強度相對較小，彎管中性區次之，彎管外弧側屈服強度較大，3D彎管多數內弧側強度不符合標準要求（圖5-a），而夏比沖擊韌性及伸長率大小順序與強度恰好相反（圖4、圖5-b）。就5D彎管而言，無論是強度還是韌性，數據離散性較小，而3D彎管數據較為分散。就此現象，筆者認為這與加工工藝有關外還與彎管的截面畸變有關。

圖6 感應線圈中的磁場示意圖

3.2 對力學性能影響分析

目前，國內外熱煨彎管采用感應加熱方式加工，其原理是在感應加熱線圈中加載某一頻率的交變電流（I），交變電流在感應線圈周圍產生交變磁場（B），這種磁場隨著與線圈距離越遠而變得越弱（圖6），交變磁場（B）又會在被加熱的金屬導體（鋼管）中產生感應電動勢（E），進而產生電流，這種感應電流在金屬導體中的分布是不均勻的，在表面強，而在內部弱，即趨膚效應現象，利用趨膚效應可使金屬導體迅速加熱，在適當的交變頻率下幾秒鐘內可使材料溫度上升到800～1 200 ℃。

由感應加熱線圈加熱原理可知，距離加熱線圈越遠則鋼管從中獲得功率就越小，鋼管的加熱溫度就越低。一般而言，彎管熱加工時，加熱溫度介于850～1 050 ℃對其進行淬火，之后進行高溫回火，其強度會隨著溫度的升高而呈上升趨勢，韌性會隨著溫度的升高而降低。

圖7 鋼管在感應線圈中的示意圖

通過前文分析可知，由于彎管熱煨制時截面畸變，導致彎管內弧側壁厚增厚，彎管外弧側壁厚減薄，且圓度增大，這種畸變隨著彎曲半徑的減小而更加明顯。因此，理想情況下，鋼管在感應線圈中的位置如圖7-a所示，此時鋼管環向壁厚受熱均勻，在相同冷卻條件下，加熱后的性能離散性較小。但實際情況是彎管熱煨制時由于受力矩及截面畸變兩方面的影響，鋼管在感應線圈中的實際位置如圖7-b、c、d所示。此外，在相同的冷卻條件下，薄壁的材料散熱條件較好，平均冷卻速度較快，而厚壁材料恰好相反，冷卻速度不同將發生不同的相變過程，得到不同的相變組織，并對晶粒尺寸產生影響，最終影響產品性能[12-13]。

通過上述分析可以推測，假設彎管在感應加熱線圈中的位置如圖7-b所示，則彎管內弧側和彎管外弧側與感應線圈的距離相等，兩部位的加熱溫度一致，但是由于彎管內弧側壁厚增厚，冷卻速度較慢，淬透性較差，因此最終的強度可能較小，韌性較高。如果鋼管在線圈中的位置如圖7-c所示，則彎管內弧側與彎管外弧側由于加熱溫度的差異而導致性能不均勻，彎管內弧側性能有可能不達標，而且在相同的增厚率下，數值的離散性較圖7-b所示位置大，此外在這種情況下，如果溫度控制不當可能會引起彎管外弧側過熱或過燒，從而產生組織損傷。假如鋼管在線圈中的位置如圖7-d所示，則彎管內弧側與線圈距離較近，加熱溫度較高，可以補償彎管內弧側增厚對加熱后性能的不利影響，但間距控制較為困難。上述幾種現象對彎管各部位力學性能的影響均與壁厚增厚率、減薄率及圓度這些畸變參量有關。圖8反映了截面畸變參量與強度的相關性，由圖8-a可知，隨著圓度的增加（即鋼管扁化），彎管外弧側與線圈的距離增大，加熱溫度減小，因此強度也隨之降低，彎管內弧側有同樣的趨勢；由圖8-b可知，隨著增厚率的增加，彎管內弧側的壁厚變厚，在相同的冷卻條件下，其淬透性變差，因此強度呈下降趨勢；由圖8-c可知，隨著減薄率的增加，彎管外弧側壁厚減小，淬透性較好，因此強度呈上升趨勢。

3.3 對微觀組織影響分析

由金相分析結果可知，彎管加熱溫度介于940～980 ℃時，彎管各部位晶粒度變化不大，平均晶粒度分布在9.5～11.0級之間，微觀組織主要以多邊形鐵素體＋珠光體＋貝氏體為主（表3），如表3所示彎管1及彎管7的微觀組織，當溫度達到1 050 ℃時，彎管外弧側及中性區的晶粒急劇長大，平均晶粒度介于5.5～6.5級，此時的微觀組織主要以貝氏體鐵素體和粒狀貝氏體為主，摻雜少量的多邊形鐵素體（見表3中彎管5外弧側和中性區的微觀組織）。

對金屬材料來說組織決定性能，就本研究中的5D彎管而言，實時監測的加熱溫度均為980 ℃，其各部位的微觀組織以多邊形鐵素體＋珠光體＋貝氏體為主，晶粒度約為11.0級，性能均能滿足要求，這是因為5D彎管截面畸變較小，鋼管在感應線圈中的位置如圖7-b所示并趨于理想狀態，各部位與感應線圈之間的距離相差較小。因此受熱相對均勻。此外，由于管線鋼進行了較好的微合金化設計，其中Nb、V、Ti微合金碳、氮化物通過質點釘扎晶界的機制而阻止奧氏體晶粒的粗化過程，因而若加熱不超過一定的溫度（1 050 ℃左右），管線鋼晶粒不會明顯長大[14]，其性能也不會有太大變化。對于3D彎管中彎管4和彎管6來說，各部位微觀組織形態一致，與彎管7的微觀組織類似，且晶粒度也約為11.0級，性能均滿足要求。由此可以推測，彎管在感應線圈中的位置如圖7-d所示，彎管內弧側加熱溫度較高，補償了截面畸變對性能的不利影響。

圖8 畸變參量與強度的相關性圖

小半徑彎管中彎管1、彎管5各位部位微觀組織較為典型，由其微觀組織形態可以推測，鋼管在感應線圈中的位置如圖7-c所示。就彎管1而言，加熱溫度與彎管7相同，都是980 ℃，但彎管外弧側微觀組織含量及晶粒度截然不同，彎管1中的貝氏體組織含量較多，而彎管7中的多邊形鐵素體含量較多。這是因為彎管1的減薄率是彎管7的近2倍（圖2），在相同加熱溫度下，相同的冷卻環境中，彎管1外弧側的淬透性好，因而得到的組織形態與彎管7有所不同，由于彎管內弧側與線圈之間的距離較大，且厚度增厚，受熱溫度不足，組織中多邊形鐵素體較多，因此強度較低。對彎管5來說，彎管外弧側減薄率最大（圖2），加熱溫度最高，晶粒在很短的時間內立即長大，原奧氏體平均晶粒度長大到5.5級，淬火后得到的組織主要為粒狀貝氏體，雖然其晶粒度較大，但其強韌性匹配并不是很差，這是因為組織形態的變化對材料性能的影響所導致，透射電鏡分析表明，此時粒狀貝氏體板條尺寸減小，板條束相互交錯，呈多位向分布，板條間的M—A島狀組織尺寸減小且多呈粒狀分布，這種細小、多位向分布的粒狀貝氏體賦予材料良好的強韌性配合[15-16]，同樣，可以推測彎管內弧側與線圈之間的距離較大，且厚度增厚，受熱溫度不足，組織中多邊形鐵素體較多，因此強度較低，韌性較高。

4 結論

1）小半徑3D彎管截面畸變比常規5D彎管較為顯著，前者減薄率及增厚率大約是后者的2倍，圓度在2～4倍范圍內。

2）由于小半徑彎管截面畸變顯著，使得彎管外弧側、內弧側、中性區加熱溫度有所差異，且彎管內外弧側差異較大，致使組織形態或含量有所不同，從而導致彎管各部位力學性能數值較為離散，多數彎管內弧側強度達不到標準要求。強度大小順序分別為彎管外弧側、彎管中性區和彎管內弧側，夏比沖擊韌性大小順序與強度恰好相反。

3）隨著增厚率的增加，彎管內弧側強度呈下降趨勢；隨著減薄率的增加，彎管外弧側強度呈上升趨勢；隨著圓度的增加，彎管內、外弧側強度呈下降趨勢。

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