鋼管包辛效應(yīng)的研究

國內(nèi)外（包括焊接板和鋼板制造）生產(chǎn)廠家存在一些問題，因為他們沒有足夠的計量來適應(yīng)包的效應(yīng)。在用戶提出的技術(shù)合同中明確地給出了對鋼管的最小屈服值的要求或同時提出對鋼管的最高屈服值的要求。管材的生產(chǎn)廠要根據(jù)本廠的管材生產(chǎn)工藝并參考鋼管的幾何尺寸,比較準(zhǔn)確的估計包辛格效應(yīng)的數(shù)值,以期正確地確定管材的屈服極限的范圍,以便制成鋼管后,鋼管的屈服值正好在用戶提出的范圍內(nèi)。由七十年代初期,慶鐵輸油管線興建開始至今,近萬公里管線的建設(shè)工程中,絕大部分的管材由日本引進(jìn)。由這些管材制成的鋼管從未產(chǎn)生過由于鋼廠對包辛格效應(yīng)估計不足而產(chǎn)生鋼管屈服極限低于用戶要求的現(xiàn)象,這一方面與日本四大鋼鐵廠家注意不斷總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗有關(guān),也與他們的企業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)。日本的四大鋼鐵廠家,包括新日鐵、住友、川崎和NKK幾乎全部都是煉鋼、軋制、制管在一個企業(yè)內(nèi),這樣便于總結(jié)經(jīng)驗,而世界上許多國家,包括我國在內(nèi),焊管廠與管材的供應(yīng)廠是分開的。據(jù)了解,最近在我國曾發(fā)生由國外引進(jìn)的熱軋卷板制成管后其屈服值低于用戶規(guī)定的最小屈服值現(xiàn)象。同時,在我國某些鋼廠也發(fā)生過類似的現(xiàn)象,因而,很好的研討管材的包辛格效應(yīng)是十分必要的。1包網(wǎng)格效應(yīng)1986年德國人J·包辛格(J·Bauschinger)發(fā)現(xiàn)材料的一個重要塑性力學(xué)現(xiàn)象,后來這個現(xiàn)象被稱為包辛格效應(yīng)(BauschingerEffect),包辛格效應(yīng)的原意如下:材料在一個方向受力,并超過屈服極限進(jìn)入塑性區(qū)后,然后卸載;第二次再加載時,則在該方向屈服值上升,而在相反方向屈服值下降。舉例說,如材料受拉應(yīng)力,且此應(yīng)力超過材料的抗拉屈服值并進(jìn)入塑性區(qū),然后卸載,則此材料抗拉屈服值上升,而抗壓屈服值下降。相反,如材料受壓應(yīng)力,且壓應(yīng)力超過材料的抗壓屈服值并進(jìn)入塑性區(qū),然后卸載,則此材料抗壓屈服值上升,而抗拉屈服值下降。此后,材料的力學(xué)工作者,圍繞著包辛格效應(yīng)又有以下發(fā)現(xiàn):(1)單晶體材料無包辛格效應(yīng),只有多晶體材料才有包辛格效應(yīng),由此,一些力學(xué)工作者推斷包辛格效應(yīng)與材料的晶間殘余應(yīng)力有關(guān);(2)包辛格效應(yīng)的大小與材料(主要指鋼材)的化學(xué)成分、晶粒度大小以及軋制工藝有關(guān);(3)包辛格效應(yīng)的大小還與塑性變形量有關(guān),塑性變形量在某一數(shù)值時包辛格效應(yīng)為最高,塑性變形的量再大,則包辛格效應(yīng)減小,甚至消失。制管過程為管材的彎曲成形過程,從斷面來看,其外層由拉應(yīng)力進(jìn)入塑性區(qū),而其內(nèi)層由壓應(yīng)力進(jìn)入塑性區(qū),這樣就更增加了制成管后,其總體包辛格效應(yīng)值的估計或預(yù)測的復(fù)雜性。包辛格效應(yīng)值(TheValueofBauschingerEffect),簡稱VBE,指同一管材制成管后,前后屈服值的差異的數(shù)值。對于承受內(nèi)壓的鋼管來說,使用狀態(tài)為拉應(yīng)力,故我們只關(guān)心在制成管后抗拉屈服極限下降的狀況,如管材在加工前其抗拉屈服值為500MPa,制成管后其抗拉屈服值為460MPa,則稱包辛格效應(yīng)值為40MPa,通常制成管后抗拉屈服值下降,但也有少數(shù)例外。2包網(wǎng)格效應(yīng)的檢測早期在鋼材的定貨合同中,只根據(jù)API5L規(guī)范,給出鋼管的最小屈服極限,簡稱SMYS(SpecifiedMinimumYieldStress)。近若干年,根據(jù)實際需要,并參考國外做法,同時給出上限要求,通常采用下限加100MPa為上限,以X65例。鋼管的最小抗拉屈服極限=448MPa。鋼管的最高抗拉屈服極限=548MPa。仍以X65為例,根據(jù)已掌握的資料分析,日本許多鋼廠對熱軋卷板的屈服極限掌握在如下范圍:對X65鋼,若無上限限制,則取:(屈服值)min=500MPa若有上限限制,則取:(屈服值)min=500MPa(屈服值)max=540MPa日本某鋼廠1991年接受ARCO公司對X65定貨要求,(管徑1284mm,板厚9.27mm),屈服極限有上限限制,其供貨范圍為:屈服值=500～540MPa同年接受前蘇聯(lián)Promsyrio定貨,(直徑1270mm,板厚8.40mm),無上限限制,則屈服值=500MPa,而實際供貨上限最高達(dá)584MPa。由上看出,這些廠對X65鋼材(對其它鋼號也大致相同)留的包辛格效應(yīng)的裕量為:52～92MPa庫鄯管線X65螺旋鋼管用熱軋卷板由美國某鋼廠定貨,該廠確定管材的屈服極限為:(屈服值)min=462MPa亦即最小包辛格效應(yīng)留量只有14MPa。到貨后由國內(nèi)制管廠制管后,經(jīng)管材中心檢測其包辛格效應(yīng)值為:第一批:包辛格效應(yīng)值(VBE)為:平均22.94MPa最高56MPa第二批:包辛格效應(yīng)值為:平均14.5MPa最高31MPa由以上看出,該鋼廠過低的估計了自己產(chǎn)品的包辛格效應(yīng)值。致使制成管后部分鋼管的屈服極限低于用戶要求,判為不合格產(chǎn)品,若該廠按日本某些鋼廠的范圍掌握,則不會產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。再者該廠生產(chǎn)的這批X65熱軋卷板的碳當(dāng)量及Pcm值均有較大裕量,只要在化學(xué)成分上略加調(diào)整則不會產(chǎn)生上述問題。如前所述,我們早期定貨中無屈服上限的限制,以致管材的屈服值過高,也帶來些不利后果。1989年9月在阿賽線熱軋卷板定貨時,未提出屈服值上限要求,日本四家鋼廠均對包辛格效應(yīng)的裕量留量過高,見表1。阿賽線所用鋼管鋼號為X52,規(guī)定最小屈服值為358MPa,直徑293mm,厚度6mm。如上限有限制,即:(屈服值)max=358+100=458MPa則廠家會將熱軋卷板的屈服值控制在以下范圍:(屈服值)min=410MPa(屈服值)max=450MPa阿賽線用鋼管雖然定貨為X52,實際鋼管最高屈服值達(dá)X65、X70,有些甚至接近X80。這樣也給制管和現(xiàn)場焊接帶來些麻煩。因不同鋼號焊接工藝是不同的。由此看出,對上限加以限制為好,當(dāng)然價格會有所增高。3包網(wǎng)格效應(yīng)值的影響(1)接受管材定貨的鋼廠要根據(jù)本廠的鋼材生產(chǎn)工藝、用戶的定貨要求,準(zhǔn)確地估計包辛格效應(yīng)值,并定出供貨的屈服極限范圍;(2)因包辛格效應(yīng)值與多種因素有關(guān),只有靠長期的經(jīng)驗累積才能取得,同樣,對包辛格效應(yīng)值的掌握情況也反