利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法，包括：根據擴徑前螺旋焊管的屈服強度和擴徑后需要達到的目標屈服強度，建立屈服強度與擴徑率的函數關系；將所述螺旋焊管的原始屈服強度與設定的屈服強度閾值比較，得到屈服強度比較結果；根據所述屈服強度比較結果與所述函數關系，確定所述擴徑率；按照確定的所述擴徑率分段對所述螺旋焊管進行擴徑獲得成品。本方法生產的高強度螺旋縫埋弧焊管，通過精確控制變形量，在提高強度的同時通過精確控制變形量保證塑性、韌性不發生明顯的下降。
【專利說明】利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法 【技術領域】
[〇〇〇1] 本發明涉及金屬材料【技術領域】，特別涉及一種利用形變強化生產高強度螺旋焊管 的方法。 【背景技術】
[0002] 油氣輸送用大口徑高強度焊管主要有兩種管型，一種是直縫埋弧焊管，一種是螺 旋縫埋弧焊管。這兩種焊管除了成型方式的不同外，其主要差異在于是否擴徑。目前，直縫 埋弧焊管一般均要進行冷擴徑，而螺旋縫埋弧焊管不進行冷擴徑。
[0003] 冷擴徑可以減少直縫埋弧焊管成型和焊接過程中的不均勻變形，降低成型和焊接 引起的殘余應力，并改善其分布狀態，同時改善直縫埋弧焊管的管體和管端幾何尺寸精度， 使管體和管端的直徑、圓度以及鋼管兩端的直徑差等達到標準要求，便于現場焊接施工。冷 擴徑的另一個重要作用是通過形變強化可提高直縫埋弧焊管的整體力學性能，冷擴徑對鋼 管的拉伸性能尤其是屈服強度影響顯著，可提高鋼管的屈服強度和抗拉強度，且前者較后 者的增加值大。
[0004] 對于高強度管線鋼來說，通過增加貴重金屬含量及優化合金組分、改進TMCP工藝 來進一步提高其強度，會造成管線鋼制造成本的大幅增加。對用于生產高強度螺旋縫埋弧 焊管的熱軋板卷來說尤其如此。大口徑高強度螺旋縫埋弧焊管的試制和批量生產時遇到的 主要問題之一是鋼管屈服強度偏低，很大一部分鋼管的屈服強度低于標準要求值。例如，在 2007年西氣東輸二線工程用X80大口徑螺旋縫埋弧焊管的試制和批量生產時遇到的主要 問題即為相當數量鋼管的屈服強度不合格。
[0005] 如果大口徑高強度螺旋縫埋弧焊管借鑒直縫埋弧焊管的生產方式，對螺旋縫埋弧 焊管全長進行冷擴徑，即在成型焊接后增加一個全長冷擴徑工序，使鋼管全長產生一定量 的塑性變形，則可利用形變強化來提高螺旋縫埋弧焊管的強度。
[0006] 其次，對螺旋縫埋弧焊管全長進行冷擴徑，還可使鋼管性能均勻一致。目前為了保 證現場焊接質量，僅對大口徑螺旋縫埋弧焊管管端擴徑，擴徑后管端性能變化，造成管端與 管體性能不一致，且對管端不進行取樣檢驗，易出現質量問題。
[0007] 第三，利用形變強化來提高螺旋縫埋弧焊管的強度，可降低合金含量，減少貴重金 屬的消耗量，從而降低鋼管制造成本。
[0008] 第四，由于進行全長冷擴徑后，螺旋縫埋弧焊管的生產工序與直縫埋弧焊管基本 一致，則螺旋焊管與直縫焊管的化學成分可接近，這樣同一工程就可減少合金系列，為制定 現場焊接工藝以及施工帶來便利，從而降低管道鋪設成本。此外，這種利用形變強化生產高 強度螺旋焊管的方法，還可提高螺旋焊管的尺寸精度、降低其成型及焊接殘余應力（殘余 應力高也是螺旋焊管的主要缺點之一）。
[0009] 由于目前為了保證現場焊接質量，大口徑高強度螺旋縫埋弧焊管在生產過程中一 般都要進行管端擴徑，因此，對高強度螺旋縫埋弧焊管進行全長冷擴徑，并不需要增加工 序，僅會延長工序時間。
【發明內容】
[0010] 本發明所要解決的技術問題是提供一種利用形變強化原理生產高強度螺旋縫埋 弧焊管的方法，同時通過控制變形量保證塑性、韌性不發生明顯的下降。
[〇〇11] 為解決上述技術問題，本發明提供了一種利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方 法，包括：
[0012] 根據擴徑前螺旋焊管的屈服強度和擴徑后需要達到的目標屈服強度，建立屈服強 度與擴徑率的函數關系，所述函數關系如式（1)所示：
[0013] Tsa = f (Tsb, Er) (1)
[0014] 式中，Tsa為螺旋焊管擴徑后屈服強度，單位為MPa ;Tsb為螺旋焊管擴徑前原始屈 服強度，單位為MPa ;Er為擴徑率，單位為％ ;
[0015] 將所述螺旋焊管的原始屈服強度與設定的屈服強度閾值比較，得到屈服強度比較 結果；
[0016] 根據所述屈服強度比較結果與所述函數關系，確定所述擴徑率；
[0017] 按照確定的所述擴徑率對所述螺旋焊管分段進行擴徑獲得成品。
[0018] 進一步地，按照所述確定的擴徑率分段進行擴徑獲得成品包括：
[0019] 先通過擴徑頭上的光學系統和定位裝置，確定所述螺旋焊管焊縫的具體位置；
[0020] 再通過調節擴徑頭扇形模具上的刻槽位置，使扇形模具上的螺旋形刻槽與螺旋焊 管的焊縫重合，以避免擴徑時螺旋焊管的焊縫對擴徑頭造成傷害；
[0021] 最后控制系統依據螺旋焊管焊縫螺旋角和鋼管給進速度計算擴徑頭旋轉速度，使 扇形模具上的螺旋形刻槽在擴徑過程中始終與螺旋焊管的焊縫吻合，對螺旋焊管分段進行 擴徑后獲得成品。
[0022] 進一步地，確定的所述擴徑率的范圍控制在0. 3% -1. 5%。
[0023] 進一步地，所述擴徑頭的扇形模具上的刻槽為螺旋形刻槽，且所述螺旋形刻槽與 螺旋焊管焊縫的螺旋角一致，進行擴徑時，采用擴徑頭旋轉，鋼管直線給進，使擴徑頭上的 刻槽和螺旋焊管焊縫重合后，對螺旋焊管分段進行擴徑。
[0024] 本發明提供的一種利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法，通過建立屈服強度 與擴徑率的函數關系，根據設定的目標屈服強度等確定擴徑率，最終采用機械擴徑的方法 使螺旋焊管產生一定量塑性變形，從而利用形變強化原理提高螺旋縫埋弧焊管強度，獲得 高強度螺旋縫埋弧焊管，根據擴徑率的不同（即塑性變形量不同），屈服強度提高范圍為 0-100MPa，抗拉強度提高范圍為0-50MPa，韌性下降控制在0-80J，有益效果具體如下：
[0025] (1)通過機械擴徑，使螺旋焊管產生一定量塑性變形，利用形變強化提高螺旋縫埋 弧焊管強度，從而獲得高強度螺旋縫埋弧焊管。
[0026] (2)由于鋼管全長產生了塑性變形，因此，使螺旋縫埋弧焊管的性能均勻。
[0027] (3)由于利用了形變強化原理來提高鋼管強度，因此可降低鋼中合金元素的含量， 或減少合金的種類，尤其是降低貴重金屬的消耗，從而降低管材的成本。
[0028] (4)降低鋼中合金元素的含量，或減少合金的種類，可減少合金系列，為制定現場 焊接工藝以及施工帶來便利，從而降低管道鋪設成本。
[0029] (5)由于鋼管全長產生了塑性變形，可使螺旋焊管成型焊接殘余應力得以釋放，因 此可降低螺旋縫埋弧焊管的殘余應力。
[0030] (6)由于進行了冷擴徑，因此，可提高螺旋縫埋弧焊管的尺寸精度，包括焊管的直 徑、圓度及直度等。 【具體實施方式】
[0031] 本發明提供了一種利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法，包括：
[0032] 步驟S1 :根據擴徑前螺旋焊管的屈服強度和擴徑后需要達到的目標屈服強度，建 立屈服強度與擴徑率的函數關系，函數關系如式（1)所示：
[0033] Tsa = f (Tsb, Er) (1)
[0034] 式中，Tsa為螺旋焊管擴徑后屈服強度，單位為MPa ;Tsb為螺旋焊管擴徑前原始屈 服強度，單位為MPa ;Er為擴徑率，單位為％ ;
[0035] 函數關系與螺旋焊管的鋼級、壁厚、原始屈服強度水平、原材料的合金體系、目標 屈服強度等均有關系，需要通過嚴密的理論推導和實踐摸索獲得。
[0036] 步驟S2 :將螺旋焊管的原始屈服強度與設定的屈服強度閾值比較，得到屈服強度 比較結果；
[0037] 步驟S3 :根據屈服強度比較結果與函數關系，確定擴徑率；
[0038] 在步驟S3中，確定的螺旋焊管全長擴徑的擴徑率范圍控制在0. 3% -1. 5%。擴徑 率范圍的設定原則主要是：（1)保證螺旋焊管強度有一定量的提高；（2)兼顧其它性能如塑 性、韌性、屈強比等，以及鋼管的外徑、壁厚等尺寸偏差要求。
[0039] 步驟S4 :按照確定的擴徑率對螺旋焊管分段進行擴徑獲得成品。
[0040] 其中，步驟按照確定的擴徑率分段進行擴徑獲得成品包括：
[0041] 步驟S41 :首先通過擴徑頭上的光學系統和定位裝置，確定螺旋焊管焊縫的具體 位置；
[0042] 步驟S42 :再通過調節擴徑頭扇形模具上的刻槽位置，使扇形模具上的螺旋形刻 槽與螺旋焊管的焊縫重合，以避免擴徑時螺旋焊管的焊縫對擴徑頭造成傷害；
[0043] 步驟S43 :最后控制系統依據螺旋焊管焊縫螺旋角和鋼管給進速度計算擴徑頭旋 轉速度，使扇形模具上的螺旋形刻槽在擴徑過程中始終與螺旋焊管的焊縫吻合，對螺旋焊 管分段進行擴徑后獲得成品。
[0044] 其中，擴徑頭的扇形模具上的刻槽為螺旋形刻槽，且所述螺旋形刻槽與螺旋焊管 焊縫的螺旋角一致，以便在擴徑時避開焊縫，進行擴徑時，采用擴徑頭旋轉，鋼管直線給進， 擴徑頭上的刻槽和螺旋焊管焊縫重合后，對螺旋焊管分段進行擴徑，使焊管全長產生一定 量的塑性變形，從而利用形變強化原理來提高螺旋焊管的強度。
[〇〇45] 本發明提供的利用形變強化原理生產高強度螺旋縫埋弧焊管的方法，可以利用擴 徑率變化對鋼管屈服強度的影響規律，根據螺旋焊管不同的原始屈服強度選擇不同的擴徑 率，從而提高和控制螺旋焊管的屈服強度。針對螺旋焊管所用不同鋼廠、不同合金體系和不 同軋制工藝的原材料，通過測試和分析螺旋焊管強度與擴徑率的相關性，建立相關函數關 系，在擴徑過程中針對不同批次螺旋焊管選擇不同的擴徑率（即產生不同量的塑性變形） 進行擴徑，從而提高和控制螺旋縫埋弧焊管的強度。
[0046] 本發明提供的一種利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法生產的高強度螺旋 縫埋弧焊管，在提高強度的同時通過精確控制變形量保證塑性、韌性不發生明顯的下降。根 據擴徑率的不同（即塑性變形量不同），屈服強度提高范圍為〇-l〇〇MPa，抗拉強度提高范圍 為0-50MPa，韌性下降控制在0-80J。有益效果具體如下：
[〇〇47] (1)通過機械擴徑，使螺旋焊管產生一定量塑性變形，利用形變強化提高螺旋縫埋 弧焊管強度，從而獲得高強度螺旋縫埋弧焊管。
[0048] (2)由于鋼管全長產生了塑性變形，因此，使螺旋縫埋弧焊管的性能均勻。
[0049] (3)由于利用了形變強化原理來提高鋼管強度，因此可降低鋼中合金元素的含量， 或減少合金的種類，尤其是降低貴重金屬的消耗，從而降低管材的成本。
[0050] (4)降低鋼中合金元素的含量，或減少合金的種類，可減少合金系列，為制定現場 焊接工藝以及施工帶來便利，從而降低管道鋪設成本。
[0051] (5)由于鋼管全長產生了塑性變形，可使螺旋焊管成型焊接殘余應力得以釋放，因 此可降低螺旋縫埋弧焊管的殘余應力。
[0052] (6)由于進行了冷擴徑，因此，可提高螺旋縫埋弧焊管的尺寸精度，包括焊管的直 徑、圓度及直度等。
[0053] 下面根據幾個具體實施例對本案進行進一步說明。
[0054] 實施例1 :
[0055] 鋼管規格：Φ 1219 X 22mm螺旋縫埋弧焊管，鋼級X70。
[0056] 鋼管性能：屈服強度510MPa，抗拉強度630MPa，夏比沖擊韌性（_20°C ) 340J。
[0057] 采用擴徑率1. 0%的工藝全長冷擴徑，
[0058] 包括如下步驟：
[0059] 步驟SA1 :擴徑前焊管鋼級為X70,屈服強度為510Mpa，形變強化后焊管鋼級達到 X80,目標屈服強度控制在570-590MPa，根據擴徑前螺旋焊管的屈服強度和擴徑后需要達到 的目標屈服強度，建立屈服強度與擴徑率的函數關系Tsa = f (Tsb，Er)。
[0060] 步驟SA2:螺旋焊管的原始屈服強度Tsb為510MPa，設定的擴徑后焊管的屈服強度 閾值Tsa為570-590MPa，將螺旋焊管的原始屈服強度與設定的屈服強度閾值比較，焊管擴 徑前后屈服強度的比較結果為焊管屈服強度提高60-80MPa。
[0061] 步驟SA3:焊管擴徑前后屈服強度的比較結果為焊管屈服強度提高60-80MPa，通 過Tsa-Tsb = 53. 5Er2+5Er+13. 2計算，在計算過程中，屈服強度提高值取中間值進行計 算，計算獲得的擴徑率經四舍五入保留小數點后一位，通過上式試驗建立的該批焊管屈服 強度與擴徑率的關系（如表一所示），本實施例屈服強度提高值取中間值70MPa，通過計算 580-510 = 53. 5Er2+5Er+13. 2,確定擴徑率為 L 0%。
[0062] 表一
[0063]
【權利要求】
1. 一種利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法，其特征在于，包括： 根據擴徑前螺旋焊管的屈服強度和擴徑后需要達到的目標屈服強度，建立屈服強度與 擴徑率的函數關系，所述函數關系如式（1)所示： Tsa = f (Tsb, Er) (1) 式中，Tsa為螺旋焊管擴徑后屈服強度，單位為MPa ;Tsb為螺旋焊管擴徑前原始屈服強 度，單位為MPa ;Er為擴徑率，單位為％ ; 將所述螺旋焊管的原始屈服強度與設定的屈服強度閾值比較，得到屈服強度比較結 果； 根據所述屈服強度比較結果與所述函數關系，確定所述擴徑率； 按照確定的所述擴徑率對所述螺旋焊管分段進行擴徑獲得成品。
2. 如權利要求1所述的利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法，其特征在于，按照 確定的所述擴徑率分段進行擴徑獲得成品包括： 先通過擴徑頭上的光學系統和定位裝置，確定所述螺旋焊管焊縫的具體位置； 再通過調節擴徑頭扇形模具上的刻槽位置，使扇形模具上的螺旋形刻槽與螺旋焊管的 焊縫重合，以避免擴徑時螺旋焊管的焊縫對擴徑頭造成傷害； 最后控制系統依據螺旋焊管焊縫螺旋角和鋼管給進速度計算擴徑頭旋轉速度，使扇形 模具上的螺旋形刻槽在擴徑過程中始終與螺旋焊管的焊縫吻合，對螺旋焊管分段進行擴徑 后獲得成品。
3. 如權利要求1所述的利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法，其特征在于： 確定的所述擴徑率的范圍控制在〇. 3% -1. 5%。
4. 如權利要求2所述的利用形變強化生產高強度螺旋焊管的方法，其特征在于： 所述擴徑頭的扇形模具上的刻槽為螺旋形刻槽，且所述螺旋形刻槽與螺旋焊管焊縫的 螺旋角一致，進行擴徑時，采用擴徑頭旋轉，鋼管直線給進，使擴徑頭上的刻槽和螺旋焊管 焊縫重合后，對螺旋焊管分段進行擴徑。
【文檔編號】B21C37/12GK104084445SQ201410260987
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】熊慶人, 張冠軍, 李為衛, 馬秋榮, 林凱 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣集團公司管材研究所