利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法，包括：根据扩径前螺旋焊管的屈服强度和扩径后需要达到的目标屈服强度，建立屈服强度与扩径率的函数关系；将所述螺旋焊管的原始屈服强度与设定的屈服强度阈值比较，得到屈服强度比较结果；根据所述屈服强度比较结果与所述函数关系，确定所述扩径率；按照确定的所述扩径率分段对所述螺旋焊管进行扩径获得成品。本方法生产的高强度螺旋缝埋弧焊管，通过精确控制变形量，在提高强度的同时通过精确控制变形量保证塑性、韧性不发生明显的下降。
【专利说明】利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法 【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明涉及金属材料【技术领域】，特别涉及一种利用形变强化生产高强度螺旋焊管 的方法。 【背景技术】
[0002] 油气输送用大口径高强度焊管主要有两种管型，一种是直缝埋弧焊管，一种是螺 旋缝埋弧焊管。这两种焊管除了成型方式的不同外，其主要差异在于是否扩径。目前，直缝 埋弧焊管一般均要进行冷扩径，而螺旋缝埋弧焊管不进行冷扩径。
[0003] 冷扩径可以减少直缝埋弧焊管成型和焊接过程中的不均匀变形，降低成型和焊接 引起的残余应力，并改善其分布状态，同时改善直缝埋弧焊管的管体和管端几何尺寸精度， 使管体和管端的直径、圆度以及钢管两端的直径差等达到标准要求，便于现场焊接施工。冷 扩径的另一个重要作用是通过形变强化可提高直缝埋弧焊管的整体力学性能，冷扩径对钢 管的拉伸性能尤其是屈服强度影响显著，可提高钢管的屈服强度和抗拉强度，且前者较后 者的增加值大。
[0004] 对于高强度管线钢来说，通过增加贵重金属含量及优化合金组分、改进TMCP工艺 来进一步提高其强度，会造成管线钢制造成本的大幅增加。对用于生产高强度螺旋缝埋弧 焊管的热轧板卷来说尤其如此。大口径高强度螺旋缝埋弧焊管的试制和批量生产时遇到的 主要问题之一是钢管屈服强度偏低，很大一部分钢管的屈服强度低于标准要求值。例如，在 2007年西气东输二线工程用X80大口径螺旋缝埋弧焊管的试制和批量生产时遇到的主要 问题即为相当数量钢管的屈服强度不合格。
[0005] 如果大口径高强度螺旋缝埋弧焊管借鉴直缝埋弧焊管的生产方式，对螺旋缝埋弧 焊管全长进行冷扩径，即在成型焊接后增加一个全长冷扩径工序，使钢管全长产生一定量 的塑性变形，则可利用形变强化来提高螺旋缝埋弧焊管的强度。
[0006] 其次，对螺旋缝埋弧焊管全长进行冷扩径，还可使钢管性能均匀一致。目前为了保 证现场焊接质量，仅对大口径螺旋缝埋弧焊管管端扩径，扩径后管端性能变化，造成管端与 管体性能不一致，且对管端不进行取样检验，易出现质量问题。
[0007] 第三，利用形变强化来提高螺旋缝埋弧焊管的强度，可降低合金含量，减少贵重金 属的消耗量，从而降低钢管制造成本。
[0008] 第四，由于进行全长冷扩径后，螺旋缝埋弧焊管的生产工序与直缝埋弧焊管基本 一致，则螺旋焊管与直缝焊管的化学成分可接近，这样同一工程就可减少合金系列，为制定 现场焊接工艺以及施工带来便利，从而降低管道铺设成本。此外，这种利用形变强化生产高 强度螺旋焊管的方法，还可提高螺旋焊管的尺寸精度、降低其成型及焊接残余应力（残余 应力高也是螺旋焊管的主要缺点之一）。
[0009] 由于目前为了保证现场焊接质量，大口径高强度螺旋缝埋弧焊管在生产过程中一 般都要进行管端扩径，因此，对高强度螺旋缝埋弧焊管进行全长冷扩径，并不需要增加工 序，仅会延长工序时间。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题是提供一种利用形变强化原理生产高强度螺旋缝埋 弧焊管的方法，同时通过控制变形量保证塑性、韧性不发生明显的下降。
[〇〇11] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方 法，包括：
[0012] 根据扩径前螺旋焊管的屈服强度和扩径后需要达到的目标屈服强度，建立屈服强 度与扩径率的函数关系，所述函数关系如式（1)所示：
[0013] Tsa = f (Tsb, Er) (1)
[0014] 式中，Tsa为螺旋焊管扩径后屈服强度，单位为MPa ;Tsb为螺旋焊管扩径前原始屈 服强度，单位为MPa ;Er为扩径率，单位为％ ;
[0015] 将所述螺旋焊管的原始屈服强度与设定的屈服强度阈值比较，得到屈服强度比较 结果；
[0016] 根据所述屈服强度比较结果与所述函数关系，确定所述扩径率；
[0017] 按照确定的所述扩径率对所述螺旋焊管分段进行扩径获得成品。
[0018] 进一步地，按照所述确定的扩径率分段进行扩径获得成品包括：
[0019] 先通过扩径头上的光学系统和定位装置，确定所述螺旋焊管焊缝的具体位置；
[0020] 再通过调节扩径头扇形模具上的刻槽位置，使扇形模具上的螺旋形刻槽与螺旋焊 管的焊缝重合，以避免扩径时螺旋焊管的焊缝对扩径头造成伤害；
[0021] 最后控制系统依据螺旋焊管焊缝螺旋角和钢管给进速度计算扩径头旋转速度，使 扇形模具上的螺旋形刻槽在扩径过程中始终与螺旋焊管的焊缝吻合，对螺旋焊管分段进行 扩径后获得成品。
[0022] 进一步地，确定的所述扩径率的范围控制在0. 3% -1. 5%。
[0023] 进一步地，所述扩径头的扇形模具上的刻槽为螺旋形刻槽，且所述螺旋形刻槽与 螺旋焊管焊缝的螺旋角一致，进行扩径时，采用扩径头旋转，钢管直线给进，使扩径头上的 刻槽和螺旋焊管焊缝重合后，对螺旋焊管分段进行扩径。
[0024] 本发明提供的一种利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法，通过建立屈服强度 与扩径率的函数关系，根据设定的目标屈服强度等确定扩径率，最终采用机械扩径的方法 使螺旋焊管产生一定量塑性变形，从而利用形变强化原理提高螺旋缝埋弧焊管强度，获得 高强度螺旋缝埋弧焊管，根据扩径率的不同（即塑性变形量不同），屈服强度提高范围为 0-100MPa，抗拉强度提高范围为0-50MPa，韧性下降控制在0-80J，有益效果具体如下：
[0025] (1)通过机械扩径，使螺旋焊管产生一定量塑性变形，利用形变强化提高螺旋缝埋 弧焊管强度，从而获得高强度螺旋缝埋弧焊管。
[0026] (2)由于钢管全长产生了塑性变形，因此，使螺旋缝埋弧焊管的性能均匀。
[0027] (3)由于利用了形变强化原理来提高钢管强度，因此可降低钢中合金元素的含量， 或减少合金的种类，尤其是降低贵重金属的消耗，从而降低管材的成本。
[0028] (4)降低钢中合金元素的含量，或减少合金的种类，可减少合金系列，为制定现场 焊接工艺以及施工带来便利，从而降低管道铺设成本。
[0029] (5)由于钢管全长产生了塑性变形，可使螺旋焊管成型焊接残余应力得以释放，因 此可降低螺旋缝埋弧焊管的残余应力。
[0030] (6)由于进行了冷扩径，因此，可提高螺旋缝埋弧焊管的尺寸精度，包括焊管的直 径、圆度及直度等。 【具体实施方式】
[0031] 本发明提供了一种利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法，包括：
[0032] 步骤S1 :根据扩径前螺旋焊管的屈服强度和扩径后需要达到的目标屈服强度，建 立屈服强度与扩径率的函数关系，函数关系如式（1)所示：
[0033] Tsa = f (Tsb, Er) (1)
[0034] 式中，Tsa为螺旋焊管扩径后屈服强度，单位为MPa ;Tsb为螺旋焊管扩径前原始屈 服强度，单位为MPa ;Er为扩径率，单位为％ ;
[0035] 函数关系与螺旋焊管的钢级、壁厚、原始屈服强度水平、原材料的合金体系、目标 屈服强度等均有关系，需要通过严密的理论推导和实践摸索获得。
[0036] 步骤S2 :将螺旋焊管的原始屈服强度与设定的屈服强度阈值比较，得到屈服强度 比较结果；
[0037] 步骤S3 :根据屈服强度比较结果与函数关系，确定扩径率；
[0038] 在步骤S3中，确定的螺旋焊管全长扩径的扩径率范围控制在0. 3% -1. 5%。扩径 率范围的设定原则主要是：（1)保证螺旋焊管强度有一定量的提高；（2)兼顾其它性能如塑 性、韧性、屈强比等，以及钢管的外径、壁厚等尺寸偏差要求。
[0039] 步骤S4 :按照确定的扩径率对螺旋焊管分段进行扩径获得成品。
[0040] 其中，步骤按照确定的扩径率分段进行扩径获得成品包括：
[0041] 步骤S41 :首先通过扩径头上的光学系统和定位装置，确定螺旋焊管焊缝的具体 位置；
[0042] 步骤S42 :再通过调节扩径头扇形模具上的刻槽位置，使扇形模具上的螺旋形刻 槽与螺旋焊管的焊缝重合，以避免扩径时螺旋焊管的焊缝对扩径头造成伤害；
[0043] 步骤S43 :最后控制系统依据螺旋焊管焊缝螺旋角和钢管给进速度计算扩径头旋 转速度，使扇形模具上的螺旋形刻槽在扩径过程中始终与螺旋焊管的焊缝吻合，对螺旋焊 管分段进行扩径后获得成品。
[0044] 其中，扩径头的扇形模具上的刻槽为螺旋形刻槽，且所述螺旋形刻槽与螺旋焊管 焊缝的螺旋角一致，以便在扩径时避开焊缝，进行扩径时，采用扩径头旋转，钢管直线给进， 扩径头上的刻槽和螺旋焊管焊缝重合后，对螺旋焊管分段进行扩径，使焊管全长产生一定 量的塑性变形，从而利用形变强化原理来提高螺旋焊管的强度。
[〇〇45] 本发明提供的利用形变强化原理生产高强度螺旋缝埋弧焊管的方法，可以利用扩 径率变化对钢管屈服强度的影响规律，根据螺旋焊管不同的原始屈服强度选择不同的扩径 率，从而提高和控制螺旋焊管的屈服强度。针对螺旋焊管所用不同钢厂、不同合金体系和不 同轧制工艺的原材料，通过测试和分析螺旋焊管强度与扩径率的相关性，建立相关函数关 系，在扩径过程中针对不同批次螺旋焊管选择不同的扩径率（即产生不同量的塑性变形） 进行扩径，从而提高和控制螺旋缝埋弧焊管的强度。
[0046] 本发明提供的一种利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法生产的高强度螺旋 缝埋弧焊管，在提高强度的同时通过精确控制变形量保证塑性、韧性不发生明显的下降。根 据扩径率的不同（即塑性变形量不同），屈服强度提高范围为〇-l〇〇MPa，抗拉强度提高范围 为0-50MPa，韧性下降控制在0-80J。有益效果具体如下：
[〇〇47] (1)通过机械扩径，使螺旋焊管产生一定量塑性变形，利用形变强化提高螺旋缝埋 弧焊管强度，从而获得高强度螺旋缝埋弧焊管。
[0048] (2)由于钢管全长产生了塑性变形，因此，使螺旋缝埋弧焊管的性能均匀。
[0049] (3)由于利用了形变强化原理来提高钢管强度，因此可降低钢中合金元素的含量， 或减少合金的种类，尤其是降低贵重金属的消耗，从而降低管材的成本。
[0050] (4)降低钢中合金元素的含量，或减少合金的种类，可减少合金系列，为制定现场 焊接工艺以及施工带来便利，从而降低管道铺设成本。
[0051] (5)由于钢管全长产生了塑性变形，可使螺旋焊管成型焊接残余应力得以释放，因 此可降低螺旋缝埋弧焊管的残余应力。
[0052] (6)由于进行了冷扩径，因此，可提高螺旋缝埋弧焊管的尺寸精度，包括焊管的直 径、圆度及直度等。
[0053] 下面根据几个具体实施例对本案进行进一步说明。
[0054] 实施例1 :
[0055] 钢管规格：Φ 1219 X 22mm螺旋缝埋弧焊管，钢级X70。
[0056] 钢管性能：屈服强度510MPa，抗拉强度630MPa，夏比冲击韧性（_20°C ) 340J。
[0057] 采用扩径率1. 0%的工艺全长冷扩径，
[0058] 包括如下步骤：
[0059] 步骤SA1 :扩径前焊管钢级为X70,屈服强度为510Mpa，形变强化后焊管钢级达到 X80,目标屈服强度控制在570-590MPa，根据扩径前螺旋焊管的屈服强度和扩径后需要达到 的目标屈服强度，建立屈服强度与扩径率的函数关系Tsa = f (Tsb，Er)。
[0060] 步骤SA2:螺旋焊管的原始屈服强度Tsb为510MPa，设定的扩径后焊管的屈服强度 阈值Tsa为570-590MPa，将螺旋焊管的原始屈服强度与设定的屈服强度阈值比较，焊管扩 径前后屈服强度的比较结果为焊管屈服强度提高60-80MPa。
[0061] 步骤SA3:焊管扩径前后屈服强度的比较结果为焊管屈服强度提高60-80MPa，通 过Tsa-Tsb = 53. 5Er2+5Er+13. 2计算，在计算过程中，屈服强度提高值取中间值进行计 算，计算获得的扩径率经四舍五入保留小数点后一位，通过上式试验建立的该批焊管屈服 强度与扩径率的关系（如表一所示），本实施例屈服强度提高值取中间值70MPa，通过计算 580-510 = 53. 5Er2+5Er+13. 2,确定扩径率为 L 0%。
[0062] 表一
[0063]
【权利要求】
1. 一种利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法，其特征在于，包括： 根据扩径前螺旋焊管的屈服强度和扩径后需要达到的目标屈服强度，建立屈服强度与 扩径率的函数关系，所述函数关系如式（1)所示： Tsa = f (Tsb, Er) (1) 式中，Tsa为螺旋焊管扩径后屈服强度，单位为MPa ;Tsb为螺旋焊管扩径前原始屈服强 度，单位为MPa ;Er为扩径率，单位为％ ; 将所述螺旋焊管的原始屈服强度与设定的屈服强度阈值比较，得到屈服强度比较结 果； 根据所述屈服强度比较结果与所述函数关系，确定所述扩径率； 按照确定的所述扩径率对所述螺旋焊管分段进行扩径获得成品。
2. 如权利要求1所述的利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法，其特征在于，按照 确定的所述扩径率分段进行扩径获得成品包括： 先通过扩径头上的光学系统和定位装置，确定所述螺旋焊管焊缝的具体位置； 再通过调节扩径头扇形模具上的刻槽位置，使扇形模具上的螺旋形刻槽与螺旋焊管的 焊缝重合，以避免扩径时螺旋焊管的焊缝对扩径头造成伤害； 最后控制系统依据螺旋焊管焊缝螺旋角和钢管给进速度计算扩径头旋转速度，使扇形 模具上的螺旋形刻槽在扩径过程中始终与螺旋焊管的焊缝吻合，对螺旋焊管分段进行扩径 后获得成品。
3. 如权利要求1所述的利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法，其特征在于： 确定的所述扩径率的范围控制在〇. 3% -1. 5%。
4. 如权利要求2所述的利用形变强化生产高强度螺旋焊管的方法，其特征在于： 所述扩径头的扇形模具上的刻槽为螺旋形刻槽，且所述螺旋形刻槽与螺旋焊管焊缝的 螺旋角一致，进行扩径时，采用扩径头旋转，钢管直线给进，使扩径头上的刻槽和螺旋焊管 焊缝重合后，对螺旋焊管分段进行扩径。
【文档编号】B21C37/12GK104084445SQ201410260987
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】熊庆人, 张冠军, 李为卫, 马秋荣, 林凯 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所