包辛格效應對螺旋焊管強度性能的影響

一、概述

包辛格效應(Bauschinger effect)是指在金屬塑性加工過程中正向加載引起的塑性應變強化導致金屬材料在隨後的反向加載過程中呈現塑性應變軟化（屈服極限降低）的現象。當將金屬材料先拉伸到塑性變形階段後卸載至零，再反向加載，即進行壓縮變形時，材料的壓縮屈服極限比原始態（即未經預先拉伸塑性變形而直接進行壓縮）的屈服極限明顯要低。若先進行壓縮使材料發生塑性變形，卸載至零後再拉伸時，材料的拉伸屈服極限同樣是降低的。

本文針對使用國內某大型鋼廠的X65熱軋卷板製成螺旋焊管的成型過程，包辛格效應造成的鋼板強度性能的變化進行研究分析，搞清楚包辛格效應影響程度如何，對後續訂製熱軋卷板的性能要求可以做到更加合理，避免造成強度不合格的產品。

二、試驗方法和內容

1.研究中採用X65鋼級的螺旋焊管，規格為Φ711.2mm×10.72mm。試驗用樣均在生產線上取樣。拉伸性能取樣有鋼帶橫向、鋼帶縱向、鋼帶45°方向、制管成型角50°方向和管體橫向五種；試驗卷板上沿著鋼帶長度方向分別取樣為卷板頭部、卷板1/4處、卷板1/2處、卷板3/4處和卷板尾部五種拉伸試樣。卷板拉伸性能評判試樣在鋼帶寬度1/4處取樣，包辛格效應取樣在鋼帶1/2處取樣。每組試樣連續切取9塊試件，依照自然數1-9順序編號。編號2#、5#、8#的試件在制管廠研究所進行試驗，編號1#、4#、7#的的試樣由鋼廠進行試驗，編號3#、6#、9#的試樣備用。

2.試驗結果和分析

（1）熱軋卷板的屈服強度分佈

屈服強度是熱軋卷板定義鋼級的基本數據，其大小值直接關係到鋼級的分類。分析數據表明，不同公稱厚度、不同方向、沿卷板不同長度處的取樣，測量的屈服強度值偏差不小，存在有明顯的各向異性。

公稱厚度10.72mm的熱軋卷板，展開卷板在頭部、1/4處、3/4處和板尾取樣的檢測結果顯示，屈服強度平均值相差42-60MPa；縱向試樣屈服強度平均值相差27-65MPa,45°方向取樣屈服強度平均值相差30-54MPa。板頭、板尾和45°方向的取樣，共同特徵是板頭、板尾屈服強度值高，卷板中部區域屈服強度值低的U型分佈規律。

分析卷板同一位置三個方向的屈服強度值，表現為卷板的橫向屈服強度值最高，45°方向位置屈服強度值次之，卷板的縱向屈服強度值最低；三個方向屈服強度值差異隨位置不同而不同，板頭、板尾三個方向屈服強度值相差大，卷板中部三個方向屈服強度值差異小，尤其是在卷板中部區域縱向和45°方向的屈服強度值基本一致。

（2）卷板制管前後屈服強度值得變化

按照美國石油學會API 5L標準規定，焊接鋼管的屈服強度依照管徑大小選取試樣的方向，試樣的屈服強度作為鋼管的屈服強度。規格為Φ711.2mm的鋼管，判定鋼管屈服強度的試樣為管體橫向試樣。

卷板在生產螺旋埋弧焊鋼管前後的屈服強度變化，是以管體橫向屈服強度與其相鄰的同一位置卷板的屈服強度的差異值衡量，通常情況都是降低的，這也就是所謂的包辛格效應的影響。Φ711.2mm×10.72mm規格鋼管的生產成型角為50°，所以在對卷板制管前後屈服強度變化的測試中，卷板首先在給定位置按照50°方向取樣，然後在鋼管的對應位置取樣。監測數據顯示，卷板頭部位置至關後屈服強度下降幅度較大，卷板中部位置制管後屈服強度下降相對較小。

屈服強度值的降低驗證了包辛格效應對強度值的影響。下降幅度超出了鋼廠給出的變化值範圍。分析可能與卷板的合金成分設計以及軋製工藝有關，目前採用的都是低合金高強鋼成分設計，以前主要是碳錳鋼成分設計。

綜合以上數據分析，向鋼廠訂貨卷板的屈服強度除了滿足API 5L標準規定的最低值、工程用管屈服強度允許範圍外，一定要考慮卷板自身的強度分佈不均勻性以及卷板制管後的屈服強度下降問題。因此，最後向鋼廠訂貨卷板的屈服強度值應為：

最高值=標準規定最低值(448)+工程允許的上限值(125)+卷板頭尾部制管後的下降值

最低值=標準規定最低值(448)+卷板中部制管後的下降值

最終向鋼廠訂貨卷板的屈服強度為：

最高值=448+125+（60～104）=633～677（MPa）

最低值=448+（56 ～75）=504～523（MPa）

另外，卷板入廠檢驗一般都在卷板的頭、尾部取樣，考慮到熱軋卷板存在的不均勻性（卷板頭尾45°方向比中部大30—54MPa），入廠檢驗數據應該在554MPa以上才能算合格，也才能保證卷板中部屈服強度不低於504—523MPa，這樣才能解決生產過程中屈服強度不合格的問題。

三、結論

根據試驗結果和分析，得出如下結論。

1.鋼廠生產的X65熱軋卷板屈服強度存在明顯的各向異性，卷板的橫向、縱向和45°方向差值為25—75MPa，橫向強度最高、45°方向次之、縱向最低。

2.鋼廠生產的X65熱軋卷板屈服強度沿板廠方向強度分佈呈現U型特徵，最大偏差值為60MPa。

3.鋼廠生產的X65熱軋卷板制管後，屈服強度下降，符合包辛格效應的特點；卷板強度高的位置，屈服強度下降越大，屈服強度低的位置，下降值也小。

4.Φ711.2mm×10.72mm規格鋼管的生產中，卷板對應的管體方向屈服強度平均值下降了56—104MPa。

5.鋼廠訂貨的X65熱軋卷板，考慮到以上影響，要求屈服強度（45°方向）最低值為504—523MPa，最高值為633—677MPa。

6.鋼廠供應的X65熱軋卷板，入廠檢驗要求屈服強度（45°方向）高於554MPa，才會避免鋼管屈服強度不合格的現象。