斜轧穿孔孔腔的形成及预防

梁海泉，秦利波，李进喜，张嘉麟

斜轧穿孔孔腔的形成及预防

梁海泉，秦利波，李进喜，张嘉麟

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

分析了穿孔毛管管坯中心出现孔腔的机理，根据滑移线场原理深入阐述了影响孔腔形成的力学因素，提出增加横向附加压应力改善中心区域应力状态的思想，并据此提出减小导板间距的方法，以避免孔腔形成。实际应用结果显示：将穿孔机导板间距由151 mm调整至149 mm，可避免因顶头前伸量过小引起的孔腔，有效改善管体壁厚均匀度。

无缝钢管；斜轧穿孔；孔腔；滑移线场；临界压下量；应力

随着穿孔工艺的进步和技术的提高，穿孔毛管质量不断得到改善［1-6］。同时，为了避免管坯形成孔腔而致使成品管形成内折，众多技术专家学者对穿孔毛管孔腔形成机理进行了深入研究［7-9］。本文在已有研究成果的基础上，采用滑移线场方法阐释孔腔形成机理，并根据力学分析结果，结合生产实践，提出新的对策。

1 孔腔的形成与内折

斜轧穿孔实心管坯时，因压下量的逐步增加和金属的纵横向流动，管坯中心在二次咬入之前即产生破裂，在顶头接触管坯前常易出现金属中心破裂现象。随着管坯的不断旋转和轧辊的辗轧作用，管坯中心破裂区域逐步扩大并相互连接，同时，在裂口部位将产生应力集中，进而导致破裂区域迅速扩展。当管坯中心金属破裂面积增大至一定程度后，管坯中心金属连续性破坏，形成中心孔洞，亦即孔腔，如图1所示［10］。

管坯中心区域形成孔腔后，内表面粗糙度较高，当与顶头相互接触，将在顶头轴向力和切向力的综合作用下，粗糙表面凸起部分或与基体剥离部分金属将黏附在管体上。同时，由于孔腔内表面金属处于高温状态，极易被空气氧化而与基体无法焊合，最终造成大量内折形成。孔腔表面内折形貌如图2所示。内折缺陷将恶化钢管内表面质量，严重时形成通体内折，以致形成废品。因此，穿孔过程中力求避免过早形成孔腔。

图1 孔腔形成示意

图2 孔腔表面内折形貌

2 形成机理与影响因素

2.1 孔腔形成机理

根据轧制变形原理，切应力可以使得一部分金属相对于另一部分金属进行滑动，即进行所谓的滑移。如果切应力未超过材料的断裂强度，那么两部分金属仍然没有被切断，所以金属各部分间仍存在一定的联系；若变形区内存在裂纹，垂直于显微裂纹的横向拉应力将使裂纹端部产生较强的应力集中，致使两侧的金属迅速分开，裂纹面积加大，最终使得相对滑移的两部分金属完全失掉联系，即破裂。具体到管坯穿孔过程，在轧件进入穿孔变形区后，随着压下量逐渐增加，变形渗透不断增大，变形区滑移线场分布如图3所示［11］。图3（a）～（d）所示压下量逐渐增大，当压下量达到图3（d）所示程度，中心区域开始发生剪切变形。同时，由于各区域变形的不均匀性，中心区域存在横向拉应力，其应力分布状态如图4所示。随着穿孔过程的进行，管坯不断旋转，从而切应力和正应力不断反复变换方向，这将在一定程度上削弱金属的强度，促进中心裂纹的发生和发展。于是，坯料中心在不断变换方向的剪切应力和横向拉伸应力作用下，塑性变形很快发展起来，当达到强度极限后坯料中心区域金属破裂，进而形成孔腔［12］。

2.2 影响因素

诸多因素对穿孔孔腔的形成有影响，而其主要影响因素包括：管坯成分、顶前压下量、椭圆度和单位压缩次数等。当管坯成分相同，不同因素以不同力学机理对孔腔的形成发生作用。

图3 变形区滑移线场分布示意

图4 中心区域应力分布状态示意

（1）顶前压下量的影响。顶前压下量决定了管坯金属在二次咬入之前的不均匀变形程度。随着顶前压下量的增加，管坯金属的不均匀变形程度不断增加，滑移线场渗透区域不断增大，导致管坯中心区域的切应力和正应力值增加，尤其是横向附加应力值不断增大，从而容易促使管坯中心孔腔形成。为了避免顶前压下量过大，一般用临界压下量来表示压缩量的最大值。20钢在不同工艺条件下的临界压下量见表1［12］。当压缩量小于临界压下量，则不易形成孔腔或不形成孔腔。

表1 20钢临界压下量

（2）椭圆度的影响。按照体积不变定律可知，横向变形愈大则纵向延伸愈小，并导致管坯中心区域横向拉应力增加。在管坯穿孔过程中，横断面上存在很大的不均匀变形，而这种不均匀变形使得椭圆度增加，而大的椭圆度值导致横向拉应力值增大，金属的横向扩展随之增加，加剧了孔腔形成趋势。因此，实际生产中应当采用较小的椭圆度进行管坯穿孔。

（3）单位压缩次数的影响。在管坯穿孔过程中，单位压缩次数是指从一次咬入到二次咬入过程中管坯的旋转次数，随着旋转次数的增多，管坯中心切应力和拉应力的交变次数增加。由于中心区域金属在反复交变应力作用下强度将会降低，并在应力值达到破裂极限时，中心区域金属破裂并形成孔腔，所以在顶前压下量不变的条件下，反复交变次数的增多将更容易导致管坯金属中心开裂，即形成孔腔。孔腔形成过程如图5所示［13］。

图5 孔腔形成过程示意

综合上述3个因素可知，避免孔腔形成的方法包括：减小顶前压下量，减小变形区轧件椭圆度和减少管坯顶前单位压缩次数。因此，实际生产中多采用减小顶头前伸量方法避免孔腔形成。

3 解决对策

在实际生产过程中，无定心穿孔工艺存在成品管头部壁厚均匀性差的缺点，该缺点是制约成材率提高的关键因素。为提高钢管的头部壁厚均匀性，需采用减小顶头前伸量的措施，但是生产中易出现管体内折现象。因此，在力学分析结果基础上提出新的解决办法，可有效解决顶头前伸量过小而导致孔腔形成的问题。

3.1 对策分析

由孔腔形成机理可知，切应力提供了初始显微裂纹，而拉应力将其撕裂程度迅速扩展。初始正应力分布状态中心区域拉应力最小，如图6（a）所示；因此，降低拉应力强度σmax将成为避免孔腔形成的有效措施。据此原理，在实际生产中可采用减小导板间距的措施，使导板对轧件的横向约束强度增加，且轧件与导板接触面积增大，从而使轧件在横向叠加应力σp作用下，中心区域拉应力强度降低至（σmax-σp），如图6（b）所示。而导板间距减小即椭圆度减小，有利于轧件不均匀变形在轧件中心产生的拉应力减小，即有利于避免孔腔形成。同时，应避免导板间距过小导致纯轧时间过长，单位压缩次数增加，反而增大孔腔形成趋势。

图6 管坯横断面应力状态

3.2 生产实践

3.2.1 实际问题

国内某钢管公司在生产J55钢级Φ139.7 mm× 7.72 mm石油套管时采用了无定心穿孔工艺，工艺参数及试验结果见表2。在生产过程中，由于顶头前伸量较大，管坯自定心作用没有被充分利用，壁厚不均程度较为严重。采用工艺1时，有31%的钢管，其头部壁厚不均度大于壁厚公差的80%（表2）。

表2 J55钢级Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管工艺参数及试验结果

为了提高成材率，充分利用管坯端部压下纠正头部偏心的工艺规律，改进工艺参数，减小顶头前伸量（工艺2）。顶头后置有效解决了头部壁厚不均问题，不均度大于壁厚公差的80%的钢管比例降低至13%。但由于顶头前伸量较小，10%的钢管出现了通体内折现象。减小顶头前伸量后钢管的内表面状态如图7所示。

由此可见，在无定心穿孔工艺中，顶头位置的调整关系到壁厚均匀性和孔腔形成的两个相互矛盾的因素，工艺2不能解决内折问题。

图7 减小顶头前伸量后钢管的内表面状态

3.2.2 问题的解决

由孔腔形成的影响因素可知，产生内折的原因是顶前压下量过大，超出临界压下量。为改善钢管头部壁厚均匀度，顶头位置亦不可后移，所以在工艺2的基础上调整导板间距，使管坯横向产生附加压应力，从而改善应力状态，避免孔腔的形成。因此，工艺3将导板间距由151 mm减小至149 mm。

生产结果表明，采用工艺3生产的钢管，其内表面质量良好，钢管产生内折的比例为0，即钢管100%无内折缺陷，减小导板间距后钢管的内表面状态如图8所示。同时，工艺3明显改善了钢管壁厚不均度，分析结果见表2。从表2可以看出：壁厚不均度大于80%壁厚公差的钢管比例降至4%，且比例为88%钢管壁厚不均度小于60%壁厚公差。

图8 减小导板间距后钢管的内表面状态

由此可知，采取减小导板间距方法（工艺3）能有效解决管体内折问题和壁厚不均问题，使管体内折得到解决且提高成材率。同时，这一结果也证明了3.1节的力学分析原理适用于实际工业生产。

4 结论

（1）通过滑移线场分析，管坯中心区域由于变形量逐步增加，滑移线场逐步渗透，经切应力、正应力的综合作用及方向改变，最终致使中心区域开裂并形成孔腔。

（2）通过力学分析得出，避免孔腔形成的方法包括：减小顶前压下量，减小变形区轧件椭圆度和减少管坯顶前单位压缩次数。

（3）通过生产实践研究，将导板间距由151 mm减小至149 mm，管坯中心产生横向附加压应力，100%钢管无内折缺陷，从而有效避免了顶头前伸量过小致使孔腔形成的问题。

（4）通过减小导板间距，在有效避免孔腔形成的同时，管体壁厚均匀度得到有效改善，壁厚不均度超过80%的钢管比例降至4%。

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Formation of Cavity During Rotary Piercing and its Prevention

LIANG Haiquan，QIN Libo，LI Jinxi，ZHANG Jialin
（Tianjin Pipe（Group）Corporation，Tianjin 300301，China）

Analyzed in the paper is the forming mechanism of the cavity occurs in the center of a piercing shell. Based on the principle of slip line field，the mechanical factors leading to the formation of a cavity is elaborated.To avoid the formation of a cavity，the idea of improving the stress condition at the center area by adding a transversal compression stress is put forward，and so is the method of reducing the distance between the guide shoes.The application results indicate that when the distance between the guide shoes is adjusted from 151 mm to 149 mm，it is able to prevent the insufficient plug lead from causing a cavity，and to improve the homogeneity of pipe body wall thickness.

seamless steel tube；rotary piercing；cavity；slip line field；critical reduction；stress

TG335.71

B

1001-2311（2016）05-0034-04

2016-04-15；修定日期：2016-05-12）

梁海泉（1977-），男，高级工程师，主要从事管材工艺研究与新技术开发等工作。