張季惠 唐林虎
(1.西北民族大學(xué)化工學(xué)院;2.蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院)
管道運(yùn)輸是我國石油和天然氣最主要的運(yùn)輸方式[1],高性能X80管線鋼是用于生產(chǎn)輸油(氣)管道的主要鋼材,鋼管擴(kuò)徑是 UOE制管工藝的最后尺寸和精度的關(guān)鍵工藝[2, 3], 機(jī)械擴(kuò)徑對焊管的殘余應(yīng)力均有顯著的削峰作用[4],鋼管生產(chǎn)中采用的機(jī)械擴(kuò)徑頭是淬火后的冷作模具鋼(62±1HRC)[5]。目前,學(xué)者針對X80管線鋼的沖擊韌性[6]、耐腐蝕性[7]、不同土壤中的電化學(xué)性能[8]、疲勞壽命預(yù)測[9]及不同電化學(xué)環(huán)境下斷裂特性等方面展開了深入研究[10]。蔡錦達(dá)等通過建立錐形模機(jī)械擴(kuò)徑力解析公式,揭示了擴(kuò)徑力與摩擦系數(shù)的關(guān)系[4]。李聚群通過揭示摩擦與彎曲中性層的關(guān)系,建立了半徑與摩擦系數(shù)的公式,分析了摩擦對擴(kuò)徑口部拉裂的影響[11]。擴(kuò)徑過程中,擴(kuò)徑頭與X80管線鋼處于高壓狀態(tài)下的摩擦磨損狀態(tài),這將會導(dǎo)致X80管線鋼內(nèi)壁的形貌發(fā)生改變,引起摩擦表面損傷,從而縮短輸油(氣)管道的壽命;另外,摩擦系數(shù)對擴(kuò)徑頭的力學(xué)特性也會產(chǎn)生顯著影響。而目前未發(fā)現(xiàn)有關(guān)于X80管線鋼摩擦磨損特性的相關(guān)論文。筆者將通過研究管線鋼X80(評價(jià)材料)與淬硬冷作模具鋼Cr12MoV(62±1HRC,對偶材料)的摩擦磨損特性,為X80管線鋼輸油(氣)管道的生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。
以球-盤接觸方式,在中科院化物所THT07-135型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行X80管線鋼(評價(jià)材料)與淬硬冷作模具鋼Cr12MoV(62±1HRC,對偶材料)的干式滑動摩擦磨損試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為室溫,相對濕度40%,試驗(yàn)前后將全部試樣放入溶液經(jīng)超聲波清洗。上試樣采用X80管線鋼,直徑為5mm,長度為15mm,銷的一端是直徑為5mm的球頭;下試樣為直徑28mm,厚度4mm的片狀Cr12MoV試樣,經(jīng)1 040℃熱處理,并經(jīng)低溫回火后,得到硬度60±1HRC的樣件[12]。 試驗(yàn)X80管線鋼上試樣磨損前后的質(zhì)量差利用電子天平稱量,單位滑動距離的磨損率計(jì)算公式為Ws=Δm/L。磨損上試樣及其磨損形貌采用附有能譜儀的FEI INSPECT F50熱場掃描電鏡進(jìn)行觀察。
圖1為不同滑動速度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線,可以看出,摩擦系數(shù)隨滑動時(shí)間的增長逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)摩擦階段。另外,滑動速度越大,達(dá)到穩(wěn)態(tài)摩擦階段的時(shí)間越短。
圖1 不同滑動速度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線
圖2為摩擦系數(shù)隨滑動速度的變化規(guī)律曲線,可以看出,X80管線鋼與Cr12MoV干式滑動摩擦?xí)r,摩擦系數(shù)在0.701~0.828范圍變化。隨著滑動速度的提高,摩擦系數(shù)先緩慢增大,當(dāng)滑動速度達(dá)到0.15m/s時(shí),摩擦系數(shù)以較大的幅度增大,當(dāng)滑動速度為0.20m/s時(shí),摩擦系數(shù)達(dá)到最大值0.828,之后緩慢下降。總體上,滑動速度越低,摩擦系數(shù)越小。如圖3所示,X80管線鋼的磨損率隨滑動速度的提高基本呈線性增長。
圖2 摩擦系數(shù)隨滑動速度的變化規(guī)律曲線
圖3 滑動速度對磨損率的影響
圖4為不同滑動速度下X80管線鋼磨損形貌的SEM顯微照片,顯然,滑動速度在0.05~0.15m/s范圍變化時(shí),磨損形貌基本相同,在形貌特征方面與滑動速度為0.20m/s和0.25m/s時(shí)有明顯的區(qū)別。在低速時(shí),磨損表面粗糙,如圖4a~c所示,在摩擦表面上存在大量魚鱗片狀物、少量疲勞裂紋、稀少的凹坑(0.05m/s除外),顯然,滑動速度為0.05m/s時(shí),X80管線鋼發(fā)生磨粒磨損及較輕的疲勞磨損,間或附帶粘結(jié)磨損。當(dāng)滑動速度繼續(xù)增大時(shí),磨損表面稍有軟化現(xiàn)象,如圖4c所示。當(dāng)滑動速度增到0.20m/s時(shí),磨損表面更加光滑平整(圖4d),這是因?yàn)榇藭r(shí)由于溫度升高,使得金屬表面軟化,從而淬硬鋼Cr12MoV對X80管線鋼有熨抹效應(yīng),粘附效應(yīng)加重,此時(shí),X80管線鋼發(fā)生粘結(jié)磨損。圖5為下試樣Cr12MoV的磨損表面,顯然,該摩擦表面有從上試樣X80管線鋼上粘帶下的材料。當(dāng)滑動度增到0.25m/s時(shí),摩擦過程中的溫度更高(圖4e),磨損表面更加軟化,此時(shí)在上試樣球面的帶動下,發(fā)生金屬流變,熨抹效應(yīng)更加明顯,故摩擦系數(shù)稍有降低。期間附伴有熔焊現(xiàn)象,如圖4f為對圖4e上熔融物的EDS分析,結(jié)果表明,該融焊物是含氧量為24%的金屬氧化物。
圖4 不同滑動速度下X80管線鋼磨損
圖5 不同滑動速度下Cr123MoV磨損
圖6為不同法向載荷下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線,可以看出,法向載荷為1N時(shí)的摩擦過程不太平穩(wěn),摩擦系數(shù)波動幅度較大。
圖6 不同法向載荷下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線
圖7是法向載荷對X80管線鋼摩擦特性的影響規(guī)律,隨法向載荷的增大,摩擦系數(shù)先以較大幅度升高,當(dāng)載荷為3N時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最大值0.746,當(dāng)載荷為5N時(shí)略降到0.735,當(dāng)載荷為7N時(shí)升高到0.745,之后又降低到0.728。圖8表明,X80管線鋼的磨損率隨載荷的增大以非線性的方式逐漸升高,這說明載荷越大,相應(yīng)的磨損率升高的幅度越大。
圖7 法向載荷對X80管線鋼摩擦特性的影響
圖8 法向載荷對X80管線鋼磨損率的影響
圖9為不同法向載荷下X80管線鋼磨損表面的SEM顯微照片,仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)形貌的變化與摩擦系數(shù)的變化有直接聯(lián)系。圖9a有平行于滑動方向的犁溝,說明X80管線鋼存在較為嚴(yán)重的磨粒磨損,且伴有粘結(jié)磨損,如圖10a所示,對偶盤Cr12MoV表面明顯有從上試樣X80管線鋼粘結(jié)的材料。9b和10b表明,當(dāng)載荷增大后, X80管線鋼磨損表面較為光滑,形成了較寬的犁溝,為磨粒磨損與粘結(jié)磨損并存。圖9c、e磨損表面較為光滑,有魚鱗片狀物,結(jié)合圖10c、e可知,載荷為5N時(shí),以磨粒磨損為主,較輕的疲勞磨損與極少的粘結(jié)磨損為輔,當(dāng)載荷為9N時(shí),以磨粒磨損與粘結(jié)磨損為主。
圖9 不同法向載荷下X80管線鋼磨損
圖10 不同法向載荷下Cr12MoV磨損
3.1當(dāng)滑動速度在0.05~0.15m/s范圍變化時(shí),滑動速度對摩擦系數(shù)的影響有限,摩擦系數(shù)在0.701~0.735內(nèi)變化,當(dāng)在0.15~0.25m/s范圍變化時(shí),滑動速度對摩擦系數(shù)的影響較大,摩擦系數(shù)在0.701~0.828內(nèi)變化。
3.2當(dāng)法向載荷在1~3N范圍時(shí),載荷對摩擦系數(shù)的影響較大,摩擦系數(shù)在0.648~746內(nèi)變化;當(dāng)法向載荷在3~9N范圍時(shí),載荷對摩擦系數(shù)基本無影響。
3.3X80管線鋼的磨損率隨滑動速度的提高以線性方式增大;而隨法向載荷的增大以非線性方式升高,載荷越大,對磨損率影響程度越顯著。
3.4滑動速度在0.05~0.15m/s范圍變化時(shí),X80管線鋼發(fā)生磨粒磨損及較輕的疲勞磨損,間或附帶粘結(jié)磨損;增到0.20m/s時(shí),發(fā)生粘結(jié)磨損;當(dāng)增到0.25m/s時(shí),磨損表面更加軟化,附伴有熔焊現(xiàn)象。
3.5當(dāng)法向載荷為1N時(shí),X80管線鋼存在較為嚴(yán)重的磨粒磨損,且伴有粘結(jié)磨損;在載荷增大至3N時(shí),以磨粒磨損與粘結(jié)磨損為主。當(dāng)法向載荷為5、7N時(shí),以磨粒磨損為主,較輕的疲勞磨損與極少的粘結(jié)磨損為輔,當(dāng)載荷為9N時(shí),以磨粒磨損與粘結(jié)磨損為主。
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