油气管道X80管线钢的干式滑动摩擦磨损特性研究①

张季惠 唐林虎

(1.西北民族大学化工学院；2.兰州工业学院机电工程学院)

管道运输是我国石油和天然气最主要的运输方式[1]，高性能X80管线钢是用于生产输油(气)管道的主要钢材，钢管扩径是 UOE制管工艺的最后尺寸和精度的关键工艺[2, 3]， 机械扩径对焊管的残余应力均有显著的削峰作用[4]，钢管生产中采用的机械扩径头是淬火后的冷作模具钢(62±1HRC)[5]。目前，学者针对X80管线钢的冲击韧性[6]、耐腐蚀性[7]、不同土壤中的电化学性能[8]、疲劳寿命预测[9]及不同电化学环境下断裂特性等方面展开了深入研究[10]。蔡锦达等通过建立锥形模机械扩径力解析公式，揭示了扩径力与摩擦系数的关系[4]。李聚群通过揭示摩擦与弯曲中性层的关系，建立了半径与摩擦系数的公式，分析了摩擦对扩径口部拉裂的影响[11]。扩径过程中，扩径头与X80管线钢处于高压状态下的摩擦磨损状态，这将会导致X80管线钢内壁的形貌发生改变，引起摩擦表面损伤，从而缩短输油(气)管道的寿命；另外，摩擦系数对扩径头的力学特性也会产生显著影响。而目前未发现有关于X80管线钢摩擦磨损特性的相关论文。笔者将通过研究管线钢X80(评价材料)与淬硬冷作模具钢Cr12MoV(62±1HRC，对偶材料)的摩擦磨损特性，为X80管线钢输油(气)管道的生产提供理论指导。

1 试验方法

以球-盘接触方式，在中科院化物所THT07-135型高温摩擦磨损试验机上进行X80管线钢(评价材料)与淬硬冷作模具钢Cr12MoV(62±1HRC，对偶材料)的干式滑动摩擦磨损试验，试验温度为室温，相对湿度40%，试验前后将全部试样放入溶液经超声波清洗。上试样采用X80管线钢，直径为5mm，长度为15mm，销的一端是直径为5mm的球头；下试样为直径28mm，厚度4mm的片状Cr12MoV试样，经1 040℃热处理，并经低温回火后，得到硬度60±1HRC的样件[12]。 试验X80管线钢上试样磨损前后的质量差利用电子天平称量，单位滑动距离的磨损率计算公式为Ws=Δm/L。磨损上试样及其磨损形貌采用附有能谱仪的FEI INSPECT F50热场扫描电镜进行观察。

2 试验结果与分析

2.1 相同法向载荷(5N)下滑动速度对摩擦磨损特性的影响

图1为不同滑动速度下摩擦系数随时间的变化曲线，可以看出，摩擦系数随滑动时间的增长逐渐达到稳态摩擦阶段。另外，滑动速度越大，达到稳态摩擦阶段的时间越短。

图1 不同滑动速度下摩擦系数随时间的变化曲线

图2为摩擦系数随滑动速度的变化规律曲线，可以看出，X80管线钢与Cr12MoV干式滑动摩擦时，摩擦系数在0.701～0.828范围变化。随着滑动速度的提高，摩擦系数先缓慢增大，当滑动速度达到0.15m/s时，摩擦系数以较大的幅度增大，当滑动速度为0.20m/s时，摩擦系数达到最大值0.828，之后缓慢下降。总体上，滑动速度越低，摩擦系数越小。如图3所示，X80管线钢的磨损率随滑动速度的提高基本呈线性增长。

图2 摩擦系数随滑动速度的变化规律曲线

图3 滑动速度对磨损率的影响

图4为不同滑动速度下X80管线钢磨损形貌的SEM显微照片，显然，滑动速度在0.05～0.15m/s范围变化时，磨损形貌基本相同，在形貌特征方面与滑动速度为0.20m/s和0.25m/s时有明显的区别。在低速时，磨损表面粗糙，如图4a～c所示，在摩擦表面上存在大量鱼鳞片状物、少量疲劳裂纹、稀少的凹坑(0.05m/s除外)，显然，滑动速度为0.05m/s时，X80管线钢发生磨粒磨损及较轻的疲劳磨损，间或附带粘结磨损。当滑动速度继续增大时，磨损表面稍有软化现象，如图4c所示。当滑动速度增到0.20m/s时，磨损表面更加光滑平整(图4d)，这是因为此时由于温度升高，使得金属表面软化，从而淬硬钢Cr12MoV对X80管线钢有熨抹效应，粘附效应加重，此时，X80管线钢发生粘结磨损。图5为下试样Cr12MoV的磨损表面，显然，该摩擦表面有从上试样X80管线钢上粘带下的材料。当滑动度增到0.25m/s时，摩擦过程中的温度更高(图4e)，磨损表面更加软化，此时在上试样球面的带动下，发生金属流变，熨抹效应更加明显，故摩擦系数稍有降低。期间附伴有熔焊现象，如图4f为对图4e上熔融物的EDS分析，结果表明，该融焊物是含氧量为24%的金属氧化物。

图4 不同滑动速度下X80管线钢磨损

图5 不同滑动速度下Cr123MoV磨损

2.2 相同滑动速度(0.15m/s)下法向载荷对摩擦磨损特性的影响

图6为不同法向载荷下摩擦系数随时间的变化曲线，可以看出，法向载荷为1N时的摩擦过程不太平稳，摩擦系数波动幅度较大。

图6 不同法向载荷下摩擦系数随时间的变化曲线

图7是法向载荷对X80管线钢摩擦特性的影响规律，随法向载荷的增大，摩擦系数先以较大幅度升高，当载荷为3N时摩擦系数达到最大值0.746，当载荷为5N时略降到0.735，当载荷为7N时升高到0.745，之后又降低到0.728。图8表明，X80管线钢的磨损率随载荷的增大以非线性的方式逐渐升高，这说明载荷越大，相应的磨损率升高的幅度越大。

图7 法向载荷对X80管线钢摩擦特性的影响

图8 法向载荷对X80管线钢磨损率的影响

图9为不同法向载荷下X80管线钢磨损表面的SEM显微照片，仔细观察发现形貌的变化与摩擦系数的变化有直接联系。图9a有平行于滑动方向的犁沟，说明X80管线钢存在较为严重的磨粒磨损，且伴有粘结磨损，如图10a所示，对偶盘Cr12MoV表面明显有从上试样X80管线钢粘结的材料。9b和10b表明，当载荷增大后， X80管线钢磨损表面较为光滑，形成了较宽的犁沟，为磨粒磨损与粘结磨损并存。图9c、e磨损表面较为光滑，有鱼鳞片状物，结合图10c、e可知，载荷为5N时，以磨粒磨损为主，较轻的疲劳磨损与极少的粘结磨损为辅，当载荷为9N时，以磨粒磨损与粘结磨损为主。

图9 不同法向载荷下X80管线钢磨损

图10 不同法向载荷下Cr12MoV磨损

3 结论

3.1当滑动速度在0.05～0.15m/s范围变化时，滑动速度对摩擦系数的影响有限，摩擦系数在0.701～0.735内变化，当在0.15～0.25m/s范围变化时，滑动速度对摩擦系数的影响较大，摩擦系数在0.701～0.828内变化。

3.2当法向载荷在1～3N范围时，载荷对摩擦系数的影响较大，摩擦系数在0.648～746内变化；当法向载荷在3～9N范围时，载荷对摩擦系数基本无影响。

3.3X80管线钢的磨损率随滑动速度的提高以线性方式增大；而随法向载荷的增大以非线性方式升高，载荷越大，对磨损率影响程度越显著。

3.4滑动速度在0.05～0.15m/s范围变化时，X80管线钢发生磨粒磨损及较轻的疲劳磨损，间或附带粘结磨损；增到0.20m/s时，发生粘结磨损；当增到0.25m/s时，磨损表面更加软化，附伴有熔焊现象。

3.5当法向载荷为1N时，X80管线钢存在较为严重的磨粒磨损，且伴有粘结磨损；在载荷增大至3N时，以磨粒磨损与粘结磨损为主。当法向载荷为5、7N时，以磨粒磨损为主，较轻的疲劳磨损与极少的粘结磨损为辅，当载荷为9N时，以磨粒磨损与粘结磨损为主。

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