CN1847434A - 高抗应力腐蚀裂纹性能预应力钢筒混凝土管钢丝及制造法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于PCCP的钢丝，其表层经过喷丸处理。该种钢丝的特点为，其表层作用有50－800MPa的挤压残余应力，受力表层厚度为钢丝直径的10％。所述喷丸处理在末道次冷拔模和卷线机之间的钢丝移动路径中进行，是用喷珠或喷砂对钢丝表面进行喷射，喷射速度为30－90m/s，喷射量为20－200kg/min，喷射时间为0.1－10sec。经此喷丸工艺处理后，可减小PCCP钢丝所受到的外部拉伸应力，减少钢丝表面裂纹，并限制裂纹的进一步扩展，从而可以极大的提高钢丝对氢脆和应力腐蚀裂纹的抗性。而且，喷丸处理工艺可以消除钢丝表面的微观缺陷，从而提高钢丝的成品率，降低成本。

Description

高抗应力腐蚀裂纹性能 预应力钢筒混凝土管钢丝及制造法

技术领域

总体而言，本发明涉及一种用于预应力钢筒混凝土管(以下简称PCCP)的钢丝，其具有优良的抗应力腐蚀裂纹性能，更具体而言，涉及一种用于PCCP的钢丝，通过对其进行喷丸处理而使其表面具有挤压残余应力，进而可以极大提高其抗应力腐蚀裂纹性能。

背景技术

PCCP由缠绕预应力钢丝的混凝土芯管或钢管构成。钢丝沿圆周向对混凝土芯管或钢管施加挤压力，以抵消混凝土芯管或钢管内外压力差造成的拉伸应力，从而使混凝土芯管或钢管可以承受较大载荷。

从而，在PCCP使用期内，用于PCCP的钢丝始终受拉伸应力作用。

然而，由于水泥中含有AE减水剂，从而会使PCCP所使用的水泥中含有1000-3000ppm含量的硫氰酸离子(SCN^-1)，它会造成钢材在应力作用下出现氢脆和应力腐蚀裂纹现象，进而导致钢材寿命缩短。

在诸如沙漠这样的易受腐环境下，钢材会由于沙土中所含有的氯离子作用而出现氢脆和应力腐蚀裂纹现象。因此，当PCCP在易使钢材出现氢脆和应力腐蚀裂纹的易受腐环境下使用时，PCCP的使用寿命便取决于在PCCP中起加固作用的钢丝的抗氢脆和应力腐蚀裂纹的性能。

另外，PCCP近年来还要求具有耐高压、重量轻、使用寿命长这些性能。从而，如何提高PCCP中钢丝对氢脆和应力腐蚀裂纹的抗性便成为第一考虑要素。

情况表明，可扩散态氢元素是钢材出现氢脆现象的主要原因。在应力腐蚀裂纹区出现及生长过程中，可扩散态氢元素不断在裂纹区聚集，然后扩散入晶界内，形成氢化物，从而导致出现氢脆，并造成裂纹扩展。氢脆现象会造成材料延迟断裂，即静载施加在材料上一定时间后，会使材料突然发生断裂。出现氢脆现象与许多因素有关，如材料、所处环境、所受外力等。

至于应力腐蚀裂纹，这是当材料处于易受腐环境且受力作用的情况下，出现的一种裂纹现象。情况表明，腐蚀作用与应力腐蚀裂纹之间有一种相互作用，即腐蚀作用会促进裂纹扩展，反之亦然。

应力腐蚀裂纹在钢材中的扩展是由于裂纹氧化层的不断破碎而造成的。造成应力腐蚀裂纹的应力可能来自材料外部，也可能来自材料内部所受到的残余应力的作用。但是，材料内部的挤压应力不会生成应力腐蚀裂纹。至少一部分拉伸应力是形成应力腐蚀裂纹的必须因素。

用于PCCP的钢丝可能在易形成氢脆及应力腐蚀裂纹环境中使用，为了改善其耐用度，了解该种钢丝的性能是十分重要的。在测定钢丝抗氢脆和应力腐蚀裂纹形成的测试中，FIP(国际预应力协会)测试是一种使用较广的方法。

在FIP测试中，受测钢丝浸在20％wt浓度的硫氰酸盐溶液(NH₄SCN)中，并保持其温度为50±1℃，对钢丝施加以大小为其极限抗拉强度70％的拉伸载荷，测定其断裂时间来评价其对氢脆及应力腐蚀裂纹的抗性。断裂时间越长，说明钢丝抵抗氢脆及应力腐蚀裂纹的能力便越好。

为了提高PCCP钢丝对应力腐蚀裂纹的抵抗力，通常采用尽可能减少钢丝表面的拉伸残余应力的方法来实现，而减少钢丝表面拉伸残余应力的方法有：降低生产钢丝时的拉拔速度，提高模具和卷筒的冷却功率，降低模具的断面减缩率，或者可向钢丝材料中添加Cr、V、Ti、B等合金元素，细化钢丝材料中的珠光体组织，加固晶界，从而提高材料抵抗裂纹扩展的能力。

用以上现有方法对PCCP钢丝处理后，其断裂时间大约为80-130小时，大于FIP测试75小时的标准时间。但一般方法处理后的钢丝性能也只是满足FIP的标准要求而已。

此外，钢丝向重量轻这个方向发展时，还要求其具有较高的强度。就目前FIP测定法不够完善、高强度钢丝往往抗氢脆和应力腐蚀裂纹性能较差这个情况而言，人们迫切希望能够生产出大量强度高的PCCP钢丝。

发明内容

为了完成本发明，发明人对PCCP钢丝进行了集中深入的研究，并得出结论，认为表面残余应力的改变可以显著改善钢丝对氢脆和应力腐蚀裂纹的抵抗能力。

因此，本发明的目的在于提供一种钢丝，其对氢脆和应力腐蚀裂纹具有良好的抵抗能力。

本发明的另一目的在于提供一种钢丝，其适用于高强度PCCP，且使用寿命较长。

本发明的又一个目的在于，不仅要求PCCP钢丝可以防止裂纹的生产，而且可以通过施加表面残余应力的方法来降低裂纹的扩展。

本发明的再一个目的是提供生产此类PCCP钢丝的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种具有良好的抗应力腐蚀裂纹能力的PCCP钢丝，在这种钢丝从表面至10％直径深度范围内，钢丝承受50-800MPa的挤压残余应力。

如前文所述，本发明的另一目的是提供制造具有良好的抗应力腐蚀裂纹能力的PCCP钢丝，生产步骤包括预处理、冷拔和卷绕几个部分，其中在最终冷拔模具和绕线机之间还要对钢丝表面进行喷丸处理。

附图说明

图1所示为根据本发明的用于生产钢丝的喷丸机，(A)为侧横截面视图，示出了该机器的整个轮廓及内部喷嘴的位置，(B)为前横截面视图，示出了内部喷嘴的位置。

图2示出了喷丸处理前和处理后钢丝残余应力与表面深度之间关系的曲线图。

具体实施方式

本发明针对钢丝表面上的喷丸(shot blast)处理。

喷丸是一种表面处理工艺，是用由大量小金属粒子组成的球形喷珠，或是由喷珠制得的不规则形状喷砂，对目标材料表面进行高速喷击。高动能金属粒子对材料进行喷击后，材料的表面已局部地超过了屈服点，开始发生塑性变形。而在该变形层以下，仍然保持弹性层。

弹性层会对表面层施加一个弹性作用力，以使塑性变形表面层回复到先前状态，从而使表面层受到挤压残余应力的作用。因此，经过喷丸处理后的材料其表面层呈弯曲状，但保持其内在的机械性能。

经过喷丸处理后，作用在材料表面的挤压残余应力不仅会消除外部拉伸应力的作用，进而减小应力腐蚀裂纹的出现概率，而且还可以抑止裂纹的扩展，进而显著提高材料抵抗应力腐蚀裂纹的能力。

另外，在进行诸如拉拔工艺这样的线材加工过程中，钢丝表面可能会局部出现微小的表层缺陷，而喷丸处理则可将此类缺陷清除，从而可以防止早期裂纹起点的出现，这样就可以使线材在整个长度上对氢脆和应力腐蚀裂纹有均匀的抗性。

也就是说，根据本发明的具有良好抗氢脆和应力腐蚀裂纹性能的PCCP钢丝是一种冷拔钢丝，其上的挤压残余应力取决于喷丸处理的工艺条件，且对于对氢脆及应力腐蚀裂纹的抗性有极大的影响。因此，对喷丸处理工艺条件进行控制是很有必要的。喷丸处理工艺的条件将在下文中进行阐述。

进行喷丸处理后，材料的表面残余应力值优选在50-800MPa范围之内，且作用范围应在对从表层至10％钢丝直径处。举例来说，如果受挤压残余应力作用的表层厚度超过钢丝直径的10％，或者挤压残余应力值超过800MPa，钢丝便会由于过度加工硬化而变脆，从而导致抗冲击能力降低。另一方面，如果挤压残余应力值小于50MPa，则其并不会发挥作用。

能否获得适当的挤压残余应力深度和应力值取决于金属粒子的状况和喷丸状况。

适用于本发明的喷珠硬度在40至70HRC，直径为钢丝直径的1至20％。举例来说，如果喷珠的尺寸小于钢丝直径的1％，则便会由于喷珠的尺寸过小而难以形成合适的表层。另一方面，如果喷珠的尺寸大于钢丝直径的20％，由金属粒子形成的表层应变会过大，从而由应变所引起的切口效应便会降低钢丝对应力腐蚀裂纹的抗性。

如果不使用喷珠，则可选用喷砂。将喷珠粉碎后，用筛孔尺寸与喷珠相仿的筛子进行筛选，便可获得喷砂。

对于喷丸工艺，在其改变钢丝表面的残余应力状况时，不应改变钢丝的物理性能，例如抗拉强度、断面收缩率、扭转性(torsion)等。优选的，金属粒子以30-90m/s的喷射速度、20-200kg/min的喷射量喷射0.1-10秒。

举例来说，如果喷射速度和喷射量小于其各自的下限，便很难形成适当大小的挤压残余应力，从而难以形成厚度适当的、承受挤压应力的表层。另一方面，如果喷射速度和喷射量都大于其各自的上限，则会因过度喷丸而形成拉伸残余应力，进而会降低诸如FIP值此类的机械性能指标。

下面，将对根据本发明的、经过上述条件的喷丸处理后的PCCP钢丝进行详细说明。

在本发明实例中，选用如下可商业供应的材料作为试样材料：其直径为13mm，包括0.82wt％的C，0.70wt％的Mn，0.27wt％的Si，0.10wt％的Cr，0.07wt％的V和其他无法避免出现的杂质。

试样材料经盐酸进行酸洗，其表层覆有氯酸盐，并通过冷拔工艺使其直径达到6.35mm，然后进行喷丸处理后制成PCCP钢丝。每根钢丝均要进行挤压残余应力、表面粗糙度和FIP性能测试。

喷丸处理应在从进料器上展开的线材通过末道次拉拔模之后，和其绕入卷线机之前进行。喷珠喷嘴距钢丝外围的距离优选安排成这样，即应使各相邻喷嘴之间在钢丝的同心圆的圆弧上形成不大于120度的角度。这样可以从至少三个方向同时进行喷丸。在本发明实例中，一共使用了四个喷嘴。

参看图1，示意地示出喷丸机S。如图1所示，喷丸机S安置在位于末道次拉拔模11和卷线机12之间的钢丝移动路径W上。喷丸机S中的四个喷嘴N1、N2、N3和N4并不是都位于包括钢丝路径W的一个平面上，而是彼此隔有一定的距离，这是为了防止各喷嘴的喷射范围发生重叠。

具体来讲，从钢丝移动路径W的方向看去，N1、N2、N3和N4四个喷嘴中相邻两个彼此之间构成一个圆圈上的直角，但从与移动路径垂直的方向看去，这四个喷嘴是分布在不同位置的。

喷嘴数目不得小于3个的理由如下。

如果邻近喷嘴之间的弧线夹角不大于120度，则可通过控制喷嘴与钢丝之间的距离，来获得适当的喷丸程度。然而，如果夹角大于120度，则会因金属粒子与钢丝之间在喷射范围边缘的过大入射角而造成对钢丝的冲击能不足。此时，金属粒子只是从钢丝旁滑过，而不会与其发生碰撞，从而无法获得有效的喷丸表层。

另外，从钢丝移动路径的方向看，各喷嘴之间没有发生叠置，这是为了防止喷射的金属粒子彼此发生碰撞和干扰，同时也为了防止喷嘴受到入射金属粒子的撞击。

利用以上所述方法，制成10根PCCP钢丝，另有5根PCCP钢丝没有经过喷丸处理。

这15根钢丝分别进行抗拉强度、端面收缩率、残余应力、表面粗糙度测试以及FIP测试，结果如下表1所示。

表1

钢丝	喷丸条件				表面粗糙度(μm)		表面残余应力	拉伸性能			FIP测试
												喷珠尺寸	喷射速度	喷射量	处理时间	抗拉强度	断面收缩率	扭转性
	mm	m/s	Kg/min	Sec				Ra	Rmax	Mpa									Mpa	％	Round/8	Hrs
					A	0.1	50				70	1.5	0.48	6.7	-270	1780	46	11					200≤
BCDEFGHIJ	0.1	50	70	0.75				0.63	5.7	-150									1830	45	9	200≤
					0.1	50	70				0.50	0.45	4.9	-80	1790	46	12	200≤
	0.3	60	70	3.00				0.54	5.6	-330									1740	50	12	200≤
					0.3	60	70				1.50	0.49	7.3	-220	1820	45	10	200≤
	0.3	60	70	0.75				0.39	4.9	-250									1780	44	11	200≤
					0.3	60	70				0.50	0.52	5.5	-230	1760	50	10	200≤
	0.6	80	80	0.75				0.45	6.4	-200									1750	48	10	200≤
					0.6	80	80				0.75	0.61	5.8	-310	1750	49	12	200≤
	1.0	90	80	0.75				0.52	5.4	-270									1820	47	11	200≤
					K	-	-				-	-	0.37	2.7	140	1790	48	12					78
LMNO	-	-	-	-				0.42	3.1	80									1780	50	11	80
					-	-	-				-	0.42	3.6	50	1770	49	10	85
	-	-	-	-				0.46	4.2	200									1820	44	9	76
					-	-	-				-	0.39	3.4	30	1760	46	12	120

^*A-J经过了喷丸处理，而K-O则没有经过喷丸处理。

如图1所示，本发明钢丝的机械性能，如抗拉强度、断面收缩率以及扭矩，均不受喷丸处理的影响。

对于因喷丸处理而造成表面粗糙度的变化而言，试样的平均粗糙度(Ra)增幅并不明显，但增大的最大粗糙度(Rmax)为喷丸处理前的两倍。

使用X射线衍射技术对钢丝表面的残余应力进行了测定。该方法是用一个Cr靶在30KV、10mA的条件下进行轰击，以生成Cr-Ka，并用2θ-sin²ψ方法进行纠偏。

用上述方法进行分析后可知，喷丸处理对残余应力的影响深度可达表层下0.6mm处，微钢丝直径的10％。而现有钢丝的拉伸残余应力值为200Mpa或更低，与其相比，本发明钢丝在经过喷丸处理后，具有高达80-330Mpa的挤压残余应力。

另外，现有材料的断裂时间为76-120小时(平均87.7小时)，而所有本发明钢丝均具有200小时或更长的断裂时间。FIP测试结果表明，按照本发明工艺生产出的钢丝，其抗应力腐蚀裂纹能力比现有钢丝要高3倍。这种高性能来源于喷丸工艺，经过该工艺处理后，钢丝表面的挤压残余应力可抵消钢丝所受到的外部拉伸应力，甚至在裂纹生成时，也可限制裂纹的进一步扩展。

如上所述，根据本发明工艺，通过对PCCP钢丝进行喷丸处理，可在钢丝表面形成一定的挤压残余应力，从而可以降低钢丝受到的外部拉伸应力，减少表层裂纹，限制裂纹的进一步扩展，这样便可以极大的提高钢丝对氢脆和应力腐蚀裂纹的抗性。而且，根据本发明的喷丸处理工艺还可以消除钢丝的表面微观缺陷，进而提高钢丝的成品率，降低成本。

以上是对本发明的一种说明性描述，文中所使用的专业术语汇只是为了对发明进行描述，而非对其进行限定。对上述内容进行修正、改动都是极有可能的。因此，在本发明所声明的权利要求范围之内，可对本发明给予修正后进行实际应用。

Claims (6)

1.一种用于预应力钢管混凝土管的钢丝，对应力腐蚀裂纹有优良的抗性，其特征在于该种钢丝表层作用有50-800Mpa的挤压残余应力，受力层厚度从钢丝表面至10％直径深度处。

2.如权利要求1中所说的预应力钢管混凝土管钢丝，其中表层所受的挤压残余应力是通过喷丸处理而获得的，该工艺是用喷珠或喷砂对钢丝进行喷射。

3.一种用于生产抗应力腐蚀裂纹性能优良的预应力钢管混凝土管钢丝的方法，包括预处理、冷拔和卷绕步骤，其中对在末道次冷拔模和卷线机之间路径上移动的钢丝的表面进行喷丸处理。

4.如权利要求3所述的方法，其中喷丸处理是将喷珠或喷砂喷射到钢丝表面，喷射速度为30-90m/s，喷射量为20-200kg/min，喷射时间为0.1-10秒。

5.如权利要求4所述的方法，其中喷珠的硬度为40-70HRC，大小为钢丝直径的1-20％。

6.如权利要求3所述的方法，其中喷丸处理使用至少三个喷嘴喷射喷珠或喷砂。

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