Problema de stres în producția de țevi de oțel

Principalele cauze ale tensiunilor interne în țevile de oțel suntschimbări neuniforme de temperatură, deformare plastică neuniformă, șitranziții de fază asincrone în structură.Aceste fenomene de stres apar în etapele incipiente, mijlocie și finale ale procesului de producție și pot fi clasificate în stres tranzitoriu (care dispare după finalizarea procesului) și stres rezidual (care rămâne în produsul finit și este factorul de bază care afectează calitatea). Există diferențe semnificative în etapele de generare a tensiunilor pentru diferite rute de producție (cum ar fi țevile din oțel fără sudură și țevile din oțel sudate). Detaliile specifice sunt următoarele:

În această etapă, stresul este în principal stres termic, mai ales stres tranzitoriu. Unele tensiuni reziduale inițiale vor fi transferate la etapele ulterioare de prelucrare împreună cu materiile prime.

• Tensiunea reziduală inițială a țevilor: În timpul procesului de răcire și îndreptare a țevilor de țevi de turnare continuă și țaglelor de țevi laminate, interioarestresul area fost deja reținută. Aceasta aparține tensiunii pre-de prelucrare adusă de materiile prime și va fi suprapusă tensiunii ulterioare de prelucrare.
• Stresul termic în timpul procesului de încălzire:Când țevile sunt încălzite, stratul de suprafață se extinde mai întâi din cauza căldurii, în timp ce stratul de miez are o temperatură mai scăzută și o cantitate mai mică de expansiune. Stratul de suprafață este comprimat, iar stratul de miez este întins. Dacă viteza de încălzire este prea mare sau temperatura din cuptor este neuniformă, stresul termic va crește brusc și, în cazuri extreme, poate provoca crăpare pe suprafața țevilor țevilor. După încălzire uniformă, stresul termic instantaneu va fi atenuat semnificativ.

Aceasta este etapa cea mai critică pentru generarea stresului. Deformarea plastică mare și ciclurile termice locale generează o cantitate mare de stres de deformare și stres termic, care sunt principalele surse de solicitare reziduală în produsul finit.

• Procese de bază ale țevilor din oțel fără sudură

1. Proces de piercing: În timpul străpungerii la rulare înclinată, țagla tubului suferă o deformare plastică neuniformă tri{-tridimensională intensă sub acțiunea rolelor și a capului de perforare. Există o diferență semnificativă în cantitatea de deformare a grosimii peretelui și a suprafețelor interioare și exterioare, rezultând o solicitare semnificativă de deformare; Răcirea neuniformă după perforare va adăuga stres termic, formând împreună stresul rezidual inițial al tubului.
2. Tub de rulare / Proces cu diametru de reducere fix:În timpul rulării continue și al rulării automate a tubului, grosimea peretelui este redusă și are loc extinderea axială. Deformația este distribuită neuniform de-a lungul grosimii peretelui; în procesele cu diametru fix și diametru de reducere, are loc deformarea prin compresie circumferențială, iar diferența de deformare dintre suprafețele interioare și exterioare este amplificată și mai mult, care este principala sursă de tensiuni reziduale axiale și circumferențiale în țevile fără sudură laminate la cald-.

• Procesul de miez al țevilor de oțel sudate

1. Procesul de formare:Banda de oțel este îndoită de mai multe ori cu role pentru a forma semifabricatul de țeavă. Deformarea la îndoire face ca stratul exterior al plăcii de oțel să fie sub tensiune, iar stratul interior să fie sub compresie. După deformarea plastică la rece, stresul rezidual de încovoiere rămâne. Aceasta aparține stresului de procesare de formare.
2. Procesul de sudare:Cusătura de sudură și zona afectată de căldură sunt încălzite și răcite rapid local. Dilatarea termică a zonei de încălzire este constrânsă de metalul rece din jur, rezultând deformarea plastică compresivă; în timpul răcirii, contracția este restricționată de metalul de bază din jur și în final se formează o tensiune reziduală de întindere foarte mare în zona cusăturii de sudură. Metalul de bază de pe ambele părți este supus stresului de compresiune pentru a menține echilibrul, care este cea mai mare sursă de tensiune a țevilor sudate. Cu cât energia liniei de sudură este mai mare și cu cât viteza de răcire este mai mare, cu atât nivelul tensiunii reziduale este mai mare.

Această etapă poate introduce noi tensiuni reziduale, sau aceste tensiuni pot fi eliminate prin procese specifice în etapa anterioară.

• Proces de răcire: Când țevile de oțel-laminate la cald și sudate se răcesc, suprafața se răcește mai repede, în timp ce miezul se răcește mai lent. Suprafața se contractă mai întâi și este sub tensiune, în timp ce miezul se contractă mai târziu și este sub compresie, rezultând stres termic rezidual; cu cât viteza de răcire este mai rapidă și cu cât răcirea este mai neuniformă, cu atât stresul termic rezidual este mai mare.
• Proces de îndreptare:Îndreptarea la rece corectează curbura țevii prin îndoiri inverse repetate și deformare plastică, dar deformarea neuniformă va introduce un nou stres rezidual de încovoiere. De obicei, stratul de suprafață al țevii păstrează efortul de compresiune, iar stratul de sub-suprafață păstrează efortul de tracțiune; îndreptarea la cald (folosind căldura reziduală de la rulare la îndreptare) introduce tensiuni mult mai mici decât cele de la îndreptarea la rece.
• Etape de prelucrare la rece (tuburi de trefilare la rece/laminare la rece): În caz de deformare plastică mare la temperatura camerei, se vor genera o întărire de prelucrare extrem de puternică și stres rezidual, care este principala sursă absolută de tensiuni reziduale pentru țevile de oțel-trasate/laminate-la rece, iar nivelul de tensiune este mult mai mare decât cel al țevilor de oțel-laminate la cald.
• Tăierea și prelucrarea capătului țevilor: Tăierea, filetarea și prelucrarea canelurilor vor cauza deformare plastică locală, ducând la concentrarea locală a tensiunilor la capătul țevii.
• Proces de tratament termic: Când procesul se desfășoară corect, stresul poate fi eliminat; dacă încălzirea este neuniformă sau răcirea este prea rapidă (cum ar fi călirea), se vor genera noi solicitări termice și stres microstructural, iar în cazuri severe, conducta de oțel se va crăpa.

Stresul instantaneu din timpul procesului afectează doar stabilitatea procesului. Stresul rezidual este factorul de bază care determină calitatea și performanța serviciului produsului finit și are două efecte: impacturi negative și efecte pozitive controlabile.

• Instabilitatea dimensiunilor și formei:Stresul rezidual este o forță internă de auto-{0}echilibrare. Atunci când etapele ulterioare de prelucrare, cum ar fi tăierea, filetarea, îndoirea etc. perturbă echilibrul tensiunilor, eliberarea tensiunii va face ca conducta de oțel să se îndoaie, să depășească limita de elipticitate, să se extindă sau să se contracte în diametru și să afecteze precizia dimensională; Eliberarea lentă a tensiunii în timpul-depozitării pe termen lung poate duce, de asemenea, la eșecul deformarii.
• Performanță redusă-lagărului de presiune și oboseală: Tensiunea reziduală de întindere va fi suprapusă cu efortul de lucru generat de presiunea de lucru și sarcinile alternante, determinând țeava de oțel să suporte de fapt o forță mai mare decât valoarea de proiectare, reducându-și astfel presiunea{0}}capacitatea portantă; sub sarcini alternative, cum ar fi fluctuațiile de presiune a fluidului și vibrațiile, tensiunea reziduală de întindere va accelera inițierea fisurilor și va reduce semnificativ durata de viață la oboseală și, în cazuri severe, va cauza ruperea sau fractura conductei.
• Induce fisurarea prin coroziune sub tensiune: În mediile corozive care conțin sulf, ioni de clorură etc. (cum ar fi transportul petrolului și gazelor, conductele chimice), stresul rezidual de întindere va interacționa cu coroziunea, inducând fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC), care este una dintre formele de defecțiune ale țevilor de transport de petrol și gaze și conducte de rafinare și chimice.
• Degradarea performanței ulterioare de prelucrare: Pentru țevile de oțel cu tensiuni reziduale mari, în timpul etapelor secundare de prelucrare, cum ar fi îndoirea, extinderea și contractarea, acestea sunt predispuse la fisurare și la revenire excesivă, ceea ce duce la o scădere semnificativă a ratei de calificare a procesării.

Nu toate tensiunile reziduale sunt dăunătoare: Tensiunea de compresiune reziduală la suprafață poate contracara unele sarcini externe de tracțiune, sporind rezistența la oboseală și rezistența la coroziune prin efort a țevii de oțel. În industrie, stresul de compresiune de suprafață controlat este introdus în mod activ prin procese cum ar fi greșarea și testarea hidrostatică pentru a optimiza performanța de serviciu a țevii de oțel.

În ceea ce privește stresul, acesta se împarte în două tipuri de abordări: „Eliminarea/controlul stresului rezidual care a fost deja generat” și „Reducerea generării stresului la sursă”.

• Metoda de tratament termic (cel mai miez, cea mai mare rata de eliminare)

​​​​​​​

Metoda cea mai frecvent utilizată este recoacerea{0}}de eliberare a tensiunii: încălziți țeava de oțel sub temperatura de recristalizare (pentru oțel carbon, în general 550-650 de grade , pentru oțel aliat, reglați în funcție de material), țineți o perioadă de timp și apoi răciți încet. Prin fluxul microplastic și difuzia atomică, stresul intern este eliberat, cu o rată de eliminare de 70% până la 90%, fără a reduce semnificativ rezistența materialului. Este un proces standard pentru țevile trase-la rece, țevile sudate și țevile cazanului de înaltă presiune.

Procesul de normalizare + călire elimină simultan stresul rezidual, în timp ce ajustează structura și optimizează proprietățile mecanice, utilizate în principal pentru tratamentul termic final al țevilor din oțel fără sudură.

• Metoda de reglare mecanică

1. Test hidrostatic: aplicați presiunea apei cu suprapresiune pentru a provoca microdeformarea plastică a peretelui conductei, eliberarea tensiunii reziduale și redistribuirea tensiunii, formând tensiuni de compresiune benefice pe stratul de suprafață, având funcțiile duble de control al calității și reglare a tensiunilor și este un proces necesar pentru țevile de oțel care poartă presiune.
2. Tratament de sablare/peening: proiectilele cu viteză mare-au impact asupra suprafeței țevii de oțel, provocând deformarea plastică a stratului de suprafață, introducând stres de compresiune reziduală controlabilă la suprafață, contracarând stresul de tracțiune dăunător și, simultan, sporind rezistența la oboseală și rezistența la coroziune. Este folosit în mod obișnuit pentru pre-tratamentul înainte de anti-coroziune.
3. Îmbătrânirea prin vibrații: utilizați rezonanța pentru a face defecte microscopice în alunecarea țevii de oțel, eliberați tensiunile reziduale, potrivite pentru țevi de oțel cu diametru mare-și-de dimensiuni mari, cu consum redus de energie și ciclu scurt, dar rata de eliminare a tensiunilor este mai mică decât cea a tratamentului termic.

• Îmbătrânire naturală: depozitați în aer liber pentru a permite stresului să se elibereze lent și natural, cu un ciclu lung și efect limitat, folosit doar ca metodă auxiliară.

• Optimizați tehnicile de procesare termică: Controlați viteza de încălzire a țaglei tubului pentru a asigura o temperatură uniformă a cuptorului; adoptați răcirea controlată după laminarea la cald pentru a evita răcirea rapidă și răcirea neuniformă, reducând astfel stresul termic.
• Optimizarea tehnicilor de deformare plastică: Îmbunătățiți designul configurațiilor de perforare, de rulare a tubului și de reducere constantă a matrițelor pentru a asigura o deformare uniformă de-a lungul grosimii peretelui și direcției lungimii; distribuiți în mod rezonabil cantitatea de deformare în fiecare trecere pentru a evita deformarea excesivă într-o singură trecere.
• Optimizarea procesului de sudare (tevi sudate): Controlați aportul de căldură de sudare, adoptați procese de preîncălzire și postîncălzire pentru a reduce viteza de răcire și pentru a minimiza gradientul de temperatură la cordonul de sudură; utilizați sudarea simetrică și sudarea cu mai multe treceri-pentru a contracara unele deformații și solicitări.
• Optimizarea tehnicii de prelucrare la rece: Distribuiți în mod rezonabil cantitatea de deformare în trefilarea la rece/laminarea la rece, programați recoacerea intermediară pentru a elimina întărirea prin lucru și solicitarea în timpul prelucrării și apoi continuați cu prelucrarea la rece ulterioară.
• Optimizarea procesului de îndreptare: Prioritizați utilizarea îndreptării la cald în loc de îndreptarea la rece, optimizați cantitatea de reducere a îndreptării și modelul de rulare, reduceți stresul introdus de îndreptare; utilizați tăierea de precizie în loc de forfecare pentru a reduce concentrația de tensiuni la capetele țevii.