Проблема напруги у виробництві сталевих труб

Основними причинами внутрішньої напруги в сталевих трубах єнерівномірні зміни температури, нерівномірна пластична деформація, іасинхронні фазові переходи в структурі.Ці явища напруги виникають на ранній, середній і завершальній стадіях виробничого процесу і можуть бути класифіковані на перехідну напругу (яка зникає після завершення процесу) і залишкову напругу (яка залишається в готовому продукті і є основним фактором, що впливає на якість). Існують значні відмінності в стадіях генерації напруги для різних маршрутів виробництва (таких як безшовні сталеві труби та зварні сталеві труби). Конкретні деталі такі:

Під час цієї стадії напруга є в основному термічною, здебільшого перехідною. Деяка початкова залишкова напруга буде перенесена на наступні етапи обробки разом із сировиною.

• Початкове залишкове напруження трубної заготовки: Під час процесу охолодження та правки безперервного лиття трубних заготовок і трубного прокату внутрстрес маєвже збережено. Це відноситься до напруги перед -обробкою, викликаної сировиною, і буде накладено на напругу подальшої обробки.
• Термічна напруга в процесі нагрівання:Коли трубні заготовки нагріваються, поверхневий шар спочатку розширюється за рахунок тепла, тоді як внутрішній шар має нижчу температуру та меншу величину розширення. Поверхневий шар стискається, а серцевинний шар розтягується. Якщо швидкість нагрівання занадто висока або температура в печі нерівномірна, теплове навантаження різко зросте, а в крайньому випадку це може спричинити розтріскування на поверхні трубних заготовок. Після рівномірного нагріву миттєва термічна напруга значно зменшується.

Це найбільш критичний етап для виникнення стресу. Велика пластична деформація та локальні термічні цикли створюють велику кількість деформаційної напруги та термічної напруги, які є основними джерелами залишкової напруги в готовому продукті.

• Основні процеси безшовних сталевих труб

1. Процес пірсингу: під час проколювання похилою прокаткою трубна заготовка зазнає інтенсивної три{0}}не-рівномірної пластичної деформації під дією валків і головки пуансона. Існує значна різниця в величині деформації товщини стінки та внутрішньої та зовнішньої поверхонь, що призводить до значної деформаційної напруги; нерівномірне охолодження після проколювання додасть теплової напруги, разом утворюючи початкову залишкову напругу трубки.
2. Прокатка труби / процес фіксованого зменшення діаметра:Під час безперервної прокатки й автоматичної прокатки труб товщина стінки зменшується й відбувається осьове подовження. Деформація нерівномірно розподілена по товщині стінки; у процесах із фіксованим діаметром і зменшенням діаметра відбувається окружна деформація стиснення, і різниця в деформації між внутрішньою та зовнішньою поверхнями ще більше посилюється, що є основним джерелом осьової та окружної залишкової напруги в гарячекатаних безшовних трубах.

• Процес виготовлення стрижня зварних сталевих труб

1. Процес формування:Смугасталь багаторазово згинається роликами для формування заготовки труби. Деформація вигину призводить до того, що зовнішній шар сталевої пластини знаходиться під напругою, а внутрішній шар – під стисненням. Після холодної пластичної деформації залишається залишкова залишкова напруга при вигині. Це відноситься до стресу обробки формування.
2. Процес зварювання:Зварний шов і зона термічного впливу швидко нагріваються і локально охолоджуються. Теплове розширення зони нагріву стримується навколишнім холодним металом, що призводить до пластичної деформації стиснення; під час охолодження стиснення обмежується навколишнім основним металом, і, нарешті, утворюється дуже висока залишкова напруга розтягування в області зварного шва. Основний метал з обох сторін відчуває напругу стиску для підтримки рівноваги, яка є основним джерелом напруги в зварних трубах. Чим більша енергія зварювальної лінії та швидша швидкість охолодження, тим вищий рівень залишкової напруги.

Ця стадія може створити нові залишкові напруги, або ці напруги можна усунути за допомогою спеціальних процесів на попередній стадії.

• Процес охолодження: коли гарячекатані та зварні сталеві труби охолоджуються, поверхня охолоджується швидше, а серцевина — повільніше. Поверхня спочатку стискається і знаходиться під напругою, тоді як серцевина пізніше стискається і стискається, що призводить до залишкової теплової напруги; чим швидше швидкість охолодження і чим нерівномірніше охолодження, тим більше залишкова термічна напруга.
• Процес випрямлення:Холодне випрямлення виправляє кривизну труби шляхом багаторазового зворотного згинання та пластичної деформації, але нерівномірна деформація створить нове залишкове напруження при вигині. Зазвичай поверхневий шар труби зберігає напругу стиску, а під-поверхневий шар зберігає напругу розтягування; гаряче правлення (використання залишкового тепла від прокатки для правки) створює напруги, які є набагато меншими, ніж під час холодного правлення.
• Етапи холодної обробки (холодне волочіння/холодна прокатка труб): Під час великої пластичної деформації при кімнатній температурі буде створено надзвичайно сильне технологічне зміцнення та залишкова напруга, яка є основним джерелом залишкової напруги для холоднотягнутих/холоднокатаних-сталевих труб, і рівень напруги набагато вищий, ніж у гарячокатаних сталевих труб-.
• Порізка та обробка кінців труб: Пиляння, нарізання різьблення та обробка канавок спричинять локальну пластичну деформацію, що призведе до локальної концентрації напруги на кінці труби.
• Процес термічної обробки: Коли процес виконується належним чином, стрес можна усунути; якщо нагрівання є нерівномірним або охолодження занадто швидке (наприклад, загартування), буде створено нове термічне напруження та мікроструктурне напруження, а в важких випадках сталева труба трісне.

Миттєве напруження під час процесу впливає лише на стабільність процесу. Залишкова напруга є основним фактором, що визначає якість і продуктивність готового продукту, і вона має два наслідки: негативний вплив і контрольований позитивний вплив.

• Нестабільність розмірів і форми:Залишкова напруга – це внутрішня-сили балансування. Коли наступні етапи обробки, такі як різання, нарізка різьблення, згинання тощо, порушують баланс напруги, зняття напруги призведе до згинання сталевої труби, перевищення межі еліптичності, розширення або скорочення діаметра та вплине на точність розмірів; повільне зняття напруги під час тривалого-зберігання також може призвести до деформації.
• Знижена витривалість-підшипників і втома: Залишкова напруга розтягування буде накладена на робочу напругу, створювану робочим тиском і змінними навантаженнями, що призведе до того, що сталева труба фактично витримуватиме більше зусилля, ніж проектне значення, тим самим зменшуючи її -здатність витримувати тиск; під час змінних навантажень, таких як коливання тиску рідини та вібрації, залишкова напруга розтягування прискорить утворення тріщин і значно зменшить довговічність, а в важких випадках призведе до розриву або руйнування труби.
• Викликати корозійне розтріскування під напругою: У корозійних середовищах, що містять сірку, іони хлориду тощо (наприклад, транспортування нафти та газу, хімічні трубопроводи), залишкова напруга розтягування взаємодіятиме з корозією, викликаючи корозійне розтріскування під напругою (SCC), яке є однією з форм руйнування серцевини труб для транспортування нафти та газу, а також труб для нафтопереробної та хімічної промисловості.
• Зниження продуктивності подальшої обробки: Сталеві труби з великою залишковою напругою під час вторинних етапів обробки, таких як згинання, розширення та стиснення, схильні до розтріскування та надмірного відскоку, що призводить до значного зниження рівня кваліфікації обробки.

Не всі залишкові напруги шкідливі: поверхнева залишкова напруга стиску може протидіяти деяким зовнішнім розтягуючим навантаженням, підвищуючи втомну міцність і корозійну стійкість сталевої труби. У промисловості контрольована поверхнева напруга стиску активно впроваджується за допомогою таких процесів, як дробеструйна обробка та гідростатичні випробування, щоб оптимізувати робочі характеристики сталевої труби.

Що стосується стресу, то він поділяється на два типи підходів: «Усунення/контроль залишкової напруги, яка вже виникла» та «Зменшення генерації напруги в джерелі».

• Метод термічної обробки (найбільше ядра, найвища швидкість виведення)

​​​​​​​

Найпоширенішим методом є відпал-зняття напруги: нагрійте сталеву трубу нижче температури рекристалізації (для вуглецевої сталі, як правило, 550-650 градусів, для легованої сталі відрегулюйте відповідно до матеріалу), витримайте деякий час, а потім повільно охолодіть. За допомогою мікропластичного потоку та атомної дифузії внутрішня напруга знімається зі швидкістю усунення від 70% до 90%, при цьому міцність матеріалу не знижується. Це стандартний процес для холоднотягнутих труб, зварних труб і труб для котлів високого тиску.

Процес нормалізації + відпустки усуває залишкову напругу одночасно з коригуванням структури та оптимізацією механічних властивостей, що в основному використовується для остаточної термічної обробки безшовних сталевих труб.

• Метод механічного регулювання

1. Гідростатичне випробування: застосувати тиск води під надлишковим тиском, щоб викликати мікропластичну деформацію стінки труби, звільнити залишкову напругу та перерозподілити напругу, утворюючи корисну напругу стиску на поверхневому шарі, маючи подвійну функцію перевірки якості та регулювання напруги, і є необхідним процесом для сталевих труб-, що несуть тиск.
2. Дробеструйна обробка: високошвидкісні снаряди вдаряються об поверхню сталевої труби, спричиняючи пластичну деформацію поверхневого шару, створюючи керовану поверхневу залишкову напругу стиску, протидіючи шкідливій напрузі розтягування та одночасно підвищуючи втомну міцність і стійкість до корозії. Його зазвичай використовують для попередньої -обробки перед анти-корозією.
3. Вібраційне старіння: використовуйте резонанс, щоб зробити мікроскопічні дефекти сталевої труби ковзаючими, зняти залишкову напругу, підходить для сталевих труб великого-діаметра та-розміру, з низьким енергоспоживанням і коротким циклом, але швидкість усунення напруги нижча, ніж при термічній обробці.

• Природне старіння: зберігати на відкритому повітрі, щоб дозволити стресу звільнитися повільно та природним шляхом, з тривалим циклом та обмеженим ефектом, використовується лише як допоміжний метод.

• Оптимізуйте технології термічної обробки: контролювати швидкість нагрівання трубної заготовки для забезпечення рівномірної температури печі; застосувати контрольоване охолодження після гарячої прокатки, щоб уникнути швидкого охолодження та нерівномірного охолодження, тим самим зменшуючи температурний стрес.
• Оптимізувати методи пластичної деформації: удосконалити конструкцію штампів для проколювання, прокатки труб і штампів постійного зменшення для забезпечення рівномірної деформації вздовж товщини стінки та напрямку довжини; розумно розподіляйте величину деформації за кожен прохід, щоб уникнути надмірної деформації за один прохід.
• Оптимізація процесу зварювання (зварні труби): Контролюйте надходження тепла під час зварювання, використовуйте процеси попереднього та наступного нагрівання, щоб зменшити швидкість охолодження та мінімізувати температурний градієнт у зварному шві; використовуйте симетричне зварювання та багато{0}}зварювання, щоб протидіяти певній деформації та напрузі.
• Оптимізація технології холодної обробки: розумно розподіліть ступінь деформації під час холодного волочіння/холодної прокатки, заплануйте проміжний відпал, щоб усунути зміцнення та стрес під час обробки, а потім перейдіть до подальшої холодної обробки.
• Оптимізація процесу випрямлення: віддайте перевагу використанню гарячого випрямлення замість холодного, оптимізуйте кількість зменшення випрямлення та малюнок рулону, зменшіть напругу, що виникає під час випрямлення; використовуйте точне розпилювання замість зрізу, щоб зменшити концентрацію напруги на кінцях труби.