Анализ причин, сценариев и мер предотвращения растрескивания стальных труб

Сущность растрескивания стальных труб заключается в том, что внутреннее напряжение превышает предел текучести/стойкость материала. Кроме того, существуют четыре основные причины: дефекты материала, дефекты процесса, чрезмерная внешняя сила и коррозия окружающей среды.

От микроскопического растрескивания зерен до расширения микро-трещин и макроскопических трещин оно встречается в пяти формах: продольное растрескивание, поперечное растрескивание, кольцевое растрескивание, концевое растрескивание и растрескивание сварного шва.

1. Материальные-причины (врожденные дефекты)

1. Включения/расслоение фаз в сырье
При производстве стали, если содержание серы, фосфора, кислорода и водорода превышает норму, происходит накопление сульфидов и оксидов, нарушающих сплошность зерен металла и становящихся источниками трещин; если углеродный эквивалент слишком высок, сталь становится хрупкой, имеет плохую ударную вязкость и склонна к образованию холодных трещин.

2. Недостаточная металлографическая структура.
Крупные зерна, полосчатая структура, структура Виккерса, закаленный мартенсит, твердая и хрупкая структура, значительно сниженная пластичность, даже небольшое напряжение приведет к растрескиванию.

3. Неравномерная толщина стенок, чрезмерная эллиптичность.
Одна сторона трубы толще, а другая тоньше, напряжение концентрируется в области тонких-стенок, и под напряжением преимущественно возникают трещины.

4. Растрескивание, вызванное-водородом (наиболее распространенное).
При производстве стали кислотная промывка, сварка, гальванические процессы поглощают водород, атомы водорода проникают в решетку, накапливаются, образуя внутреннее давление, растрескивают зерна и чаще всего проявляются в виде замедленного растрескивания.

2. Причины производственного процесса (после-производственные дефекты)

1. Неподходящий процесс горячей прокатки/холодного волочения.

• Чрезмерная температура нагрева/охлаждения: Перегрев приводит к крупному зернению и неполной проковке; слишком низкая температура приводит к плохой пластичности и прямому разрыву при прокатке.
• Чрезмерное снижение качения: Чрезмерная деформация за один проход превышает предел допуска материала, вызывая внутреннее расслоение и микро-трещины.
• Отсутствие промежуточного отжига при холодном волочении: Сильное нагартование, чрезмерные остаточные напряжения растяжения и естественное растрескивание во время хранения и резки.

2. Дефекты сварных стальных труб.
Спиральная сварка, сварка прямым швом: Непровар, шлаковые включения, газовая пористость, подрез, сварной валик, сварной шов является слабым местом, концентрация напряжений вызывает прямое растрескивание; чрезмерное тепловложение при сварке, хрупкость в зоне термического-воздействия.

3. Неправильная термическая обработка.
Слишком быстрое охлаждение при нормализации и отжиге приводит к закалочным напряжениям; недостаточный отпуск, остаточное напряжение не снимается и последующее медленное растрескивание.

4. Резка, снятие фасок, обработка фасок.
Распиловка, газопламенная резка создают термические напряжения и упрочняющий слой, в результате чего на концах возникают микротрещины, которые впоследствии расширяются.

3. Причины стресса и внешних сил
1. Остаточное внутреннее напряжение
После прокатки, сварки и холодной волочения внутренние напряжения не снимаются. Стальная труба имеет собственное растягивающее напряжение внутри, и она естественным образом треснет даже без внешней силы.

2. Механическая перегрузка от внешних сил
Сжатие, удар, изгиб, неравномерное распределение усилий при подъеме и монтаже, а также превышение расчетного предела текучести стальной трубы.

3. Концентрация стресса
Трещины возникают в вырезе отверстия трубы, царапины вызывают ямки, острые углы от обработки резьбы и резкие изменения толщины стенки. Местное напряжение увеличивается в несколько раз, что приводит к немедленному растрескиванию.

4. Причины коррозии и ухудшения состояния окружающей среды и среды.
1. Низко-охрупчивание при низких температурах
Трубы из низко-углеродистой и низко-легированной стали демонстрируют значительное снижение ударной вязкости при экстремально низких температурах. Даже небольшие вибрации или удары могут привести к хрупкому разрушению и растрескиванию.

2. Коррозионное растрескивание.

• Коррозия под напряжением: Влага, кислоты, щелочи, ионы хлорида + растягивающее напряжение, что приводит к образованию коррозионных трещин под напряжением (SCC).
• Межкристаллитная коррозия: среда разрушает границы зерен, вызывая постепенное растрескивание.
• Водородная коррозия, сульфидная коррозия (распространена в нефтепромысловых и углехимических трубопроводных системах).

1. Растрескивание в процессе производства

• При горячей прокатке и прошивке:Трубная заготовка имеет низкую температуру и содержит множество включений, что приводит к прямому разрыву прокалывающего кончика.
• В процессе прокатки:Чрезмерное снижение давления, неправильная регулировка направляющих роликов, вызывающие продольное растрескивание стенки трубы.
• При производстве холодной вытяжки:Плохая смазка форм, чрезмерная деформация и неспособность отжечь, что приводит к растрескиванию во время волочения.
• При формировании сварки:Плохое формирование сварного шва, несоответствие сварочного тока и напряжения, немедленное растрескивание сварного шва.
• В процессе выпрямления:Чрезмерное давление на выпрямляющие ролики приводит к сдавливанию трубы и образованию поперечных трещин.

2. Растрескивание при хранении/транспортировке.

• Холоднотянутые-трубы и сварные трубы не подверглись снятию напряжений, а резкие изменения температуры во время хранения на открытом воздухе вызывают тепловое расширение и сжатие, что приводит к растрескиванию.
• Неправильное крепление во время транспортировки и подъема, а также необоснованные точки крепления приводят к местному сжатию и истиранию, вызывая растрескивание.
• Воздействие влаги, дождя, ржавления и коррозии приводит к постепенному расширению микро-трещин на поверхности.

3. Взлом после-обработки

• Газовая резка и шлифовка концов труб, термический удар приводят к образованию торцевых трещин.
• Нарезание резьбы, нарезание резьбы, обработка пазов, напряжение резания в сочетании с острым угловым напряжением приводят к растрескиванию.
• Беспорядочное усечение, грубый стук, вибрация усиливает имеющиеся микро-трещины.

4. Трещина во время установки и использования.

• Принудительное выравнивание труб, жесткая протяжка за соединение, что приводит к возникновению растягивающих напряжений при монтаже.
• Превышение расчетного давления для напорного-подшипника, гидроудар, внезапное повышение и понижение давления.
• Использование вне помещений при низких температурах, без изоляции, что приводит к хрупкому разрушению.
• Осадка фундамента, заглубленные трубы, подвешенная нагрузка, коррозия грунта.
• Высокие-температурные условия: длительная-высоко-ползучесть при высоких температурах, проскальзывание зерен, вызывающее растрескивание; чередование горячих и холодных циклов, термическое усталостное растрескивание.

1. Контроль сырья (предотвращение появления трещин в источнике)

1. Строго контролировать состав сталеплавильного производства: снизить содержание серы и фосфора, контролировать углеродный эквивалент, строго контролировать содержание водорода, выбирать качественные заготовки и избегать случайного смешивания стального лома и других примесей.

2. AВсе поступающие заготовки должны пройти дефектоскопию: ультразвуковая/индукционная дефектоскопия, удаление внутренних включений, слоистых и усадочных дефектов.

3. Университетформовый нагрев заготовок: пошаговый--пошаговый нагрев печи с постоянной скоростью, избегая локального перегрева и недогрева, а также обеспечивая достаточное время выдержки для достижения однородной микроструктуры.

2. Регулировка процесса прокатки/холодного волочения
1. Точный контроль температуры.
При горячей прокатке начальная и конечная температуры прокатки строго контролируются, чтобы избежать зоны хрупкости; в условиях низкой-температуры температура нагрева заготовки соответственно увеличивается.

2. Разумное распределение сокращения
Уменьшите величину деформации при одиночной прокатке, используйте несколько проходов с небольшим уменьшением, чтобы избежать чрезмерного напряжения за один проход; оптимизировать расстояние между роликами и направляющими, чтобы обеспечить равномерную толщину стенок и соответствие требованиям эллиптичности.

3. Защита-растрескивания в процессе холодной вытяжки
Перед холодным волочением произвести сфероидизационный отжиг для исключения наклепа; отполируйте формы и обеспечьте достаточную смазку, чтобы уменьшить напряжение трения; используйте несколько проходов волочения и добавьте процессы отжига в середине.

3. Специальные меры против-растрескивания сварных стальных труб.
1. Подберите сварочный ток, напряжение и скорость сварки, чтобы предотвратить неполное проплавление, подрезы и включения шлака.
2. Предварительно нагрейте перед сваркой и медленно охладите после сварки. Трубы из высоко-углеродистой/легированной стали необходимо подвергнуть отпуску после сварки, чтобы снять напряжение.
3. Проведите поточную-ультразвуковую и рентгеновскую дефектоскопию сварных швов и немедленно удалите треснувшие стальные трубы.

4. Термическая обработка для снятия напряжений (ключевой процесс)
1. Холоднотянутые-трубы, толстостенные-трубы и трубы из сплавов должны подвергаться отжигу/нормализации для снятия напряжений, чтобы снять остаточные напряжения от прокатки и сварки.
2. Контролируйте скорость охлаждения. Запретите воздушное охлаждение или быстрое охлаждение. Используйте печное охлаждение, медленное охлаждение в ямах во избежание затвердевания конструкций.

5. Посто-контроль обработки и выпрямления.
1. Точно-настройте давление выпрямляющего ролика, чтобы чрезмерное выпрямление не приводило к появлению поперечных трещин; повторите-осмотр после выпрямления.
2. Используйте низкоскоростную-обработку для скругления и снятия фасок у устья трубы, чтобы избежать прямого возгорания устья трубы при резке пламенем; вместо этого используйте механическую распиловку, чтобы уменьшить термические трещины.
3. После обработки сделать закругленный переход на устье трубы, чтобы исключить концентрацию напряжений, вызванную острыми углами и зазорами.

6. Онлайн-проверка качества
Полный-технологический процесс вихретоковыми, ультразвуковыми и гидростатическими испытаниями проводится для заблаговременного обнаружения микро-трещин и предотвращения выпуска продукции с трещинами с производственной линии.

1. Выбор типа и совместимость (сначала выберите правильную трубу)
1. Низкая-температура окружающей среды:Выбирайте стальные трубы, устойчивые к воздействию низких-температур (например, Q355C/D/E), и избегайте использования обычной низко-углеродистой стали.
2. Агрессивные среды (кислота, щелочь, химическая, морская среда):Выбирайте трубы из оцинкованной стали, нержавеющей стали, трубы из-антикоррозионного сплава. Обычные трубы из углеродистой стали склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением.
3. Условия высокого-давления и высокой-температуры:Выбирайте толстостенные-бесшовные стальные трубы. Откажитесь от использования тонкостенных сварных труб-в качестве заменителей.

2. Примечания по хранению и транспортировке
1. Храните готовые стальные трубы в горизонтальном положении, чтобы избежать подвешивания или воздействия одноточечных-напряжений; используйте многослойные деревянные подставки, чтобы предотвратить прямой жесткий контакт и сдавливание.
2. Накрывайте их в дождливые дни, чтобы предотвратить ржавчину из-за воздействия дождя и растрескивания, вызванные резкими изменениями температуры; держите их подальше от сред с кислотной и щелочной коррозией.
3. Для транспортировки и подъема используйте гибкие подъемные ремни. Не прижимайте прямо к устью или корпусу трубы стальные тросы. Строго запрещайте грубое обращение и удары.

3. Резка и вторичная обработка.
1. Старайтесь как можно чаще использовать механическую холодную резку и сведите к минимуму использование горячей резки пламенем; при необходимости газовой резки удалите затвердевший слой и микро-трещины после резки.
2. После нарезания резьбы и долбежки сделайте фаски и закругления углов, чтобы исключить концентрацию напряжений на острых углах во время обработки.
3. Если напряжение в обрабатываемой стальной трубе высокое, для снятия напряжения можно провести местный отжиг.

4. Технические характеристики конструкции установки

1. Установка трубопровода не должна производиться путем принудительного выравнивания или сильного вытягивания или толкания. Оставьте достаточный припуск на тепловое расширение, чтобы избежать остаточных растягивающих напряжений во время установки.
2. Расстояние между опорами и подшипниками должно соответствовать правилам, чтобы предотвратить подвешивание, опускание или изгиб трубопровода под действием силы.
3. На трубопроводах, работающих при высоких-температурах, следует устанавливать компенсаторы, компенсирующие тепловое расширение и сжатие и предотвращающие возникновение трещин при термическом напряжении.

5. Защита при эксплуатации и обслуживании.
1. Не превышайте пределы давления или нагрузки, чтобы избежать гидроудара и резких колебаний давления.
2. Изолируйте и предотвращайте замерзание трубопроводов, работающих при низких-температурах, чтобы избежать хрупкого растрескивания; запретить прямое воздействие и удары по трубопроводам в зимнее время.
3. Нанесите анти-коррозионные покрытия и катодную защиту на подземные трубопроводы, чтобы изолировать хлорид-ионы почвы, кислоты и щелочи от коррозии.
4. Регулярные проверки. Сосредоточьтесь на проверке сварных швов, отверстий труб и коленчатых участков (где напряжение самое высокое и наиболее вероятно возникновение трещин) и незамедлительно вырезайте и заменяйте любые незначительные трещины, чтобы предотвратить их расширение и разрыв трубопровода.

1. Основная причина растрескивания:Дефекты материала + остаточное напряжение + неправильный процесс + внешняя сила/низкая температура/коррозия в сочетании;

2. Сценарии, склонные к взлому:Производственная прокатка/сварка, закалка холодной волочением, резка термоударом, использование при низких-температурах, агрессивная среда, принудительный монтаж;

3. Производственная профилактика растрескивания:Контроль сырья, контроль температуры, разумное снижение температуры, термообработка после-сварки, снятие напряжений, оперативная-обнаружение дефектов;

4. Использование предотвращения растрескивания:Выбор подходящего материала, бережное хранение и транспортировка, холодная резка, стандартизированная установка, контроль давления, защита от-коррозии и-замерзания.