Анализ процесса холодной обработки и снятия напряжений бесшовных стальных труб

Холодная обработка бесшовных труб обычно подразумевает глубокую холодную обработку (низко-температурную обработку, обычно в среде жидкого азота при температуре от -70 до -196 градусов) и часто используется в сочетании с процессами закалки, отпуска, холодной прокатки/холодной вытяжки. Основная функция:

1. Стабилизация конструкции и размеров.:

Эльимитировать оставшийся аустенит и способствовать его превращению в стабильный мартенсит, чтобы предотвратить размерную деформацию и дрейф точности во время последующего использования и обработки труб, особенно для прецизионных гидравлических труб, инструментальных труб и несущих труб.

2. Повышение твердости, износостойкости и прочности:

Организация становится более плотной, повышается твердость поверхности и износостойкость, продлевается срок службы трубы.

3. Снимите микровнутренний стресс:

Уменьшите микро-напряжения, вызванные искажением решетки во время холодной вытяжки и закалки, а также снизьте риск растрескивания и деформации на более позднем этапе.

4. Повышение прочности и усталостных характеристик:

Улучшите структуру зерен, уменьшите точки концентрации напряжений и повысьте усталостную и ударную прочность материала труб.

Отличительный момент:

Холодная обработка ≠ холодная вытяжка/холодная прокатка при нормальной температуре. Холодная обработка — это низко-процесс глубокого охлаждения, являющийся вспомогательной процедурой после термической обработки.

(1) Предварительная-подготовка к обработке

1. Предварительный-контроль процесса
Материал трубы должен сначала подвергнуться закалке/отпуску/холодной вытяжке, затем охладиться примерно до комнатной температуры (20-40 градусов) перед помещением в печь. Категорически запрещается напрямую подвергать высоко-температуре низкотемпературное оборудование, чтобы предотвратить чрезмерную разницу температур и растрескивание.

2. Сортировка и визуальный осмотр.

Удалить трубы с трещинами, складками, неравномерной толщиной стенок, царапинами на поверхности и неровностями. Сортируйте по материалу, спецификации и партии, чтобы избежать смешивания материалов.

3. Очистка и сушка

Тщательно удалите с поверхности масляные пятна, влагу и смазочно-охлаждающую жидкость. Замерзающая вода может треснуть стенку трубы и вызвать коррозию внутренней стенки. Оба конца длинной трубы герметизированы, чтобы предотвратить попадание в трубу низкотемпературных сред.

4. Нормы загрузки печи
Укладывайте трубный материал слой за слоем, оставляя зазоры, не укладывая и не сдавливая. Поддерживайте тонкие и длинные трубы, чтобы предотвратить само-сгибание и деформацию под весом при низкой температуре.

5. Предварительная настройка параметров процесса-
Установите целевую температуру и время выдержки в зависимости от материала: бесшовные трубы из углеродистой стали/низколегированных труб обычно составляют от -70 до -120 градусов, трубы из высоколегированных/несущих труб - от -150 до -196 градусов.

(II) Управление процессом холодной обработки

1. Медленная скорость охлаждения.
Избегайте быстрого охлаждения. Контролируйте скорость охлаждения от 1 до 3 градусов в минуту. Большие перепады температур могут вызвать новые температурные напряжения, приводящие к микротрещинам.

2. Адекватная изоляция
После того, как вся труба достигнет заданной низкой температуры, выдерживайте изоляцию в течение 2–4 часов (для труб с большой толщиной стенки и большим диаметром продлите до 4–6 часов). Убедитесь, что внутренние и внешние конструкции полностью трансформируются, чтобы избежать неравномерной работы внутри и снаружи.

3. Герметичная среда и однородная среда.
Циркуляция жидкого азота/холодного воздуха равномерная, исключающая локальное переохлаждение; постоянно следить за температурой, чтобы избежать экстремально низких температур.

4. Запретить внешнее воздействие и движение.
При низких температурах вязкость стали временно снижается, и она склонна к образованию скрытых трещин под напряжением.

(III) Операции после-охлаждения

1. Медленное охлаждение (ключ)
После разгрузки дайте трубе естественным образом нагреться до комнатной температуры. Не подвергайте его воздействию прямых солнечных лучей, не обдувайте его горячим воздухом и не погружайте в воду для быстрого нагрева. Это необходимо для предотвращения вторичного стресса, вызванного чередованием холодных и горячих температур. Продолжительность охлаждения зависит от толщины стенки: для тонкостенных труб - от 2 до 4 часов; для толстостенных-труб - более 6 часов.

2. Своевременное закаливание/старение
После глубокого охлаждения необходимо провести низкотемпературный-отпуск (от 120 до 200 градусов), чтобы устранить небольшое низко-температурное напряжение, возникающее во время холодной обработки. Это также помогает восстановить прочность материала трубы и предотвратить ее хрупкость.

3. Повторная-проверка и сортировка.
Проверьте внешний вид, прямолинейность и округлость каждой трубы по отдельности; взять пробы на твердость, металлографический анализ и дефектоскопию на наличие микро-трещин и деформаций.

4. Защита и хранение
После высыхания и охлаждения храните трубы на складе, чтобы избежать воздействия непогоды, дождя и ударов.
 

Основные источники напряжений в бесшовных трубах: горячая прокатка, холодная вытяжка/холодная прокатка, закалка, сварка, правка, механическая обработка. Напряжение разделяется на макроскопическое остаточное напряжение и микроскопическое напряжение решетки.

1. Предотвращение будущих сбоев
Снятие остаточных напряжений может привести к изгибу, перекручиванию трубы и отклонениям размеров; суперпозиция напряжений может привести к растрескиванию и разрыву стенок труб, что представляет чрезвычайно высокий риск для трубопроводов высокого-давления и труб для транспортировки жидкостей.

2. Стабилизация точности обработки
Во время последующих процессов обработки, таких как токарная обработка, нарезание резьбы, резка и гибка, снятие напряжений приведет к деформации обрабатываемого изделия. Снятие напряжения может обеспечить долгосрочную-стабильность размеров готового изделия.

3. Улучшение механических свойств.
Устранение концентрации напряжений повышает устойчивость труб к усталости, коррозии и хрупкому разрушению, что значительно повышает безопасность в условиях высокого-давления, низкой-температуры и циклических нагрузок.

4. Улучшение последующей обработки поверхности
После снятия напряжений структура трубы становится однородной. Такие процессы, как цинкование, фосфатирование и нанесение покрытий, с меньшей вероятностью приводят к отслаиванию или образованию микропор.
 

1. Низко-отжиг для снятия напряжений (наиболее часто используемый основной процесс)

Применимо к: холоднотянутым-трубам, закаленным и отпущенным трубам, прецизионным бесшовным трубам, трубам среднего и малого-диаметра.

• ПроцессSS:Нагрейте до 180–300 градусов, подождите некоторое время, затем медленно проветрите-охладите или-охладите в печи.
• Принцип:Атомы медленно диффундируют, снимая напряжения искажения решетки, не изменяя при этом твердости и прочности матрицы, а лишь устраняя остаточные напряжения.
• Ключевые моменты:Температура всей печи должна быть одинаковой, время выдержки составляет 30–60 минут на 10 мм толщины стенки; Скорость охлаждения должна быть меньше или равна 2 градуса в минуту.

2.Высоко-отжиг для снятия напряжений (полное снятие напряжений, большие деформации в трубах)

Применимо к: трубам большого-толстостенного-диаметра, горячекатаным-трубам, коленам, обработанным трубным фитингам, сварным трубам.

• Процесс:Нагрейте до 550–650 градусов (ниже температуры превращения), подержите некоторое время, затем медленно охладите в печи (выньте из печи, когда температура упадет ниже 200 градусов).
• Функции:Эффект снятия напряжений наиболее тщательный, практически устраняющий все макроскопические и микроскопические напряжения; Недостатком является то, что он незначительно снижает твердость и прочность, подходит для конструкционных и транспортных труб с низкими требованиями к твердости.

3. Вибрационное старение (снятие физического напряжения, нагрев не требуется)

Применимо к: сверх-длинным трубам, трубам большого-диаметра, готовым трубам, которые не допускают изменения цвета или размягчения при нагревании.

• Принцип: Благодаря резонансу внутренние напряжения материала трубы ослабляются и перераспределяются.
• Преимущества: Отсутствие термической деформации, отсутствие окислительного обезуглероживания, низкое энергопотребление; Недостатки: Ограничено для устранения глубокого напряжения, в основном используется как вспомогательный метод снятия напряжения.

4. Естественное старение (низкая стоимость, только для труб с низкими-требованиями)

Применимо к: Обычным конструкционным трубам низкого-давления, не-прецизионным трубам.

• Принцип: При длительном хранении при комнатной температуре стресс постепенно снимается естественным путем.
• Недостатки: Период чрезвычайно длительный (от нескольких недель до нескольких месяцев), снятие напряжений не является тщательным, и в промышленном серийном производстве он используется редко.

5. Глубокая обработка холодом (ранее называвшаяся обработкой холодом, служащая вспомогательным методом снятия стресса)

Обычно его используют в сочетании с темперированием. Сначала структуру стабилизируют путем глубокой холодной обработки, а затем проводят отпуск при более низкой температуре. Комбинированный эффект снятия стресса более эффективен.
 

Сочетая холодную обработку + снятие напряжений + формование, существует два основных метода обработки трубопроводов:

Решение 1. Прецизионные холоднотянутые бесшовные-трубы (используются в гидравлическом, контрольно-измерительном и точном оборудовании).

1. Горячекатаная-трубная заготовка → Холодная вытяжка/холодная прокатка (что приводит к напряжению при холодной обработке)
2.Низко-отжиг для снятия напряжений (200–280 градусов): Устраняет стресс от холодного рисования.
3. Выпрямление, обрезка головы и отделка.
4. Глубокая холодная обработка (-80~-120 градусов, медленное охлаждение + достаточное время выдержки): Стабилизирует структуру и повышает твердость и износостойкость.
5. Вторичный низкотемпературный-отжиг (150–200 градусов): Устраняет стресс от холода и восстанавливает прочность.
6. Не-неразрушающий контроль, проверка размеров и хранение готовой продукции.

Эффект: стабильные размеры, равномерная твердость, отличные усталостные характеристики и отсутствие деформации в течение длительного периода использования.

Решение 2. Высоко-толстостенные-горяче-бесшовные трубы высокого давления (нефть и газ, котлы, транспортировка жидкостей)

1. Горячая прокатка → Черновая правка.
2. Высокотемпературный-отжиг для снятия напряжений (степень 580 - 630, медленное охлаждение в печи): полностью устраняет напряжения от горячей прокатки и правки.
3. Механическая обработка, снятие фасок, гибка труб и т. д. для дальнейшей обработки.
4. Дефектоскопия изделия, гидравлические испытания.
 

Эффект: Устойчив к растрескиванию, выдерживает высокое давление, стабильную нагрузку, подходит для тяжелых-условий эксплуатации.
 

1. Основа холодового лечения: Сохраняет размеры, повышает твердость, способствует трансформации тканей. Весь процесс должен включать медленное охлаждение, медленный повторный-нагрев и последующий повторный-отпуск; в противном случае он склонен к растрескиванию.

2. Основа снятия стресса:Предотвратите деформацию, растрескивание и размерный сдвиг. Для снятия напряжений во время термообработки отдайте предпочтение «высоко-отжигу (полному)» и «низко-отпуску (для сохранения твердости)». 

3.Логика повышения производительности:Выполнить снятие напряжений при формовке → Осуществить холодную закалку → Провести вторичную снятие напряжений. Комбинация этих трех процессов учитывает прочность, твердость, ударную вязкость и стабильность размеров.