Проблема стресса в производстве стальных труб

Основными причинами внутренних напряжений в стальных трубах являются:неравномерное изменение температуры, неравномерная пластическая деформация, иасинхронные фазовые переходы в структуре.Эти явления стресса возникают на ранних, средних и заключительных стадиях производственного процесса и могут быть разделены на переходное напряжение (которое исчезает после завершения процесса) и остаточное напряжение (которое остается в готовом продукте и является основным фактором, влияющим на качество). Существуют значительные различия в стадиях возникновения напряжений для разных производственных маршрутов (например, бесшовных стальных труб и сварных стальных труб). Конкретные детали заключаются в следующем:

На этом этапе напряжение в основном представляет собой термическое напряжение, в основном переходное напряжение. Некоторое начальное остаточное напряжение будет перенесено на последующие этапы обработки вместе с сырьем.

• Начальное остаточное напряжение трубных заготовок: В процессе охлаждения и правки непрерывнолитых трубных заготовок и катаных трубных заготовок внутренниестресс имеетуже сохранено. Это относится к стрессу перед-обработкой, вызванному сырьем, и будет накладываться на стресс после последующей обработки.
• Термическое напряжение в процессе нагрева:Когда трубные заготовки нагреваются, поверхностный слой расширяется первым за счет тепла, тогда как сердцевинный слой имеет более низкую температуру и меньшую величину расширения. Поверхностный слой сжимается, а сердцевинный слой растягивается. Если скорость нагрева слишком высока или температура в печи неравномерна, термическое напряжение резко возрастет, а в крайних случаях может привести к растрескиванию поверхности трубных заготовок. После равномерного нагрева мгновенное термическое напряжение значительно снизится.

Это наиболее критический этап для возникновения стресса. Большая пластическая деформация и локальные термические циклы создают большое количество деформационных напряжений и термических напряжений, которые являются основными источниками остаточных напряжений в готовом изделии.

• Основные процессы производства бесшовных стальных труб

1. Процесс пирсинга: При прошивке наклонной прокаткой трубная заготовка подвергается интенсивной трехмерной неоднородной-пластической деформации под действием валков и пуансоновой головки. Существует значительная разница в величине деформации толщины стенки, внутренней и внешней поверхностей, что приводит к значительному деформационному напряжению; неравномерное охлаждение после прошивки приведет к увеличению термического напряжения, в совокупности образующего начальное остаточное напряжение трубы.
2. Прокатная труба / Процесс фиксированного диаметра уменьшения:При непрерывной и автоматической прокатке труб толщина стенки уменьшается и происходит осевое удлинение. Деформация распределена по толщине стенки неравномерно; в процессах фиксированного диаметра и уменьшения диаметра возникает окружная деформация сжатия, а разница в деформации между внутренней и внешней поверхностями еще больше усиливается, что является основным источником осевых и окружных остаточных напряжений в горяче-катаных бесшовных трубах.

• Основной процесс сварки стальных труб

1. Процесс формирования:Полосовая сталь многократно сгибается роликами для формирования заготовки трубы. Деформация изгиба приводит к тому, что внешний слой стальной пластины оказывается под напряжением, а внутренний слой — под сжатием. После холодной пластической деформации сохраняются остаточные напряжения изгиба. Это относится к формирующему технологическому напряжению.
2. Процесс сварки:Сварной шов и зона термического влияния быстро нагреваются и локально охлаждаются. Тепловое расширение области нагрева ограничивается окружающим холодным металлом, что приводит к пластической деформации сжатия; во время охлаждения усадка ограничивается окружающим основным металлом, и, наконец, в области сварного шва образуется очень высокое остаточное растягивающее напряжение. Основной металл с обеих сторон находится под сжимающим напряжением для поддержания баланса, что является основным источником напряжений в сварных трубах. Чем больше энергия сварочной линии и чем выше скорость охлаждения, тем выше уровень остаточного напряжения.

На этом этапе могут возникнуть новые остаточные напряжения, или эти напряжения могут быть устранены с помощью определенных процессов на предыдущем этапе.

• Процесс охлаждения: Когда горяче-катаные и сварные стальные трубы остывают, поверхность остывает быстрее, а сердцевина остывает медленнее. Поверхность сначала сжимается и находится под напряжением, а ядро ​​позже сжимается и сжимается, что приводит к остаточному тепловому напряжению; чем выше скорость охлаждения и чем неравномернее охлаждение, тем больше остаточная термическая нагрузка.
• Процесс выпрямления:Холодная правка исправляет кривизну трубы за счет многократного обратного изгиба и пластической деформации, но неравномерная деформация приведет к появлению новых остаточных напряжений при изгибе. Обычно поверхностный слой трубы сохраняет напряжение сжатия, а под-слой — напряжение растяжения; горячая правка (с использованием остаточного тепла от прокатки для правки) создает напряжения, которые намного меньшие, чем напряжения при холодной правке.
• Этапы холодной обработки (холодная вытяжка/холодная прокатка труб): При большой пластической деформации при комнатной температуре возникает чрезвычайно сильное технологическое упрочнение и остаточное напряжение, которое является абсолютным основным источником остаточного напряжения для холодно-тянутых/холоднокатаных стальных труб, причем уровень напряжения намного выше, чем у горяче-катаных стальных труб.
• Резка и обработка концов труб: Распиловка, нарезание резьбы и обработка канавок вызовут локальную пластическую деформацию, что приведет к локальной концентрации напряжений на конце трубы.
• Процесс термообработки: При правильном проведении процесса стресс можно устранить; если нагрев неравномерный или охлаждение слишком быстрое (например, закалка), возникнут новые термические напряжения и микроструктурные напряжения, а в тяжелых случаях стальная труба треснет.

Мгновенное напряжение во время процесса влияет только на стабильность процесса. Остаточное напряжение является основным фактором, определяющим качество и эксплуатационные характеристики готового продукта, и имеет два эффекта: негативное воздействие и контролируемое положительное воздействие.

• Нестабильность размеров и формы:Остаточное напряжение – это внутренняя-уравновешивающая сила. Когда последующие этапы обработки, такие как резка, нарезание резьбы, изгиб и т. д., нарушают баланс напряжений, снятие напряжений приведет к изгибу стальной трубы, превышению предела эллиптичности, расширению или сжатию в диаметре и повлияет на точность размеров; медленное снятие напряжения во время длительного-хранения также может привести к разрушению из-за деформации.
• Снижение давления-подшипника и усталостные характеристики: Остаточное растягивающее напряжение будет накладываться на рабочее напряжение, создаваемое рабочим давлением и переменными нагрузками, в результате чего стальная труба фактически выдержит нагрузку, превышающую расчетное значение, тем самым снижая ее -несущую способность; при переменных нагрузках, таких как колебания давления жидкости и вибрации, остаточное растягивающее напряжение ускоряет возникновение трещин и значительно снижает усталостную долговечность, а в тяжелых случаях приводит к разрыву или разрушению трубы.
• Вызвать коррозионное растрескивание под напряжением: В агрессивных средах, содержащих ионы серы, хлорида и т. д. (таких как транспортировка нефти и газа, химические трубопроводы), остаточные напряжения растяжения будут взаимодействовать с коррозией, вызывая коррозионное растрескивание под напряжением (SCC), которое является одной из основных форм разрушения труб для транспортировки нефти и газа, а также нефтеперерабатывающих и химических труб.
• Ухудшение производительности последующей обработки: Стальные трубы с большими остаточными напряжениями на этапах вторичной обработки, таких как изгиб, расширение и сжатие, склонны к растрескиванию и чрезмерному отскоку, что приводит к значительному снижению уровня квалификации обработки.

Не все остаточные напряжения вредны: поверхностные остаточные напряжения сжатия могут противодействовать некоторым внешним растягивающим нагрузкам, повышая усталостную прочность и устойчивость стальной трубы к коррозии под напряжением. В промышленности контролируемое поверхностное сжимающее напряжение активно применяется посредством таких процессов, как дробеструйная обработка и гидростатические испытания, для оптимизации эксплуатационных характеристик стальных труб.

Что касается стресса, то он делится на два типа подходов: «Устранение/контроль уже созданного остаточного напряжения» и «Уменьшение возникновения стресса в источнике».

• Метод термообработки (большая часть ядра, самая высокая скорость удаления)

​​​​​​​

Наиболее часто используемый метод — отжиг-для снятия напряжений: нагрейте стальную трубу ниже температуры рекристаллизации (для углеродистой стали обычно 550-650 градусов, для легированной стали регулируйте в зависимости от материала), выдержите некоторое время, а затем медленно охладите. За счет микропластического течения и атомной диффузии внутреннее напряжение снимается со степенью устранения от 70% до 90%, при этом прочность материала существенно не снижается. Это стандартный процесс для холоднотянутых-труб, сварных труб и труб для котлов высокого давления.

Процесс нормализации + отпуска одновременно устраняет остаточные напряжения, корректируя структуру и оптимизируя механические свойства, в основном используется для окончательной термической обработки бесшовных стальных труб.

• Механический метод регулирования

1. Гидростатические испытания: применять избыточное давление воды, чтобы вызвать микропластическую деформацию стенки трубы, снять остаточное напряжение и перераспределить напряжение, формируя полезное сжимающее напряжение на поверхностном слое, выполняя двойную функцию контроля качества и регулирования напряжения, и это необходимый процесс для стальных труб, выдерживающих давление-.
2. Дробеструйная обработка/обработка упрочнением: высокоскоростные-снаряды ударяются о поверхность стальной трубы, вызывая пластическую деформацию поверхностного слоя, создавая контролируемое поверхностное остаточное сжимающее напряжение, противодействуя вредному растягивающему напряжению и одновременно повышая усталостную прочность и коррозионную стойкость. Обычно используется для предварительной-обработки перед защитой от-коррозии.
3. Вибрационное старение: использовать резонанс для создания микроскопических дефектов в скольжении стальной трубы, снятия остаточного напряжения, подходит для стальных труб большого-диаметра и большого-размера, с низким энергопотреблением и коротким циклом, но скорость устранения напряжений ниже, чем при термообработке.

• Естественное старение: хранить на открытом воздухе, чтобы позволить стрессу сниматься медленно и естественно, с длительным циклом и ограниченным эффектом, используется только в качестве вспомогательного метода.

• Оптимизировать методы термической обработки: Контролируйте скорость нагрева трубной заготовки, чтобы обеспечить равномерную температуру печи; используйте контролируемое охлаждение после горячей прокатки, чтобы избежать быстрого охлаждения и неравномерного охлаждения, тем самым снижая термическую нагрузку.
• Оптимизация методов пластической деформации: Улучшить конструкцию штампов для прошивки, прокатки труб и штампов постоянного обжатия, чтобы обеспечить равномерную деформацию по толщине стенки и направлению длины; разумно распределяйте величину деформации за каждый проход, чтобы избежать чрезмерной деформации за один проход.
• Оптимизация процесса сварки (сварные трубы): Контролируйте погонную теплоту при сварке, применяйте процессы предварительного и последующего нагрева для снижения скорости охлаждения и минимизируйте температурный градиент в сварном шве; используйте симметричную сварку и многопроходную-сварку, чтобы противодействовать некоторой деформации и напряжению.
• Оптимизация технологии холодной обработки: Разумно распределить величину деформации при холодной вытяжке/холодной прокатке, запланировать промежуточный отжиг для устранения наклепа и напряжений во время обработки, а затем приступить к последующей холодной обработке.
• Оптимизация процесса правки: Отдайте предпочтение использованию горячей правки вместо холодной правки, оптимизируйте степень сокращения правки и схему прокатки, уменьшите напряжение, возникающее при правке; используйте прецизионную распиловку вместо резки, чтобы уменьшить концентрацию напряжений на концах труб.