Problem naprezanja u proizvodnji čeličnih cijevi

Glavni uzroci unutrašnjeg naprezanja u čeličnim cijevima suneravnomerne promene temperature, neujednačena plastična deformacija, iasinhroni fazni prijelazi u strukturi.Ovi stresni fenomeni se javljaju u ranoj, srednjoj i završnoj fazi proizvodnog procesa i mogu se klasificirati na prolazni stres (koji nestaje nakon završetka procesa) i rezidualni stres (koji ostaje u gotovom proizvodu i ključni je faktor koji utječe na kvalitetu). Postoje značajne razlike u fazama stvaranja naprezanja za različite proizvodne rute (kao što su bešavne čelične cijevi i zavarene čelične cijevi). Konkretni detalji su sljedeći:

Tokom ove faze, napon je uglavnom termički stres, uglavnom prolazni napon. Neka početna zaostala naprezanja će se prenijeti na sljedeće korake obrade zajedno sa sirovinama.

• Početno zaostalo naprezanje cijevnih gredica: Tokom procesa hlađenja i ravnanja cevnih gredica za kontinualno livenje i valjanih cevnih gredica, unutrašnjestres imaveć zadržano. Ovo spada u prethodnu -preradu naprezanja koju donose sirovine i bit će naglašeno naprezanju naknadne obrade.
• Toplotni stres tokom procesa grijanja:Kada se gredice cijevi zagriju, površinski sloj se prvo širi zbog topline, dok jezgrini sloj ima nižu temperaturu i manju ekspanziju. Površinski sloj je komprimiran, a središnji sloj rastegnut. Ako je brzina grijanja prebrza ili je temperatura u peći neujednačena, toplinski napon će se naglo povećati, au ekstremnim slučajevima može uzrokovati pucanje na površini cijevnih gredica. Nakon ravnomjernog zagrijavanja, trenutno toplinsko naprezanje će se značajno ublažiti.

Ovo je najkritičnija faza za stvaranje stresa. Velike plastične deformacije i lokalni termički ciklusi stvaraju veliku količinu deformacijskog naprezanja i toplinskog naprezanja, koji su glavni izvori zaostalih naprezanja u gotovom proizvodu.

• Osnovni procesi bešavnih čeličnih cijevi

1. Proces pirsinga: Prilikom probijanja nagnutog kotrljanja, cijev se podvrgava intenzivnoj trodimenzionalnoj-neujednačenoj plastičnoj deformaciji pod djelovanjem valjaka i glave probijanja. Postoji značajna razlika u količini deformacije debljine zida i unutrašnje i vanjske površine, što rezultira značajnim deformacijskim naprezanjem; neravnomjerno hlađenje nakon bušenja će dodati termički stres, zajedno formirajući početno zaostalo naprezanje cijevi.
2. Valjana cijev / proces fiksne redukcije promjera:Tokom kontinuiranog valjanja i automatskog valjanja cijevi, debljina stijenke se smanjuje i dolazi do aksijalnog proširenja. Deformacija je neravnomjerno raspoređena po debljini zida; u procesima fiksnog promjera i redukcijskog promjera dolazi do obodne kompresijske deformacije, a razlika u deformaciji između unutrašnje i vanjske površine se dodatno pojačava, što je glavni izvor aksijalnog i obodnog zaostalog naprezanja u toplo-valjanim bešavnim cijevima.

• Proces jezgre zavarenih čeličnih cijevi

1. Proces formiranja:Čelična traka se više puta savija pomoću valjaka kako bi se formirala prazna cijev. Deformacija savijanja uzrokuje da vanjski sloj čelične ploče bude pod zatezanjem, a unutarnji sloj pod pritiskom. Nakon hladne plastične deformacije ostaje zaostalo zaostalo naprezanje savijanja. Ovo spada u naprezanje prilikom obrade.
2. Proces zavarivanja:Zavareni šav i zona zahvaćena toplinom se brzo zagrijavaju i lokalno hlade. Toplinsko širenje područja grijanja je ograničeno okolnim hladnim metalom, što rezultira kompresivnom plastičnom deformacijom; tokom hlađenja, kontrakcija je ograničena okolnim osnovnim metalom, i konačno se formira vrlo veliko zaostalo vlačno naprezanje u području šava šava. Osnovni metal s obje strane je pod pritiskom kako bi se održala ravnoteža, što je najveći izvor naprezanja u zavarenim cijevima. Što je veća energija linije zavarivanja i što je veća brzina hlađenja, to je veći nivo zaostalog naprezanja.

Ova faza može uvesti nova zaostala naprezanja, ili se ta naprezanja mogu eliminisati kroz specifične procese u prethodnoj fazi.

• Proces hlađenja: Kada se vruće{0}}valjane i zavarene čelične cijevi ohlade, površina se hladi brže dok se jezgro hladi sporije. Površina se prvo skuplja i nalazi se pod zatezanjem, dok se jezgro kasnije skuplja i nalazi pod kompresijom, što rezultira rezidualnim termičkim naprezanjem; što je brža brzina hlađenja i što je hlađenje neravnomjernije, veći je preostali termički napon.
• Proces ravnanja:Hladno ravnanje ispravlja zakrivljenost cijevi kroz ponovljeno obrnuto savijanje i plastičnu deformaciju, ali neravnomjerna deformacija će dovesti do novog zaostalog naprezanja savijanja. Obično površinski sloj cijevi zadržava tlačni napon, a pod-površinski sloj zadržava vlačni napon; vruće ravnanje (koristeći preostalu toplinu od valjanja do ravnanja) uvodi naprezanja koja su mnogo manja od onih od hladnog ravnanja.
• Faze hladne obrade (hladno izvlačenje/hladno valjanje cijevi): Pod velikom plastičnom deformacijom na sobnoj temperaturi, stvara se izuzetno snažno obradno otvrdnjavanje i zaostalo naprezanje, što je apsolutni glavni izvor zaostalog naprezanja za hladno{0}}hladno vučene/hladno{1}}valjane čelične cijevi, a nivo naprezanja je mnogo veći nego kod toplo-valjanih čeličnih cijevi.
• Rezanje i obrada krajeva cijevi: Piljenje, urezivanje navoja i obrada žljebova će uzrokovati lokalnu plastičnu deformaciju, što rezultira lokalnom koncentracijom naprezanja na kraju cijevi.
• Proces termičke obrade: Kada se proces pravilno izvede, stres se može eliminisati; ako je zagrijavanje neravnomjerno ili je hlađenje prebrzo (kao što je gašenje), stvorit će se novo toplinsko naprezanje i mikrostrukturno naprezanje, au teškim slučajevima će čelična cijev pucati.

Trenutačni stres tokom procesa samo utiče na stabilnost procesa. Preostalo naprezanje je ključni faktor koji određuje kvalitetu i performanse usluge gotovog proizvoda, a ima dva efekta: negativne utjecaje i pozitivne efekte koji se mogu kontrolirati.

• Nestabilnost dimenzija i oblika:Preostalo naprezanje je unutrašnja samo{0}}sila za balansiranje. Kada naknadni koraci obrade kao što su rezanje, urezivanje navoja, savijanje itd. poremete ravnotežu naprezanja, oslobađanje naprezanja će uzrokovati savijanje čelične cijevi, prekoračenje granice eliptičnosti, proširenje ili skupljanje u promjeru i utjecati na točnost dimenzija; sporo oslobađanje naprezanja tokom-dugotrajnog skladištenja također može dovesti do kvara deformacije.
• Smanjene performanse{0}}podnošenja pritiska i zamora: Preostalo vlačno naprezanje će biti superponirano s radnim naprezanjem koje nastaje radnim pritiskom i naizmjeničnim opterećenjem, uzrokujući da čelična cijev zapravo podnese veću silu od projektne vrijednosti, čime se smanjuje njena nosivost{0}}pritiska; pod naizmjeničnim opterećenjima kao što su fluktuacije tlaka tekućine i vibracije, zaostalo vlačno naprezanje će ubrzati nastanak pukotine i značajno smanjiti vijek trajanja zamora, au teškim slučajevima uzrokovati pucanje cijevi ili lom.
• Inducirati koroziju pod naponom: U korozivnim medijima koji sadrže sumpor, kloridne ione, itd. (kao što su transport nafte i plina, kemijski cjevovodi), zaostalo vlačno naprezanje će stupiti u interakciju s korozijom, izazivajući koroziono pucanje pod naponom (SCC), što je jedan od osnovnih oblika kvara cijevi za transport nafte i plina i cijevi za rafiniranje i kemikalije.
• Smanjenje performansi naknadne obrade: Za čelične cijevi s velikim preostalim naprezanjem, tokom sekundarnih koraka obrade kao što su savijanje, širenje i skupljanje, one su sklone pucanju i prekomjernom odskoku, što rezultira značajnim smanjenjem stope kvalifikacije obrade.

Nisu sva zaostala naprezanja štetna: površinsko zaostalo tlačno naprezanje može suprotstaviti neka vanjska vlačna opterećenja, povećavajući čvrstoću na zamor i otpornost čelične cijevi na koroziju. U industriji, kontrolirano površinsko tlačno naprezanje aktivno se uvodi kroz procese kao što su mlaziranje i hidrostatičko ispitivanje kako bi se optimizirale radne karakteristike čelične cijevi.

Što se tiče stresa, on je podijeljen na dvije vrste pristupa: "Eliminacija/kontrola zaostalog stresa koji je već generiran" i "Smanjenje stvaranja stresa na izvoru".

• Metoda toplinske obrade (najveća jezgra, najveća stopa eliminacije)

​​​​​​​

Najčešće korištena metoda je žarenje-za ublažavanje naprezanja: zagrijte čeličnu cijev ispod temperature rekristalizacije (za ugljični čelik, općenito 550-650 stupnjeva, za legirani čelik, podesite prema materijalu), držite neko vrijeme, a zatim polako ohladite. Kroz mikroplastični protok i atomsku difuziju, oslobađa se unutrašnji napon, sa stopom eliminacije od 70% do 90%, dok ne smanjuje značajno čvrstoću materijala. To je standardni proces za hladno{7}}cijevi, zavarene cijevi i cijevi za kotlove visokog pritiska.

Proces normalizacije + kaljenja istovremeno eliminiše zaostalo naprezanje dok se prilagođava struktura i optimizuje mehanička svojstva, koji se uglavnom koristi za završnu toplotnu obradu bešavnih čeličnih cevi.

• Metoda mehaničke regulacije

1. Hidrostatički test: primijeniti pritisak vode pod pritiskom da izazove mikroplastičnu deformaciju stijenke cijevi, otpusti zaostalo naprezanje i preraspodijeli napon, formirajući blagotvorno tlačno naprezanje na površinskom sloju, koji ima dvostruku funkciju inspekcije kvaliteta i regulacije naprezanja, i neophodan je proces za čelične cijevi koje nose pritisak{0}}.
2. Tretman peskarenjem:-brzi projektili udaraju u površinu čelične cijevi, uzrokujući plastičnu deformaciju površinskog sloja, uvodeći kontrolirano površinsko zaostalo tlačno naprezanje, suprotstavljajući se štetnom vlačnom naprezanju, i istovremeno povećavajući čvrstoću na zamor i otpornost na koroziju. Obično se koristi za pred-tretman prije anti-korozije.
3. Vibraciono starenje: koristite rezonanciju da napravite mikroskopske defekte u čeličnoj cijevi, otpustite zaostalo naprezanje, pogodno za čelične cijevi velikog{0}}promjera i velikih-veličina, sa malom potrošnjom energije i kratkim ciklusom, ali je stopa eliminacije naprezanja niža od one kod toplinske obrade.

• Prirodno starenje: čuvati na otvorenom kako bi se omogućilo da se stres polako i prirodno oslobađa, s dugim ciklusom i ograničenim učinkom, koristi se samo kao pomoćna metoda.

• Optimizirajte tehnike toplinske obrade: Kontrolirajte brzinu zagrijavanja cijevne gredice kako biste osigurali ujednačenu temperaturu peći; usvojiti kontrolirano hlađenje nakon vrućeg valjanja kako bi se izbjeglo brzo hlađenje i neravnomjerno hlađenje, čime se smanjuje termički stres.
• Optimizirajte tehnike plastične deformacije: Poboljšati dizajn konfiguracija probijanja, valjanja cijevi i matrice za konstantnu redukciju kako bi se osigurala ujednačena deformacija duž debljine stijenke i smjera dužine; razumno rasporedite količinu deformacije u svakom prolazu kako biste izbjegli pretjeranu deformaciju u jednom prolazu.
• Optimizacija procesa zavarivanja (zavarene cijevi): Kontrolirajte unos topline zavarivanja, usvojite procese predgrijavanja i naknadnog zagrijavanja kako biste smanjili brzinu hlađenja i minimizirali temperaturni gradijent na zavarenom šavu; koristite simetrično zavarivanje i više-prolazno zavarivanje kako biste spriječili neke deformacije i naprezanja.
• Optimizacija tehnike hladne obrade: Razumno rasporedite količinu deformacije u hladnom izvlačenju/hladnom valjanju, rasporedite međužarenje kako biste eliminisali očvršćavanje i naprezanje tokom obrade, a zatim nastavite sa naknadnom hladnom obradom.
• Optimizacija procesa ispravljanja: Dajte prioritet korišćenju toplog ispravljanja umesto hladnog ravnanja, optimizirajte količinu redukcije za ravnanje i uzorak kotrljanja, smanjite naprezanje izazvano ispravljanjem; koristite precizno testerisanje umjesto smicanja kako biste smanjili koncentraciju naprezanja na krajevima cijevi.