موضوع استرس در تولید لوله های فولادی

عوامل اصلی تنش داخلی در لوله های فولادی عبارتند ازتغییرات دمایی ناهموار, تغییر شکل پلاستیک ناهموار، وانتقال فاز ناهمزمان در سازهاین پدیده‌های تنش در مراحل اولیه، میانی و نهایی فرآیند تولید رخ می‌دهند و می‌توان آنها را به تنش گذرا (که پس از تکمیل فرآیند از بین می‌رود) و تنش پسماند (که در محصول نهایی باقی می‌ماند و عامل اصلی تأثیرگذار بر کیفیت است) طبقه‌بندی کرد. تفاوت های قابل توجهی در مراحل ایجاد تنش برای مسیرهای مختلف تولید (مانند لوله های فولادی بدون درز و لوله های فولادی جوش داده شده) وجود دارد. جزئیات خاص به شرح زیر است:

در طی این مرحله، تنش عمدتاً تنش حرارتی و عمدتاً تنش گذرا است. مقداری تنش پسماند اولیه همراه با مواد خام به مراحل بعدی فرآوری منتقل می شود.

• تنش پسماند اولیه بیلت لوله: در طول فرآیند خنک سازی و صاف کردن بیلت های لوله ریخته گری پیوسته و بیلت های لوله نورد داخلیاسترس داردقبلا حفظ شده است. این مربوط به استرس قبل از{1}فرآوری ناشی از مواد خام است و بر استرس پردازش بعدی قرار می گیرد.
• تنش حرارتی در طول فرآیند گرمایش:هنگامی که بیلت های لوله گرم می شوند، لایه سطحی ابتدا در اثر گرما منبسط می شود، در حالی که لایه هسته دمای کمتر و مقدار انبساط کمتری دارد. لایه سطحی فشرده شده و لایه هسته کشیده می شود. اگر سرعت گرمایش خیلی زیاد باشد یا دمای کوره ناهموار باشد، تنش حرارتی به شدت افزایش می‌یابد و در موارد شدید ممکن است باعث ایجاد ترک در سطح بیلت‌های لوله شود. پس از گرم شدن یکنواخت، تنش حرارتی آنی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

این بحرانی ترین مرحله برای ایجاد استرس است. تغییر شکل پلاستیک بزرگ و چرخه‌های حرارتی موضعی مقدار زیادی تنش تغییر شکل و تنش حرارتی ایجاد می‌کنند که منابع اصلی تنش پسماند در محصول نهایی هستند.

• فرآیندهای اصلی لوله های فولادی بدون درز

1. فرآیند سوراخ کردن: در حین سوراخ‌کاری نورد شیب‌دار، شمش لوله تحت تأثیر رول‌ها و سر پانچ دچار تغییر شکل پلاستیکی غیریکنواخت سه‌بعدی شدید می‌شود. تفاوت قابل توجهی در مقدار تغییر شکل ضخامت دیوار و سطوح داخلی و خارجی وجود دارد که منجر به تنش تغییر شکل قابل توجهی می شود. خنک شدن ناهموار پس از سوراخ کردن باعث افزایش تنش حرارتی می شود و به طور مشترک تنش پسماند اولیه لوله را تشکیل می دهد.
2. لوله نورد / فرآیند کاهش قطر ثابت:در طول نورد مداوم و نورد اتوماتیک لوله، ضخامت دیواره کاهش می یابد و گسترش محوری رخ می دهد. تغییر شکل به طور نابرابر در امتداد ضخامت دیوار توزیع شده است. در فرآیندهای قطر ثابت و قطر کاهش، تغییر شکل فشار محیطی رخ می‌دهد و تفاوت در تغییر شکل بین سطوح داخلی و خارجی بیشتر تقویت می‌شود، که منبع اصلی تنش پسماند محوری و محیطی در لوله‌های بدون درز نورد گرم-است.

• فرآیند هسته لوله های فولادی جوش داده شده

1. فرآیند شکل گیری:فولاد نوار چندین بار توسط غلتک خم می شود تا لوله خالی شود. تغییر شکل خمشی باعث می شود که لایه بیرونی ورق فولادی تحت کشش و لایه داخلی تحت فشار قرار گیرد. پس از تغییر شکل پلاستیک سرد، تنش پسماند خمشی باقی می ماند. این به تنش پردازش تشکیل تعلق دارد.
2. فرآیند جوشکاری:درز جوش و منطقه متاثر از حرارت به سرعت گرم و به صورت موضعی سرد می شوند. انبساط حرارتی ناحیه گرمایش توسط فلز سرد اطراف محدود می شود و در نتیجه تغییر شکل پلاستیک فشاری ایجاد می شود. در طی سرد شدن، انقباض توسط فلز پایه اطراف محدود می شود و در نهایت تنش کششی پسماند بسیار بالایی در ناحیه درز جوش ایجاد می شود. فلز پایه در دو طرف تحت تنش فشاری قرار دارد تا تعادل را حفظ کند، که بیشترین منبع تنش اصلی لوله های جوش داده شده است. هر چه انرژی خط جوش بیشتر باشد و سرعت خنک کننده بیشتر باشد، سطح تنش پسماند بالاتر می رود.

این مرحله ممکن است تنش های پسماند جدیدی ایجاد کند یا این تنش ها را می توان از طریق فرآیندهای خاص در مرحله قبل حذف کرد.

• فرآیند خنک سازی: وقتی لوله‌های فولادی گرم-نورد و جوش داده شده سرد می‌شوند، سطح سریع‌تر سرد می‌شود در حالی که هسته کندتر سرد می‌شود. سطح ابتدا منقبض می شود و تحت کشش است، در حالی که هسته بعداً منقبض می شود و تحت فشار قرار می گیرد و در نتیجه تنش حرارتی پسماند ایجاد می شود. هرچه سرعت سرمایش بیشتر باشد و سرمایش ناهموارتر باشد، تنش حرارتی باقیمانده بیشتر خواهد بود.
• فرآیند صاف کردن:صاف کردن سرد انحنای لوله را از طریق خمش معکوس مکرر و تغییر شکل پلاستیکی اصلاح می کند، اما تغییر شکل ناهموار باعث ایجاد تنش پسماند خمشی جدید می شود. معمولاً لایه سطحی لوله تنش فشاری را حفظ می‌کند و لایه زیر{1}}رویه تنش کششی را حفظ می‌کند. صاف کردن گرم (با استفاده از گرمای باقیمانده از نورد برای صاف کردن) تنش هایی را وارد می کند که بسیار کوچکتر از صاف کردن سرد هستند.
• مراحل پردازش سرد (کشش سرد / لوله های نورد سرد): تحت تغییر شکل پلاستیکی بزرگ در دمای اتاق، سخت شدن پردازش بسیار قوی و تنش پسماند ایجاد می‌شود که منبع اصلی تنش پسماند برای لوله‌های فولادی سرد-کشش/سرد{{1} نورد شده است و سطح تنش بسیار بالاتر از لوله‌های فولادی-گرم نورد شده است.
• برش و پردازش انتهای لوله: اره کردن، رزوه کشی و پردازش شیار باعث تغییر شکل پلاستیک موضعی و در نتیجه تمرکز تنش موضعی در انتهای لوله می شود.
• فرآیند عملیات حرارتی: هنگامی که فرآیند به درستی انجام شود، استرس را می توان از بین برد. اگر گرمایش ناهموار باشد یا سرمایش خیلی سریع باشد (مانند کوئنچ)، تنش حرارتی و تنش ریزساختاری جدید ایجاد می‌شود و در موارد شدید، لوله فولادی ترک می‌خورد.

استرس لحظه ای در طول فرآیند فقط بر پایداری فرآیند تأثیر می گذارد. تنش پسماند عامل اصلی تعیین کننده کیفیت و عملکرد خدمات محصول نهایی است و دو اثر دارد: اثرات منفی و اثرات مثبت قابل کنترل.

• ناپایداری ابعاد و شکل:استرس پسماند یک نیروی درونی خود{0}}تعادل کننده است. هنگامی که مراحل بعدی پردازش مانند برش، نخ، خم شدن و غیره تعادل تنش را مختل می کند، آزاد شدن تنش باعث خم شدن لوله فولادی، تجاوز از حد بیضوی، انبساط یا انقباض قطر می شود و بر دقت ابعاد تأثیر می گذارد. انتشار آهسته تنش در طول ذخیره سازی طولانی مدت نیز می تواند منجر به شکست تغییر شکل شود.
• کاهش فشار{0}}و عملکرد خستگی: تنش کششی پسماند با تنش کاری که توسط فشار کاری و بارهای متناوب ایجاد می‌شود، قرار می‌گیرد و باعث می‌شود که لوله فولادی در واقع نیروی بیشتری از مقدار طراحی را تحمل کند و در نتیجه ظرفیت باربری فشار-ش کاهش یابد. تحت بارهای متناوب مانند نوسانات فشار سیال و ارتعاشات، تنش کششی باقیمانده شروع ترک را تسریع کرده و عمر خستگی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و در موارد شدید باعث پارگی یا شکستگی لوله می شود.
• ایجاد ترک خوردگی ناشی از استرس: در محیط های خورنده حاوی گوگرد، یون های کلرید و غیره (مانند حمل و نقل نفت و گاز، خطوط لوله شیمیایی)، تنش کششی پسماند با خوردگی برهمکنش خواهد داشت و باعث ایجاد ترک خوردگی تنشی (SCC) می شود که یکی از اشکال اصلی شکست لوله های حمل و نقل نفت و گاز و لوله های پالایش و شیمیایی است.
• تخریب عملکرد پردازش بعدی: برای لوله های فولادی با تنش پسماند زیاد، در طی مراحل فرآوری ثانویه مانند خمش، انبساط و انقباض، مستعد ترک خوردگی و برگشت بیش از حد هستند و در نتیجه نرخ صلاحیت فرآوری به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

همه تنش های پسماند مضر نیستند: تنش فشاری پسماند سطحی می تواند برخی از بارهای کششی خارجی را خنثی کند و استحکام خستگی و مقاومت در برابر خوردگی تنش لوله فولادی را افزایش دهد. در صنعت، تنش فشاری سطحی کنترل شده به طور فعال از طریق فرآیندهایی مانند شات پینینگ و آزمایش هیدرواستاتیک برای بهینه سازی عملکرد سرویس لوله فولادی وارد می شود.

در مورد تنش، به دو نوع رویکرد تقسیم می شود: «حذف/کنترل تنش پسماند که قبلاً ایجاد شده است» و «کاهش تولید تنش در منبع».

• روش عملیات حرارتی (بیشترین هسته، بالاترین میزان حذف)

​​​​​​​

متداول‌ترین روشی که استفاده می‌شود، بازپخت تنش‌زدایی{0}}است: لوله فولادی را زیر دمای تبلور مجدد گرم کنید (برای فولاد کربنی، معمولاً 550{6}}650 درجه، برای فولاد آلیاژی، بر اساس مواد تنظیم کنید)، مدتی نگه دارید و سپس به آرامی سرد کنید. از طریق جریان میکرو پلاستیک و انتشار اتمی، تنش داخلی آزاد می شود، با نرخ حذف 70٪ تا 90٪، در حالی که به طور قابل توجهی استحکام مواد را کاهش نمی دهد. این یک فرآیند استاندارد برای لوله‌های-کشش سرد، لوله‌های جوش داده شده و لوله‌های دیگ بخار فشار بالا است.

فرآیند نرمال سازی + تمپرینگ همزمان با تنظیم ساختار و بهینه سازی خواص مکانیکی، تنش پسماند را حذف می کند، که بیشتر برای عملیات حرارتی نهایی لوله های فولادی بدون درز استفاده می شود.

• روش تنظیم مکانیکی

1. تست هیدرواستاتیک: اعمال فشار بیش از حد آب برای ایجاد تغییر شکل میکرو پلاستیک دیواره لوله، آزادسازی تنش پسماند و توزیع مجدد تنش، ایجاد تنش فشاری مفید بر روی لایه سطحی، داشتن عملکرد دوگانه بازرسی کیفیت و تنظیم تنش، و فرآیندی ضروری برای لوله‌های فولادی فشار- است.
2. درمان شات بلاست/پینینگ: پرتابه‌های با سرعت بالا- روی سطح لوله فولادی تأثیر می‌گذارند، باعث تغییر شکل پلاستیک لایه سطحی، ایجاد تنش فشاری باقی‌مانده سطحی قابل کنترل، مقابله با تنش کششی مضر، و به طور همزمان افزایش مقاومت در برابر خستگی و مقاومت در برابر خوردگی می‌شوند. معمولاً برای پیش-تصفیه قبل از-ضد خوردگی استفاده می‌شود.
3. پیری ارتعاشی: استفاده از رزونانس برای ایجاد عیوب میکروسکوپی در لغزش لوله فولادی، آزاد کردن تنش پسماند، مناسب برای لوله‌های فولادی با قطر-بزرگ و سایز بزرگ-، با مصرف انرژی کم و چرخه کوتاه، اما نرخ حذف تنش کمتر از عملیات حرارتی است.

• پیری طبیعی: در فضای باز نگهداری کنید تا استرس به آرامی و به طور طبیعی با چرخه طولانی و اثر محدود آزاد شود، فقط به عنوان یک روش کمکی استفاده می شود.

• بهینه سازی تکنیک های پردازش حرارتی: برای اطمینان از دمای یکنواخت کوره، سرعت گرمایش شمش لوله را کنترل کنید. خنک کننده کنترل شده را پس از نورد گرم اتخاذ کنید تا از خنک شدن سریع و خنک شدن ناهموار جلوگیری کنید و در نتیجه تنش حرارتی را کاهش دهید.
• بهینه سازی تکنیک های تغییر شکل پلاستیک: بهبود طراحی پیکربندی قالب های سوراخ کننده، نورد لوله و کاهش ثابت برای اطمینان از تغییر شکل یکنواخت در امتداد ضخامت دیوار و جهت طول. مقدار تغییر شکل را به طور منطقی در هر پاس توزیع کنید تا از تغییر شکل بیش از حد در یک پاس جلوگیری کنید.
• بهینه سازی فرآیند جوشکاری (لوله های جوشی): گرمای ورودی جوشکاری را کنترل کنید، فرآیندهای پیش گرمایش و پس گرمایش را برای کاهش سرعت خنک کننده و به حداقل رساندن گرادیان دما در درز جوش اتخاذ کنید. از جوش متقارن و چند{0}}جوشکاری برای مقابله با برخی تغییر شکل ها و تنش ها استفاده کنید.
• بهینه سازی تکنیک پردازش سرد: مقدار تغییر شکل را در کشش سرد / نورد سرد به طور معقول توزیع کنید، بازپخت میانی را برای از بین بردن سختی کار و تنش در حین پردازش برنامه ریزی کنید و سپس به پردازش سرد بعدی ادامه دهید.
• بهینه سازی فرآیند صاف کردن: اولویت استفاده از صاف کردن گرم به جای صاف کردن سرد، بهینه سازی میزان کاهش صاف کردن و الگوی رول، کاهش استرس ایجاد شده توسط صاف کردن. برای کاهش تمرکز تنش در انتهای لوله، به جای برش از اره دقیق استفاده کنید.