Stressproblemet i stålrørsproduktion

De vigtigste årsager til intern spænding i stålrør erujævne temperaturændringer, ujævn plastisk deformation, ogasynkrone faseovergange i strukturen.Disse stressfænomener opstår i de tidlige, midterste og sidste faser af produktionsprocessen og kan klassificeres i forbigående stress (som forsvinder efter processen er afsluttet) og restspænding (som forbliver i det færdige produkt og er den kernefaktor, der påvirker kvaliteten). Der er betydelige forskelle i spændingsgenereringsstadierne for forskellige produktionsruter (såsom sømløse stålrør og svejste stålrør). De specifikke detaljer er som følger:

I denne fase er stress hovedsageligt termisk stress, for det meste forbigående stress. Noget indledende restbelastning vil blive overført til de efterfølgende forarbejdningstrin sammen med råmaterialerne.

• Indledende restspænding af rørstykker: Under afkøling og udretning af kontinuerlig støbning af rørstykker og valsede rørstykker, interntstress harallerede bevaret. Dette hører til den før-forarbejdningsstress, som råmaterialerne medfører, og vil blive overlejret på den efterfølgende forarbejdningsstress.
• Termisk stress under opvarmningsprocessen:Når rørstykkerne opvarmes, udvider overfladelaget sig først på grund af varme, mens kernelaget har en lavere temperatur og en mindre ekspansionsmængde. Overfladelaget komprimeres, og kernelaget strækkes. Hvis opvarmningshastigheden er for høj, eller temperaturen i ovnen er ujævn, vil den termiske spænding stige kraftigt, og i ekstreme tilfælde kan det forårsage revner på overfladen af ​​rørstykkerne. Efter ensartet opvarmning vil den øjeblikkelige termiske spænding blive væsentligt lettet.

Dette er den mest kritiske fase for stressgenerering. Stor plastisk deformation og lokale termiske cyklusser genererer en stor mængde deformationsspænding og termisk spænding, som er hovedkilderne til restspænding i det færdige produkt.

• Kerneprocesser af sømløse stålrør

1. Piercing proces: Under skrå rullegennemboring gennemgår rørstykket intens tre-dimensionel ikke-ensartet plastisk deformation under påvirkning af rullerne og stansehovedet. Der er en signifikant forskel i deformationsmængden af ​​vægtykkelsen og de indre og ydre overflader, hvilket resulterer i betydelig deformationsspænding; den ujævne afkøling efter gennemboring vil tilføje termisk spænding, der tilsammen danner den indledende restspænding af røret.
2. Rullerør / proces med fast reduktionsdiameter:Ved kontinuerlig valsning og automatisk rørvalsning reduceres vægtykkelsen, og den aksiale forlængelse opstår. Deformationen er ujævnt fordelt langs vægtykkelsen; i processerne med fast diameter og reduktionsdiameter opstår den periferiske kompressionsdeformation, og forskellen i deformation mellem de indre og ydre overflader forstærkes yderligere, hvilket er hovedkilden til aksial og periferisk restspænding i varmvalsede sømløse rør.

• Kerneproces af svejste stålrør

1. Formningsproces:Strimmelstålet bøjes flere gange med ruller for at danne røremnet. Bøjningsdeformationen bevirker, at det ydre lag af stålpladen er under spænding, og at det indre lag er under kompression. Efter kold plastisk deformation forbliver resterende bøjningsrestspænding. Dette hører til den formende bearbejdningsstress.
2. Svejseproces:Svejsesømmen og den varmepåvirkede zone opvarmes og afkøles hurtigt lokalt. Den termiske udvidelse af varmeområdet er begrænset af det omgivende kolde metal, hvilket resulterer i kompressionsplastisk deformation; under afkøling begrænses sammentrækningen af ​​det omgivende uædle metal, og til sidst dannes der en meget høj resterende trækspænding i svejsesømmeområdet. Grundmetallet på begge sider er under trykspænding for at opretholde balancen, som er den mest kernespændingskilde for svejsede rør. Jo større svejseledningsenergi og jo hurtigere afkølingshastighed, jo højere restspændingsniveau.

Dette trin kan introducere nye restspændinger, eller disse spændinger kan elimineres gennem specifikke processer i det foregående trin.

• Køleproces: Når varmt-valsede og svejsede stålrør afkøles, afkøles overfladen hurtigere, mens kernen afkøles langsommere. Overfladen trækker sig først sammen og er under spænding, mens kernen senere trækker sig sammen og er under kompression, hvilket resulterer i resterende termisk spænding; jo hurtigere afkølingshastighed og jo mere ujævn afkøling, jo større er den resterende termiske spænding.
• Opretningsproces:Koldretning korrigerer rørets krumning gennem gentagen omvendt bøjning og plastisk deformation, men ujævn deformation vil introducere ny bøjningsrestspænding. Normalt bevarer rørets overfladelag trykspænding, og under-overfladelaget bevarer trækspænding; varmretning (ved at bruge restvarmen fra rulning til glatning) introducerer spændinger, der er meget mindre end dem fra koldretning.
• Kolde bearbejdningstrin (koldtrækning/koldvalsende rør): Under stor plastisk deformation ved stuetemperatur vil der blive genereret ekstremt kraftig forarbejdningshærdning og restspænding, som er den absolutte hovedkilde til restspænding for koldt-trukne/koldt-valsede stålrør, og spændingsniveauet er meget højere end for varmt-valsede stålrør.
• Skæring og bearbejdning af rørende: Savning, gevindskæring og rillebearbejdning vil forårsage lokal plastisk deformation, hvilket resulterer i lokal spændingskoncentration ved rørenden.
• Varmebehandlingsproces: Når processen udføres korrekt, kan stress elimineres; hvis opvarmningen er ujævn, eller afkølingen er for hurtig (såsom bratkøling), vil der blive genereret nye termiske spændinger og mikrostrukturelle spændinger, og i alvorlige tilfælde vil stålrøret revne.

Den øjeblikkelige stress under processen påvirker kun processens stabilitet. Reststress er kernefaktoren, der bestemmer kvaliteten og serviceydelsen af ​​det færdige produkt, og det har to effekter: negative virkninger og kontrollerbare positive effekter.

• Dimensions- og formustabilitet:Reststress er en indre selvbalancerende-kraft. Når efterfølgende bearbejdningstrin såsom skæring, gevindskæring, bøjning osv. forstyrrer spændingsbalancen, vil spændingsudløsningen få stålrøret til at bøje, overskride ellipticitetsgrænsen, udvide sig eller trække sig sammen i diameter og påvirke dimensionsnøjagtigheden; langsom frigivelse af spændinger under længere-opbevaring kan også føre til deformationsfejl.
• Reduceret tryk-leje- og træthedsydelse: Resterende trækspænding vil blive overlejret med arbejdsspændingen genereret af arbejdstryk og vekslende belastninger, hvilket får stålrøret til faktisk at bære mere kraft end designværdien, og derved reducere dets trykbæreevne-. under vekslende belastninger såsom væsketrykssvingninger og vibrationer, vil resterende trækspænding fremskynde revneinitiering og betydeligt reducere udmattelseslevetiden og i alvorlige tilfælde forårsage rørbrud eller brud.
• Fremkald spændingskorrosionsrevner: I ætsende medier, der indeholder svovl, chloridioner osv. (såsom olie- og gastransport, kemiske rørledninger), vil resterende trækspænding interagere med korrosion, hvilket inducerer spændingskorrosionsrevner (SCC), som er en af ​​kernefejlformerne for olie- og gastransportrør og raffinerings- og kemikalierør.
• Forringelse af efterfølgende behandlingsydelse: For stålrør med stor restspænding er de under sekundære bearbejdningstrin, såsom bøjning, udvidelse og sammentrækning, tilbøjelige til at revne og for stort tilbageslag, hvilket resulterer i et betydeligt fald i bearbejdningskvalifikationsgraden.

Ikke alle restspændinger er skadelige: Overfladeresttrykspændingen kan modvirke nogle eksterne trækbelastninger, hvilket øger stålrørets udmattelsesstyrke og spændingskorrosionsbestandighed. I industrien introduceres styret overfladetryksspænding aktivt gennem processer såsom skudblæsning og hydrostatisk test for at optimere stålrørets serviceydelse.

Med hensyn til stress er det opdelt i to typer tilgange: "Eliminering/kontrol af den resterende stress, der allerede er genereret" og "Reducering af generering af stress ved kilden".

• Varmebehandlingsmetode (mest kerne, højeste eliminationshastighed)

​​​​​​​

Den mest almindeligt anvendte metode er stress-aflastende udglødning: opvarm stålrøret under omkrystallisationstemperaturen (for kulstofstål, generelt 550-650 grader, for legeret stål, juster efter materialet), hold et stykke tid, og køl derefter langsomt. Gennem mikroplastikflow og atomisk diffusion frigives intern spænding med en elimineringsgrad på 70% til 90%, mens materialets styrke ikke reduceres væsentligt. Det er en standardproces for koldtrukne-rør, svejsede rør og højtrykskedelrør.

Normaliserings- + tempereringsprocessen eliminerer samtidig restspænding, mens strukturen justeres og de mekaniske egenskaber optimeres, mest brugt til den endelige varmebehandling af sømløse stålrør.

• Mekanisk reguleringsmetode

1. Hydrostatisk test: påfør overtryksvandtryk for at forårsage mikroplastisk deformation af rørvæggen, frigøre resterende spænding og omfordele spændingen, hvilket danner gavnlig trykspænding på overfladelaget, med de to funktioner kvalitetsinspektion og spændingsregulering, og er en nødvendig proces for trykbærende-stålrør.
2. Skudblæsnings-/blæsebehandling: højhastighedsprojektiler påvirker stålrørets overflade, forårsager plastisk deformation af overfladelaget, introducerer kontrollerbar overfladeresttrykspænding, modvirker skadelig trækspænding og forbedrer samtidig udmattelsesstyrke og korrosionsbestandighed. Det bruges almindeligvis til for-behandling før anti-korrosion.
3. Vibrationsældning: Brug resonans til at lave mikroskopiske defekter i stålrørslipningen, frigive restspænding, velegnet til stålrør med stor-diameter og stor-størrelse, med lavt energiforbrug og kort cyklus, men spændingselimineringshastigheden er lavere end varmebehandling.

• Naturlig aldring: Opbevar udendørs for at lade stress slippe langsomt og naturligt, med en lang cyklus og begrænset effekt, kun brugt som en hjælpemetode.

• Optimer varmebehandlingsteknikker: Styr opvarmningshastigheden af ​​røret for at sikre ensartet ovntemperatur; vedtage kontrolleret afkøling efter varmvalsning for at undgå hurtig afkøling og ujævn afkøling og derved reducere termisk stress.
• Optimer plastisk deformationsteknikker: Forbedre designet af piercing-, rørrulnings- og konstant reduktionsmatricekonfigurationer for at sikre ensartet deformation langs vægtykkelsen og længderetningen; fordel deformationsmængden rimeligt i hver passage for at undgå overdreven deformation i en enkelt passage.
• Svejseprocesoptimering (svejsede rør): Styr svejsevarmetilførslen, vedtag forvarmnings- og eftervarmeprocesser for at reducere kølehastigheden og minimere temperaturgradienten ved svejsesømmen; brug symmetrisk svejsning og multi-svejsning for at modvirke nogle deformationer og stress.
• Optimering af kold behandlingsteknik: Fordel deformationsmængden i koldtrækning/koldvalsning rimeligt, planlæg mellemudglødning for at eliminere arbejdshærdning og stress under bearbejdning, og fortsæt derefter med efterfølgende koldbearbejdning.
• Opretning af procesoptimering: Prioriter at bruge varm glatning i stedet for kold glatning, optimer reduktionsmængden og rulningsmønsteret, reducer den stress, der opstår ved glatning; brug præcisionssavning i stedet for klipning for at reducere spændingskoncentrationen ved rørenderne.