El problema del estrés en la producción de tubos de acero

Las principales causas de tensión interna en las tuberías de acero soncambios de temperatura desiguales, deformación plástica desigual, ytransiciones de fase asincrónicas en la estructura.Estos fenómenos de estrés ocurren en las etapas temprana, media y final del proceso de producción y se pueden clasificar en estrés transitorio (que desaparece una vez finalizado el proceso) y estrés residual (que permanece en el producto terminado y es el factor central que afecta la calidad). Existen diferencias significativas en las etapas de generación de tensiones para diferentes rutas de producción (como tubos de acero sin costura y tubos de acero soldados). Los detalles específicos son los siguientes:

Durante esta etapa, la tensión es principalmente tensión térmica, principalmente tensión transitoria. Parte de la tensión residual inicial se trasladará a los pasos de procesamiento posteriores junto con las materias primas.

• Tensión residual inicial de los tochos de tubería: Durante el proceso de enfriamiento y enderezamiento de tochos de tubos de colada continua y tochos de tubos laminados, internosel estrés tieneya ha sido retenido. Esto pertenece al estrés previo al procesamiento provocado por las materias primas y se superpondrá al estrés del procesamiento posterior.
• Estrés térmico durante el proceso de calentamiento.:Cuando los tochos de tubería se calientan, la capa superficial se expande primero debido al calor, mientras que la capa central tiene una temperatura más baja y una cantidad de expansión menor. La capa superficial se comprime y la capa central se estira. Si la velocidad de calentamiento es demasiado rápida o la temperatura en el horno es desigual, la tensión térmica aumentará drásticamente y, en casos extremos, puede provocar grietas en la superficie de los tochos de la tubería. Después de un calentamiento uniforme, el estrés térmico instantáneo se aliviará significativamente.

Esta es la etapa más crítica para la generación de estrés. Las grandes deformaciones plásticas y los ciclos térmicos locales generan una gran cantidad de tensión de deformación y tensión térmica, que son las principales fuentes de tensión residual en el producto terminado.

• Procesos centrales de tubos de acero sin costura.

1. proceso de perforación: Durante la perforación por laminación inclinada, el tocho del tubo sufre una intensa-deformación plástica tridimensional no-uniforme bajo la acción de los rodillos y el cabezal del punzón. Hay una diferencia significativa en la cantidad de deformación del espesor de la pared y las superficies interior y exterior, lo que resulta en una tensión de deformación significativa; El enfriamiento desigual después de la perforación agregará tensión térmica, formando conjuntamente la tensión residual inicial del tubo.
2. Tubo rodante / Proceso de reducción de diámetro fijo:Durante el laminado continuo y el laminado automático de tubos, el espesor de la pared se reduce y se produce la extensión axial. La deformación se distribuye de manera desigual a lo largo del espesor de la pared; en los procesos de diámetro fijo y diámetro de reducción, se produce la deformación por compresión circunferencial y la diferencia en la deformación entre las superficies interior y exterior se amplifica aún más, lo que es la principal fuente de tensión residual axial y circunferencial en los tubos sin costura laminados en caliente-.

• Proceso central de tubos de acero soldados.

1. Proceso de formación:La tira de acero se dobla varias veces mediante rodillos para formar el tubo en bruto. La deformación por flexión hace que la capa exterior de la placa de acero esté bajo tensión y la capa interior esté bajo compresión. Después de la deformación plástica en frío, quedan tensiones residuales de flexión. Esto pertenece al estrés del procesamiento de formación.
2. Proceso de soldadura:La costura de soldadura y la zona afectada por el calor se calientan y enfrían rápidamente localmente. La expansión térmica del área de calentamiento está limitada por el metal frío circundante, lo que resulta en una deformación plástica por compresión; Durante el enfriamiento, la contracción es limitada por el metal base circundante y finalmente se forma una tensión de tracción residual muy alta en la zona del cordón de soldadura. El metal base en ambos lados está bajo tensión de compresión para mantener el equilibrio, que es la fuente de tensión más central de las tuberías soldadas. Cuanto mayor sea la energía de la línea de soldadura y cuanto más rápida sea la velocidad de enfriamiento, mayor será el nivel de tensión residual.

Esta etapa puede introducir nuevas tensiones residuales, o estas tensiones pueden eliminarse mediante procesos específicos en la etapa anterior.

• Proceso de enfriamiento: Cuando los tubos de acero-laminados y soldados en caliente se enfrían, la superficie se enfría más rápido mientras que el núcleo se enfría más lentamente. La superficie primero se contrae y está bajo tensión, mientras que el núcleo luego se contrae y está bajo compresión, lo que resulta en tensión térmica residual; cuanto más rápida sea la velocidad de enfriamiento y más desigual sea el enfriamiento, mayor será el estrés térmico residual.
• Proceso de alisado:El enderezamiento en frío corrige la curvatura de la tubería mediante repetidas flexiones inversas y deformaciones plásticas, pero una deformación desigual introducirá nuevas tensiones residuales de flexión. Por lo general, la capa superficial de la tubería retiene la tensión de compresión y la capa sub-superficial retiene la tensión de tracción; El alisado en caliente (utilizando el calor residual del laminado para alisar) introduce tensiones mucho menores que las del alisado en frío.
• Etapas de procesamiento en frío (estirado en frío/laminado de tubos en frío): Bajo una gran deformación plástica a temperatura ambiente, se generará un endurecimiento por procesamiento extremadamente fuerte y tensión residual, que es la principal fuente absoluta de tensión residual para las tuberías de acero-estiradas en frío/laminadas en frío-y el nivel de tensión es mucho más alto que el de las tuberías de acero laminadas en caliente-.
• Corte y procesamiento de extremos de tuberías.: El procesamiento de aserrado, roscado y ranurado causará deformación plástica local, lo que resultará en una concentración de tensión local en el extremo de la tubería.
• Proceso de tratamiento térmico: Cuando el proceso se realiza correctamente se puede eliminar el estrés; si el calentamiento es desigual o el enfriamiento es demasiado rápido (como el enfriamiento), se generarán nuevas tensiones térmicas y microestructurales y, en casos graves, la tubería de acero se agrietará.

La tensión instantánea durante el proceso sólo afecta la estabilidad del proceso. El estrés residual es el factor central que determina la calidad y el desempeño del servicio del producto terminado, y tiene dos efectos: impactos negativos y efectos positivos controlables.

• Inestabilidad de dimensión y forma.:El estrés residual es una fuerza interna-que se autoequilibra. Cuando los pasos de procesamiento posteriores, como cortar, roscar, doblar, etc., interrumpen el equilibrio de tensiones, la liberación de tensiones hará que la tubería de acero se doble, exceda el límite de elipticidad, se expanda o contraiga en diámetro y afecte la precisión dimensional; La liberación lenta de tensiones durante el almacenamiento-a largo plazo también puede provocar fallas por deformación.
• Rendimiento de fatiga y rodamientos de presión-reducidos: La tensión de tracción residual se superpondrá a la tensión de trabajo generada por la presión de trabajo y las cargas alternas, lo que hará que la tubería de acero en realidad soporte más fuerza que el valor de diseño, reduciendo así su capacidad de soporte de presión-; Bajo cargas alternas, como fluctuaciones de presión de fluido y vibraciones, la tensión de tracción residual acelerará el inicio de grietas y reducirá significativamente la vida por fatiga y, en casos severos, provocará la ruptura o fractura de la tubería.
• Inducir fisuración por corrosión bajo tensión: En medios corrosivos que contienen azufre, iones de cloruro, etc. (como el transporte de petróleo y gas, oleoductos químicos), la tensión de tracción residual interactuará con la corrosión, induciendo agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC), que es una de las principales formas de falla de las tuberías de transporte de petróleo y gas y de las tuberías de refinación y productos químicos.
• Degradación del rendimiento del procesamiento posterior.: Para las tuberías de acero con una gran tensión residual, durante los pasos secundarios del procesamiento, como doblar, expandir y contraer, son propensas a agrietarse y a un rebote excesivo, lo que resulta en una disminución significativa en la tasa de calificación del procesamiento.

No todas las tensiones residuales son perjudiciales: la tensión de compresión residual de la superficie puede contrarrestar algunas cargas de tracción externas, mejorando la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión por tensión de la tubería de acero. En la industria, la tensión de compresión superficial controlada se introduce activamente mediante procesos como el granallado y las pruebas hidrostáticas para optimizar el rendimiento del servicio de la tubería de acero.

En cuanto al estrés, se divide en dos tipos de enfoques: “Eliminar/controlar el estrés residual ya generado” y “Reducir la generación de estrés en la fuente”.

• Método de tratamiento térmico (más núcleo, mayor tasa de eliminación)

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El método más utilizado es el recocido-para aliviar la tensión: calentar la tubería de acero por debajo de la temperatura de recristalización (para acero al carbono, generalmente 550-650 grados, para acero aleado, ajustar según el material), mantener durante un tiempo y luego enfriar lentamente. A través del flujo de microplástico y la difusión atómica, se libera la tensión interna, con una tasa de eliminación del 70% al 90%, sin reducir significativamente la resistencia del material. Es un proceso estándar para tuberías-estiradas en frío, tuberías soldadas y tuberías de calderas de alta presión.

El proceso de normalización + revenido elimina tensiones residuales simultáneamente al mismo tiempo que ajusta la estructura y optimiza las propiedades mecánicas, utilizado principalmente para el tratamiento térmico final de tubos de acero sin costura.

• Método de regulación mecánica.

1. prueba hidrostática: aplicar presión de agua sobrepresión para provocar una microdeformación plástica de la pared de la tubería, liberar la tensión residual y redistribuir la tensión, formando una tensión de compresión beneficiosa en la capa superficial, teniendo la doble función de inspección de calidad y regulación de la tensión, y es un proceso necesario para las tuberías de acero que soportan presión-.
2. Tratamiento de granallado/peening: los proyectiles de alta-velocidad impactan la superficie de la tubería de acero, causando deformación plástica de la capa superficial, introduciendo tensión de compresión residual en la superficie controlable, contrarrestando la tensión de tracción dañina y mejorando simultáneamente la resistencia a la fatiga y la corrosión. Se utiliza comúnmente para el tratamiento previo-antes de la corrosión-.
3. Envejecimiento por vibración: utilice resonancia para hacer que los defectos microscópicos en la tubería de acero se deslicen, libere la tensión residual, adecuado para tuberías de acero de gran-diámetro y gran-tamaño, con bajo consumo de energía y ciclo corto, pero la tasa de eliminación de tensión es menor que la del tratamiento térmico.

• envejecimiento natural: almacenar al aire libre para permitir que el estrés se libere de forma lenta y natural, con un ciclo largo y efecto limitado, utilizado sólo como método auxiliar.

• Optimizar las técnicas de procesamiento térmico.: Controle la velocidad de calentamiento del tocho del tubo para garantizar una temperatura uniforme del horno; adopte un enfriamiento controlado después del laminado en caliente para evitar un enfriamiento rápido y un enfriamiento desigual, reduciendo así el estrés térmico.
• Optimizar las técnicas de deformación plástica.: Mejorar el diseño de las configuraciones de troqueles de perforación, laminado de tubos y reducción constante para garantizar una deformación uniforme a lo largo del espesor de la pared y la dirección longitudinal; Distribuya razonablemente la cantidad de deformación en cada pasada para evitar una deformación excesiva en una sola pasada.
• Optimización del proceso de soldadura (tubos soldados): Controlar la entrada de calor de soldadura, adoptar procesos de precalentamiento y poscalentamiento para reducir la velocidad de enfriamiento y minimizar el gradiente de temperatura en la costura de soldadura; Utilice soldadura simétrica y soldadura multi-pasada para contrarrestar algunas deformaciones y tensiones.
• Optimización de la técnica de procesamiento en frío.: Distribuya razonablemente la cantidad de deformación en el estirado/laminado en frío, programe el recocido intermedio para eliminar el endurecimiento por trabajo y la tensión durante el procesamiento, y luego continúe con el procesamiento en frío posterior.
• Optimización del proceso de alisado: Priorice el uso de alisado en caliente en lugar de alisado en frío, optimice la cantidad de reducción del alisado y el patrón de rodillo, reduzca la tensión introducida por el alisado; utilice un corte de precisión en lugar de un corte para reducir la concentración de tensión en los extremos de la tubería.