Das Spannungsproblem in der Stahlrohrproduktion

Die Hauptursachen für innere Spannungen in Stahlrohren sindungleichmäßige Temperaturänderungen, ungleichmäßige plastische Verformung, Undasynchrone Phasenübergänge in der Struktur.Diese Spannungsphänomene treten in der frühen, mittleren und letzten Phase des Produktionsprozesses auf und können in vorübergehende Spannungen (die nach Abschluss des Prozesses verschwinden) und Eigenspannungen (die im fertigen Produkt verbleiben und der Hauptfaktor für die Qualität sind) eingeteilt werden. Es gibt erhebliche Unterschiede in den Phasen der Spannungserzeugung für verschiedene Produktionswege (z. B. nahtlose Stahlrohre und geschweißte Stahlrohre). Die konkreten Details lauten wie folgt:

In dieser Phase handelt es sich bei der Belastung hauptsächlich um thermische Belastung, meist um vorübergehende Belastung. Ein Teil der anfänglichen Eigenspannung wird zusammen mit den Rohstoffen auf die nachfolgenden Verarbeitungsschritte übertragen.

• Anfangseigenspannung von Rohrknüppeln: Beim Kühl- und Richtprozess von Strangguss-Rohrknüppeln und gewalzten Rohrknüppeln, internStress hatbereits beibehalten. Dies gehört zur Belastung durch die Rohstoffe vor der Verarbeitung und überlagert sich mit der Belastung nach der Verarbeitung.
• Thermische Belastung während des Aufheizvorgangs:Wenn die Rohrblöcke erhitzt werden, dehnt sich die Oberflächenschicht aufgrund der Wärme zuerst aus, während die Kernschicht eine niedrigere Temperatur und einen geringeren Ausdehnungsgrad aufweist. Die Oberflächenschicht wird komprimiert und die Kernschicht gedehnt. Wenn die Aufheizgeschwindigkeit zu hoch ist oder die Temperatur im Ofen ungleichmäßig ist, steigt die thermische Spannung stark an und kann im Extremfall zu Rissen auf der Oberfläche der Rohrblöcke führen. Nach einer gleichmäßigen Erwärmung wird die momentane thermische Belastung deutlich abgebaut.

Dies ist die kritischste Phase für die Entstehung von Stress. Große plastische Verformungen und lokale thermische Zyklen erzeugen eine große Menge an Verformungs- und Wärmespannungen, die die Hauptquellen für Eigenspannungen im Endprodukt sind.

• Kernprozesse nahtloser Stahlrohre

1. Piercing-Prozess: Beim Schrägwalzlochstechen erfährt der Rohrbarren unter der Wirkung der Walzen und des Stempelkopfes eine starke dreidimensionale, ungleichmäßige plastische Verformung. Es besteht ein erheblicher Unterschied im Verformungsgrad der Wandstärke sowie der Innen- und Außenflächen, was zu erheblichen Verformungsspannungen führt; Durch die ungleichmäßige Abkühlung nach dem Lochen kommt es zu einer thermischen Belastung, die zusammen die anfängliche Restspannung des Rohrs bildet.
2. Rollrohr / Prozess mit festem Reduzierungsdurchmesser:Beim kontinuierlichen Walzen und automatischen Rohrwalzen kommt es zu einer Wanddickenreduzierung und einer axialen Streckung. Die Verformung ist über die Wandstärke ungleichmäßig verteilt; Bei den Prozessen mit festem Durchmesser und Reduzierung des Durchmessers kommt es zu einer Kompressionsverformung in Umfangsrichtung, und der Verformungsunterschied zwischen der Innen- und Außenfläche wird weiter verstärkt, was die Hauptquelle für axiale und Umfangseigenspannung in warmgewalzten nahtlosen Rohren ist.

• Kernprozess von geschweißten Stahlrohren

1. Umformprozess:Der Bandstahl wird durch Rollen mehrfach gebogen, um den Rohrrohling zu bilden. Durch die Biegeverformung steht die äußere Schicht der Stahlplatte unter Spannung und die innere Schicht unter Druck. Nach der plastischen Kaltverformung verbleibt eine Restbiegeeigenspannung. Diese gehört zur umformenden Bearbeitungsbeanspruchung.
2. Schweißverfahren:Die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone werden lokal schnell erhitzt und abgekühlt. Die Wärmeausdehnung des Heizbereichs wird durch das umgebende kalte Metall eingeschränkt, was zu einer plastischen Druckverformung führt. Beim Abkühlen wird die Kontraktion durch den umgebenden Grundwerkstoff begrenzt und schließlich bildet sich im Schweißnahtbereich eine sehr hohe Eigenzugspannung aus. Das Grundmetall auf beiden Seiten steht unter Druckspannung, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, was die Hauptspannungsquelle geschweißter Rohre darstellt. Je größer die Schweißnahtenergie und je schneller die Abkühlgeschwindigkeit, desto höher ist das Eigenspannungsniveau.

In dieser Phase können neue Eigenspannungen entstehen, oder diese Spannungen können durch spezifische Prozesse in der vorherigen Phase beseitigt werden.

• Kühlvorgang: Wenn warm-gewalzte und geschweißte Stahlrohre abkühlen, kühlt die Oberfläche schneller ab, während der Kern langsamer abkühlt. Die Oberfläche zieht sich zunächst zusammen und steht unter Spannung, während sich der Kern später zusammenzieht und unter Druck steht, was zu einer thermischen Restspannung führt; Je schneller die Abkühlungsgeschwindigkeit und je ungleichmäßiger die Abkühlung, desto größer ist die thermische Restspannung.
• Richtvorgang:Beim Kaltrichten wird die Krümmung des Rohrs durch wiederholtes Rückbiegen und plastische Verformung korrigiert, eine ungleichmäßige Verformung führt jedoch zu neuen Biegeeigenspannungen. Normalerweise behält die Oberflächenschicht des Rohrs die Druckspannung bei und die darunterliegende Schicht behält die Zugspannung bei. Beim Warmrichten (Nutzung der Restwärme des Walzens zum Richten) entstehen Spannungen, die viel geringer sind als beim Kaltrichten.
• Kaltbearbeitungsstufen (Kaltziehen/Kaltwalzen von Rohren): Bei starker plastischer Verformung bei Raumtemperatur kommt es zu einer extrem starken Verarbeitungshärtung und Eigenspannung, die die absolute Hauptquelle der Eigenspannung bei kalt-gezogenen/kaltgewalzten Stahlrohren darstellt, und das Spannungsniveau ist viel höher als bei warm-gewalzten Stahlrohren.
• Schneiden und Rohrendenbearbeitung: Sägen, Gewindeschneiden und Nutenbearbeitung führen zu lokalen plastischen Verformungen, was zu einer lokalen Spannungskonzentration am Rohrende führt.
• Wärmebehandlungsprozess: Wenn der Prozess richtig durchgeführt wird, kann Stress beseitigt werden; Bei ungleichmäßiger Erwärmung oder zu schneller Abkühlung (z. B. Abschrecken) entstehen neue thermische Spannungen und mikrostrukturelle Spannungen, und in schweren Fällen kommt es zu Rissen im Stahlrohr.

Die momentane Belastung während des Prozesses beeinflusst nur die Stabilität des Prozesses. Eigenspannung ist der entscheidende Faktor für die Qualität und Leistungsfähigkeit des fertigen Produkts und hat zwei Auswirkungen: negative Auswirkungen und kontrollierbare positive Auswirkungen.

• Dimensions- und Forminstabilität:Reststress ist eine interne-selbstausgleichende Kraft. Wenn nachfolgende Verarbeitungsschritte wie Schneiden, Gewindeschneiden, Biegen usw. das Spannungsgleichgewicht stören, führt die Spannungsfreisetzung dazu, dass sich das Stahlrohr biegt, die Elliptizitätsgrenze überschreitet, sich im Durchmesser ausdehnt oder zusammenzieht und die Maßgenauigkeit beeinträchtigt. Eine langsame Spannungsfreisetzung während einer Langzeitlagerung kann ebenfalls zu einem Verformungsversagen führen.
• Reduzierte Druck--Lager- und Ermüdungsleistung: Die verbleibende Zugspannung überlagert sich mit der Arbeitsspannung, die durch Arbeitsdruck und Wechsellasten erzeugt wird, was dazu führt, dass das Stahlrohr tatsächlich mehr Kraft als den Auslegungswert aushält und dadurch seine Druck-{0}}Belastbarkeit verringert; Unter wechselnden Belastungen wie Flüssigkeitsdruckschwankungen und Vibrationen beschleunigt die Restzugspannung die Rissbildung, verkürzt die Ermüdungslebensdauer erheblich und kann in schweren Fällen zum Rohrbruch oder -bruch führen.
• Spannungsrisskorrosion auslösen: In korrosiven Medien, die Schwefel, Chloridionen usw. enthalten (z. B. Öl- und Gastransport, Chemiepipelines), interagiert die Restzugspannung mit der Korrosion und führt zu Spannungsrisskorrosion (SCC), einer der Hauptversagensformen von Öl- und Gastransportrohren sowie Raffinerie- und Chemierohren.
• Verschlechterung der nachfolgenden Verarbeitungsleistung: Bei Stahlrohren mit großer Eigenspannung besteht bei sekundären Verarbeitungsschritten wie Biegen, Ausdehnen und Zusammenziehen die Gefahr von Rissen und übermäßigem Rückprall, was zu einer erheblichen Verringerung der Verarbeitungsqualifikationsrate führt.

Nicht alle Eigenspannungen sind schädlich: Die Oberflächeneigendruckspannung kann einigen äußeren Zugbelastungen entgegenwirken und so die Ermüdungsfestigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit des Stahlrohrs verbessern. In der Industrie wird durch Prozesse wie Kugelstrahlen und hydrostatische Prüfungen eine kontrollierte Oberflächendruckspannung aktiv eingeführt, um die Betriebsleistung des Stahlrohrs zu optimieren.

Bezüglich Stress wird in zwei Arten von Ansätzen unterschieden: „Beseitigung/Kontrolle der bereits entstandenen Eigenspannung“ und „Reduzierung der Entstehung von Stress an der Quelle“.

• Wärmebehandlungsmethode (größter Kern, höchste Eliminationsrate)

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Die am häufigsten verwendete Methode ist das Spannungsarmglühen: Erhitzen Sie das Stahlrohr unter die Rekristallisationstemperatur (bei Kohlenstoffstahl im Allgemeinen 550-650 Grad, bei legiertem Stahl je nach Material anpassen), halten Sie es eine Weile und kühlen Sie es dann langsam ab. Durch Mikroplastikfluss und Atomdiffusion werden innere Spannungen mit einer Beseitigungsrate von 70 bis 90 % abgebaut, ohne dass die Materialfestigkeit wesentlich verringert wird. Es handelt sich um ein Standardverfahren für kaltgezogene Rohre, geschweißte Rohre und Hochdruckkesselrohre.

Der Normalisierungs- und Anlassprozess beseitigt gleichzeitig Restspannungen, passt die Struktur an und optimiert die mechanischen Eigenschaften und wird hauptsächlich für die abschließende Wärmebehandlung nahtloser Stahlrohre verwendet.

• Mechanische Regulierungsmethode

1. Hydrostatischer Test: Überdruckwasserdruck anwenden, um eine mikroplastische Verformung der Rohrwand zu verursachen, Restspannungen abzubauen und die Spannungen neu zu verteilen, wodurch eine vorteilhafte Druckspannung auf der Oberflächenschicht entsteht, die die doppelte Funktion von Qualitätsprüfung und Spannungsregulierung hat und ein notwendiger Prozess für drucktragende Stahlrohre ist.
2. Strahl-/Strahlbehandlung: Projektile mit hoher-Geschwindigkeit treffen auf die Oberfläche des Stahlrohrs, verursachen eine plastische Verformung der Oberflächenschicht, führen zu einer kontrollierbaren Oberflächeneigendruckspannung, wirken schädlichen Zugspannungen entgegen und erhöhen gleichzeitig die Ermüdungsfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit. Es wird häufig zur Vor-Behandlung vor-Korrosionsschutz eingesetzt.
3. Vibrationsalterung: Verwenden Sie Resonanz, um mikroskopische Defekte im Stahlrohr zum Gleiten zu bringen, Restspannungen abzubauen, geeignet für Stahlrohre mit großem-Durchmesser und großen-Größen, mit geringem Energieverbrauch und kurzem Zyklus, aber die Spannungsabbaurate ist geringer als bei der Wärmebehandlung.

• Natürliche Alterung: Im Freien lagern, damit sich Stress langsam und natürlich abbauen kann, mit einem langen Zyklus und begrenzter Wirkung, nur als Hilfsmethode verwendet.

• Optimieren Sie Wärmeverarbeitungstechniken: Steuern Sie die Aufheizgeschwindigkeit des Rohrbarrens, um eine gleichmäßige Ofentemperatur sicherzustellen; Führen Sie nach dem Warmwalzen eine kontrollierte Abkühlung durch, um schnelles Abkühlen und ungleichmäßiges Abkühlen zu vermeiden und dadurch die thermische Belastung zu reduzieren.
• Optimieren Sie plastische Verformungstechniken: Verbessern Sie das Design von Stanz-, Rohrwalz- und Konstantreduktions-Matrizenkonfigurationen, um eine gleichmäßige Verformung entlang der Wanddicke und Längsrichtung sicherzustellen; Verteilen Sie den Verformungsgrad angemessen in jedem Durchgang, um eine übermäßige Verformung in einem einzigen Durchgang zu vermeiden.
• Schweißprozessoptimierung (geschweißte Rohre): Kontrollieren Sie den Schweißwärmeeintrag, führen Sie Vorwärm- und Nachwärmprozesse ein, um die Abkühlgeschwindigkeit zu reduzieren und den Temperaturgradienten an der Schweißnaht zu minimieren. Verwenden Sie symmetrisches Schweißen und Mehrlagenschweißen, um Verformungen und Spannungen entgegenzuwirken.
• Optimierung der Kaltverarbeitungstechnik: Verteilen Sie den Verformungsgrad beim Kaltziehen/Kaltwalzen angemessen, planen Sie ein Zwischenglühen ein, um Kaltverfestigung und Spannungen während der Verarbeitung zu vermeiden, und fahren Sie dann mit der anschließenden Kaltverarbeitung fort.
• Optimierung des Richtprozesses: Priorisieren Sie die Verwendung des Warmrichtens anstelle des Kaltrichtens, optimieren Sie den Betrag der Richtreduzierung und das Walzmuster und reduzieren Sie die durch das Richten verursachte Spannung. Verwenden Sie Präzisionssägen statt Scheren, um die Spannungskonzentration an den Rohrenden zu reduzieren.