Vấn đề căng thẳng trong sản xuất ống thép

Nguyên nhân chính gây ra ứng suất bên trong ống thép lànhiệt độ thay đổi không đều, biến dạng dẻo không đều, Vàchuyển pha không đồng bộ trong cấu trúc.Hiện tượng ứng suất này xảy ra ở giai đoạn đầu, giữa và cuối của quá trình sản xuất và có thể được phân thành ứng suất nhất thời (biến mất sau khi quá trình hoàn thành) và ứng suất dư (còn lại trong thành phẩm và là yếu tố cốt lõi ảnh hưởng đến chất lượng). Có sự khác biệt đáng kể trong các giai đoạn tạo ứng suất cho các tuyến sản xuất khác nhau (chẳng hạn như ống thép liền mạch và ống thép hàn). Các chi tiết cụ thể như sau:

Trong giai đoạn này ứng suất chủ yếu là ứng suất nhiệt, chủ yếu là ứng suất nhất thời. Một số ứng suất dư ban đầu sẽ được chuyển sang các bước xử lý tiếp theo cùng với nguyên liệu thô.

• Ứng suất dư ban đầu của phôi ống: Trong quá trình làm nguội và làm thẳng phôi ống đúc liên tục và phôi ống cán, bên trongcăng thẳng cóđã được giữ lại rồi. Điều này thuộc về áp lực-xử lý trước do nguyên liệu thô mang lại và sẽ được cộng thêm vào áp lực xử lý tiếp theo.
• Ứng suất nhiệt trong quá trình gia nhiệt:Khi phôi ống được nung nóng, lớp bề mặt sẽ giãn nở trước tiên do nhiệt, trong khi lớp lõi có nhiệt độ thấp hơn và lượng giãn nở nhỏ hơn. Lớp bề mặt bị nén và lớp lõi bị kéo căng. Nếu tốc độ gia nhiệt quá nhanh hoặc nhiệt độ trong lò không đồng đều thì ứng suất nhiệt sẽ tăng mạnh, trường hợp nghiêm trọng có thể gây nứt bề mặt phôi ống. Sau khi gia nhiệt đồng đều, ứng suất nhiệt tức thời sẽ giảm đi đáng kể.

Đây là giai đoạn quan trọng nhất để tạo ra căng thẳng. Biến dạng dẻo lớn và chu kỳ nhiệt cục bộ tạo ra một lượng lớn ứng suất biến dạng và ứng suất nhiệt, đây là nguồn gây ra ứng suất dư trong thành phẩm.

• Quy trình cốt lõi của ống thép liền mạch

1. Quá trình xuyên thấu: Trong quá trình cán nghiêng, phôi ống trải qua biến dạng dẻo ba chiều không{1} đồng đều dưới tác động của các cuộn và đầu đục lỗ. Có sự khác biệt đáng kể về mức độ biến dạng của độ dày thành và bề mặt bên trong và bên ngoài, dẫn đến ứng suất biến dạng đáng kể; việc làm nguội không đều sau khi xuyên thủng sẽ tạo thêm ứng suất nhiệt, cùng tạo thành ứng suất dư ban đầu của ống.
2. Ống lăn/Quy trình giảm đường kính cố định:Trong quá trình cán liên tục và cán ống tự động, độ dày thành giảm và xảy ra hiện tượng giãn nở trục. Biến dạng phân bố không đều dọc theo chiều dày của tường; trong quá trình đường kính cố định và đường kính giảm, xảy ra biến dạng nén theo chu vi và sự khác biệt về biến dạng giữa bề mặt bên trong và bên ngoài được khuếch đại hơn nữa, đây là nguồn chính gây ra ứng suất dư dọc trục và theo chu vi trong các ống liền mạch cán nóng{1}}.

• Quy trình cốt lõi của ống thép hàn

1. Quá trình hình thành:Thép dải được uốn nhiều lần bằng con lăn để tạo thành ống trống. Biến dạng uốn làm cho lớp ngoài của tấm thép chịu lực kéo và lớp bên trong chịu lực nén. Sau khi biến dạng dẻo nguội, ứng suất dư uốn vẫn còn. Điều này thuộc về ứng suất xử lý hình thành.
2. Quá trình hàn:Đường hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt được làm nóng và làm mát cục bộ nhanh chóng. Sự giãn nở nhiệt của khu vực gia nhiệt bị hạn chế bởi kim loại lạnh xung quanh, dẫn đến biến dạng dẻo nén; trong quá trình làm mát, sự co lại bị hạn chế bởi kim loại cơ bản xung quanh, và cuối cùng, ứng suất kéo dư rất cao được hình thành trong khu vực đường hàn. Kim loại cơ bản ở cả hai mặt chịu ứng suất nén để duy trì sự cân bằng, đây là nguồn gây ứng suất cốt lõi nhất của ống hàn. Năng lượng dây hàn càng lớn và tốc độ làm nguội càng nhanh thì mức ứng suất dư càng cao.

Giai đoạn này có thể tạo ra các ứng suất dư mới hoặc những ứng suất này có thể được loại bỏ thông qua các quy trình cụ thể ở giai đoạn trước.

• Quá trình làm mát: Khi-ống thép hàn và ống thép cán nóng nguội đi, bề mặt nguội nhanh hơn trong khi lõi nguội chậm hơn. Bề mặt đầu tiên co lại và chịu sức căng, trong khi lõi sau đó co lại và bị nén, dẫn đến ứng suất nhiệt dư; tốc độ làm mát càng nhanh và làm mát càng không đều thì ứng suất nhiệt dư càng lớn.
• Quá trình làm thẳng:Làm thẳng nguội sẽ điều chỉnh độ cong của ống thông qua uốn cong ngược và biến dạng dẻo lặp đi lặp lại, nhưng biến dạng không đồng đều sẽ tạo ra ứng suất dư uốn mới. Thông thường, lớp bề mặt của ống duy trì ứng suất nén và lớp bề mặt phụ giữ lại ứng suất kéo; nắn nóng (sử dụng nhiệt dư từ quá trình cán để nắn thẳng) gây ra ứng suất nhỏ hơn nhiều so với ứng suất khi nắn nguội.
• Công đoạn gia công nguội (rút nguội/cán nguội ống): Dưới biến dạng dẻo lớn ở nhiệt độ phòng, ứng suất dư và ứng suất dư sẽ được tạo ra trong quá trình xử lý cực kỳ mạnh, đây là nguồn ứng suất dư chính tuyệt đối đối với ống thép cán nguội-kéo/lạnh{1}} và mức ứng suất cao hơn nhiều so với ống thép cán nóng-.
• Cắt và xử lý đầu ống: Gia công cưa, ren, tạo rãnh sẽ gây biến dạng dẻo cục bộ, dẫn đến tập trung ứng suất cục bộ ở đầu ống.
• Quá trình xử lý nhiệt: Khi quy trình được thực hiện đúng cách, căng thẳng có thể được loại bỏ; nếu gia nhiệt không đều hoặc làm nguội quá nhanh (chẳng hạn như làm nguội), ứng suất nhiệt mới và ứng suất vi cấu trúc sẽ được tạo ra, và trong trường hợp nghiêm trọng, ống thép sẽ bị nứt.

Ứng suất tức thời trong quá trình chỉ ảnh hưởng đến sự ổn định của quá trình. Ứng suất dư là yếu tố cốt lõi quyết định chất lượng và hiệu quả phục vụ của thành phẩm, nó có hai tác động: tác động tiêu cực và tác động tích cực có thể kiểm soát được.

• Sự không ổn định về kích thước và hình dạng:Ứng suất dư là một lực tự cân bằng- bên trong. Khi các bước xử lý tiếp theo như cắt, ren, uốn, v.v. phá vỡ sự cân bằng ứng suất, việc giải phóng ứng suất sẽ khiến ống thép bị uốn cong, vượt quá giới hạn độ elip, mở rộng hoặc co lại đường kính và ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước; giải phóng ứng suất chậm trong quá trình bảo quản-lâu dài cũng có thể dẫn đến hư hỏng biến dạng.
• Giảm áp suất-hiệu suất chịu lực và mỏi: Ứng suất kéo dư sẽ chồng lên ứng suất làm việc được tạo ra bởi áp suất làm việc và tải trọng xen kẽ, khiến ống thép thực tế chịu lực lớn hơn giá trị thiết kế, do đó làm giảm khả năng chịu áp-của ống thép; dưới các tải trọng xen kẽ như dao động và dao động áp suất chất lỏng, ứng suất kéo dư sẽ đẩy nhanh quá trình hình thành vết nứt và làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi, đồng thời trong trường hợp nghiêm trọng có thể gây vỡ hoặc gãy đường ống.
• Gây ra vết nứt ăn mòn ứng suất: Trong môi trường ăn mòn có chứa lưu huỳnh, ion clorua, v.v. (chẳng hạn như vận chuyển dầu khí, đường ống hóa học), ứng suất kéo dư sẽ tương tác với sự ăn mòn, gây ra vết nứt do ăn mòn ứng suất (SCC), đây là một trong những dạng hư hỏng cốt lõi của đường ống vận chuyển dầu khí và đường ống lọc hóa chất.
• Suy giảm hiệu suất xử lý tiếp theo: Đối với các ống thép có ứng suất dư lớn, trong các bước xử lý thứ cấp như uốn, giãn nở và co lại, chúng dễ bị nứt và bật lại quá mức, dẫn đến hiệu suất xử lý giảm đáng kể.

Không phải tất cả các ứng suất dư đều có hại: Ứng suất dư nén bề mặt có thể chống lại một số tải trọng kéo bên ngoài, tăng cường độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn ứng suất của ống thép. Trong công nghiệp, ứng suất nén bề mặt được kiểm soát được tích cực đưa vào thông qua các quy trình như phun bi và thử nghiệm thủy tĩnh để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng của ống thép.

Về ứng suất, người ta chia làm hai loại phương pháp tiếp cận: “Loại bỏ/kiểm soát ứng suất dư đã phát sinh” và “Giảm sự phát sinh ứng suất tại nguồn”.

• Phương pháp xử lý nhiệt (lõi nhất, tỷ lệ loại bỏ cao nhất)

​​​​​​​

Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là ủ-giảm ứng suất: làm nóng ống thép dưới nhiệt độ kết tinh lại (đối với thép cacbon, thường là 550-650 độ, đối với thép hợp kim, điều chỉnh tùy theo vật liệu), giữ một lúc rồi làm nguội từ từ. Thông qua dòng chảy vi nhựa và khuếch tán nguyên tử, ứng suất bên trong được giải phóng, với tỷ lệ loại bỏ từ 70% đến 90%, đồng thời không làm giảm đáng kể độ bền của vật liệu. Đây là quy trình tiêu chuẩn dành cho ống-rút nguội, ống hàn và ống nồi hơi áp suất cao.

Quá trình chuẩn hóa + ủ đồng thời loại bỏ ứng suất dư đồng thời điều chỉnh cấu trúc và tối ưu hóa các tính chất cơ học, chủ yếu được sử dụng để xử lý nhiệt cuối cùng cho ống thép liền mạch.

• Phương pháp điều chỉnh cơ học

1. Kiểm tra thủy tĩnh: áp dụng áp lực nước quá áp để gây biến dạng dẻo vi mô của thành ống, giải phóng ứng suất dư và phân phối lại ứng suất, hình thành ứng suất nén có lợi trên lớp bề mặt, có chức năng kép là kiểm tra chất lượng và điều chỉnh ứng suất, đồng thời là một quy trình cần thiết cho ống thép chịu áp lực.
2. Xử lý nổ mìn/xử lý mài mòn:-các viên đạn tốc độ cao tác động lên bề mặt của ống thép, gây biến dạng dẻo của lớp bề mặt, tạo ra ứng suất nén dư trên bề mặt có thể kiểm soát được, chống lại ứng suất kéo có hại, đồng thời tăng cường độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn. Nó thường được sử dụng để-xử lý sơ bộ trước khi chống-ăn mòn.
3. Lão hóa rung: sử dụng sự cộng hưởng để tạo ra các khuyết tật cực nhỏ trong ống thép bị trượt, giải phóng ứng suất dư, phù hợp với các ống thép có đường kính-và kích thước lớn{1}}lớn, tiêu thụ năng lượng thấp và chu kỳ ngắn nhưng tốc độ loại bỏ ứng suất thấp hơn so với xử lý nhiệt.

• Lão hóa tự nhiên: bảo quản ngoài trời để ứng suất được giải phóng từ từ và tự nhiên, có chu kỳ dài và tác dụng hạn chế, chỉ dùng như phương pháp phụ trợ.

• Tối ưu hóa kỹ thuật xử lý nhiệt: Kiểm soát tốc độ gia nhiệt của phôi ống để đảm bảo nhiệt độ lò đồng đều; áp dụng làm mát có kiểm soát sau khi cán nóng để tránh làm mát nhanh và làm mát không đều, từ đó giảm căng thẳng về nhiệt.
• Tối ưu hóa kỹ thuật biến dạng dẻo: Cải thiện thiết kế cấu hình khuôn xuyên, cán ống và giảm liên tục để đảm bảo biến dạng đồng đều dọc theo độ dày và hướng chiều dài của tường; phân phối hợp lý lượng biến dạng trong mỗi lần vượt qua để tránh biến dạng quá mức trong một lần vượt qua.
• Tối ưu hóa quá trình hàn (ống hàn): Kiểm soát nhiệt đầu vào hàn, áp dụng các quy trình gia nhiệt trước và gia nhiệt sau để giảm tốc độ làm mát và giảm thiểu độ dốc nhiệt độ tại đường hàn; sử dụng phương pháp hàn đối xứng và hàn nhiều đường- để chống lại một số biến dạng và ứng suất.
• Tối ưu hóa kỹ thuật xử lý lạnh: Phân phối lượng biến dạng trong quá trình kéo nguội/cán nguội một cách hợp lý, lên lịch ủ trung gian để loại bỏ độ cứng và ứng suất của sản phẩm trong quá trình xử lý, sau đó tiến hành xử lý nguội tiếp theo.
• Tối ưu hóa quá trình làm thẳng: Ưu tiên sử dụng phương pháp duỗi nóng thay vì duỗi nguội, tối ưu hóa mức giảm duỗi thẳng và kiểu cuộn, giảm ứng suất do duỗi thẳng; sử dụng cưa chính xác thay vì cắt để giảm sự tập trung ứng suất ở đầu ống.