Il problema dello stress nella produzione di tubi in acciaio

Le principali cause di stress interno nei tubi di acciaio sonovariazioni di temperatura irregolari, deformazione plastica irregolare, Etransizioni di fase asincrone nella struttura.Questi fenomeni di stress si verificano nelle fasi iniziale, intermedia e finale del processo produttivo e possono essere classificati in stress transitorio (che scompare una volta completato il processo) e stress residuo (che rimane nel prodotto finito ed è il fattore principale che influenza la qualità). Esistono differenze significative nelle fasi di generazione delle sollecitazioni per i diversi percorsi di produzione (come tubi in acciaio senza saldatura e tubi in acciaio saldati). I dettagli specifici sono i seguenti:

Durante questa fase, lo stress è principalmente termico, per lo più transitorio. Parte dello stress residuo iniziale verrà trasferito alle fasi di lavorazione successive insieme alle materie prime.

• Tensioni residue iniziali delle billette dei tubi: Durante il processo di raffreddamento e raddrizzamento di billette per tubi di colata continua e billette per tubi laminati, internolo stress hagià stato mantenuto. Questo fa parte dello stress pre-della lavorazione portato dalle materie prime e si sovrapporrà allo stress di lavorazione successivo.
• Stress termico durante il processo di riscaldamento:Quando le billette dei tubi vengono riscaldate, lo strato superficiale si espande per primo a causa del calore, mentre lo strato centrale ha una temperatura più bassa e una quantità di espansione minore. Lo strato superficiale viene compresso e lo strato centrale viene allungato. Se la velocità di riscaldamento è troppo elevata o la temperatura nel forno non è uniforme, lo stress termico aumenterà notevolmente e, in casi estremi, potrebbe causare crepe sulla superficie delle billette del tubo. Dopo un riscaldamento uniforme, lo stress termico istantaneo sarà notevolmente ridotto.

Questa è la fase più critica per la generazione di stress. Grandi deformazioni plastiche e cicli termici locali generano una grande quantità di stress deformativo e termico, che sono le principali fonti di stress residuo nel prodotto finito.

• Processi chiave dei tubi di acciaio senza saldatura

1. Processo di perforazione: Durante lo sfondamento a laminazione inclinata, la billetta del tubo subisce un'intensa deformazione plastica tridimensionale non-uniforme sotto l'azione dei rulli e della testa del punzone. Esiste una differenza significativa nell'entità della deformazione dello spessore della parete e delle superfici interna ed esterna, con conseguente notevole stress da deformazione; il raffreddamento irregolare dopo la perforazione aggiungerà stress termico, formando congiuntamente lo stress residuo iniziale del tubo.
2. Tubo di laminazione / Processo di riduzione del diametro fisso:Durante la laminazione continua e la laminazione automatica del tubo, lo spessore della parete viene ridotto e si verifica l'estensione assiale. La deformazione è distribuita in modo disomogeneo lungo lo spessore della parete; nei processi a diametro fisso e riduzione del diametro, si verifica la deformazione di compressione circonferenziale e la differenza di deformazione tra le superfici interna ed esterna viene ulteriormente amplificata, che è la principale fonte di sollecitazione residua assiale e circonferenziale nei tubi senza saldatura laminati a caldo-.

• Processo principale dei tubi di acciaio saldati

1. Processo di formazione:Il nastro di acciaio viene piegato più volte dai rulli per formare il tubo grezzo. La deformazione di flessione fa sì che lo strato esterno della piastra di acciaio sia sotto tensione e lo strato interno sia sotto compressione. Dopo la deformazione plastica a freddo, rimane la tensione residua di flessione. Questo appartiene allo stress da processo di formatura.
2. Processo di saldatura:Il cordone di saldatura e la zona interessata dal calore vengono rapidamente riscaldati e raffreddati localmente. L'espansione termica dell'area riscaldante è vincolata dal metallo freddo circostante, con conseguente deformazione plastica compressiva; durante il raffreddamento la contrazione viene limitata dal metallo base circostante e infine nella zona del cordone di saldatura si forma una tensione residua di trazione molto elevata. Il metallo di base su entrambi i lati è sottoposto a stress di compressione per mantenere l'equilibrio, che è la principale fonte di stress dei tubi saldati. Maggiore è l'energia della linea di saldatura e più rapida è la velocità di raffreddamento, maggiore è il livello di stress residuo.

Questa fase può introdurre nuove tensioni residue, oppure tali tensioni possono essere eliminate attraverso processi specifici nella fase precedente.

• Processo di raffreddamento: Quando i tubi d'acciaio-laminati e saldati a caldo si raffreddano, la superficie si raffredda più velocemente mentre il nucleo si raffredda più lentamente. La superficie prima si contrae ed è sotto tensione, mentre il nucleo successivamente si contrae ed è sotto compressione, determinando uno stress termico residuo; quanto più veloce è la velocità di raffreddamento e quanto più irregolare è il raffreddamento, tanto maggiore è lo stress termico residuo.
• Processo di raddrizzamento:La raddrizzatura a freddo corregge la curvatura del tubo attraverso ripetute flessioni inverse e deformazione plastica, ma una deformazione irregolare introdurrà nuove sollecitazioni residue di flessione. Di solito, lo strato superficiale del tubo mantiene la sollecitazione di compressione e lo strato sotterraneo-superficiale mantiene la sollecitazione di trazione; la raddrizzatura a caldo (utilizzando il calore residuo della laminazione per raddrizzare) introduce sollecitazioni molto minori rispetto a quelle della raddrizzatura a freddo.
• Fasi di lavorazione a freddo (trafilatura/laminazione a freddo tubi): In caso di grande deformazione plastica a temperatura ambiente, verranno generati un indurimento di lavorazione e uno stress residuo estremamente forti, che rappresentano la principale fonte assoluta di stress residuo per i tubi di acciaio-trafilati/laminati a freddo-a freddo e il livello di stress è molto più elevato di quello dei tubi di acciaio-laminati a caldo.
• Taglio e lavorazione estremità tubi: La segatura, la filettatura e la lavorazione delle scanalature causeranno una deformazione plastica locale, con conseguente concentrazione di sollecitazioni locali all'estremità del tubo.
• Processo di trattamento termico: Quando il processo viene eseguito correttamente, lo stress può essere eliminato; se il riscaldamento non è uniforme o il raffreddamento è troppo rapido (come l'estinzione), si genereranno nuove sollecitazioni termiche e microstrutturali e, nei casi più gravi, il tubo d'acciaio si spezzerà.

Lo stress istantaneo durante il processo influisce solo sulla stabilità del processo. Lo stress residuo è il fattore fondamentale che determina la qualità e le prestazioni del servizio del prodotto finito e ha due effetti: impatti negativi ed effetti positivi controllabili.

• Instabilità dimensionale e di forma:Lo stress residuo è una forza interna di autoequilibrio-. Quando le successive fasi di lavorazione come taglio, filettatura, piegatura, ecc. interrompono l'equilibrio delle sollecitazioni, il rilascio della sollecitazione farà piegare il tubo d'acciaio, supererà il limite di ellitticità, si espanderà o contrarrà in diametro e influenzerà la precisione dimensionale; anche il lento rilascio dello stress durante la conservazione a lungo-termine può portare a guasti dovuti alla deformazione.
• Riduzione della pressione-e delle prestazioni di fatica: la sollecitazione di trazione residua si sovrapporrà alla sollecitazione di esercizio generata dalla pressione di esercizio e dai carichi alternati, facendo sì che il tubo d'acciaio sopporti effettivamente una forza maggiore rispetto al valore di progetto, riducendo così la sua capacità di carico-di pressione; sotto carichi alternati quali fluttuazioni della pressione del fluido e vibrazioni, la sollecitazione di trazione residua accelererà l'inizio delle cricche e ridurrà significativamente la durata a fatica e, nei casi più gravi, causerà la rottura o la frattura del tubo.
• Indurre la tensocorrosione: Nei mezzi corrosivi contenenti zolfo, ioni cloruro, ecc. (come il trasporto di petrolio e gas, condutture chimiche), lo stress di trazione residuo interagirà con la corrosione, inducendo tensocorrosione (SCC), che è una delle principali forme di guasto dei tubi di trasporto di petrolio e gas e dei tubi di raffinazione e chimici.
• Degrado delle prestazioni di elaborazione successive: I tubi in acciaio con elevata tensione residua, durante le fasi di lavorazione secondaria come piegatura, espansione e contrazione, sono soggetti a fessurazioni e rimbalzi eccessivi, con conseguente diminuzione significativa del tasso di qualificazione della lavorazione.

Non tutte le tensioni residue sono dannose: la tensione residua di compressione superficiale può contrastare alcuni carichi di trazione esterni, migliorando la resistenza alla fatica e alla tensocorrosione del tubo d'acciaio. Nell'industria, lo stress di compressione superficiale controllato viene introdotto attivamente attraverso processi come la pallinatura e le prove idrostatiche per ottimizzare le prestazioni di servizio del tubo d'acciaio.

Per quanto riguarda lo stress, esso si divide in due tipologie di approcci: “Eliminare/controllare lo stress residuo già generato” e “Ridurre la generazione di stress alla fonte”.

• Metodo di trattamento termico (più nucleo, tasso di eliminazione più elevato)

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Il metodo più comunemente utilizzato è la ricottura di distensione: riscaldare il tubo d'acciaio al di sotto della temperatura di ricristallizzazione (per l'acciaio al carbonio, generalmente 550-650 gradi, per l'acciaio legato, regolare in base al materiale), mantenere premuto per un po' e quindi raffreddare lentamente. Attraverso il flusso microplastico e la diffusione atomica, lo stress interno viene rilasciato, con un tasso di eliminazione dal 70% al 90%, senza ridurre significativamente la resistenza del materiale. Si tratta di un processo standard per tubi trafilati a freddo-, tubi saldati e tubi per caldaie ad alta pressione.

Il processo di normalizzazione + rinvenimento elimina contemporaneamente lo stress residuo regolando la struttura e ottimizzando le proprietà meccaniche, utilizzato principalmente per il trattamento termico finale di tubi di acciaio senza saldatura.

• Metodo di regolazione meccanica

1. Prova idrostatica: applicare la pressione dell'acqua in sovrapressione per causare una microdeformazione plastica della parete del tubo, rilasciare lo stress residuo e ridistribuire lo stress, formando uno stress di compressione benefico sullo strato superficiale, avendo la doppia funzione di controllo qualità e regolazione dello stress ed è un processo necessario per i tubi in acciaio portanti-pressione.
2. Trattamento di granigliatura/pallinatura: i proiettili ad alta-velocità colpiscono la superficie del tubo d'acciaio, provocando la deformazione plastica dello strato superficiale, introducendo uno stress di compressione residuo superficiale controllabile, contrastando lo stress di trazione dannoso e migliorando contemporaneamente la resistenza alla fatica e alla corrosione. Viene comunemente utilizzato per il pre-trattamento prima dell'anti-corrosione.
3. Invecchiamento da vibrazioni: utilizza la risonanza per far scivolare difetti microscopici nel tubo d'acciaio, rilasciare lo stress residuo, adatto per tubi d'acciaio di grandi-diametri e-dimensioni, con basso consumo energetico e ciclo breve, ma il tasso di eliminazione dello stress è inferiore a quello del trattamento termico.

• Invecchiamento naturale: conservare all'aperto per consentire il rilascio lento e naturale dello stress, con un ciclo lungo ed un effetto limitato, utilizzato solo come metodo ausiliario.

• Ottimizzare le tecniche di trattamento termico: Controllare la velocità di riscaldamento della billetta tubolare per garantire una temperatura uniforme del forno; adottare un raffreddamento controllato dopo la laminazione a caldo per evitare un raffreddamento rapido e irregolare, riducendo così lo stress termico.
• Ottimizzare le tecniche di deformazione plastica: Migliorare la progettazione delle configurazioni delle matrici di perforazione, laminazione dei tubi e riduzione costante per garantire una deformazione uniforme lungo lo spessore della parete e la direzione della lunghezza; distribuire ragionevolmente la quantità di deformazione in ogni passaggio per evitare una deformazione eccessiva in un singolo passaggio.
• Ottimizzazione del processo di saldatura (tubi saldati): Controllare l'apporto di calore della saldatura, adottare processi di preriscaldamento e postriscaldamento per ridurre la velocità di raffreddamento e ridurre al minimo il gradiente di temperatura sul cordone di saldatura; utilizza la saldatura simmetrica e la saldatura multi-passaggio per contrastare alcune deformazioni e sollecitazioni.
• Ottimizzazione della tecnica di lavorazione a freddo: Distribuire ragionevolmente la quantità di deformazione nella trafilatura/laminazione a freddo, programmare la ricottura intermedia per eliminare l'incrudimento e lo stress durante la lavorazione, quindi procedere con la successiva lavorazione a freddo.
• Ottimizzazione del processo di raddrizzatura: Dare priorità all'utilizzo della raddrizzatura a caldo anziché a freddo, ottimizzare la quantità di riduzione della raddrizzatura e lo schema del rullo, ridurre lo stress introdotto dalla raddrizzatura; utilizzare seghe di precisione anziché cesoie per ridurre la concentrazione delle sollecitazioni alle estremità dei tubi.