A questão do estresse na produção de tubos de aço

As principais causas de tensões internas em tubos de aço sãomudanças desiguais de temperatura, deformação plástica irregular, etransições de fase assíncronas na estrutura.Esses fenômenos de estresse ocorrem nos estágios inicial, intermediário e final do processo de produção e podem ser classificados em estresse transitório (que desaparece após a conclusão do processo) e estresse residual (que permanece no produto acabado e é o principal fator que afeta a qualidade). Existem diferenças significativas nos estágios de geração de tensão para diferentes rotas de produção (como tubos de aço sem costura e tubos de aço soldados). Os detalhes específicos são os seguintes:

Durante esta fase, o estresse é principalmente estresse térmico, principalmente estresse transitório. Alguma tensão residual inicial será transportada para as etapas de processamento subsequentes juntamente com as matérias-primas.

• Tensão residual inicial de tarugos de tubos: Durante o processo de resfriamento e endireitamento de tarugos de tubos de fundição contínua e tarugos de tubos laminados, internoso estresse temjá foi retido. Isso pertence à tensão de pré-processamento trazida pelas matérias-primas e será sobreposta à tensão de processamento subsequente.
• Estresse térmico durante o processo de aquecimento:Quando os tarugos do tubo são aquecidos, a camada superficial se expande primeiro devido ao calor, enquanto a camada central tem uma temperatura mais baixa e uma quantidade de expansão menor. A camada superficial é comprimida e a camada central é esticada. Se a velocidade de aquecimento for muito rápida ou a temperatura no forno for irregular, o estresse térmico aumentará drasticamente e, em casos extremos, poderá causar rachaduras na superfície dos tarugos do tubo. Após aquecimento uniforme, o estresse térmico instantâneo será significativamente aliviado.

Este é o estágio mais crítico para a geração de estresse. Grandes deformações plásticas e ciclos térmicos locais geram uma grande quantidade de tensões de deformação e tensões térmicas, que são as principais fontes de tensões residuais no produto acabado.

• Processos principais de tubos de aço sem costura

1. Processo de perfuração: Durante a perfuração por laminação inclinada, o tarugo do tubo sofre intensa deformação plástica tridimensional não-uniforme sob a ação dos rolos e da cabeça do punção. Há uma diferença significativa na quantidade de deformação da espessura da parede e das superfícies interna e externa, resultando em tensão de deformação significativa; o resfriamento irregular após a perfuração adicionará tensão térmica, formando em conjunto a tensão residual inicial do tubo.
2. Tubo de laminação / Processo de redução de diâmetro fixo:Durante a laminação contínua e a laminação automática de tubos, a espessura da parede é reduzida e ocorre a extensão axial. A deformação é distribuída de forma desigual ao longo da espessura da parede; nos processos de diâmetro fixo e redução de diâmetro, ocorre a deformação por compressão circunferencial e a diferença de deformação entre as superfícies interna e externa é ainda mais amplificada, o que é a principal fonte de tensão residual axial e circunferencial em tubos sem costura-laminados a quente.

• Processo central de tubos de aço soldados

1. Processo de formação:A tira de aço é dobrada várias vezes por rolos para formar o tubo vazio. A deformação por flexão faz com que a camada externa da placa de aço fique sob tensão e a camada interna sob compressão. Após a deformação plástica a frio, a tensão residual de flexão permanece. Isto pertence à tensão de processamento de formação.
2. Processo de soldagem:A costura de solda e a zona afetada pelo calor são rapidamente aquecidas e resfriadas localmente. A expansão térmica da área de aquecimento é restringida pelo metal frio circundante, resultando em deformação plástica compressiva; durante o resfriamento, a contração é restringida pelo metal base circundante e, finalmente, uma tensão residual de tração muito alta é formada na área da costura de solda. O metal base em ambos os lados está sob tensão de compressão para manter o equilíbrio, que é a principal fonte de tensão dos tubos soldados. Quanto maior a energia da linha de soldagem e mais rápida a velocidade de resfriamento, maior será o nível de tensão residual.

Esta etapa pode introduzir novas tensões residuais, ou essas tensões podem ser eliminadas através de processos específicos da etapa anterior.

• Processo de resfriamento: quando tubos de aço- laminados a quente e soldados esfriam, a superfície esfria mais rápido, enquanto o núcleo esfria mais lentamente. A superfície primeiro se contrai e fica sob tensão, enquanto o núcleo depois se contrai e fica sob compressão, resultando em tensão térmica residual; quanto mais rápida for a taxa de resfriamento e mais desigual for o resfriamento, maior será o estresse térmico residual.
• Processo de alisamento:O endireitamento a frio corrige a curvatura do tubo por meio de dobras reversas repetidas e deformação plástica, mas a deformação irregular introduzirá nova tensão residual de flexão. Normalmente, a camada superficial do tubo retém a tensão de compressão e a camada sub-superficial retém a tensão de tração; o endireitamento a quente (usando o calor residual da laminação para endireitar) introduz tensões muito menores do que as do endireitamento a frio.
• Estágios de processamento a frio (estiragem a frio/laminação de tubos a frio): Sob grande deformação plástica à temperatura ambiente, será gerado um endurecimento de processamento extremamente forte e tensão residual, que é a principal fonte absoluta de tensão residual para tubos de aço-trefilados/laminados-a frio, e o nível de tensão é muito maior do que o dos tubos de aço-laminados a quente.
• Corte e processamento de extremidades de tubos: O processamento de serragem, rosqueamento e ranhura causará deformação plástica local, resultando em concentração de tensão local na extremidade do tubo.
• Processo de tratamento térmico: Quando o processo é realizado de maneira adequada, o estresse pode ser eliminado; se o aquecimento for irregular ou o resfriamento for muito rápido (como têmpera), novas tensões térmicas e tensões microestruturais serão geradas e, em casos graves, o tubo de aço irá rachar.

A tensão instantânea durante o processo afeta apenas a estabilidade do processo. O estresse residual é o fator central que determina a qualidade e o desempenho do serviço do produto acabado e tem dois efeitos: impactos negativos e efeitos positivos controláveis.

• Instabilidade de dimensão e forma:O estresse residual é uma força interna de-equilíbrio. Quando etapas de processamento subsequentes, como corte, rosqueamento, dobra, etc. perturbam o equilíbrio de tensão, a liberação de tensão fará com que o tubo de aço dobre, exceda o limite de elipticidade, expanda ou contraia em diâmetro e afete a precisão dimensional; a liberação lenta de tensão durante o armazenamento-de longo prazo também pode levar à falha por deformação.
• Desempenho de resistência e fadiga reduzido-de pressão: A tensão de tração residual será sobreposta à tensão de trabalho gerada pela pressão de trabalho e cargas alternadas, fazendo com que o tubo de aço realmente suporte mais força do que o valor de projeto, reduzindo assim sua capacidade de carga-de pressão; sob cargas alternadas, como flutuações e vibrações na pressão do fluido, a tensão de tração residual acelerará o início da trinca e reduzirá significativamente a vida em fadiga e, em casos graves, causará ruptura ou fratura do tubo.
• Induzir fissuras por corrosão sob tensão: Em meios corrosivos contendo enxofre, íons cloreto, etc. (como transporte de petróleo e gás, dutos químicos), a tensão de tração residual irá interagir com a corrosão, induzindo rachaduras por corrosão sob tensão (SCC), que é uma das principais formas de falha de tubos de transporte de petróleo e gás e tubos de refino e produtos químicos.
• Degradação do desempenho de processamento subsequente: Para tubos de aço com grande tensão residual, durante as etapas de processamento secundário, como flexão, expansão e contração, eles são propensos a rachaduras e rebote excessivo, resultando em uma diminuição significativa na taxa de qualificação de processamento.

Nem todas as tensões residuais são prejudiciais: A tensão de compressão residual da superfície pode neutralizar algumas cargas de tração externas, aumentando a resistência à fadiga e a resistência à corrosão sob tensão do tubo de aço. Na indústria, a tensão de compressão superficial controlada é ativamente introduzida através de processos como shot peening e testes hidrostáticos para otimizar o desempenho de serviço do tubo de aço.

Quanto ao estresse, ele é dividido em dois tipos de abordagens: “Eliminar/controlar o estresse residual já gerado” e “Reduzir a geração de estresse na fonte”.

• Método de tratamento térmico (maior núcleo, maior taxa de eliminação)

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O método mais comumente usado é o recozimento com alívio de tensão: aqueça o tubo de aço abaixo da temperatura de recristalização (para aço carbono, geralmente 550-650 graus, para aço-liga, ajuste de acordo com o material), segure por um tempo e depois esfrie lentamente. Através do fluxo microplástico e da difusão atômica, o estresse interno é liberado, com uma taxa de eliminação de 70% a 90%, sem reduzir significativamente a resistência do material. É um processo padrão para tubos-trefilados a frio, tubos soldados e tubos de caldeiras de alta pressão.

O processo de normalização + revenido elimina tensões residuais simultaneamente, ajustando a estrutura e otimizando as propriedades mecânicas, utilizado principalmente para o tratamento térmico final de tubos de aço sem costura.

• Método de regulação mecânica

1. Teste hidrostático: aplicar sobrepressão de pressão de água para causar micro deformação plástica da parede do tubo, liberar tensão residual e redistribuir a tensão, formando uma tensão de compressão benéfica na camada superficial, tendo as funções duplas de inspeção de qualidade e regulação de tensão, e é um processo necessário para pressão -tubos de aço que suportam pressão.
2. Tratamento de jateamento/peening: projéteis de alta-velocidade impactam a superfície do tubo de aço, causando deformação plástica da camada superficial, introduzindo tensão de compressão residual na superfície controlável, neutralizando tensões de tração prejudiciais e, ao mesmo tempo, aumentando a resistência à fadiga e à corrosão. É comumente usado para pré-tratamento antes da-anticorrosão.
3. Envelhecimento vibratório: use ressonância para fazer defeitos microscópicos no deslizamento do tubo de aço, liberar tensão residual, adequado para tubos de aço de grande-diâmetro e grande-tamanho, com baixo consumo de energia e ciclo curto, mas a taxa de eliminação de tensão é inferior à do tratamento térmico.

• Envelhecimento natural: armazenar ao ar livre para permitir a liberação lenta e natural do estresse, com ciclo longo e efeito limitado, utilizado apenas como método auxiliar.

• Otimize as técnicas de processamento térmico: Controle a velocidade de aquecimento do tarugo do tubo para garantir a temperatura uniforme do forno; adote o resfriamento controlado após a laminação a quente para evitar o resfriamento rápido e o resfriamento irregular, reduzindo assim o estresse térmico.
• Otimize técnicas de deformação plástica: Melhorar o projeto de configurações de perfuração, laminação de tubos e matriz de redução constante para garantir deformação uniforme ao longo da espessura da parede e direção do comprimento; distribuir razoavelmente a quantidade de deformação em cada passagem para evitar deformação excessiva em uma única passagem.
• Otimização do processo de soldagem (tubos soldados): Controlar a entrada de calor da soldagem, adotar processos de pré-aquecimento e pós-aquecimento para reduzir a taxa de resfriamento e minimizar o gradiente de temperatura na costura de solda; use soldagem simétrica e soldagem com-passes múltiplos para neutralizar algumas deformações e tensões.
• Otimização da técnica de processamento a frio: Distribua razoavelmente a quantidade de deformação na trefilação/laminação a frio, programe o recozimento intermediário para eliminar o endurecimento e a tensão durante o processamento e, em seguida, prossiga com o processamento a frio subsequente.
• Otimização do processo de endireitamento: Priorizar o uso do alisamento a quente em vez do alisamento a frio, otimizar a quantidade de redução do alisamento e o padrão de enrolamento, reduzir a tensão introduzida pelo alisamento; use serragem de precisão em vez de cisalhamento para reduzir a concentração de tensão nas extremidades do tubo.