Le problème du stress dans la production de tubes en acier

Les principales causes de contraintes internes dans les tuyaux en acier sontchangements de température inégaux, déformation plastique inégale, ettransitions de phase asynchrones dans la structure.Ces phénomènes de stress se produisent au début, au milieu et à la fin du processus de production et peuvent être classés en stress transitoire (qui disparaît une fois le processus terminé) et stress résiduel (qui reste dans le produit fini et constitue le principal facteur affectant la qualité). Il existe des différences significatives dans les étapes de génération de contraintes selon les différentes voies de production (telles que les tubes en acier sans soudure et les tubes en acier soudés). Les détails spécifiques sont les suivants :

Durant cette étape, la contrainte est principalement une contrainte thermique, principalement une contrainte transitoire. Certaines contraintes résiduelles initiales seront répercutées sur les étapes de traitement ultérieures avec les matières premières.

• Contrainte résiduelle initiale des billettes de tuyaux : Pendant le processus de refroidissement et de redressage des billettes de tuyaux de coulée continue et des billettes de tuyaux laminés, lesle stress adéjà été retenu. Cela fait partie du stress de pré-traitement apporté par les matières premières et se superposera au stress de traitement ultérieur.
• Stress thermique pendant le processus de chauffage:Lorsque les billettes de tuyaux sont chauffées, la couche superficielle se dilate d'abord en raison de la chaleur, tandis que la couche centrale a une température plus basse et un degré d'expansion plus faible. La couche superficielle est comprimée et la couche centrale est étirée. Si la vitesse de chauffage est trop rapide ou si la température dans le four est inégale, la contrainte thermique augmentera fortement et, dans les cas extrêmes, pourra provoquer des fissures à la surface des billettes de tuyaux. Après un chauffage uniforme, la contrainte thermique instantanée sera considérablement soulagée.

C’est l’étape la plus critique pour la génération de stress. Les grandes déformations plastiques et les cycles thermiques locaux génèrent une grande quantité de contraintes de déformation et de contraintes thermiques, qui sont les principales sources de contraintes résiduelles dans le produit fini.

• Processus de base des tubes en acier sans soudure

1. Processus de perçage: Lors du perçage par laminage incliné, la billette de tube subit une déformation plastique tridimensionnelle intense-non-uniforme sous l'action des rouleaux et de la tête de poinçon. Il existe une différence significative dans l'ampleur de la déformation de l'épaisseur de la paroi et des surfaces intérieure et extérieure, ce qui entraîne une contrainte de déformation importante ; le refroidissement inégal après le perçage ajoutera une contrainte thermique, formant conjointement la contrainte résiduelle initiale du tube.
2. Tube roulant / Processus de diamètre de réduction fixe :Lors du laminage continu et du laminage automatique des tubes, l'épaisseur de la paroi est réduite et une extension axiale se produit. La déformation est inégalement répartie le long de l’épaisseur de la paroi ; dans les processus de diamètre fixe et de réduction de diamètre, la déformation circonférentielle par compression se produit et la différence de déformation entre les surfaces intérieure et extérieure est encore amplifiée, ce qui est la principale source de contrainte résiduelle axiale et circonférentielle dans les tubes sans soudure laminés à chaud.

• Processus de base des tubes en acier soudés

1. Processus de formage :La bande d'acier est pliée plusieurs fois par des rouleaux pour former l'ébauche du tuyau. La déformation par flexion provoque la mise sous tension de la couche externe de la plaque d'acier et la compression de la couche interne. Après déformation plastique à froid, des contraintes résiduelles de flexion résiduelles subsistent. Cela appartient à la contrainte de traitement de formage.
2. Processus de soudage :Le cordon de soudure et la zone affectée thermiquement sont rapidement chauffés et refroidis localement. La dilatation thermique de la zone de chauffage est limitée par le métal froid environnant, ce qui entraîne une déformation plastique par compression ; lors du refroidissement, la contraction est limitée par le métal de base environnant et, finalement, une contrainte de traction résiduelle très élevée se forme dans la zone du cordon de soudure. Le métal de base des deux côtés est soumis à une contrainte de compression pour maintenir l’équilibre, qui constitue la principale source de contrainte des tuyaux soudés. Plus l’énergie de la ligne de soudage est élevée et plus la vitesse de refroidissement est rapide, plus le niveau de contrainte résiduelle est élevé.

Cette étape peut introduire de nouvelles contraintes résiduelles, ou ces contraintes peuvent être éliminées grâce à des processus spécifiques de l'étape précédente.

• Processus de refroidissement : Lorsque les tubes en acier-laminés et soudés à chaud refroidissent, la surface refroidit plus rapidement tandis que le noyau refroidit plus lentement. La surface se contracte d'abord et est sous tension, tandis que le noyau se contracte ensuite et est sous compression, ce qui entraîne une contrainte thermique résiduelle ; plus la vitesse de refroidissement est rapide et plus le refroidissement est irrégulier, plus la contrainte thermique résiduelle est importante.
• Processus de lissage:Le redressage à froid corrige la courbure du tuyau grâce à des flexions inversées et des déformations plastiques répétées, mais une déformation inégale introduira de nouvelles contraintes résiduelles de flexion. Habituellement, la couche superficielle du tuyau conserve la contrainte de compression et la couche souterraine - la contrainte de traction ; le redressage à chaud (utilisant la chaleur résiduelle du laminage pour le redressage) introduit des contraintes bien inférieures à celles du redressage à froid.
• Étapes de transformation à froid (étirage à froid/laminage à froid de tubes) : En cas de déformation plastique importante à température ambiante, un durcissement de traitement et une contrainte résiduelle extrêmement forts seront générés, qui constituent la principale source absolue de contrainte résiduelle pour les tubes en acier-étirés à froid/laminés à froid-, et le niveau de contrainte est beaucoup plus élevé que celui des tubes en acier laminés à chaud-.
• Découpe et traitement des extrémités de tubes: Le sciage, le filetage et le traitement des rainures provoqueront une déformation plastique locale, entraînant une concentration locale de contraintes à l'extrémité du tuyau.
• Processus de traitement thermique: Lorsque le processus est effectué correctement, le stress peut être éliminé ; si le chauffage est inégal ou le refroidissement est trop rapide (comme la trempe), de nouvelles contraintes thermiques et microstructurales seront générées et, dans les cas graves, le tuyau en acier se fissurera.

La contrainte instantanée pendant le processus n'affecte que la stabilité du processus. La contrainte résiduelle est le facteur essentiel déterminant la qualité et les performances de service du produit fini, et elle a deux effets : des impacts négatifs et des effets positifs contrôlables.

• Instabilité de dimension et de forme:Le stress résiduel est une force interne d'auto-équilibrage-. Lorsque les étapes de traitement ultérieures telles que la coupe, le filetage, le pliage, etc. perturbent l'équilibre des contraintes, la libération des contraintes entraînera la flexion du tuyau en acier, dépassera la limite d'ellipticité, se dilatera ou se contractera en diamètre et affectera la précision dimensionnelle ; une libération lente des contraintes lors d'un stockage à long terme-peut également entraîner une défaillance par déformation.
• Réduction des performances-des paliers de pression et de la fatigue : la contrainte de traction résiduelle sera superposée à la contrainte de travail générée par la pression de travail et les charges alternées, ce qui amènera le tuyau en acier à supporter en réalité plus de force que la valeur de conception, réduisant ainsi sa capacité de charge-de pression ; sous des charges alternées telles que des fluctuations de pression de fluide et des vibrations, les contraintes de traction résiduelles accéléreront l'initiation des fissures et réduiront considérablement la durée de vie en fatigue et, dans les cas graves, provoqueront une rupture ou une fracture du tuyau.
• Induire une fissuration par corrosion sous contrainte: Dans les milieux corrosifs contenant du soufre, des ions chlorure, etc. (tels que le transport de pétrole et de gaz, les pipelines de produits chimiques), les contraintes de traction résiduelles interagiront avec la corrosion, induisant une fissuration par corrosion sous contrainte (SCC), qui est l'une des principales formes de défaillance des canalisations de transport de pétrole et de gaz et des canalisations de raffinage et chimiques.
• Dégradation des performances des traitements ultérieurs: Pour les tubes en acier présentant des contraintes résiduelles importantes, lors des étapes de traitement secondaire telles que le pliage, l'expansion et la contraction, ils sont sujets à la fissuration et au rebond excessif, ce qui entraîne une diminution significative du taux de qualification de traitement.

Toutes les contraintes résiduelles ne sont pas préjudiciables : la contrainte de compression résiduelle de surface peut contrecarrer certaines charges de traction externes, améliorant ainsi la résistance à la fatigue et à la corrosion sous contrainte du tuyau en acier. Dans l'industrie, des contraintes de compression de surface contrôlées sont activement introduites via des processus tels que le grenaillage et les essais hydrostatiques pour optimiser les performances de service des tuyaux en acier.

Concernant le stress, il se divise en deux types d'approches : « Éliminer/contrôler le stress résiduel déjà généré » et « Réduire la génération de stress à la source ».

• Méthode de traitement thermique (taux d'élimination le plus central et le plus élevé)

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La méthode la plus couramment utilisée est le recuit de relaxation- : chauffez le tuyau en acier en dessous de la température de recristallisation (pour l'acier au carbone, généralement 550-650 degrés, pour l'acier allié, ajustez en fonction du matériau), maintenez pendant un moment, puis refroidissez lentement. Grâce au flux de microplastique et à la diffusion atomique, les contraintes internes sont libérées, avec un taux d'élimination de 70 à 90 %, sans réduire de manière significative la résistance du matériau. Il s'agit d'un processus standard pour les tuyaux étirés à froid, les tuyaux soudés et les tuyaux de chaudière à haute pression.

Le processus de normalisation + revenu élimine simultanément les contraintes résiduelles tout en ajustant la structure et en optimisant les propriétés mécaniques, principalement utilisé pour le traitement thermique final des tubes en acier sans soudure.

• Méthode de régulation mécanique

1. Essai hydrostatique : appliquer une surpression d'eau pour provoquer une déformation microplastique de la paroi du tuyau, libérer les contraintes résiduelles et redistribuer les contraintes, formant une contrainte de compression bénéfique sur la couche de surface, ayant la double fonction d'inspection de la qualité et de régulation des contraintes, et constitue un processus nécessaire pour les tuyaux en acier sous pression.
2. Traitement de grenaillage/grenaillage : des projectiles à grande vitesse-impactent la surface du tuyau en acier, provoquant une déformation plastique de la couche superficielle, introduisant une contrainte de compression résiduelle de surface contrôlable, neutralisant les contraintes de traction nocives et améliorant simultanément la résistance à la fatigue et à la corrosion. Il est couramment utilisé pour le pré-traitement avant l'anti-corrosion.
3. Vieillissement vibratoire : utiliser la résonance pour faire glisser les défauts microscopiques dans le tuyau en acier, libérer les contraintes résiduelles, adapté aux tuyaux en acier de grand-diamètre et de grande-taille, avec une faible consommation d'énergie et un cycle court, mais le taux d'élimination des contraintes est inférieur à celui du traitement thermique.

• Vieillissement naturel: conserver à l'extérieur pour permettre au stress de se libérer lentement et naturellement, avec un cycle long et un effet limité, utilisé uniquement comme méthode auxiliaire.

• Optimiser les techniques de traitement thermique: Contrôlez la vitesse de chauffage de la billette de tube pour assurer une température uniforme du four ; adopter un refroidissement contrôlé après le laminage à chaud pour éviter un refroidissement rapide et un refroidissement inégal, réduisant ainsi le stress thermique.
• Optimiser les techniques de déformation plastique: Améliorer la conception des configurations de perçage, de laminage de tubes et de matrices à réduction constante pour assurer une déformation uniforme le long de l'épaisseur de la paroi et dans le sens de la longueur ; répartissez raisonnablement la quantité de déformation dans chaque passage pour éviter une déformation excessive en un seul passage.
• Optimisation du processus de soudage (tubes soudés): Contrôlez l'apport de chaleur de soudage, adoptez des processus de préchauffage et de post-chauffage pour réduire la vitesse de refroidissement et minimisez le gradient de température au niveau du cordon de soudure ; utilisez le soudage symétrique et le soudage multi-passes pour contrecarrer certaines déformations et contraintes.
• Optimisation de la technique de transformation à froid: Répartissez raisonnablement la quantité de déformation lors de l'étirage à froid/laminage à froid, planifiez un recuit intermédiaire pour éliminer l'écrouissage et les contraintes pendant le traitement, puis procédez au traitement à froid ultérieur.
• Optimisation du processus de lissage: Privilégier le lissage à chaud plutôt que le lissage à froid, optimiser la réduction du lissage et la configuration des rouleaux, réduire les contraintes introduites par le lissage ; utilisez un sciage de précision au lieu du cisaillement pour réduire la concentration de contraintes aux extrémités des tuyaux.