Proizvodnja bešavnih čeličnih cijevi: gredica do gotove cijevi

Zašto Piercing Route postoji

Zavarena cijev je izrađena od trake koja se oblikuje i spaja, a spoj je metalurški i geometrijski diskontinuitet: uska lijevana struktura sa zonom utjecaja topline pored nje, i geometrija koja nikada nije savršeno u ravnini s tijelom. Bešavna cijev uklanja taj diskontinuitet počevši od čvrste okrugle gredice i pretvarajući je u šuplju ljusku bez ikakve operacije spajanja, tako da gotova cijev ima kontinuirani obodni protok zrna i nema uzdužnog zavara nigdje u svojoj dužini. To je razlog zašto bešavna cijev ostaje referentni proizvod za visokotlačne kotlove, cjevastu robu naftnih derivata, hidrauličke komponente i procesne cjevovode gdje šav nije prihvatljiv rizik.

Proces je konceptualno jednostavan - zagrijte čvrsti cilindar, probušite rupu kroz njega, valjajte stijenku na željenu veličinu - ali svaki korak je kontrolirana metalurška operacija. Temperaturni prozori moraju biti unutar austenitnog raspona bez pregrijavanja površine, čep za bušenje mora preživjeti kontakt s čelikom na temperaturi kovanja, stijenka se mora smanjiti bez uvođenja unutarnjih preklopa, a konačna svojstva moraju biti proizvedena dokumentiranom toplinskom obradom, a ne slučajno. Cijev koja je dimenzionalno ispravnih, ali je toplinski obrađena izvan svog prozora neće uspjeti na mlin testu, a cijev s ispravnim svojstvima, ali umotanim unutarnjim nedostatkom proći će test rastezanja i neće biti u upotrebi.

Odabir i priprema trupaca

Gredica je kontinuirano lijevana okrugla šipka, a njezina kvaliteta postavlja vrhunsku kvalitetu cijevi. Površinski defekti, podpovršinska poroznost i nakupine inkluzija u trupcu postaju šavovi, preklopi i laminacije u cijevi, tako da se gredice pregledavaju i kondicioniraju prije nego što uđu u peć. Kondicioniranjem brušenjem uklanjaju se površinske pukotine koje bi se inače izdužile u dugačke šavove, a rezanje na točnu duljinu koja odgovara duljini gotove cijevi izbjegava preveliki gubitak usjeva na oba kraja.

Promjer gredice odabire se tako da odgovara veličini gotove cijevi, jer površina poprečnog presjeka trupca mora biti dovoljno velika za punjenje probušene ljuske i naknadno smanjenje stijenke. Gredica koja je premala ne može proizvesti potrebnu stijenku nakon istezanja, a ona koja je prevelika zahtijeva prekomjerno smanjenje i povećava rizik od unutarnjih nedostataka. Za legure i stupnjeve s visokim udjelom ugljika trupac se često meko žari ili površinski brusi prije bušenja kako bi se smanjio rizik od pucanja tijekom deformacije.

Grijanje za piercing

Gredice se zagrijavaju u peći s rotirajućim ložištem ili peći s pokretnom gredom do temperature koja čini čeličnu plastiku dovoljnom za bušenje, obično između 1150 i 1280 stupnjeva Celzijusa, ovisno o stupnju, s točnim prozorom postavljenim sadržajem ugljika i legure. Atmosfera u peći je kontrolirana kako bi se ograničilo odugljičenje i kamenac, jer odugljičeni površinski sloj smanjuje površinsku tvrdoću i, na cijevi od legure, može utjecati na reakciju na toplinsku obradu.

Ujednačenost temperature oko i duž gredice važnija je od nominalne zadane vrijednosti. Hladna strana se ne deformira i stvara ekscentrični zid; pregrijana strana spaljuje granice zrna i stvara površinske pukotine koje se nakon valjanja pojavljuju kao dugi šavovi. Temperatura na izlazu iz peći mjeri se komad po komad, a mlin za probijanje se postavlja da odmah prihvati gredicu, jer temperatura brzo pada u prijenosu.

Probijanje školjke

Rotacijsko probijanje gura zagrijanu gredicu preko vodeno hlađenog čepa između dva ili tri rotirajuća valjka čije su osi nagnute prema osi trupca. Kombinacija rotacije i aksijalnog potiska stvara šupljinu na prednjoj strani koju čep širi u kontinuirani otvor, stvarajući školjku debelih stijenki. Mannesmann bušilo s dva valjka i bušilo s tri valjka uobičajene su konfiguracije, a oba ovise o obliku čepa za kontrolu promjera provrta i obliku valjka za kontrolu ovalnosti i raspodjele stjenke.

Piercing je mjesto gdje se rađa ekscentričnost. Ako čep nije u središtu, ako se valjci troše asimetrično ili ako je temperatura gredice neujednačena, rezultirajuća ljuska ima tanku i deblju stranu, a kasnija operacija ne uklanja u potpunosti tu asimetriju. To je razlog zašto je tolerancija zida bešavne cijevi šira nego kod zavarene cijevi i zašto je mjerenje zida cijelog tijela dio ispitivanja prihvatljivosti za kritične ocjene.

Rolling the Wall and Length

Nakon bušenja, školjka se izdužuje, a stjenka joj se smanjuje jednim od nekoliko tipova mlina, odabranih prema promjeru, stjenci i potrebnoj kvaliteti površine.

Smanjenje rastezanja slijedi valjaonicu za male i srednje veličine. Cijev prolazi kroz niz postolja sa sve manjim razmacima valjaka dok se uzduž osi primjenjuje napetost, tako da se stijenka smanjuje dok se promjer povlači prema dolje. Kontrola napetosti je kritična varijabla: povećanje napetosti istanjuje zid, smanjenje podebljava zid, a operater postavlja raspored tako da gotovi zid sleti unutar raspona tolerancije, a ne samo da dosegne prosjek.

Za precizne cijevi kao što su DIN 2391 i EN 10305-4, vruće valjana šuplja je hladno izvučena ili hladno pilgerovana u nekoliko prolaza sa srednjim žarenjem i luženjem između prolaza. Hladna obrada proizvodi točnost dimenzija i završnu obradu površine koju zahtijevaju cijevi hidraulike i instrumenata, a završno žarenje ili smanjenje naprezanja odlučuje hoće li se cijev isporučiti normalizirana, žarena ili u hladno vučenom stanju s određenom tvrdoćom.

Hlađenje, ravnanje i rezanje na željenu dužinu

Valjana cijev se hladi na rashladnoj podlozi pod uvjetima koji izbjegavaju nekontrolirano stvrdnjavanje, zatim se ravna u rotacijskom ili prešanom stroju za ravnanje. Ravnanje uvodi zaostalo naprezanje, a za stupnjeve kod kojih je korozija naprezanja rizik, kupac bi trebao odrediti tretman za smanjenje naprezanja nakon ravnanja. Zatim se krajevi cijevi režu pravokutno i duljina se mjeri prema naručenom rasponu.

U ovom trenutku cijev je dimenzijski završena, ali metalurški još nije završena. Debljina stijenke provjerava se po obodu i po dužini, a izmjereni ekscentricitet se bilježi, jer postaje granična stijenka za proračun tlaka i za dopuštenu koroziju.

Toplinska obrada nakon valjanja

Većina vrsta se toplinski obrađuje nakon valjanja, a obrada je ono što proizvodi određena svojstva, a ne raspored valjanja. Kotlovska cijev od ugljičnog čelika je normalizirana, obično u rasponu od 900 do 950 Celzijevih stupnjeva, kako bi se poboljšala veličina zrna i dala ponovljiva udarna žilavost. Vrste cjevovoda i kućišta veće čvrstoće kale se i temperiraju, pri čemu je temperatura kaljenja odabrana tako da je granica razvlačenja unutar prozora razreda, dok tvrdoća ostaje ispod granice koja se odnosi na kiselu upotrebu.

Kotao od legure i cijev grijača trebaju puni ciklus normalizacije i temperiranja. Vrste krom-molibdena kao što su ASTM A335 P11 i P22 se normaliziraju i zatim temperiraju u području od 650 do 700 stupnjeva Celzijusa kako bi se razvila bainitna ili feritna struktura koja osigurava otpornost na puzanje. Stupanj T91 i P91 zahtijevaju višu temperaturu austenitizacije, u području od 1040 do 1080 stupnjeva Celzijusa, nakon čega slijedi kaljenje na minimalno 730 stupnjeva Celzijusa, a navedena mehanička svojstva ne mogu se postići bez oba koraka u ispravnom redoslijedu. Austenitni nehrđajući metal kao što je ASTM A312 TP316L žari se u otopini na približno 1040 do 1120 stupnjeva Celzijusa i brzo se hladi, dok se dvostruki stupnjevi tretiraju u otopini u području od 1020 do 1100 stupnjeva Celzijusa s dovoljno velikom brzinom hlađenja da se izbjegne stvaranje sigma faze.

Evidencija peći mora vezati tretman uz partiju. Certifikat treba navesti obradu, raspon temperature, vrijeme držanja i metodu hlađenja, a za kontinuirane peći brzinu linije koja je proizvela vrijeme zadržavanja. Potvrda koja navodi samo vlačne vrijednosti i vrijednosti razvlačenja ne može pokazati da je tretman stvarno primijenjen na tu cijev.

Završna obrada, krajevi i označavanje

Gotova cijev se reže na naručenu duljinu, a zatim završava prema primjeni: s ravnim krajem za zavarivanje, skošenom pod kutom od 30 stupnjeva s korijenskom površinom za obodno zavarivanje na terenu, s navojem i spajanjem na API 5B za kućište i cijevi ili pripremljena za poseban spoj. Navoji su izmjereni, a spojke su zategnute i zaštićene smjesom za navoje i plastičnim čepovima. Svaka cijev je šablonski utisnuta sa standardom, kvalitetom, vanjskim promjerom i stijenkom, duljinom, toplinskim brojem, procesom i žigom inspektora, a oznaka mora ostati čitljiva nakon navedene površinske obrade.

Površinska zaštita odabire se tako da odgovara putu isporuke i vremenu skladištenja. Gola cijev je obično lakirana, nauljena ili obojena u crno; cjevovodna cijev može primiti fuzijski spojeni epoksid, troslojni polietilen ili sustav trake prema priznatom standardu kao što je ISO 21809-2 za epoksid ili DIN 30670 za troslojni polietilen; a pocinčana cijev presvučena je prema ISO 1461 ili specifičnom standardu za proizvod s masom premaza verificiranom po jedinici površine.

Inspekcija i testiranje

Testiranje je slojevito, a svaki sloj rješava različit način kvara. Dimenzijska inspekcija pokriva vanjski promjer, stijenku u više točaka, duljinu, ravnost, pravokutnost kraja i geometriju kosine. Ultrazvučni pregled cijelog tijela prema ASTM E213 otkriva uzdužne i poprečne nesavršenosti i laminacije u stijenci, a za austenitne stupnjeve struktura grubog zrna zahtijeva specifične tehnike opisane u ASTM E309. Elektromagnetsko ispitivanje ili ispitivanje vrtložnim strujama prema ASTM E426 koristi se za nehrđajuće i površinski spojene nedostatke pri velikoj brzini. Hidrostatsko ispitivanje primjenjuje unutarnji tlak na razinu izračunatu iz stijenke i dopuštenog obručnog naprezanja, sa standardnom formulom koja povezuje ispitni tlak s dvostrukom debljinom stijenke i dopuštenim naprezanjem podijeljenim s vanjskim promjerom, održava se minimalno razdoblje koje zahtijeva standard proizvoda, a svaka se cijev provjerava na curenje.

Mehaničko ispitivanje potvrđuje da je toplinska obrada proizvela navedena svojstva. Ispitivanje rastezanja utvrđuje tečenje i rastezanje, ispitivanje tvrdoće provjerava reakciju kaljenja i maksimalnu granicu tvrdoće za kiselu upotrebu, testovi spljoštenosti i širenja namjerno naprežu cijev kako bi se otkrila loša rastezljivost, a ispitivanje tijela udarom po Charpyju utvrđuje žilavost o kojoj ovisi konstrukcija zasnovana na niskim temperaturama ili žilavosti. Sva ova ispitivanja izvode se prema metodama iz ASTM A370, a rezultati se bilježe u odnosu na toplinski broj na potvrdi mlina, s EN 10204 3.1 potvrdom koju je izdao proizvođač ili potvrdom 3.2 koju je supotpisao neovisni inspektor.

Tipični nedostaci, njihovi uzroci i njihovo otkrivanje

Čitanje uzorka kvara korisno je pri prijemnom pregledu. Grupa unutarnjih krasta ukazuje na istrošeni čep i glodalo koje ne kontrolira svoj alat, dok razbacane laminacije ukazuju na kvalitetu trupca. Ekscentričnost zida koncentrirana u jednom kutnom položaju je problem poravnanja valjka ili čepa, a ne nasumična varijacija, i opravdava strožu provjeru zida na cijeloj seriji umjesto jednog ponovnog ispitivanja.

Što proces znači za kupca

Proces objašnjava tri komercijalne činjenice koje se često pogrešno smatraju ponašanjem dobavljača. Prvo, bešavna cijev ima istinski veću toleranciju zida nego zavarena cijev, jer ekscentričnost nastaje u operaciji probijanja i ne može se potpuno izmotati; naručivanje na osnovi minimalnog zida ispravan je odgovor. Drugo, trasa bez šavova ima stvarno ograničenje duljine, nametnuto trnom i rasporedom mlina, tako da vrlo velike pojedinačne duljine zahtijevaju drugačiji postupak. Treće, cjenovna premija u odnosu na zavarenu cijev odražava nižu produktivnost i veći gubitak usjeva, a ne proizvoljnu maržu, te se sužava kod malih promjera i širi kod velikih.

Za kritičnu uslugu, specifikacija bi trebala dosezati dalje od stupnja i dimenzije u detalje procesa: uvjet toplinske obrade sa svojim temperaturnim rasponom, standardom ispitivanja i razinom prihvatljivosti, osnovom stijenke, granicom tvrdoće ako je usluga kisela i vrstom certifikata. Te klauzule su ono što omogućuje prijemnom inspekcijom da potvrdi da je cijev u skladištu cijev koja je naručena.

FAQ

P: Na kojoj temperaturi se gredica probija?
Tipično između 1150 i 1280 stupnjeva Celzijusa, s točnim prozorom postavljenim sadržajem ugljika i legure u stupnju. Raspon mora biti dovoljno vruć da čelik teče preko čepa bez pucanja, ali ne toliko vruć da dođe do gorenja granica zrna ili prekomjerne kamenca, a temperatura se mjeri komad po komad prije nego što trupac uđe u bušilo.

P: Zašto bešavna cijev ima veću toleranciju zida od zavarene cijevi?
Budući da je stijenka oblikovana probijanjem, a svaki čep izvan središta, nejednaka temperatura gredice ili asimetrično trošenje valjka stvaraju tanku i deblju stranu koje kasnije valjanje ne može u potpunosti ukloniti. Zavarena cijev ima svoju stijenku od valjanog koluta s kontroliranom krunom, tako da je njezina obodna varijacija prirodno manja.

P: Koja se toplinska obrada primjenjuje na kotlovsku cijev od krom molibdena?
Potpuni ciklus normalizacije i kaljenja. Vrste kao što su ASTM A335 P11 i P22 se normaliziraju i zatim temperiraju u području od 650 do 700 stupnjeva Celzijusa, dok stupanj P91 zahtijeva austeniziranje na oko 1040 do 1080 stupnjeva Celzijusa nakon čega slijedi kaljenje na minimalno 730 stupnjeva Celzijusa kako bi se postigla specificirana čvrstoća i žilavost.

P: Kako se određuje hidrostatski ispitni tlak?
Iz odnosa naprezanja obruča, gdje je ispitni tlak jednak dvostrukom dopuštenom naprezanju pomnoženom s debljinom stijenke podijeljenom s vanjskim promjerom, korištenjem vrijednosti i vremena zadržavanja postavljenih standardom proizvoda. Test se provodi na svakoj cijevi i svaka se provjerava na curenje, a tlak i trajanje se bilježe na certifikatu.

P: Koja je razlika između toplo valjane i hladno vučene bešavne cijevi?
Vruće valjana cijev izlazi iz rute probijanja i valjanja sa standardnom tolerancijom mlina i površinskom obradom. Hladno vučena ili hladno pilgerirana cijev se dalje smanjuje na sobnoj temperaturi preko trna sa srednjim žarenjem, što daje strožu toleranciju dimenzija, bolju koncentričnost i glatku površinu, uz veću cijenu po metru i u manjim veličinama.

P: Koji standardi reguliraju ispitivanje gotove cijevi?
ASTM E213 za ultrazvučno ispitivanje tijela, ASTM E309 za austenitni materijal, ASTM E426 za elektromagnetsko ispitivanje nehrđajuće cijevi i ASTM A370 za mehanička ispitivanja. Standardi proizvoda kao što su API 5L, ASTM A106 i ASTM A213 definiraju koja su od ovih ispitivanja obvezna i koja se ograničenja prihvaćanja primjenjuju.