Какие общие процессы для бесшовной обработки нержавеющих стальных труб?

Основная цель бесшовного процесса обработки нержавеющих стальных труб - устранение дефектов сварных швов в трубах, оптимизация механических свойств, улучшение размерной точности и качества поверхности. Применяемые сценарии для различных процессов (например, диаметр трубы, материал и требования к характеристикам) значительно различаются. Они в основном можно разделить на четыре категории: термическая обработка, холодная обработка, восстановление внутреннего сварного шва и вспомогательная термическая обработка. Ниже приведено подробное описание 7 основных бесшовных методов обработки, включая их принципы, основные этапы, ключевые параметры, области применения, а также достоинства и недостатки:

I. Процесс бесшовного горячего расширения

Процесс бесшовного горячего расширения является предпочтительным методом производства крупноразмерных сварных нержавеющих стальных труб (DN200 - DN1000). Благодаря комплексной обработке "нагрев - расширение - отжиг" сварной шов и основой материал полностью интегрируются, устраняются внутренние напряжения от сварки, повышается сопротивление давлению и вязкость, и эта труба может быть использована в качестве альтернативы крупноразмерным бесшовным трубам для сценариев высокого давления при транспортировке.

1. Принцип процесса

Сварной трубопровод нагревается до аустенитизирующей температуры (900-1100℃, 304/316L), а расширительный наконечник (конусный или цилиндрический) проталкивается через корпус трубы с использованием гидравлической или механической силы, чтобы расширить диаметр трубы до целевого размера. В то же время при помощи высокотемпературного отжига устраняются внутренние напряжения сварки и улучшается структура шва (уточнение зерна, устранение σ-фазы).

2. Основные этапы и ключевые параметры

Рисунок 1

3. Сценарии применения, а также достоинства и недостатки

Сценарии применения: трубопроводы большого диаметра под высоким давлением (например, магистральные водопроводные трубы в коммунальном хозяйстве, паровые трубопроводы в химических промышленных парках), трубопроводы в низкотемпературных районах (с устойчивостью к -40℃); Достоинства:

Метод позволяет обрабатывать трубы большого диаметра (DN200-DN1000), что компенсирует сложности в производстве бесшовных труб большого диаметра;

Высокотемпературный отжиг улучшает структуру, и трубы обладают превосходной низкотемпературной вязкостью (энергия удара при -40℃ ≥ 60Дж). Недостатки:

Размерная точность средняя (отклонение толщины стенки ±5%), что не позволяет удовлетворить требования к применению с высокой точностью;

Потребление энергии высокое (на нагрев требуется большое количество электроэнергии), и стоимость выше, чем у метода холодной обработки. 

II. Технология холодной протяжки бесшовных труб

Технология холодной протяжки бесшовных труб является ключевой технологией для тонкостенных высокоточных нержавеющих сварных труб малого диаметра (DN10 - DN150). С помощью "нескольких проходов холодной протяжки + калибровки" улучшается размерная точность (отклонение толщины стенки ≤ ±3%) и шероховатость поверхности (Ra ≤ 0,8 мкм), в то же время за счет холодной деформации твердения повышается предел прочности на растяжение, что делает их подходящими для применений с высокой точностью, таких как медицинские приборы и полупроводниковые изделия.

1. Принцип технологии

При комнатной температуре сварная труба многократно проникает через матрицу (калибровочная матрица + пуансон). Пластическая деформация металла устраняет мелкие дефекты (пузырьки газа, пористость) внутри сварного шва и измельчает размер зерна (размер зерна уменьшается от 50 мкм до 10 мкм). Калибровочная матрица контролирует диаметр трубы и толщину стенки. Наконец, после низкотемпературного отжига устраняется часть холодной деформации твердения, чтобы сбалансировать прочность и пластичность.

2. Основные этапы и ключевые параметры

Рисунок 2

3. Сценарии применения, а также достоинства и недостатки

Сценарии применения: Прецизионные трубы (трубопроводы медицинских устройств, трубопроводы для ультрачистой воды в полупроводниках), высоконапорные гидравлические трубопроводы (давление ≤ 31,5 МПа); Достоинства:

Размерная точность чрезвычайно высока (отклонение толщины стенки ±3%), а поверхностное качество превосходное (Ra ≤ 0,8 мкм);

Холодная деформационная упрочность повышает прочность (рабочее напряжение на разрыв на 20% - 30% выше, чем у сварных труб). Недостатки:

Этот метод применимо только для труб малого диаметра (DN ≤ 150). Затруднительно провести протяжку для труб большего диаметра.

Многопроходная обработка имеет низкую эффективность, и стоимость выше, чем у процесса горячего расширения. 

III. Технологический процесс шлифования внутренней сварки

Шлифование внутренней сварки - это ключевой процесс для устранения выступов швов на внутренней стенке сварной трубы. Используется специальный инструмент для шлифования внутренней стенки, чтобы удалить избыточные швы на внутренней стороне сварки (обычно 0,2 - 1,0 мм), делая внутреннюю стенку гладкой и предотвращая увеличение сопротивления и накопление грязи при транспортировке жидкости. Это основной предварительный процесс обработки для санитарных и низкорезистивных транспортных труб.

Только обработка швов на внутренней стенке не может улучшить внутреннюю структуру сварного шва (например, склонность к межкристаллической коррозии);

Для длинных труб (более 6 метров) шлифовка очень сложна и требует секционного выполнения. 

IV. Технология внутренней полировки

Внутренняя полировка представляет собой "улучшенную технологию" для внутренних сварных швов. Благодаря точной полировке (например, полировка махровым колесом, электролитическая полировка) шероховатость внутренней стенки снижается до Ra 0,2 - 0,8 мкм, что соответствует чрезвычайно высоким требованиям к гладкости и чистоте поверхности (отсутствие мест для размножения микроорганизмов) в гигиенических сценариях (пищевая промышленность,pharmaceutics, полупроводники).

1. Принцип технологии (на примере механической внутренней полировки)

Используется комбинация "гибкого махрового колеса + полировочной пасты". Махровое колесо приводится в движение роботом - манипулятором, которое вращается и двигается по внутренней стенке трубы по ее оси. Полировочная паста (например, белый воск, зеленый воск) заполняет микроскопические впадины на внутренней стенке, чтобы достичь "зеркальной" гладкости; для более высокой точности (Ra ≤ 0,2 мкм) применяется электролитическая внутренняя полировка (принцип такой же, как у электролитической полировки, с специальными электродами для внутренней стенки).

2. Основные этапы и ключевые параметры (механическое внутреннее полирование)

Рисунок 4

3. Применение и достоинства и недостатки

Применение: Трубы для фармацевтических вод (воды для инъекций), трубы для транспортировки пищевых соков, трубопроводы для ультрачistoj воды в полупроводниковой промышленности; Достоинства:

Внутренняя стенка имеет чрезвычайно высокую гладкость (Ra ≤ 0,8 мкм), не имеет никаких мест для размножения микроорганизмов и соответствует стандартам GMP/FDA;

Снижает остатки жидкости и повышает эффективность очистки на 50% (время очистки CIP сокращается до 30 минут). Недостатки:

Высокая стоимость (большой расход полировальной пасты и инвестиции в оборудование в 2 - 3 раза больше, чем в внутреннее шлифование);

Применяется только для труб малого диаметра (DN ≤ 100), и трудно полировать внутренние стенки труб большого диаметра. 

V. Процесс полной отжига

Полный отжиг - это вспомогательный процесс для создания бесшовных труб, обычно используется в сочетании с такими процессами, как горячее расширение и холодная прошивка. Его основная функция - "устранить внутренние напряжения, улучшить структуру сварного шва и сбалансировать механические свойства", предотвращая растрескивание или коррозию сварной трубы из - за сосредоточенных внутренних напряжений.

1. Принцип процесса

Поместите сварной трубопровод (или трубу, прошедшую предварительную обработку для придания бесшовности) в отопительную печь, нагрейте до температуры выше Ac3 (для стали 304 - 850-900℃; для дуплексной стали - 950-1050℃), выдержите в течение определенного времени, а затем медленно охладите (либо в печи, либо медленно снижайте температуру). Этот процесс преобразует закаленную структуру в зоне сварки (например, мартенсит, карбиды Cr) в равномерную аустенитную/ферритную структуру, одновременно устраняя внутренние напряжения от сварки (снижая внутренние напряжения с 300МПа до менее 50МПа).

2. Ключевые параметры и пригодные сценарии применения

Рисунок 5

3. Характеристики процесса

Не самостоятельный процесс: требуется сочетание с горячим расширением и холодной прошивкой (например, отжиг после холодной прошивки для устранения холодной закалки и отжиг после горячего расширения для измельчения структуры);

Широкое применение: этот процесс необходим для всех обработок сварных труб из нержавеющей стали для придания бесшовности, и он является "базовым этапом" для обеспечения качества.

VI. Процесс холодной прокатки бесшовных труб

Процесс холодной прокатки бесшовных труб представляет собой специализированную технику для сварных труб из нержавеющей стали с толстыми стенками (с толщиной стенки ≥ 3 мм). В нем используется «холодная пластическая деформация прокатного инструмента» для выравнивания сварных швов и заполнения впадины, при этом упрочняя поверхность (образуя холодно деформированный упрочненный слой), повышая износостойкость и сопротивление давлению, и подходящая для высоконапорных гидравлических и конструкционных труб.

1. Принцип процесса

Зафиксируйте сварную трубу, вставьте прокатный инструмент (содержащий 3 - 4 твердосплавных ролика) в трубу и приложите радиальное давление с помощью гидравлического привода (давление 30 - 50 МПа). Одновременно прокатный инструмент перемещается по длине трубы, вызывая пластическую деформацию сварного шва и окружающего металла - выступы выравниваются, впадины заполняются металлом, а внутренняя стенка становится гладкой (Ra 1,6 - 3,2 мкм), при этом поверхностная твердость повышается на 15% - 30%.

2. Основные параметры и пригодные сценарии применения

Основные параметры: Давление прокатки 30-50 МПа, скорость подачи 50-100 мм/мин, количество проходов прокатки 1-2, шероховатость внутренней стенки Ra 1.6-3.2 мкм;

Пригодные сценарии применения: Толстостенные высоконапорные трубы (например, магистральные трубы гидросистем, гидравлические опорные трубы для угольных шахт), конструкционные трубы (например, опорные трубы оборудования);

Преимущества: Без удаления материала (толщина стенки не уменьшается), хороший эффект упрочнения поверхности (твердость до HV250-300);

Недостатки: Применимо только к толстостенным трубам (толщина стенки ≥ 3 мм), не может обработать тонкостенные трубы (легко деформируются). 

VII. Лазерный клэддинг безшовного процесса

Лазерный клэддинг безшовной технологии - это точный процесс для высококлассных сварных труб из нержавеющей стали (например, коррозионностойких сплавных труб). Он включает использование лазера для нанесения порошка сплава (например, никелевых сплавов, порошка нержавеющей стали) на поверхность шва для заполнения дефектов шва (например, пор, трещин), формируя "безшовный слой", который металлургически соединен с основным материалом, тем самым повышая коррозионную стойкость и прочность, и подходящий для экстремальных коррозионных сценариев (например, морское нефтедобыча и газодобыча, транспортировка сильных кислот).

1. Принцип работы

Используется мощный лазер (например, волоконный лазер мощностью 1000 - 3000Вт) для облучения зоны сварки, одновременно подавая порошок сплава (с размером частиц 50 - 150мкм). Порошок быстро расплавляется под воздействием лазера и объединяется с металлом сварного шва, остывая и образуя равномерный наплавленный слой (толщиной 0,2 - 0,5мм), устраняя дефекты сварки и повышая коррозионную стойкость поверхности.

2. Основные параметры и области применения

Основные параметры: мощность лазера 1500 - 2500Вт, скорость сканирования 5 - 10мм/с, скорость подачи порошка 10 - 20г/мин, твердость наплавленного слоя HV300 - 350;

Области применения: трубы, подверженные сильной коррозии (например, трубы для транспортировки нефти и газа, содержащих H₂S, трубы для транспортировки концентрированной соляной кислоты), трубы, работающие при высоких температурах (например, трубки наддувного парогенератора котла);

Преимущества: наплавленный слой имеет металлургическую связь с основным материалом, обладает превосходной коррозионной стойкостью (скорость коррозии ≤ 0,005мм/год) и может восстанавливать трещины в сварных швах;

Недостатки: Высокая инвестиция в оборудование (лазерное оборудование стоит в пределах нескольких миллионов юаней), низкая эффективность (время обработки трубы DN100 ≥ 1 ч) и высокая стоимость. 

VIII. Логика сравнения и выбора основных методов бесшовной обработки

Пригодные сценарии применения различных методов обработки значительно различаются. Необходимо проводить комплексный выбор на основе диаметра трубы, толщины стенки, материала, требований к характеристикам и стоимости. Основные сравнения представлены ниже:

Изображение 6 

Основное резюме

При бесшовной обработке нержавеющих стальных труб не существует "абсолютно оптимального" метода. Следует придерживаться принципа "соответствия сценарию":

Для крупноразмерных и высоконапорных применений: выбирайте метод бесшовной обработки горячим расширением;

Для мелкодиаметровых и с требованиями к точности: выбирайте метод бесшовной обработки холодной проческой;

Для санитарного класса и низких требований к остаткам: выбирайте внутреннюю полировку (в сочетании с холодной проческой);

Для толстостенных стенок и износостойкости: выбирайте холодную прокатку;

Для борьбы с сильной коррозией и в высококлассных приложениях: выбирайте лазерное наплавление.

В то же время все процессы должны быть сочетаны с общей отжигом, чтобы обеспечить устранение внутренних напряжений, улучшение структуры и, в конечном итоге, достичь главной цели - "характеристики бесшовных сварных труб".