강관 생산의 스트레스 문제

강관 내부 응력의 주요 원인은 다음과 같습니다.고르지 못한 온도 변화, 고르지 않은 소성 변형, 그리고구조의 비동기 위상 전환.이러한 응력 현상은 생산 공정의 초기, 중간, 최종 단계에서 발생하며, 공정이 완료되면 사라지는 일시적 응력과 완제품에 남아 품질에 영향을 미치는 핵심 요소인 잔류 응력으로 구분할 수 있습니다. 다양한 생산 경로(예: 이음매 없는 강관 및 용접 강관)에 따라 응력 생성 단계에 상당한 차이가 있습니다. 구체적인 내용은 다음과 같습니다.

이 단계에서 응력은 주로 열 응력, 대부분 일시적 응력입니다. 일부 초기 잔류 응력은 원자재와 함께 후속 가공 단계로 전달됩니다.

• 파이프 빌렛의 초기 잔류 응력: 연속 주조 파이프 빌렛 및 압연 파이프 빌렛의 냉각 및 교정 과정에서 내부스트레스는이미 유지되었습니다. 이는-원료로 인해 발생하는 전처리 스트레스에 속하며 이후의 가공 스트레스에 중첩됩니다.
• 가열 과정 중 열 응력:파이프 빌렛이 가열되면 열로 인해 표면층이 먼저 팽창하는 반면, 코어층은 온도가 낮고 팽창량이 적습니다. 표면층은 압축되고 코어층은 늘어납니다. 가열 속도가 너무 빠르거나 로 내부 온도가 고르지 않으면 열응력이 급격히 증가하고 극단적인 경우 파이프 빌렛 표면에 균열이 발생할 수 있습니다. 균일하게 가열하면 순간적인 열응력이 크게 완화됩니다.

이것은 스트레스 생성의 가장 중요한 단계입니다. 큰 소성 변형과 국부적인 열주기는 완제품의 잔류 응력의 주요 원인인 많은 양의 변형 응력과 열 응력을 생성합니다.

• 무봉강관 핵심공정

1. 피어싱 과정: 경사 롤링 피어싱 중에 튜브 빌렛은 롤과 펀치 헤드의 작용에 따라 강렬한 3차원-비-소성 변형을 겪습니다. 벽 두께와 내부 및 외부 표면의 변형량에는 상당한 차이가 있어 상당한 변형 응력이 발생합니다. 피어싱 후 불균일하게 냉각되면 열 응력이 추가되어 튜브의 초기 잔류 응력이 함께 형성됩니다.
2. 롤링 튜브/고정 직경 감소 프로세스:연속 압연 및 자동 튜브 압연 중에 벽 두께가 감소하고 축 방향 확장이 발생합니다. 변형은 벽 두께를 따라 고르지 않게 분포됩니다. 고정 직경 및 직경 감소 공정에서는 원주 방향 압축 변형이 발생하고 내부 표면과 외부 표면 사이의 변형 차이가 더욱 증폭됩니다. 이는 열간 압연 이음매 없는 파이프의 축 방향 및 원주 방향 잔류 응력의 주요 원인입니다-.

• 용접강관의 핵심공정

1. 성형 과정:스트립 강철은 롤러에 의해 여러 번 구부러져 파이프 블랭크를 형성합니다. 굽힘 변형으로 인해 강판의 외부 층은 인장을 받고 내부 층은 압축을 받게 됩니다. 냉간 소성 변형 후에도 잔류 굽힘 잔류 응력이 남아 있습니다. 이는 성형 가공 응력에 속합니다.
2. 용접 과정:용접 이음매와 열 영향을 받는 부분은 국지적으로 급속 가열 및 냉각됩니다. 가열 영역의 열팽창은 주변의 차가운 금속에 의해 제한되어 압축 소성 변형이 발생합니다. 냉각 중에 주변 모재에 의해 수축이 제한되고 최종적으로 용접 이음매 영역에 매우 높은 잔류 인장 응력이 형성됩니다. 용접파이프의 가장 핵심적인 응력원인 균형을 유지하기 위해 양쪽 모재에 압축응력이 가해집니다. 용접선 에너지가 크고 냉각 속도가 빠를수록 잔류 응력 수준은 높아집니다.

이 단계에서는 새로운 잔류 응력이 발생할 수 있으며, 이러한 응력은 이전 단계의 특정 프로세스를 통해 제거될 수 있습니다.

• 냉각 과정: 열간압연 및 용접된 강관이 냉각되면 표면은 더 빨리 냉각되고 코어는 더 느리게 냉각됩니다. 표면은 먼저 수축하여 장력을 받고, 코어는 나중에 수축하여 압축되어 잔류 열 응력이 발생합니다. 냉각 속도가 빠르고 냉각이 고르지 않을수록 잔류 열 응력이 커집니다.
• 교정 과정:냉간 교정은 반복적인 역 굽힘과 소성 변형을 통해 파이프의 곡률을 교정하지만 고르지 못한 변형으로 인해 새로운 굽힘 잔류 응력이 발생합니다. 일반적으로 파이프의 표면층은 압축 응력을 유지하고 -하층은 인장 응력을 유지합니다. 열간 교정(압연에서 교정까지의 잔열 사용)은 냉간 교정보다 훨씬 작은 응력을 발생시킵니다.
• 냉간 가공 단계(냉간 인발/냉간 압연 튜브): 상온에서 큰 소성변형을 받으면 매우 강한 가공경화 및 잔류응력이 발생하는데, 이는 냉간인발/냉간압연강관의 잔류응력의 절대적인 주요 원인이며, 응력수준은 열간압연강관보다 훨씬 높습니다.
• 절단 및 파이프 엔드 처리: 톱질, 나사 가공, 홈 가공 등으로 인해 국부적인 소성 변형이 발생하여 배관 끝단에 국부적인 응력 집중이 발생합니다.
• 열처리 공정: 공정이 제대로 진행되면 스트레스가 해소됩니다. 가열이 고르지 않거나 냉각이 너무 빠르면(담금질 등) 새로운 열 응력과 미세 구조 응력이 발생하고 심한 경우 강관에 균열이 발생합니다.

공정 중 순간적인 응력은 공정의 안정성에만 영향을 미칩니다. 잔류응력은 완제품의 품질과 서비스 성능을 결정하는 핵심요소로 부정적인 영향과 통제 가능한 긍정적 영향이라는 두 가지 효과를 갖는다.

• 치수 및 형태의 불안정성:잔류 응력은 내부 자체 균형을 유지하는 힘입니다.- 절단, 나사 가공, 굽힘 등과 같은 후속 가공 단계가 응력 균형을 깨뜨릴 때 응력 해제로 인해 강관이 구부러지고, 타원율 한계를 초과하고, 직경이 확장 또는 수축되어 치수 정확도에 영향을 미칩니다. 장기간 보관하는 동안 응력이 천천히 풀리는- 것도 변형 실패로 이어질 수 있습니다.
• 압력-내력 및 피로 성능 감소: 잔류 인장 응력은 작동 압력 및 교번 하중에 의해 생성된 작동 응력과 중첩되어 강관이 실제로 설계 값보다 더 많은 힘을 견디게 하여 압력-내력을 감소시킵니다. 유체 압력 변동 및 진동과 같은 교번 하중에서 잔류 인장 응력은 균열 발생을 가속화하고 피로 수명을 크게 단축시키며, 심한 경우 파이프 파열 또는 파손을 유발합니다.
• 응력부식균열 유도: 황, 염화물 이온 등을 함유한 부식성 매체(예: 석유 및 가스 운송, 화학 파이프라인)에서 잔류 인장 응력은 부식과 상호 작용하여 석유 및 가스 운송 파이프와 정유 및 화학 파이프의 핵심 파손 형태 중 하나인 응력 부식 균열(SCC)을 유발합니다.
• 후속 처리 성능 저하: 잔류응력이 큰 강관의 경우 굽힘, 팽창, 수축 등 2차 가공단계에서 균열 및 과도한 반발이 발생하기 쉬워 가공적격률이 크게 저하됩니다.

모든 잔류 응력이 해로운 것은 아닙니다. 표면 잔류 압축 응력은 일부 외부 인장 하중에 대응하여 강관의 피로 강도와 응력 부식 저항을 향상시킬 수 있습니다. 업계에서는 강관의 사용 성능을 최적화하기 위해 쇼트 피닝, 정수압 테스트 등의 공정을 통해 제어된 표면 압축 응력을 적극적으로 도입합니다.

응력에 대해서는 "이미 발생한 잔류 응력을 제거/제어하는 것"과 "원인에서의 응력 발생을 감소시키는 것"의 두 가지 접근 방식으로 나누어집니다.

• 열처리 방식(가장 핵심, 제거율 가장 높음)

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가장 일반적으로 사용되는 방법은 응력 완화 어닐링입니다. 강관을 재결정 온도(탄소강의 경우 일반적으로 550{6}}650도, 합금강의 경우 재료에 따라 조정) 이하로 가열하고 잠시 유지한 후 천천히 냉각합니다. 미세 플라스틱 흐름과 원자 확산을 통해 내부 응력이 70~90% 제거율로 방출되지만 재료 강도는 크게 감소하지 않습니다. 이는 냉간인발관, 용접관, 고압 보일러관의 표준 공정입니다.-

노멀라이징 + 템퍼링 공정은 구조를 조정하고 기계적 성질을 최적화함과 동시에 잔류응력을 제거하는 공정으로 주로 이음매 없는 강관의 최종 열처리에 사용됩니다.

• 기계적 조절 방법

1. 수압시험: 과압 수압을 가하여 배관 벽의 미세 소성 변형을 일으키고 잔류 응력을 완화하고 응력을 재분배하여 표면층에 유익한 압축 응력을 형성하고 품질 검사와 응력 조절의 이중 기능을 가지며 내압 강관에 필요한 공정입니다-.
2. 쇼트 블라스팅/피닝 처리: 고속-발사가 강관 표면에 충돌하여 표면층의 소성 변형을 일으키고, 제어 가능한 표면 잔류 압축 응력을 도입하고, 유해한 인장 응력에 대응하며, 동시에 피로 강도와 내식성을 향상시킵니다. 일반적으로 부식 방지 전-전처리에-사용됩니다.
3. 진동 노화: 공명을 사용하여 강관 슬립에 미세한 결함을 만들고 잔류 응력을 해제하며 대구경 및 대형- 강관에 적합하며 에너지 소비가 적고 사이클이 짧지만 응력 제거율은 열처리보다 낮습니다.

• 자연 노화: 옥외에 보관하여 스트레스가 천천히 자연스럽게 해소되도록 하며 주기가 길고 효과가 제한적이며 보조적인 방법으로만 사용됩니다.

• 열처리 기술 최적화: 균일한 노 온도를 보장하기 위해 튜브 빌렛의 가열 속도를 제어합니다. 열간 압연 후 제어된 냉각을 채택하여 급속 냉각과 불균일 냉각을 방지하여 열 응력을 줄입니다.
• 소성 변형 기술 최적화: 벽 두께와 길이 방향을 따라 균일한 변형을 보장하기 위해 피어싱, 튜브 롤링 및 일정한 감소 다이 구성의 설계를 개선합니다. 단일 패스에서 과도한 변형을 방지하려면 각 패스에서 변형량을 합리적으로 분배하십시오.
• 용접 공정 최적화(용접 파이프): 용접 열 입력을 제어하고 예열 및 후열 공정을 채택하여 냉각 속도를 줄이고 용접 이음새의 온도 구배를 최소화합니다. 일부 변형과 응력을 방지하려면 대칭 용접과 다중{0}}패스 용접을 사용하세요.
• 냉간 가공 기술 최적화: 냉간인발/냉간압연 시 변형량을 합리적으로 분배하고, 중간소둔을 계획하여 가공시 가공경화 및 응력을 제거한 후 후속 냉간가공을 진행한다.
• 교정 공정 최적화: 냉간 교정보다 열간 교정을 우선시하고 교정 감소량과 롤 패턴을 최적화하며 교정으로 인한 응력을 줄입니다. 파이프 끝 부분의 응력 집중을 줄이려면 전단 대신 정밀 톱질을 사용하십시오.