Холодное волочение, холодная прокатка, холодная прокатка, холодная гибка, холодное расширение и холодное скручивание – все это распространённые методы обработки для производства труб из нержавеющей стали или жаропрочных стальных труб для теплообменников и т.д. с использованием бесшовных/сварных нержавеющих труб. Отличная пластичность нержавеющей стали, особенно аустенитной, делает вышеуказанную холодную обработку (ХД) легко осуществимой; однако все эти виды холодной обработки, такие как сварка, неизбежно ухудшают эксплуатационные характеристики труб из нержавеющей стали, особенно коррозионную стойкость и жаропрочность. Устранение, снижение или контроль таких повреждений всегда были в центре внимания при производстве и последующей обработке труб из нержавеющей стали. Окончательная термическая обработка раствором или отжиг перед поставкой – наиболее эффективный способ устранения вредного воздействия вышеуказанной холодной обработки. Однако этот метод, с одной стороны, требует высокотемпературного нагрева и травления, что значительно увеличивает стоимость производства и производственный цикл. Кроме того, существуют такие проблемы, как сброс, очистка и оценка отходящих газов и сточных вод, таких как кислотный туман. Поэтому некоторые производители отказываются от этого процесса, чтобы снизить затраты или уложиться в сроки. Некоторые потребители приобретают такую продукцию в целях экономии, что крайне неразумно и невыгодно. С другой стороны, для некоторых изделий или условий применения может быть сложно реализовать этот процесс. Поэтому контроль степени наклепа (деформации при наклепе) и проведение локального низкотемпературного отжига для снятия напряжений стали двумя другими практичными способами снижения или контроля его вредного воздействия, но условия их применения, включая различия в марках сталей, по-прежнему вызывают споры.
1. Повреждения и устранение последствий холодной обработки на эксплуатационных характеристиках труб из нержавеющей стали
1.1 Ухудшение эксплуатационных характеристик труб из нержавеющей стали в результате холодной обработки, достигаемой путем пластической деформации при комнатной температуре, приводит к наклепу, то есть к повышению твердости и прочности материала, а первоначальная пластичность материала частично или полностью теряется, что неизбежно ухудшает коррозионную стойкость или жаростойкость материала.
1.2 Методы устранения повреждений
Термическая обработка труб из аустенитной и дуплексной нержавеющей стали перед поставкой, а также окончательный отжиг труб из ферритной нержавеющей стали перед поставкой направлены на эффективное устранение ухудшения эксплуатационных характеристик, вызванного вышеупомянутой холодной обработкой, сваркой и другими видами горячей обработки. Именно поэтому стандарты на трубы из нержавеющей стали большинства стран, особенно унифицированные европейские стандарты на трубы из нержавеющей стали, предусматривают, что все бесшовные трубы из нержавеющей стали должны поставляться в твердорастворном или отожженном состоянии. Потребители в стране сообщают, что бесшовные трубы из аустенитной нержавеющей стали марки 316L начинают подвергаться питтинговой коррозии сразу после контакта с морской водой (316L не является идеальным материалом для коррозии в морской воде или контакта с морской водой, но питтинговая коррозия после однократного контакта с морской водой не является нормой). Окончательная или недостаточная обработка, вероятно, является «дешевым продуктом». Термическая обработка на твердый раствор или отжиг — очень важный и незаменимый процесс в производстве бесшовных труб из нержавеющей стали.
2. Холодная гибка и термическая обработка для снятия напряжений труб из нержавеющей стали
Холодная гибка — распространённый метод холодной обработки труб из нержавеющей стали, который могут выполнять производители стальных труб, пользователи труб или профессиональные производители трубной арматуры. Вопрос о необходимости проведения термической обработки для снятия напряжений после холодной гибки и о том, как её проводить, часто становится предметом споров между производителями и пользователями при оформлении заказов. Этот вопрос оговорён в зарубежных стандартах на трубопроводы, но некоторые моменты действительно заслуживают обсуждения.
2.1 Холодная гибка и термическая обработка для снятия напряжений труб из нержавеющей стали
Холодная гибка — распространённый метод холодной обработки труб из нержавеющей стали, который могут выполнять производители стальных труб, пользователи труб или профессиональные производители трубной арматуры. Вопрос о необходимости проведения термической обработки для снятия напряжений после холодной гибки и о том, как её проводить, часто становится предметом споров между производителями и пользователями при оформлении заказов. Этот вопрос оговорён в зарубежных стандартах на трубопроводы, но некоторые моменты действительно заслуживают обсуждения.
2.2 Для применений, выдерживающих циклические нагрузки или коррозионные среды под напряжением
Что касается применений, выдерживающих циклические нагрузки или коррозионные среды, требования европейских и американских стандартов несколько различаются. Американский стандарт предусматривает, что для материалов, требующих испытаний на ударную вязкость, снятие напряжений или обработка на твердый раствор должны проводиться, когда максимальное расчетное удлинение волокон после изгиба составляет 5% или при наличии других требований. U-образные трубы, используемые в теплообменниках, таких как подогреватели питательной воды и конденсаторы на электростанциях, работающих в среде воды/пара при высоких температурах и давлении, чувствительны к коррозионному растрескиванию под напряжением из-за содержания хлорид-ионов и кислорода в среде. Поэтому два (единственных в мире) американских стандарта ASTMA688/A688M и A803/A803M для бесшовных и сварных труб из нержавеющей стали для подогревателей питательной воды, а также японский стандарт JISG3463 для труб из нержавеющей стали для котлов и теплообменников предусматривают, что пользователи могут потребовать, чтобы U-образные трубы подвергались локальной термической обработке для снятия напряжений после гибки. Французский стандарт на производство ядерных реакторов RCC-M3319 предусматривает, что U-образные трубы должны пройти испытание на коррозию под напряжением MgCl2 после изгиба, чтобы определить, требуется ли термическая обработка для снятия напряжений после изгиба.
3. Витые трубы и витые теплообменники
За рубежом используется теплообменник, состоящий из витых труб (витых холоднодеформированных труб, TwistedTube). Его особенность заключается в том, что одна стальная труба скручена с шагом 60°, а семь стальных труб образуют витой теплообменник. Его преимуществами являются компактная конструкция, высокая тепловая эффективность и возможность уменьшения зоны застоя внешнего потока. Это идеальная конструкция для теплообменников в узких пространствах. Расчеты и анализ показывают, что пластическая деформация, образующаяся при витой холодной деформации, составляет всего 4–14%, а рабочая температура не превышает 540 °C. Согласно положениям «Кодекса ASME по котлам и сосудам под давлением», отжиг для снятия напряжений не требуется. Однако после испытаний на коррозионное напряжение по стандарту ASTMG36 было доказано, что витые трубы из аустенитной нержавеющей стали марок 316 и 321 должны быть подвергнуты отжигу для снятия напряжений или отжигу на твердый раствор для получения хорошей стойкости к коррозионному напряжению, а эксплуатационные характеристики труб из нержавеющей стали марки 321 намного лучше, чем у труб из нержавеющей стали марки 316.
4. Дуплексные витые трубы и U-образные трубы из нержавеющей стали
Результаты испытаний за рубежом показали, что нецелесообразно проводить отжиг для снятия напряжений на витых трубах из дуплексной нержавеющей стали или U-образных трубах. Текущие результаты испытаний требуют R≥5,33d0 для труб из дуплексной нержавеющей стали 2205, но R≥1,5d0 для труб из супердуплексной нержавеющей стали 2507. Причины следующие: ① Дуплексная нержавеющая сталь обладает превосходной стойкостью к точечной коррозии и коррозии под напряжением, и чем выше значение эквивалента точечной коррозии PRE, тем лучше стойкость материала к коррозии под напряжением. ② Локальный низкотемпературный отжиг для снятия напряжений повлияет на фазовое равновесие и интерметаллические соединения матрицы, то есть выделение хрупких фаз нанесет больший ущерб коррозионной стойкости. Эти результаты исследований показывают, что трубы из дуплексной нержавеющей стали могут быть более подходящим материалом для теплообменников, и это также является основой для Американского общества сварки и стандартов ASMEB31.3, которые должны быть очень осторожны в своих правилах термообработки.
5. Метод отжига для снятия напряжений в U-образных трубах
Как отечественные, так и зарубежные методы используют резистивный нагрев или локальный нагрев в печи для выполнения локального отжига для снятия напряжений на U-образных трубах, но какой метод более эффективен или разумен, часто является предметом споров. Последние результаты исследований в Соединенных Штатах показывают, что резистивный нагрев является более разумным и эффективным методом. Причины следующие: ① Переменный ток промышленной частоты может быть непосредственно введен из точки реза U-образной трубы на расстоянии 250 мм через зажимной электрод, и изогнутый участок трубы может быть нагрет до 1010 ~ 1065 ℃ за короткое время (около 10 с) с очень низким потреблением энергии; ② Оптический пирометр может использоваться для автоматического контроля температуры зоны нагрева; ③ Внутренняя стенка заполнена газом Ar для эффективного предотвращения окисления; ④ После нагрева можно использовать принудительное воздушное охлаждение для быстрого охлаждения до температуры ниже 425 ℃ в течение 2–3 минут, при этом образуется тонкая и плотная оксидная пленка желтого или светло-голубого цвета, которая может соответствовать высоким стандартам использования без травления.
6. Заключение
(1) Холодная обработка, такая как холодное волочение и холодная прокатка, вызывает закалку нержавеющей стали, особенно аустенитной, и вызывает дислокацию кристаллической решетки, мартенситное фазовое превращение, выделение карбидов, повышенную магнитную проницаемость и остаточные напряжения, тем самым снижая коррозионную стойкость. Отжиг или термическая обработка на твердый раствор после холодной обработки могут эффективно устранить эти неблагоприятные эффекты; поэтому бесшовные трубы из аустенитной нержавеющей стали и сварные трубы из нержавеющей стали, подвергнутые глубокой холодной обработке, должны поставляться в состоянии, прошедшем термическую обработку на твердый раствор или отожженном, для обеспечения их коррозионной стойкости.
(2) Помимо коррозионного растрескивания под напряжением и воздействия условий окружающей среды, где существует риск коррозионной усталости из-за знакопеременных напряжений, контроль степени холодной обработки давлением является ещё одним способом предотвращения её негативных последствий. Это особенно важно при локальной холодной обработке давлением, такой как холодная гибка и холодное расширение, которые трудно поддаются отжигу. Если радиус холодного изгиба труб из аустенитной нержавеющей стали контролируется на уровне не менее 1,5d0, а радиус холодного изгиба труб из ферритной и дуплексной нержавеющей стали превышает 2,5d0, то, как правило, нет необходимости проводить отжиг для снятия напряжений после холодной гибки.
(3) Для изгибов, требующих стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением, таких как U-образные изгибы из аустенитной нержавеющей стали для теплообменников, работающих в условиях высокой температуры и высокого давления воды или пара, после холодной гибки необходимо выполнить эффективный отжиг для снятия напряжений независимо от размера радиуса холодной гибки.
(4) Нержавеющая сталь марки 06Cr19Ni11Ti (321) обладает лучшей стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением, чем сталь марки 316L, и является более подходящим материалом для труб из аустенитной стали для U-образных теплообменников. U-образные трубы из дуплексной нержавеющей стали не подходят и не должны подвергаться локальному отжигу для снятия напряжений после холодной гибки или скручивания.
(5) Холоднокрученые трубы из нержавеющей стали могут образовать новый тип теплообменника с компактной структурой и более высокой эффективностью теплообмена, что заслуживает пристального внимания при изучении и разработке соответствующими отделами проектирования и применения.
(6) U-образные трубы из дуплексной нержавеющей стали не подходят и не должны подвергаться локальному отжигу для снятия напряжений после холодной гибки или скручивания.
(7) Резистивный нагрев является методом термической обработки для локального снятия напряжений, который более энергосберегающий и экономит время, чем косвенный нагрев в печи, его легко реализовать с помощью автоматического управления, и его следует продвигать в качестве приоритета.
(8) Европейские и американские стандарты трубопроводов (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) содержат некоторые обновленные и подробные правила термической обработки труб из нержавеющей стали после холодной/горячей формовки, которые заслуживают особого внимания.
Время публикации: 06 ноября 2024 г.