Холодная вытяжка, холодная прокатка, холодная гибка, холодное расширение и холодная кручение — все это распространенные методы обработки при производстве труб из нержавеющей стали или жаропрочных стальных труб для теплообменников и т. д. с использованием бесшовных/сварных труб из нержавеющей стали. Превосходная пластичность нержавеющей стали, особенно аустенитной, делает вышеуказанные виды холодной обработки (ХО) обычно легко достижимыми; однако все эти виды холодной обработки, как и сварка, неизбежно ухудшают характеристики труб из нержавеющей стали, особенно коррозионную стойкость или жаростойкость. Устранение, уменьшение или контроль таких повреждений всегда были в центре внимания при производстве и последующей обработке труб из нержавеющей стали. Окончательная обработка раствором или отжиг перед отгрузкой — наиболее эффективный способ устранения вредных последствий вышеуказанных видов холодной обработки. Однако этот метод, с одной стороны, требует высокотемпературного нагрева и травления, что значительно увеличивает себестоимость производства и производственный цикл. Кроме того, возникают проблемы, такие как сброс, очистка и оценка отходящих газов и сточных вод, например, кислотных туманов. Поэтому некоторые производители отказываются от этого процесса, чтобы снизить затраты или уложиться в сроки. Некоторые пользователи приобретают такие изделия, чтобы сэкономить деньги, что крайне неразумно и невыгодно. С другой стороны, внедрение этого процесса может быть затруднительным для определенных изделий или условий применения. Поэтому контроль степени холодной обработки (деформации при холодной обработке) и проведение локального низкотемпературного отжига для снятия напряжений стали двумя другими практическими способами уменьшения или контроля ее вредного воздействия, но условия их применения, включая различия в типах стали, до сих пор вызывают споры.
1. Повреждение и устранение последствий холодной обработки, влияющих на эксплуатационные характеристики труб из нержавеющей стали.
1.1. Повреждение характеристик труб из нержавеющей стали в результате холодной обработки, достигаемой путем пластической деформации при комнатной температуре, приводит к упрочнению при холодной обработке, то есть к увеличению твердости и прочности материала, при этом первоначальная пластичность материала частично или полностью утрачивается, что неизбежно ухудшает коррозионную стойкость или термостойкость материала.
1.2 Методы устранения повреждений
Окончательная термообработка аустенитных и дуплексных нержавеющих стальных труб перед поставкой, а также окончательный отжиг ферритных нержавеющих стальных труб перед поставкой направлены на эффективное устранение ухудшения эксплуатационных характеристик, вызванного вышеупомянутыми холодными обработками, сваркой и другими видами горячей обработки. Именно поэтому стандарты на нержавеющие стальные трубы большинства стран, особенно единые европейские стандарты, предусматривают, что все бесшовные трубы из нержавеющей стали должны поставляться в твердом растворе или отожженном состоянии. Отечественные потребители сообщают, что бесшовные трубы из аустенитной нержавеющей стали 316L начинают подвергаться точечной коррозии сразу после погружения в морскую воду (316L не является идеальным материалом для коррозии в морской воде или замачивания, но обнаружение точечной коррозии после одного замачивания не является нормой). Окончательная термообработка или некачественная обработка, вероятно, является «дешевым продуктом». Окончательная термообработка или отжиг — это очень важный и необходимый процесс в производстве бесшовных труб из нержавеющей стали.
2. Холодная гибка и термообработка для снятия напряжений труб из нержавеющей стали.
Холодная гибка — распространенный метод холодной обработки труб из нержавеющей стали, который могут выполнять производители стальных труб, потребители или профессиональные производители фитингов. Вопрос о необходимости проведения термообработки для снятия напряжений после холодной гибки и о том, как проводить эту термообработку, часто становится предметом споров между производителями и потребителями при оформлении заказов. Этот вопрос оговорен в зарубежных стандартах на трубопроводы, но есть несколько моментов, заслуживающих обсуждения.
2.1 Холодная гибка и термообработка для снятия напряжений труб из нержавеющей стали
Холодная гибка — распространенный метод холодной обработки труб из нержавеющей стали, который могут выполнять производители стальных труб, потребители или профессиональные производители фитингов. Вопрос о необходимости проведения термообработки для снятия напряжений после холодной гибки и о том, как проводить эту термообработку, часто становится предметом споров между производителями и потребителями при оформлении заказов. Этот вопрос оговорен в зарубежных стандартах на трубопроводы, но есть несколько моментов, заслуживающих обсуждения.
2.2 Для применений, подверженных циклическим нагрузкам или коррозионному растрескиванию под напряжением.
Что касается применений, выдерживающих циклические нагрузки или коррозионное растрескивание под напряжением, то нормы европейских и американских стандартов несколько различаются. Американский стандарт предусматривает, что для материалов, требующих испытаний на ударную вязкость, термическая обработка для снятия напряжений или обработки твердым раствором должна проводиться, если максимальное расчетное удлинение волокна после изгиба составляет 5% или если имеются другие требования. U-образные трубы, используемые в теплообменниках, таких как подогреватели питательной воды и конденсаторы на электростанциях, работающих в высокотемпературных и высоконапорных средах вода/пар, чувствительны к коррозионному растрескиванию под напряжением из-за содержания хлорид-ионов и кислорода в среде. Поэтому два (единственные в мире) американских стандарта ASTMA688/A688M и A803/A803M для бесшовных и сварных стальных 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 требовать, чтобы U-образные трубы подвергались локальной термической обработке для снятия напряжений после изгиба. Французский стандарт для производства ядерных реакторов RCC-M3319 предусматривает, что U-образные трубы должны пройти испытание на коррозионное стойкость под напряжением с использованием MgCl2 после изгиба, чтобы определить, требуется ли термообработка для снятия напряжений после изгиба.
3. Витые трубки и витые теплообменники
За рубежом используется теплообменник, состоящий из витых труб (витых холоднодеформированных труб, TwistedTube). Его особенность заключается в том, что одна стальная труба витая на 60° с шагом, и 7 стальных труб образуют витой теплообменник. Считается, что его преимуществами являются компактная конструкция, высокая тепловая эффективность и возможность уменьшения застойной зоны внешнего потока. Это идеальная конструкция для теплообменников в узких пространствах. Расчеты и анализ показывают, что пластическая деформация, образующаяся при холодной деформации витых труб, составляет всего 4%–14%, а рабочая температура не превышает 540℃. В соответствии с положениями «Кодекса ASME для котлов и сосудов под давлением» отжиг для снятия напряжений не требуется. Однако, после испытаний на коррозионное стойкость под напряжением в соответствии со стандартом ASTMG36 было доказано, что витые трубы из аустенитной нержавеющей стали 316 и 321 должны подвергаться отжигу для снятия напряжений или термической обработке для достижения хорошей коррозионной стойкости под напряжением, и характеристики труб из нержавеющей стали 321 значительно лучше, чем у труб из нержавеющей стали 316.
4. Витые трубы и U-образные трубы из дуплексной нержавеющей стали
Зарубежные исследования показали, что проведение термической обработки для снятия напряжений на витых трубах или U-образных трубах из дуплексной нержавеющей стали нецелесообразно. Согласно текущим результатам испытаний, для труб из дуплексной нержавеющей стали марки 2205 требуется R≥5,33d0, а для труб из супердуплексной нержавеющей стали марки 2507 — R≥1,5d0. Причины следующие: ① Дуплексная нержавеющая сталь обладает превосходной стойкостью к питтинговой и коррозионной стойкости под напряжением, и чем выше значение эквивалента питтинговой стойкости PRE, тем лучше коррозионная стойкость материала. ② Локальная низкотемпературная термическая обработка для снятия напряжений влияет на фазовое равновесие и интерметаллические соединения матрицы, то есть осаждение хрупких фаз приводит к большему ухудшению коррозионной стойкости. Эти результаты исследований показывают, что трубы из дуплексной нержавеющей стали могут быть более подходящим материалом для теплообменников, и это также является основанием для того, чтобы Американское сварочное общество и стандарты ASMEB31.3 были очень осторожны в своих правилах термической обработки.
5. Метод отжига для снятия напряжений в U-образных трубах.
Как в отечественных, так и в зарубежных странах для локального отжига U-образных труб, предназначенного для снятия напряжений, используется резистивный нагрев или локальный нагрев в печи. Однако вопрос о том, какой метод более эффективен или рационален, часто становится предметом споров. Последние исследования в США показывают, что резистивный нагрев является более рациональным и эффективным методом. Причины следующие: ① Переменный ток промышленной частоты может подаваться непосредственно из точки резки U-образной трубы на расстоянии 250 мм через зажимной электрод, и изогнутая часть трубы может быть нагрета до 1010–1065 ℃ за короткое время (около 10 с) с очень низким энергопотреблением; ② Оптический пирометр может использоваться для автоматического контроля температуры зоны нагрева; ③ Внутренняя стенка заполняется аргоном 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 соответствует высоким стандартам эксплуатации и не требует травления.
6. Заключение
(1) Холодная обработка, такая как холодная вытяжка и холодная прокатка, вызывает холодное упрочнение нержавеющей стали, особенно аустенитной нержавеющей стали, и приводит к дислокациям решетки, мартенситному фазовому превращению, осаждению карбидов, повышению магнетизма и остаточным напряжениям, тем самым снижая ее коррозионную стойкость. Отжиг или термическая обработка раствором 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 раствора или отжига для эффективного обеспечения их коррозионной стойкости.
(2) Помимо коррозионного растрескивания под напряжением и условий окружающей среды, где существует риск коррозионной усталости из-за знакопеременных напряжений, контроль степени холодной обработки является еще одним способом избежать ее неблагоприятных последствий. Это особенно важно для локальной холодной обработки, такой как холодная гибка и холодное расширение, которые трудно подвергнуть отжигу. Если радиус холодной гибки труб из аустенитной нержавеющей стали контролируется таким образом, чтобы он был не менее 1,5d0, а радиус холодной гибки труб из ферритной и дуплексной нержавеющей стали превышал 2,5d0, то, как правило, нет необходимости проводить отжиг для снятия напряжений после холодной гибки.
(3) Для изгибов, требующих устойчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением, таких как U-образные изгибы из аустенитной нержавеющей стали для теплообменников, работающих в условиях высоких температур и высокого давления воды или пара, после холодной гибки необходимо проводить эффективный отжиг для снятия напряжений независимо от размера радиуса холодной гибки.
(4) Нержавеющая сталь 06Cr19Ni11Ti (321) обладает лучшей устойчивостью к коррозионному растрескиванию под напряжением, чем 316L, и является более подходящим материалом для труб из аустенитной стали для теплообменников U-образной формы. Трубы U-образной формы из дуплексной нержавеющей стали не подходят или не должны подвергаться локальному отжигу для снятия напряжений после холодной гибки или скручивания.
(5) Холодно скрученные трубы из нержавеющей стали могут образовывать новый тип теплообменника с компактной конструкцией и более высокой эффективностью теплообмена, что заслуживает внимания со стороны соответствующих отделов 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 — это метод локальной термообработки для снятия напряжений, который является более энерго- и временным, чем косвенный нагрев в печи, легко реализуется с помощью автоматического управления и должен быть приоритетным.
(8) Европейские и американские стандарты для трубопроводов (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) содержат ряд обновленных и подробных правил по термической обработке труб из нержавеющей стали после холодной/горячей формовки, которые заслуживают особого внимания.
Дата публикации: 06.11.2024