Per què existeix la Ruta Piercing
El tub soldat està fet de banda que es forma i uneix, i la unió és una discontinuïtat metal·lúrgica i geomètrica: una estructura de fosa estreta amb una zona afectada per la calor al costat i una geometria que mai està perfectament alineada amb el cos. El tub sense soldadura elimina aquesta discontinuïtat començant des d'una palangana rodona sòlida i convertint-la en una closca buida sense cap operació d'unió, de manera que el tub acabat té un flux de gra circumferencial continu i sense soldadura longitudinal en qualsevol part de la seva longitud. Aquesta és la raó per la qual el tub sense costura segueix sent el producte de referència per a calderes d'alta pressió, productes tubulars de petroli, components hidràulics i canonades de procés on una costura no és un risc acceptable.
El procés és conceptualment senzill: escalfar un cilindre sòlid, perforar-hi un forat, enrotllar la paret a mida, però cada pas és una operació metal·lúrgica controlada. Les finestres de temperatura s'han de situar dins del rang d'austenita sense sobreescalfar la superfície, el tap de perforació ha de sobreviure al contacte amb l'acer a la temperatura de forja, la paret s'ha de reduir sense introduir solapes internes i les propietats finals s'han de produir per un tractament tèrmic documentat més que per casualitat. Un tub que sigui dimensionalment correcte però tractat tèrmicament fora de la seva finestra fallarà a la prova del molí, i un tub amb propietats correctes però un defecte intern enrotllat passarà la prova de tracció i fallarà en servei.
Selecció i Preparació de Billets
El totxo és una barra rodona de fosa contínua i la seva qualitat estableix el sostre en la qualitat del tub. Els defectes superficials, la porositat subsuperficial i els grups d'inclusió a la palangana es converteixen en costures, voltes i laminacions al tub, de manera que les palangres s'inspeccionen i acondicionen abans d'entrar al forn. El condicionament per mòlta elimina les esquerdes superficials que d'altra manera s'allargarien en costures llargues, i el tall a la longitud exacta que coincideixi amb la longitud del tub acabat evita una pèrdua excessiva de cultiu als dos extrems.
El diàmetre de la billetta es tria per adaptar-se a la mida del tub acabat, perquè l'àrea de la secció transversal de la palangana ha de ser prou gran per alimentar la closca perforada i la posterior reducció de la paret. Una palangana massa petita no pot produir la paret requerida després de l'allargament, i una que és massa gran obliga a una reducció excessiva i augmenta el risc de defectes interns. Per a les qualitats d'aliatge i d'alt carboni, la palangana sovint es recobreix suau o es rectifica de superfície abans de perforar-se per reduir el risc d'esquerdes durant la deformació.
Calefacció per Piercing
Els billets s'escalfen en un forn de llar rotatiu o un forn de bigues caminant a una temperatura que fa que l'acer sigui plàstic suficient per perforar, normalment entre 1150 i 1280 graus centígrads depenent del grau, amb la finestra exacta establerta pel contingut de carboni i aliatge. L'atmosfera del forn es controla per limitar la descarburació i l'escala, perquè una capa superficial descarburada redueix la duresa superficial i, en el tub d'aliatge, pot afectar la resposta al tractament tèrmic.
La uniformitat de la temperatura al voltant i al llarg de la palanca importa més que el punt de consigna nominal. Un costat fred no es deforma i produeix paret excèntrica; un costat sobreescalfat crema els límits del gra i produeix esquerdes superficials que apareixen com a costures llargues després de rodar. La temperatura de descàrrega del forn es mesura peça per peça i el molí de perforació està configurat per acceptar la palangana immediatament, perquè la temperatura cau ràpidament en la transferència.
Piercing the Shell
La perforació rotativa empeny la palanca escalfada sobre un tap refrigerat per aigua entre dos o tres rotlles giratoris els eixos dels quals estan inclinats a l'eix de la palanca. La combinació de rotació i empenta axial crea una cavitat a la cara frontal que l'endoll s'expandeix en un forat continu, produint una closca de paret gruixuda. El perforador de dos rotlles de Mannesmann i el perforador de tres rotlles són les configuracions habituals, i tots dos depenen de la forma del tap per controlar el diàmetre del forat i la forma del rotllo per controlar l'ovalitat i la distribució de la paret.
El piercing és on neix l'excentricitat. Si el tap està fora del centre, si els rotlles estan desgastats de manera asimètrica o si la temperatura de la palangana és desigual, la carcassa resultant té un costat prim i un costat gruixut, i cap operació posterior elimina completament aquesta asimetria. És per això que la tolerància de la paret d'un tub sense soldadura és més àmplia que la d'un tub soldat, i per què la mesura de la paret del cos complet forma part de les proves d'acceptació de graus crítics.
Rodar la paret i la longitud
Després de la perforació, la closca s'allarga i la seva paret es redueix en un dels diversos tipus de molí, escollits segons el diàmetre, la paret i la qualitat superficial requerida.
| Tipus de molí | Principi | Idoneïtat de la mida | Característiques |
|---|---|---|---|
| Molí de mandril | La closca s'enrotlla sobre un mandril retingut en un molí de diversos suports | Diàmetre mitjà, àmplia gamma de parets | Bona uniformitat de la paret, alta taxa de producció, es requereix extractor per treure el mandril |
| Molí d'endolls | Closca enrotllada sobre un tap entre rotlles acanalats en passades alternatives | Diàmetre mitjà a gran, paret més gruixuda | Bona superfície interna, menor allargament per passada |
| Molí de mandril continu | Mandril llarg portat a través d'un tren de suports | Diàmetre petit a mitjà | Alt rendiment, llargs tubs, sensible al desgast del mandril |
| Molí de tres rotlles | Closca enrotllada entre tres rotlles sobre un mandril o tap | Diàmetre mitjà, paret gruixuda | Adequat per a alta aliatge i paret gruixuda on la reducció és limitada |
| Dibuix en fred o peregrinació en fred | Reducció en fred sobre un mandril després de decapat i lubricació | Diàmetre petit, paret de precisió | Tolerància estreta i acabat superficial, necessita recuit intermedi |
La reducció d'estirament segueix el laminador per a mides petites i mitjanes. El tub passa a través d'un tren de suports amb espais decreixents del rodet mentre s'aplica tensió al llarg de l'eix, de manera que la paret es redueix mentre el diàmetre es redueix. El control de la tensió és la variable crítica: augmentar la tensió aprima la paret, disminuir-la engrossi la paret i l'operador estableix el calendari perquè la paret acabada caigui dins de la banda de tolerància en lloc de només colpejar la mitjana.
Per a tubs de precisió com els graus DIN 2391 i EN 10305-4, el buit laminat en calent s'estira en fred o s'enfila en fred en diverses passades amb recuit i decapat intermedi entre passades. El treball en fred produeix la precisió dimensional i l'acabat superficial que requereixen els tubs hidràulics i d'instruments, i el recuit final o l'alleujament de tensions decideix si el tub es lliura normalitzat, recuit o en estat estirat en fred amb una duresa especificada.
Refredament, redreçament i tall a la longitud
El tub enrotllat es refreda sobre un llit de refrigeració en condicions que eviten un enduriment incontrolat, i després es redreça en una planxa rotativa o de premsa. El redreçament introdueix tensió residual i, per als graus on la corrosió per tensió és un risc, el comprador hauria d'especificar un tractament d'alleujament de tensió després de l'allisat. A continuació, es tallen els extrems dels tubs quadrats i es mesura la longitud en funció del rang ordenat.
En aquest punt el tub està acabat dimensionalment però metal·lúrgicament encara no s'ha acabat. Es comprova el gruix de la paret al voltant de la circumferència i al llarg de la longitud, i es registra l'excentricitat mesurada, perquè es converteix en la paret límit per al càlcul de pressió i per a la tolerancia de corrosió.
Tractament tèrmic després d'enrotllar
La majoria dels graus es tracten tèrmicament després de laminar, i el tractament és el que produeix les propietats especificades en lloc del programa de laminació. El tub de la caldera d'acer al carboni està normalitzat, normalment entre 900 i 950 graus centígrads, per refinar la mida del gra i donar una resistència a l'impacte reproduïble. Els graus de canonada i carcassa de major resistència s'apagan i es temperen, amb la temperatura de tremp seleccionada de manera que el límit elàstic cai dins de la finestra de grau mentre la duresa es manté per sota del límit que s'aplica al servei àcid.
La caldera d'aliatge i el tub de l'escalfador necessiten un cicle complet de normalització i temperat. Els graus de crom molibdè com ASTM A335 P11 i P22 es normalitzen i després es temperen a la regió de 650 a 700 graus centígrads per desenvolupar l'estructura bainítica o ferrítica que proporciona resistència a la fluència. Els graus T91 i P91 requereixen una temperatura d'austenització més alta, entre 1040 i 1080 graus centígrads, seguida d'un temperat a un mínim de 730 graus centígrads, i les propietats mecàniques especificades no es poden assolir sense els dos passos en l'ordre correcte. L'acer inoxidable austenític com l'ASTM A312 TP316L és una solució recuit a aproximadament 1040 a 1120 graus centígrads i es refreda ràpidament, mentre que els graus dúplex es tracten amb solució a la regió de 1020 a 1100 graus centígrads amb una velocitat de refredament prou ràpida per evitar la formació de fase sigma.
Els registres del forn han de vincular el tractament al solar. El certificat ha d'indicar el tractament, el rang de temperatura, el temps de retenció i el mètode de refrigeració, i per als forns continus la velocitat de la línia que ha produït el temps de retenció. Un certificat que enumera només els valors de tracció i de rendiment no pot demostrar que el tractament s'ha aplicat realment a aquest tub.
Acabats, Finals i Marcat
El tub acabat es talla a la longitud ordenada, després s'acaba d'acord amb l'aplicació: acabat llis per a la soldadura, bisellat a 30 graus amb una cara de l'arrel per a la soldadura de circumferència de camp, roscat i acoblat a API 5B per a carcassa i tub, o preparat per a una connexió específica. Les rosques es mesuren i els acoblaments es torquen i es protegeixen amb compostos de rosques i taps de plàstic. Cada tub està estampat amb l'estàndard, el grau, el diàmetre exterior i la paret, la longitud, el número de calor, el procés i el segell d'inspector, i el marcatge ha de romandre llegible després del tractament superficial especificat.
La protecció de superfície es selecciona perquè coincideixi amb la ruta de lliurament i el període d'emmagatzematge. El tub nu està normalment envernissat, oliat o pintat de negre; La canonada de línia pot rebre epoxi unida per fusió, polietilè de tres capes o un sistema de cinta segons una norma reconeguda com la ISO 21809-2 per a epoxi o DIN 30670 per a polietilè de tres capes; i el tub galvanitzat està recobert segons la norma ISO 1461 o una norma específica de producte amb massa de recobriment verificada per unitat d'àrea.
Inspecció i assaig
La prova es fa per capes i cada capa aborda un mode de fallada diferent. La inspecció dimensional cobreix el diàmetre exterior, la paret en múltiples punts, la longitud, la rectitud, l'esquadra dels extrems i la geometria del bisell. L'examen ultrasònic de cos sencer segons ASTM E213 detecta imperfeccions longitudinals i transversals i laminacions a la paret, i per als graus austenítics, l'estructura de gra gruixut requereix les tècniques específiques descrites a ASTM E309. L'examen electromagnètic o de corrent de Foucault segons ASTM E426 s'utilitza per a l'acer inoxidable i per a defectes connectats a la superfície a alta velocitat. Les proves hidrostàtiques apliquen pressió interna a un nivell calculat a partir de la paret i la tensió del cèrcol admissible, amb la fórmula estàndard que relaciona la pressió de prova amb el doble del gruix de la paret multiplicat per la tensió admissible dividida pel diàmetre exterior, mantinguda durant el període mínim que requereix la norma del producte, i cada tub es comprova si hi ha fuites.
Les proves mecàniques comproven que el tractament tèrmic ha produït les propietats especificades. Les proves de tracció estableixen el rendiment i la resistència a la tracció i l'allargament, les proves de duresa comprovan la resposta de temperat i el límit màxim de duresa per a un servei àcid, les proves d'aplanament i acampada tens el tub deliberadament per revelar una ductilitat pobra, i les proves d'impacte Charpy del cos estableixen la duresa de la qual depèn un disseny basat en baixa temperatura o tenacitat. Totes aquestes proves es realitzen segons els mètodes de l'ASTM A370, i els resultats es registren amb el número de calor del certificat del molí, amb un certificat EN 10204 3.1 emès pel fabricant o un certificat 3.2 visat per un inspector independent.
Defectes típics, les seves causes i la seva detecció
| Defecte | Causa habitual en el procés | Mètode de detecció |
|---|---|---|
| Excentricitat de la paret | Endoll fora del centre, temperatura desigual de palanques, rotlles desgastats | Mesura de la paret en quatre o més punts, mapeig ultrasònic de la paret |
| Crostes i voltes internes | Desgast dels taps, enrotllat a escala, reducció excessiva | Inspecció visual del forat, examen ultrasònic |
| Costures longitudinals | Esquerdes de la superfície de la billetta allargades durant la perforació i el rodatge | Inspecció visual, partícula magnètica, examen ultrasònic |
| Laminació | Porositat subterrània o cúmuls d'inclusió a la palangana | Examen ultrasònic de cos sencer |
| Descarburació | Atmosfera del forn o temps excessiu a temperatura | Examen metal·logràfic, estudi de duresa |
| Duresa o resistència insatisfactòria | Temperatura de temperat fora de la finestra, temps de retenció insuficient | Assajos de tracció i duresa, revisió del registre del forn |
| S'acaba fora de la tolerància | Desgast de l'eina de tall i bisell | Aforament dimensional als extrems |
La lectura del patró de defecte és útil per rebre la inspecció. Un cúmul de crostes internes suggereix un tap gastat i un molí que no controla les seves eines, mentre que les laminacions disperses suggereixen una qualitat de palanquilla. L'excentricitat de la paret concentrada en una posició angular és un problema d'alineació de rotlles o taps, no una variació aleatòria, i justifica una comprovació més estricta de la paret a tot el lot en lloc d'una sola prova.
Què significa el procés per al comprador
El procés explica tres fets comercials que sovint es confonen amb el comportament del proveïdor. En primer lloc, el tub sense costures té una tolerància de paret realment més àmplia que el tub soldat, perquè l'excentricitat s'origina en l'operació de perforació i no es pot desplegar completament; ordenar amb un mínim de paret és la resposta correcta. En segon lloc, la ruta sense costures té un límit de longitud real, imposat pel mandril i la disposició del molí, de manera que les longituds individuals molt llargues requereixen un procés diferent. En tercer lloc, la prima de preu sobre el tub soldat reflecteix una menor productivitat i una major pèrdua de collita en lloc d'un marge arbitrari, i s'estreny als diàmetres petits i s'eixampla en els grans.
Per al servei crític, l'especificació hauria d'anar més enllà del grau i la dimensió en els detalls del procés: la condició del tractament tèrmic amb el seu rang de temperatura, l'estàndard d'examen i el nivell d'acceptació, la base de la paret, el límit de duresa si el servei és agre i el tipus de certificat. Aquestes clàusules són les que permeten una inspecció de recepció per confirmar que el tub del magatzem és el tub que es va demanar.
Preguntes freqüents
P: A quina temperatura es perfora la palanca?
Normalment entre 1150 i 1280 graus centígrads, amb la finestra exacta establerta pel contingut de carboni i aliatge del grau. L'interval ha de ser prou calent perquè l'acer flueixi per sobre de l'endoll sense esquerdar-se, però no tan calent que es produeixi una crema del límit del gra o una escala excessiva, i la temperatura es mesura peça per peça abans que la palangana entri al perforador.
P: Per què la canonada sense costures té una tolerància de paret més àmplia que la canonada soldada?
Com que la paret està formada per perforació i qualsevol tap fora del centre, la temperatura desigual de la pala o el desgast asimètric del rotllo produeixen un costat prim i un costat gruixut que després de rodar no es pot eliminar completament. La canonada soldada pren la seva paret d'una bobina enrotllada amb corona controlada, de manera que la seva variació circumferencial és naturalment menor.
P: Quin tractament tèrmic s'aplica al tub de la caldera de crom molibdè?
Un cicle complet de normalització i temperat. Els graus com ASTM A335 P11 i P22 es normalitzen i després es temperen en la regió de 650 a 700 graus centígrads, mentre que el grau P91 requereix austenitització al voltant de 1040 a 1080 graus centígrads seguit d'un temperat a un mínim de 730 graus centígrads per assolir la seva resistència i duresa especificada.
P: Com es determina la pressió de prova hidrostàtica?
A partir de la relació de tensió del cèrcol, on la pressió de prova és igual al doble de la tensió admissible multiplicada per el gruix de la paret dividit pel diàmetre exterior, utilitzant els valors i el temps de retenció establerts per la norma del producte. La prova s'aplica a cada tub i cada tub es comprova si hi ha fuites, i la pressió i la durada s'anoten al certificat.
P: Quina diferència hi ha entre el tub sense costures laminat en calent i estirat en fred?
El tub laminat en calent surt de la ruta de perforació i laminació amb la tolerància estàndard del molí i l'acabat de la superfície. El tub estirat en fred o pelgerat en fred es redueix encara més a temperatura ambient sobre un mandril amb recuit intermedi, que ofereix una tolerància dimensional més estreta, una millor concentricitat i una superfície més llisa, a un cost més elevat per metre i en mides més petites.
P: Quins estàndards regeixen l'examen del tub acabat?
ASTM E213 per a l'examen ultrasònic del cos, ASTM E309 per a material austenític, ASTM E426 per a l'examen electromagnètic de tubs inoxidables i ASTM A370 per a les proves mecàniques. Les normes de producte com API 5L, ASTM A106 i ASTM A213 defineixen quins d'aquests exàmens són obligatoris i quins límits d'acceptació s'apliquen.
