Masalah Stres dalam Produksi Pipa Baja

Penyebab utama tegangan internal pada pipa baja adalahperubahan suhu yang tidak merata, deformasi plastis yang tidak merata, Dantransisi fase asinkron dalam struktur.Fenomena tegangan ini terjadi pada tahap awal, tengah, dan akhir proses produksi dan dapat diklasifikasikan menjadi tegangan transien (yang hilang setelah proses selesai) dan tegangan sisa (yang tetap ada pada produk jadi dan merupakan faktor inti yang mempengaruhi kualitas). Terdapat perbedaan yang signifikan dalam tahapan pembangkitan tegangan untuk berbagai jalur produksi (seperti pipa baja seamless dan pipa baja las). Rincian spesifiknya adalah sebagai berikut:

Pada tahap ini, tegangan yang terjadi sebagian besar berupa tegangan termal, sebagian besar tegangan transien. Beberapa tegangan sisa awal akan dibawa ke langkah pemrosesan selanjutnya bersama dengan bahan mentah.

• Tegangan sisa awal billet pipa: Selama proses pendinginan dan pelurusan billet pipa pengecoran kontinyu dan billet pipa canai, internalstres memilikisudah dipertahankan. Ini termasuk dalam tekanan pra-pemrosesan yang dibawa oleh bahan mentah dan akan ditumpangkan pada tekanan pemrosesan berikutnya.
• Stres termal selama proses pemanasan:Ketika billet pipa dipanaskan, lapisan permukaan memuai terlebih dahulu karena panas, sedangkan lapisan inti memiliki suhu yang lebih rendah dan jumlah muai yang lebih kecil. Lapisan permukaan dikompresi dan lapisan inti diregangkan. Jika kecepatan pemanasan terlalu cepat atau suhu di dalam tungku tidak merata, tegangan termal akan meningkat tajam, dan dalam kasus yang ekstrim dapat menyebabkan retak pada permukaan billet pipa. Setelah pemanasan seragam, tekanan termal sesaat akan berkurang secara signifikan.

Ini adalah tahap paling kritis untuk timbulnya stres. Deformasi plastis yang besar dan siklus termal lokal menghasilkan tegangan deformasi dan tegangan termal dalam jumlah besar, yang merupakan sumber utama tegangan sisa pada produk jadi.

• Proses inti pipa baja mulus

1. Proses penindikan: Selama penindikan rol miring, billet tabung mengalami deformasi plastis tiga-dimensi yang tidak-seragam akibat aksi gulungan dan kepala pelubang. Terdapat perbedaan yang signifikan dalam jumlah deformasi pada ketebalan dinding dan permukaan bagian dalam dan luar, yang mengakibatkan tegangan deformasi yang signifikan; pendinginan yang tidak merata setelah penindikan akan menambah tegangan termal, yang bersama-sama membentuk tegangan sisa awal tabung.
2. Tabung bergulir / Proses pengurangan diameter tetap:Selama penggulungan terus menerus dan penggulungan tabung otomatis, ketebalan dinding berkurang dan terjadi perpanjangan aksial. Deformasi tidak merata sepanjang ketebalan dinding; dalam proses diameter tetap dan diameter reduksi, terjadi deformasi kompresi melingkar, dan perbedaan deformasi antara permukaan dalam dan luar semakin diperkuat, yang merupakan sumber utama tegangan sisa aksial dan melingkar pada pipa mulus canai panas-.

• Proses inti pipa baja yang dilas

1. Proses pembentukan:Baja strip dibengkokkan beberapa kali dengan roller untuk membentuk pipa kosong. Deformasi lentur menyebabkan lapisan luar pelat baja mengalami tarik dan lapisan dalam mengalami tekan. Setelah deformasi plastis dingin, sisa tegangan sisa lentur tetap ada. Ini termasuk dalam tegangan pemrosesan pembentuk.
2. Proses pengelasan:Lapisan las dan zona yang terkena panas dengan cepat dipanaskan dan didinginkan secara lokal. Ekspansi termal pada area pemanasan dibatasi oleh logam dingin di sekitarnya, sehingga mengakibatkan deformasi plastis tekan; selama pendinginan, kontraksi dibatasi oleh logam dasar di sekitarnya, dan akhirnya tegangan tarik sisa yang sangat tinggi terbentuk di area lapisan las. Logam dasar di kedua sisi berada di bawah tekanan tekan untuk menjaga keseimbangan, yang merupakan sumber tegangan paling inti pada pipa yang dilas. Semakin besar energi jalur las dan semakin cepat kecepatan pendinginan, maka semakin tinggi pula tingkat tegangan sisa.

Tahap ini mungkin menimbulkan tegangan sisa yang baru, atau tegangan tersebut dapat dihilangkan melalui proses tertentu pada tahap sebelumnya.

• Proses pendinginan: Saat pipa baja canai panas-dan dilas menjadi dingin, permukaannya mendingin lebih cepat sedangkan inti mendingin lebih lambat. Permukaan mula-mula berkontraksi dan mengalami tegangan, sedangkan inti kemudian berkontraksi dan mengalami kompresi, sehingga menimbulkan tegangan termal sisa; semakin cepat laju pendinginan dan semakin tidak merata pendinginan, semakin besar tegangan termal sisa.
• Proses pelurusan:Pelurusan dingin mengoreksi kelengkungan pipa melalui pembengkokan terbalik dan deformasi plastis yang berulang-ulang, tetapi deformasi yang tidak merata akan menimbulkan tegangan sisa lentur yang baru. Biasanya, lapisan permukaan pipa menahan tegangan tekan, dan lapisan bawah-permukaan menahan tegangan tarik; pelurusan panas (menggunakan sisa panas dari penggulungan untuk meluruskan) menimbulkan tekanan yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan pelurusan dingin.
• Tahapan pemrosesan dingin (cold drawing/cold rolling tube): Di bawah deformasi plastis yang besar pada suhu kamar, pengerasan proses yang sangat kuat dan tegangan sisa akan dihasilkan, yang merupakan sumber utama tegangan sisa mutlak untuk pipa baja canai dingin-ditarik/dingin-dan tingkat tegangannya jauh lebih tinggi dibandingkan pipa baja canai panas-.
• Pemotongan dan pemrosesan ujung pipa: Proses penggergajian, penguliran, dan alur akan menyebabkan deformasi plastis lokal, yang mengakibatkan konsentrasi tegangan lokal di ujung pipa.
• Proses perlakuan panas: Bila proses tersebut dilakukan dengan baik, stres dapat dihilangkan; jika pemanasan tidak merata atau pendinginan terlalu cepat (seperti pendinginan), tegangan termal baru dan tegangan mikrostruktur akan timbul, dan dalam kasus yang parah, pipa baja akan retak.

Stres sesaat selama proses hanya mempengaruhi stabilitas proses. Stres sisa adalah faktor inti yang menentukan kualitas dan kinerja layanan produk jadi, dan ini memiliki dua efek: dampak negatif dan efek positif yang dapat dikendalikan.

• Ketidakstabilan dimensi dan bentuk:Stres yang tersisa adalah kekuatan-penyeimbang internal. Ketika langkah pemrosesan selanjutnya seperti pemotongan, penguliran, pembengkokan, dll. mengganggu keseimbangan tegangan, pelepasan tegangan akan menyebabkan pipa baja menekuk, melebihi batas eliptisitas, diameter melebar atau menyusut, dan mempengaruhi keakuratan dimensi; pelepasan tegangan yang lambat selama-penyimpanan jangka panjang juga dapat menyebabkan kegagalan deformasi.
• Mengurangi kinerja-bantalan tekanan dan kelelahan: Tegangan tarik sisa akan ditumpangkan dengan tegangan kerja yang dihasilkan oleh tekanan kerja dan beban bolak-balik, menyebabkan pipa baja menahan gaya yang lebih besar daripada nilai desain, sehingga mengurangi kapasitas-dukungan tekanannya; di bawah beban bolak-balik seperti fluktuasi dan getaran tekanan fluida, tegangan tarik sisa akan mempercepat timbulnya retakan dan secara signifikan mengurangi umur kelelahan, dan dalam kasus yang parah, menyebabkan pecah atau patahnya pipa.
• Menginduksi retak korosi tegangan: Pada media korosif yang mengandung belerang, ion klorida, dll. (seperti transportasi minyak dan gas, pipa kimia), tegangan tarik sisa akan berinteraksi dengan korosi, menyebabkan stress Corrosion Cracking (SCC), yang merupakan salah satu bentuk kegagalan inti pipa transportasi minyak dan gas serta pipa pemurnian dan kimia.
• Penurunan kinerja pemrosesan selanjutnya: Untuk pipa baja dengan tegangan sisa yang besar, selama tahap pemrosesan sekunder seperti pembengkokan, perluasan, dan kontraksi, pipa tersebut rentan terhadap retak dan pantulan berlebihan, yang mengakibatkan penurunan tingkat kualifikasi pemrosesan secara signifikan.

Tidak semua tegangan sisa merugikan: Tegangan tekan sisa permukaan dapat melawan beberapa beban tarik eksternal, sehingga meningkatkan kekuatan lelah dan ketahanan korosi tegangan pada pipa baja. Dalam industri, tegangan tekan permukaan yang terkendali diterapkan secara aktif melalui proses seperti shot peening dan pengujian hidrostatis untuk mengoptimalkan kinerja servis pipa baja.

Mengenai stres, dibagi menjadi dua jenis pendekatan: "Menghilangkan/mengendalikan sisa stres yang telah ditimbulkan" dan "Mengurangi timbulnya stres pada sumbernya".

• Metode perlakuan panas (inti terbanyak, laju eliminasi tertinggi)

​​​​​​​

Metode yang paling umum digunakan adalah anil pelepas stres: panaskan pipa baja di bawah suhu rekristalisasi (untuk baja karbon, umumnya 550-650 derajat , untuk baja paduan, sesuaikan dengan bahannya), tahan beberapa saat, lalu dinginkan secara perlahan. Melalui aliran plastik mikro dan difusi atom, tekanan internal dilepaskan, dengan tingkat eliminasi 70% hingga 90%, namun tidak mengurangi kekuatan material secara signifikan. Ini adalah proses standar untuk pipa-yang ditarik dingin, pipa las, dan pipa boiler bertekanan tinggi.

Proses normalisasi + temper menghilangkan tegangan sisa secara bersamaan sekaligus menyesuaikan struktur dan mengoptimalkan sifat mekanik, sebagian besar digunakan untuk perlakuan panas akhir pada pipa baja mulus.

• Metode regulasi mekanis

1. Tes hidrostatik: menerapkan tekanan air berlebih untuk menyebabkan deformasi plastik mikro pada dinding pipa, melepaskan tegangan sisa dan mendistribusikan kembali tegangan, membentuk tegangan tekan yang menguntungkan pada lapisan permukaan, memiliki fungsi ganda yaitu pemeriksaan kualitas dan pengaturan tegangan, dan merupakan proses yang diperlukan untuk pipa baja yang menahan tekanan.
2. Perawatan shot blasting/peening: proyektil berkecepatan tinggi-berbenturan pada permukaan pipa baja, menyebabkan deformasi plastis pada lapisan permukaan, menimbulkan tegangan tekan sisa permukaan yang dapat dikontrol, menangkal tegangan tarik berbahaya, dan sekaligus meningkatkan kekuatan lelah dan ketahanan terhadap korosi. Biasanya digunakan untuk pra-perawatan sebelum anti-korosi.
3. Penuaan getaran: menggunakan resonansi untuk membuat cacat mikroskopis pada pipa baja tergelincir, melepaskan tegangan sisa, cocok untuk pipa baja-berdiameter besar dan-berukuran besar, dengan konsumsi energi rendah dan siklus pendek, namun laju eliminasi tegangan lebih rendah dibandingkan perlakuan panas.

• Penuaan alami: simpan di luar ruangan agar stres dilepaskan secara perlahan dan alami, dengan siklus panjang dan efek terbatas, hanya digunakan sebagai metode tambahan.

• Optimalkan teknik pemrosesan panas: Mengontrol kecepatan pemanasan billet tabung untuk memastikan suhu tungku seragam; mengadopsi pendinginan terkontrol setelah pengerolan panas untuk menghindari pendinginan yang cepat dan pendinginan yang tidak merata, sehingga mengurangi tekanan termal.
• Mengoptimalkan teknik deformasi plastis: Meningkatkan desain penusukan, penggulungan tabung, dan konfigurasi cetakan reduksi konstan untuk memastikan deformasi seragam sepanjang ketebalan dinding dan arah panjang; mendistribusikan jumlah deformasi secara wajar di setiap lintasan untuk menghindari deformasi berlebihan dalam satu lintasan.
• Optimalisasi proses pengelasan (pipa las): Mengontrol masukan panas pengelasan, menerapkan proses pemanasan awal dan pasca pemanasan untuk mengurangi laju pendinginan, dan meminimalkan gradien suhu pada lapisan las; gunakan pengelasan simetris dan pengelasan multi-lini untuk mengatasi beberapa deformasi dan tekanan.
• Optimalisasi teknik pemrosesan dingin: Mendistribusikan jumlah deformasi dalam penarikan dingin/penggulungan dingin secara wajar, menjadwalkan anil antara untuk menghilangkan pengerasan kerja dan tekanan selama pemrosesan, dan kemudian melanjutkan dengan pemrosesan dingin berikutnya.
• Optimalisasi proses pelurusan: Prioritaskan penggunaan pelurusan panas daripada pelurusan dingin, optimalkan jumlah pengurangan pelurusan dan pola gulungan, kurangi tekanan yang ditimbulkan oleh pelurusan; gunakan penggergajian presisi daripada pemotongan untuk mengurangi konsentrasi tegangan pada ujung pipa.