Надійність безшовних труб з нержавіючої сталі залежить від подій, що відбуваються протягом мілісекунд всередині зони деформації шириною в декілька міліметрів. Пірсинг і екструзія — два принципово різних стани напруги. Незалежно від того, який з них використовують для обробки заготовок, обидва регулюють потік металу, еволюцію зерна і, зрештою, термін служби готової трубки.
Фізика кожного методу
Пірсинг спирається на ефект Маннесмана. Скошені валки обертаються та подають розпечену заготовку над нерухомою заглушкою, змушуючи речовину центру розколюватися та витікати назовні. Тангенціальні сили валків створюють високі напруження зсуву (τ) вздовж гвинтових траєкторій. Водночас осьова сила (F) рухає заготовку вперед, створюючи комбінований стан кручення та розтягу. Компонент зсуву вкрай важливий: без нього серцевина не розкрилася б. Однак та сама напруга сприяє локалізованим градієнтам деформації, які можуть спровокувати ріст пустот або появу шаруватих включень у внутрішній стінці.
В екструзії замість зсуву використовується гідростатичне стискання. Контейнер обмежує заготовку, а прес-плашка проштовхує її через матрицю у формі конуса. Радіальні напруження майже дорівнюють осьовому тиску, створюючи тривісне поле стискання, яке пригнічує зародження пустот та руйнує наявну мікропористість. Межі зерен сплющуються та витягуються в напрямку потоку, утворюючи тонке, однорідне волокно, ідеальне для циклічного тиску або роботи за умов високих температур.
Структура зерен та кількість дефектів
При застосуванні пірсингу деформація зсуву видовжує зерна по спіралі та сприяє динамічній рекристалізації лише в областях з найвищою деформацією. Перехід від високого зсуву на внутрішньому діаметрі до нижчого зсуву поблизу зовнішнього діаметра створює градієнт розміру зерна, а в аустено-феритних сплавах – градієнт фазового балансу. В місцях з вмістом включень зсув сприяє витягуванню їх у прожилки, паралельні напрямку прокатки. Це не шкодить деяким маркам трубопроводів, але може стати критичною проблемою при синтезі сечовини або роботі з воднем, де енергія інкубації тріщин низька.
Екструзія сприяє однорідному очищенню зерна по всій товщині стінки. Оскільки заготівельне ядро зазвичай попередньо заточене, включення та сегрегація центральної лінії ніколи не потрапляють у зону деформації. Результатом є концентрична текстура з мінімальною дисперсією орієнтації, що призводить до ізотропної поведінки текучості та щільніших залишкових напружень після випрямлення або U-подібного вигину.
Еволюція поверхні та залишкові напруження
Під час пірсингу тертя між валками, заготовкою та пробкою створює додатковий зсув як на внутрішньому, так і на зовнішньому діаметрах. Якщо змащення недостатнє або в печі залишається окалина, в цих зонах утворюються мікрозаглиблення, які стають концентраторами напружень. Залишковий кільцевий натяг часто зберігається на внутрішньому діаметрі, що є побічним продуктом нерівномірного зняття зсуву під час калібрування. Такий натяг необхідно усунути за допомогою відпалу на розчин або постформовальної термічної обробки; в іншому випадку в хлоридних середовищах різко падають пороги розтріскування.
У екструзії мастильні матеріали на основі скла відокремлюють метал від оснащення і діють як кисневі бар’єри. Режим стиснення залишає збалансоване або злегка стискаюче напруження обруча на обох поверхнях, корисно для стійкості до початку втоми. Шорсткість поверхні після засолювання зазвичай залишається нижчою Ra 0,8 мкм без додаткового відточування. Перевагою є випадки, коли жорсткі специфікації Ra або чистої конструкції диктують мінімальну нижню обробку.
Цілісність під експлуатаційними навантаженнями
Дослідження скінченних елементів показують, що включення обертаються в площині зсуву під час пірсингу до п’яти разів більше локального головного напруження тих, що стискаються під час екструзії. Під дією внутрішнього тиску ці стрингери поводяться як короткі тріщини зі зсувними краями II режиму, прискорюючи зростання втоми. І навпаки, дрібнозерниста структура екструдованої труби з низьким вмістом включень демонструє повільніше зміщення вершини тріщини та вищі порогові коефіцієнти інтенсивності напружень, що збільшує інтервали перевірки в теплообмінниках або перегрівачах.
Висновок
Пірсинг та екструзія – це більше, ніж просто академічні поняття: вони є невидимими архітекторами продуктивності труб. Розуміння того, як кожен метод формує потік зерна, герметизує або відкриває порожнини та створює залишкові напруження, надає змогу конструкторам і металургам вибрати правильний шлях формування для кожної критичної котушки, колони або лінії подачі. Роблячи це, вони перетворюють металургійні знання на безпечніше виробництво, подовжують час безвідмовної роботи та знижують витрати протягом життєвого циклу. Це доказ того, що хороші труби починаються з вибору правильного методу.
