Fortschritte beim Inline-Nahtglühen für kleine

Bei der Normalisierung von Rohren mit kleinem Durchmesser ist oft eine Wärmebehandlung des gesamten Querschnitts erforderlich, bei einer bestimmten Anwendung ist dies jedoch besonders verschwenderisch. In diesem Fall ist die Röhre fast sieben Meilen lang, daher wird bei der Konstruktion jedes einzelnen Ausrüstungsteils in der Normalisierungslinie große Sorgfalt darauf verwendet, sicherzustellen, dass kein Ausschuss entsteht. Bilder zur Verfügung gestellt

In unzähligen Anwendungen kommen Metallrohre zum Einsatz, doch die Wiederverwendung von Rohren ist keine gängige Praxis. Nach dem Anbringen, Befestigen, Befestigen oder Installieren ist die Sache meist erledigt. Eine zunehmende Praxis für einige Bohrlochanwendungen in der Ölindustrie ist jedoch die Verwendung und Wiederverwendung von gewickelten Stahlrohren mit kleinem Durchmesser.

Die Zwecke sind nichts Neues. Bohrlochbetreiber führen häufig visuelle Inspektionen durch und lassen ein mit einer Kamera ausgestattetes Rohrstück in das Bohrloch des Bohrlochs fallen. Außerdem verwenden sie Rohrlängen, um Werkzeuge in Bohrlöcher einzuführen, um verschiedene Wartungsaufgaben durchzuführen, Stickstoff oder Behandlungschemikalien einzuspritzen, um den Durchfluss zu fördern, und Ventile zu öffnen oder zu schließen, um Abschnitte des Bohrlochs zu verbinden oder zu isolieren. Schläuche werden auch für Reinigungsarbeiten und zum Verlegen von Elektrokabeln zu Maschinen wie Tauchpumpen verwendet.

Konventionelle Vorgänge umfassen eine Reihe von Rohrlängen von bis zu 48 Fuß, die mit Kupplungen verbunden sind. Es versteht sich von selbst, dass dies sowohl beim Einführen als auch beim Zurückziehen umständlich und arbeitsintensiv ist. Viel schneller geht es, wenn man extrem lange Spiralrohre verwendet.

Die Herstellung eines langen Rohrs und dessen Glühen, damit es wiederholtem Auf- und Abwickeln standhält, ist im Prinzip unkompliziert. Wie bei den meisten Arbeiten an Rohren oder Leitungen ist jedoch auch bei solchen Arbeiten große Sorgfalt erforderlich. Heutzutage kann ein Rohrwendelstück für Bohrlocharbeiten eine Länge von fast sieben Meilen erreichen. Niemand möchte eine Meile (oder sechs) Rohre auf den Schrottplatz werfen, weil etwas schief gelaufen ist.

Rollen Sie es ab und verwenden Sie es. Rollen Sie es auf und bewegen Sie es zum nächsten Brunnen. Rollen Sie es ab und verwenden Sie es. Das kann nicht ewig dauern. Jedes Mal, wenn Stahl seine Form ändert, wird er einer Belastung ausgesetzt. In diesem Fall kann das Metall nur so viele Auf- und Abwickelzyklen durchlaufen, bis es zu stark ermüdet ist, um weiteren Verformungen standzuhalten. irgendwann kommt es zu Spaltungen. Die Herstellung dieser Röhre ist eine teure Angelegenheit; Um die längste Lebensdauer zu erreichen, ist es eine Frage der richtigen Wärmebehandlung, des Glühens oder des Normalisierens.

Jedes Blech, jede Platte, jeder Stab oder jeder Barren aus Metall sieht aus wie eine homogene, kontinuierliche Masse. Allerdings ist es nicht so einfach. Beim Erhitzen von Stahl nehmen die Eisenatome eine bestimmte Struktur an. Wenn die Verarbeitungstemperatur weniger als 1.674 Grad F beträgt, nimmt es eine kubisch-raumzentrierte Struktur an. Stellen Sie sich die acht Ecken eines Würfels vor – acht gleichmäßig verteilte Eisenatome – mit einem weiteren Punkt in der Mitte, und Sie können sich diese Struktur vorstellen. Bei höheren Verarbeitungstemperaturen erfolgt je nach Kohlenstoffanteil eine Umwandlung in eine kubisch-flächenzentrierte Struktur mit 14 Eisenatomen.

Abhängig von der Temperatur bildet sich überall im Stahl eine dieser beiden Mikrostrukturen aus, eine kubische Form nach der anderen, die ein Gitter bildet. Ein riesiges Gitter bildet ein Stahlkorn. Da das Metall auf einer kritischen Temperatur bleibt, wachsen die Körner, bis sie mit anderen Körnern in Kontakt kommen, wodurch sich Korngrenzen bilden.

Das Kornwachstum wird durch schnelles Abkühlen des Stahls gestoppt. Wenn man es eher früher als später abkühlt, entstehen relativ kleine Körner, die mit Härte und Festigkeit verbunden sind; Der Nachteil ist, dass Härte gleichbedeutend mit Sprödigkeit ist. Durch späteres Abkühlen können die Körner größer werden, was zu einem weicheren Material führt, das sich leichter formen lässt als ein feinkörniges Material.

Beim Stahlherstellungsprozess geht es also darum, die Verarbeitungstemperatur und die Verweildauer bei dieser Temperatur zu kontrollieren und dann schnell abzukühlen. . Diese Schritte bestimmen zusammen mit der Zugabe von etwas Kohlenstoff im geschmolzenen Zustand – normalerweise weniger als 2 Gew.-% – und einigen anderen Elementen die Eigenschaften des Stahls.

Abbildung 1. Eine Wärmeeinflusszone durch Hochfrequenzinduktion sieht typischerweise wie eine Sanduhr aus. Dies resultiert aus der Wärme, die am Außendurchmesser durch die Induktionsspule und am Innendurchmesser durch den Impeder erzeugt wird.

Immer mehr Hitze. Wenn ein langer, schmaler Streifen dieses Materials einer Rohrmühle zugeführt wird, beginnt der Prozess dort, wo die beiden Kanten zusammentreffen, von vorne, um die Schweißnaht herzustellen. Die Schweißwärme wird durch eine Induktionsspule, die den Außendurchmesser umgibt, und ein Hindernis, das den Stromfluss auf den Innendurchmesser lenkt, in den Stahl eingeleitet. Das Metall entlang der beiden Kanten wird glühend heiß und erreicht fast wieder den Zustand, in dem es sich im Stahlwerk befand. Anschließend wird das Rohr mit Kühlmittel übergossen, um die schnelle Abkühlung zu erreichen, die für profitable Produktionsraten erforderlich ist.

Im größten Teil des Rohrprofils bleibt die Mikrostruktur unverändert. Die Schweißwärme verteilt sich nicht auf den Rest des Metalls (das Grundmaterial), sodass es nicht heiß genug wird, um sich nennenswert zu verändern. Die Schweißwärme konzentriert sich entlang der Schweißnaht und im unmittelbar angrenzenden Bereich, wo sie glühend heiß wird und schnell abkühlt. In der Wärmeeinflusszone (HAZ), dem Bereich nahe der Schweißnaht, hatten die Körner wenig Zeit zum Wachsen, sodass das Material eine feine Kornstruktur aufweist. Das Material in der HAZ ist spröder als das Material an anderen Stellen am Umfang. Deshalb versucht jeder, der Rohre und Rohre biegt, die Schweißnaht immer auf die neutrale Achse der Biegung auszurichten.

Bei einem Rohr, das wiederholt auf- und abgewickelt (gebogen und gerichtet) werden soll, entstehen Brüche, die zwischen Körnern entlang der Korngrenzen auftreten, in der WEZ, lange bevor sie im Grundmaterial entstehen.

Das erneute Erhitzen des Materials und das langsame Abkühlen, wie es im Stahlwerk abgekühlt wurde, ist der Schlüssel, um von vorne zu beginnen und den Körnern das Wachstum zu ermöglichen, bis sie wieder ihre normale Größe erreichen. Die Verringerung des Ausmaßes des Korngrößenunterschieds oder dessen vollständige Beseitigung ist ein Glühprozess, der allgemein als Normalisieren bezeichnet wird.

Das Hitzeprofil verstehen. Es ist zu beachten, dass es sich bei dem Erwärmungsprozess zum Schweißen und dem Erwärmungsprozess beim Normalisieren um grundsätzlich unterschiedliche Prozesse handelt. Obwohl beide auf Induktion basieren, wird beim Schweißen Wärme über die Induktionsspule (am Außendurchmesser) und mithilfe des Impeders (am Innendurchmesser) aufgebracht. Beim Normalisieren wird nur ein Induktor verwendet. Aufgrund dieses Unterschieds ist das Wärmeprofil unterschiedlich. Beim Schweißen nimmt der erhitzte Bereich im Querschnitt die Form einer Sanduhr an; Durch die Normalisierung entsteht ein Wärmeprofil in Form eines Buchstabens U.

Bei großen Rohrdurchmessern ist es üblich, das Material durch Nahtglühen nur in und in der Nähe der WEZ zu erhitzen. Die Verwendung von Induktionserwärmung – dem gleichen Prozess, der in den meisten Schweißwerken zum Schweißen verwendet wird – ist nicht schwierig, um die Wärme entlang der Schweißnaht zu fokussieren. Nach der richtigen Positionierung und Ausrichtung der Induktoren geht es darum, die Wärme an die Liniengeschwindigkeit anzupassen, um die erforderliche Glühmenge durchzuführen, um das Material in der HAZ zu erweichen und zu normalisieren.

Bei kleinen Durchmessern ist es üblich, den gesamten Umfang zu glühen. Dadurch wird ein erheblicher Teil der Energie verschwendet, wenn der Zielbereich, der normalisiert werden muss, nur die WEZ der Schweißnaht ist, aber bei kleinen Durchmessern ist es schwierig, ihn zu umgehen. Allerdings ist der traditionelle Weg nicht der einzige; Vor einigen Jahren haben Untersuchungen und eine Feldimplementierung gezeigt, dass es möglich ist, nur die HAZ bei Rohren mit einem Durchmesser von weniger als 2 Zoll zu normalisieren.

Die effiziente und effektive Durchführung hängt von drei Hauptfaktoren ab: dem Abstand zwischen den Induktoren und der Rohroberfläche, der Ausrichtung der Schweißnaht und der Induktoren sowie der Verfolgung der Schweißnaht, um die Ausrichtung beizubehalten.

Den richtigen Kopplungsabstand einhalten.Beim effizienten Einsatz der Induktionserwärmung kommt es darauf an, die Induktionsspulen so nah wie möglich an der Oberfläche zu halten, und der Abstand beträgt bei dieser Anwendung idealerweise nicht mehr als 0,200 oder 0,300 Zoll. Wenn der Abstand größer als 0,300 Zoll ist, verringert sich der Wirkungsgrad fällt exponentiell ab.

Abbildung 2. Da die Normalisierung nicht auf den Innendurchmesser zugreifen kann, befindet sich die einzige Wärmequelle am Außendurchmesser und das normalisierende Wärmeprofil hat die Form eines Buchstabens U.

Das Problem bei der Einhaltung eines minimalen Abstands besteht darin, dass eine Änderung oder Störung an der Mühle den Abstand verringern kann, was zu einem Kurzschluss an der Stelle führen kann, an der das Rohr mit dem Induktor in Kontakt kommt. Angesichts der Menge an elektrischer Energie in dieser Anwendung stellt ein Kurzschluss eine potenzielle Katastrophe für die Leitungen und die Induktionsspule dar. Keramik-Abstandsräder können helfen, Kontakt zu verhindern. Da es sich bei den Rädern jedoch nur um einzelne Kontaktpunkte handelt, die über die gesamte Länge der Induktionsspule verteilt sind, ist die Aufrechterhaltung des richtigen Abstands bei kleineren Durchmessern immer noch eine Herausforderung.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Induktionsprozess magnetische Flusslinien erzeugt, die vertikale Kräfte erzeugen, die Lorentzkräfte genannt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass magnetische Hebekräfte fast 90 Pfund ausüben können. der nach oben gerichteten Kraft auf überwiegend 2,0-Zoll-Durchmesser. und kleinere Röhren. Dies beeinträchtigt die Maßhaltigkeit des Rohrs, führt zu einer Verformung des Rohrs und erhöht die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen der Induktionsspule und dem Rohr.

Nahtbreite. Typischerweise wird ein einzelner Induktor einer bestimmten Breite für verschiedene Rohrgrößen verwendet. Um Induktionsspulen zu entwerfen, die möglichst effizient arbeiten, ist es notwendig, die Breite der Schweißzone zu kennen. Sie müssen einen ausreichenden Teil des Rohrumfangs abdecken, um die gesamte Breite der WEZ an den Innendurchmesser des Rohrs anzupassen. Wenn jedoch eine zu große Überlappung zwischen der Schweißzone und der Induktorbreite besteht, steigt die Verschwendung elektrischer Energie. Darüber hinaus führt eine übermäßige Überlappung bei kleineren Durchmessern dazu, dass der Rohrumfang mit Wärme gesättigt wird, was die Elastizität des Stahls erhöht und ihn anfälliger für Verformungen macht.

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) kann die Breite der WEZ im Glühprozess bestimmen, aber dieses Werkzeug ist zu umfangreich, um es für jedes Projekt zu verwenden. Darüber hinaus ist die Entwicklung einer FEA ein zeitaufwändiger und teurer Prozess. Eine etwas ungenauere, aber viel schnellere Methode besteht darin, eine Rohrprobe im geschweißten Zustand zu schneiden und zu ätzen, um die tatsächliche Breite der WEZ zu bestimmen. Anschließend kann ein Wärmeverteilungsprofildiagramm des Normalisierungsprozesses erstellt werden, das die Vorhersage der Nahtglüh-WAZ ermöglicht.

Nahtverfolgung. Ein drittes Element der Induktionseffizienz ist die Beibehaltung der Position der Induktoren relativ zur Naht. Im Idealfall sind die Schweißnaht und die Induktoren perfekt ausgerichtet und auf der 12-Uhr-Position zentriert. Allerdings neigt die Naht dazu, nach links und rechts zu wandern, während sich das Rohr durch die Mühle bewegt. In den meisten Fällen weicht die Naht um weniger als +/- 7,5 Grad ab, so dass ein Orbitalspulenpositionierer, der sich insgesamt um 15 Grad bewegt, die typische Abweichung abdeckt.

Um sehr große Rohrlängen effizient herzustellen, ist ein erheblicher technischer Aufwand erforderlich.

Erstens haben diese Rohre keine einheitliche Wandstärke. Der erste Abschnitt unten im Loch hat die hellste Wand; Nachfolgende Abschnitte haben schwerere Wände, um mehr Festigkeit für das zunehmende Gewicht zu bieten.

Zweitens könnte das Verfahren zwar ein Ganzkörperglühen erfordern, dies ist jedoch zu verschwenderisch. Bei einigen gängigen Rohranwendungen – beispielsweise einigen hundert Längen von jeweils 20 Fuß – wäre eine Ganzkörperglühung sinnvoll, da die Einrichtung eines maßgeschneiderten Inline-Normalisierungssystems mit einem Nahtverfolger und einer Orbitaleinheit ein ingenieurtechnischer Aufwand ist - und bestenfalls ein zeitintensives Unterfangen. Bei einem kleinen Auftrag ist es unwahrscheinlich, dass die Kapitalrendite erzielt wird. Für ein Programm, das die Herstellung von Hunderten oder Tausenden kilometerlangen flexiblen Stahlleitungen umfasst, verschwendet das Ganzkörperglühen jedoch viel zu viel Energie, und eine kundenspezifische Glühlinie kann gerechtfertigt sein.

Drittens: Bei der Entwicklung eines Normalisierungssystems, das mehrere Durchmesser und Wandstärken glüht, erhalten die kleinsten Größen eine stärkere Wärmesättigung am Umfang, wodurch die Plastizität des Metalls erhöht wird. Die Lorentzkräfte kommen ins Spiel und können zu gewissen Verzerrungen führen.

Abbildung 3. Wie in diesem Diagramm erläutert, bezieht sich die Winkelverschiebung auf die Wärmeverteilung einer Glühlinie und die daraus resultierende Wärmeeinflusszone. Die Mitte des Diagramms bei 0 Grad stellt die Schweißnahtmitte dar, also die Mitte der Glühspulenplatzierung. Bei diesem Durchmesser beträgt die Wärmeverteilung etwa +/- 60 Grad von der Mitte.

Diesen Kräften kann durch den Einsatz einer größeren Anzahl kleinerer Induktoren entgegengewirkt werden. In einem richtig konzipierten System, das dieses Prinzip verwendet, ist die Gesamtwärmemenge, die die Induktoren erzeugen, gleich, aber jeder erzeugt einen geringeren magnetischen Fluss, wodurch weniger vertikale Kräfte erzeugt werden, wodurch die Verzerrung verringert wird.

Die Verwendung dieser Induktoren, sogenannte Twin-Serie-Induktoren, ermöglicht die Verwendung zusätzlicher Abstandsräder aus Stahl, die zwischen den Induktoren platziert werden. Mit anderen Worten: Während ein herkömmliches System über Keramik-Abstandsräder verfügt, verfügt dieses System über diese und zwei zusätzliche Arten des Schutzes gegen Kurzschlüsse: weniger vertikalen Auftrieb durch den magnetischen Fluss und zusätzliche Führungsräder zwischen den Induktionsstationen.

Abhängig vom Fachwissen und der Zeit, die für die Entwicklung eines solchen Systems aufgewendet wird, können sich zwei konkurrierende Normalisierungslinien in ihrem Layout erheblich unterscheiden. Beispielsweise könnte ein herkömmliches System, das mehr oder weniger nach traditionellen Prinzipien konzipiert ist, vier separate Induktionsstationen verwenden. Im Gegensatz dazu kann ein ausgefeilterer, modernerer Ansatz zu einem System führen, das den gleichen Arbeitsaufwand mit nur drei Induktionsstationen erledigt und so Stellfläche und Energie spart. Dies bedeutet, dass weniger Geräte auf kleinerer Stellfläche effizienter arbeiten.

Abbildung 4. Die Wärmeverteilungen variieren. Obwohl es der Wärmeverteilung in Abbildung 3 ähnelt, zeigt dieses Diagramm eine breitere Wärmeverteilung, gemessen in Rotationsgraden (+/- 75 Grad) auf einem kleineren Durchmesser. Um effektiv zu sein, muss ein Normalisierungssystem so konzipiert sein, dass es das breiteste Wärmeprofil des in diesem Walzwerk herzustellenden Rohrs erfasst.