継目無鋼管の冷間処理および応力除去プロセスの分析

シームレス鋼管の冷間処理および応力除去プロセス

I. シームレスパイプ冷間処理の重要性

シームレスパイプ冷間処理は一般に深冷処理（通常 -70 度から -196 度の液体窒素環境での低温処理）を指し、多くの場合、焼き入れ、焼き戻し、冷間圧延/冷間引抜プロセスと組み合わせて使用されます。中心となる機能は次のとおりです。

1. 構造と寸法を安定させる:

エル残留オーステナイトを模倣し、安定したマルテンサイトへの変態を促進することで、特に精密油圧パイプ、計器パイプ、ベアリングパイプなどのその後のパイプの使用および加工中の寸法変形や精度のドリフトを防ぎます。

2. 硬度、耐摩耗性、強度を向上させます。

組織が緻密になり、表面硬度と耐摩耗性が向上し、パイプの寿命が長くなります。

3. 微小な内部応力を解放します。

冷間引抜および焼入れ中の格子歪みによって引き起こされる微小応力を軽減し、後の段階での亀裂や反りのリスクを低減します。-

4. 靭性と疲労性能の向上:

粒子組織を微細化し、応力集中点を減らし、パイプ材料の疲労と耐衝撃性を向上させます。

区別点:

冷間処理≠常温冷間引抜・冷間圧延。冷間処理は低温深冷プロセスであり、熱処理後の補助手順です。-

II.冷間処理前、冷間処理中、冷間処理後の重要な管理ポイント (パイプの性能が低下しないようにするため)

(1) 前処理の準備-

1. 前処理制御-
パイプ材料は、最初に焼き入れ/焼き戻し/冷間引抜を受け、その後、炉に入れる前に室温 (20{2}}40 度) 付近まで冷却する必要があります。過度の温度差や亀裂を防ぐため、低温機器に高温を直接導入することは固く禁じられています。{3}}

2. 選別・目視検査

亀裂、折れ目、不均一な肉厚、表面の傷、凹凸のあるパイプを取り除きます。材料の混合を避けるために、材料、仕様、バッチごとに分類します。

3. 洗浄と乾燥

表面の油汚れ、水分、切削液を徹底的に除去します。水が凍結すると、パイプの壁に亀裂が入ったり、内壁が腐食したりする可能性があります。長いパイプの両端は密閉されており、低温媒体がパイプ内に侵入するのを防ぎます。-

4. 炉の装填基準
パイプ材を重ねたり圧迫したりせず、隙間を残して一層ずつ配置します。細くて長いパイプをサポートし、低温下での自重曲がりや変形を防ぎます。-

5. プロセスパラメータの事前設定-
材料に応じて目標温度と保持時間を設定します。炭素鋼/低合金シームレスパイプは一般に -70 ～ -120 度、高合金/ベアリングパイプは -150 ～ -196 度です。

(II) 冷間処理の工程管理

1. 冷却速度が遅い
急激な冷却は避けてください。冷却速度は1～3度/minに制御してください。大きな温度差は新たな温度応力を引き起こし、微小亀裂を引き起こす可能性があります。

2. 適切な断熱
配管全体が設定した低温に達した後、2〜4時間保温を維持します（肉厚が厚く、直径が大きい配管の場合は4〜6時間まで延長されます）。内部と外部のパフォーマンスの不均一を避けるために、内部と外部の構造が完全に変形することを確認します。

3. 密閉環境と均一媒体
液体窒素と冷気の循環は均一であり、局所的な過冷却を排除します。極端な低温を避けるために温度を継続的に監視してください。

4. 外部からの衝撃や移動を禁止する
低温では鋼の靭性が一時的に低下し、応力下で潜在亀裂が発生しやすくなります。

(III) 冷却後の操作-

1. 徐冷（キー）
アンロード後、パイプが室温まで自然に温まるまで待ちます。直射日光に当てたり、熱風を当てたり、水に浸けて急激に加熱しないでください。これは、寒さと高温が交互に起こることによって引き起こされる二次ストレスを防ぐためです。冷却時間は壁の厚さによって異なります。薄肉パイプの場合は 2 ～ 4 時間、-}厚肉パイプの場合は6時間以上。-

2. タイムリーな焼き戻し/時効処理
深冷後、冷間処理中に発生する少量の低温応力を除去するために、低温焼戻し（120 ～ 200 度）を実行する必要があります。{{0}これは、パイプ材料の靭性を回復し、脆性を防ぐのにも役立ちます。

3. 再検査と選別
各パイプの外観、真直度、真円度を個別に検査します。硬度、金属組織分析、探傷用のサンプルを採取し、微小な亀裂や変形がないか確認します。-

4. 保護と保管
乾燥して冷却した後、風雨、雨、衝撃にさらされないよう、パイプを倉庫に保管します。

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Ⅲ．シームレス管の内部応力除去の重要性

シームレスパイプの主な応力発生源：熱間圧延、冷間引抜/冷間圧延、焼入れ、溶接、矯正、機械加工。応力は巨視的な残留応力と微視的な格子応力に分けられます。

1. 将来の障害の防止
残留応力が解放されると、パイプが曲がったり、ねじれたり、サイズに誤差が生じたりする可能性があります。応力の重畳によりパイプ壁の亀裂や破裂が発生する可能性があり、高圧パイプラインや流体輸送パイプに非常に高いリスクをもたらします。{0}

2. 加工精度の安定化
その後の旋削、ねじ切り、切断、曲げなどの機械加工プロセス中に応力が解放され、加工された製品の変形につながります。応力を取り除くと、完成品の寸法の長期的な安定性が確保されます。-

3. 機械的特性の向上
応力集中を排除することで、パイプの疲労、腐食、脆性破壊に対する耐性が向上し、高圧、低温、および周期的な荷重条件における安全性が大幅に向上します。{0}

4. その後の表面処理の改善
応力除去後、パイプの構造は均一になります。亜鉛メッキ、リン酸塩処理、コーティングなどの処理において、剥離やピンホールが発生しにくいです。

IV.シームレス管の一般的な応力除去方法（作業条件とコストから選択）

1. 低温歪取り焼鈍 (最も一般的に使用される主流のプロセス) -

適用対象: 冷間引き抜きパイプ、焼き入れ焼き戻しパイプ、精密シームレスパイプ、中径および小径パイプ-

進むss:180～300 度に加熱し、一定時間保持した後、ゆっくりと空冷-または炉-で冷やします
原理：原子はゆっくりと拡散し、マトリックスの硬度と強度を変えることなく格子歪み応力を解放し、残留応力のみを除去します。
重要なポイント:炉全体の温度は均一でなければならず、保持時間は壁厚10mmあたり30〜60分です。冷却速度は 2 度/分以下である必要があります。

2. 高温歪取焼鈍（完全な応力除去、パイプの大きな変形）-

適用対象: 大径-厚肉-パイプ、熱間圧延パイプ、エルボ、加工済みパイプ継手、溶接パイプ

プロセス：550～650度（変態点以下）に加熱し、しばらく保持した後、炉内でゆっくり冷却します（温度が200度以下になったら炉から取り出します）。
特徴：応力除去効果は最も徹底的であり、すべての巨視的および微視的応力をほぼ排除します。欠点は、硬度と強度がわずかに低下することですが、硬度の要件が低い構造パイプや輸送パイプに適しています。

3. 振動エージング（物理的ストレスの軽減、加熱不要）

適用対象: 超長尺パイプ、-大径パイプ、加熱しても変色したり軟化したりしない完成パイプ。-

原理: 共鳴により、パイプ素材の内部応力が緩和され、再分散されます。
利点：熱変形がなく、酸化脱炭がなく、エネルギー消費が少ない。短所: 深い応力の除去には限界があり、主に補助的な応力除去方法として使用されます。

4. 自然老化（低コスト、低要件のパイプのみ）-

適用対象: 通常の低圧構造管、-非精密管-

原理：室温に長時間置くとストレスが徐々に自然に解放されます。
短所：期間が非常に長く（数週間～数ヶ月）、ストレスリリーフが徹底されていないため、工業的なバッチ生産ではほとんど使用されません。

5. 深冷処理（以前は冷間処理と呼ばれ、補助的な応力除去方法として機能します）

通常、テンパリングと組み合わせて使用されます。まず深冷処理により組織を安定させ、その後低温で焼き戻しを行います。ストレス解消効果を組み合わせるとさらに効果的です。

V. シームレスパイプの全体的な性能を向上させるための包括的なプロセスソリューションのセット

冷間処理 + 応力除去 + 成形を組み合わせると、主に次の 2 つのパイプライン加工方法があります。

ソリューション 1: 精密冷間引抜シームレスパイプ（油圧、計装、精密機械に使用）-

1. 熱間圧延パイプビレット- → 冷間引抜/冷間圧延成形 (冷間加工応力の結果)
2.低温歪取り焼鈍(200~280度)-：冷間引抜ストレスを解消
3. 頭の矯正、カット、仕上げ
4. 深冷処理（-80～-120℃、徐冷＋十分な保持時間）：組織を安定させ、硬度と耐摩耗性を向上させます。
5. 二次低温アニーリング（150~200度）-：冷間処理ストレスを解消し、靭性を回復します。
6. 非破壊検査、サイズ検査、完成品の保管-

効果：寸法が安定し、硬度が均一で、疲労性能に優れ、長期間使用しても変形しません。

解決策 2: 高圧-厚肉-熱間圧延シームレスパイプ（石油とガス、ボイラー、流体輸送）

1. 熱間圧延成形→粗矯正
2. 高温歪取り焼鈍(-度、炉内でゆっくり冷却): 熱間圧延と矯正による応力を完全に除去します。
3. 機械加工、面取り、パイプ曲げなどのさらなる加工
4. 製品の探傷、水圧試験

効果: 亀裂に強く、高圧、安定した応力に耐え、過酷な条件に適しています。{0}}