بخشی از مقاله
چکیده:
صفحات فولادی خط لوله API X70 و X80 توسط روش تولید لوله به صورت اسپیرال با کرنش های مختلف - ضخامت / نسبت قطر - به شکل لوله در می آیند . نمونه های کششی با فواصل 25 میلی متری از صفحات فولادی یا لوله ها برای آزمایش برداشته شد و رفتار تسلیم ، مقاومت تسلیم ، نسبت تسلیم قبل و بعد از تغی یر شکل دادن تحلیل شدند. در قسمت داخلی لوله ها تسلیم شدگی پیوسته و نسبت تسلیم پایین مشاهده شد اما در قسمت خارجی تسلیم شدگی نا پیوسته و نسبت تسلیم بالایی مشاهده شد . این امر به دلیل این است که در قسمت داخلی و خارجی بترتیب اثر بوسچینگرٌ و اثر سخت شدن توسط تغییر شکلٍ غالب بودند. مقاومت تسلیم کلی بعد از ساختن لوله به روش اسپیرال توسط رقابت اثر های سخت شدن توسط تغییر شکل و بوسچینگر مشخص شد. رقابت اثر ها بر ساختمان میکروسکپی و کرنش های بوجود آمده توسط تغییر شکل لوله وابسته است . برای افزایش بیشتر مقاومت تسلیم کلی بع د از شکل دهی لوله ، تغییر ساختمان میکروسکپی با حرارت کم ترجیح داده می شود . با بهینه سازی مقاومت تسلیم توسط کنترل کرنش شکل دهی لوله برای ماکزیمم کردن اثر سخت شدن توسط تغییر شکل و مینیمم کردن اثر بوسچینگر می توان یک ساختمان میکروسکپی خاص بدست آورد.
واژه های کلیدی : ساختمان میکروسکوپی ، باینیت ، مارتنزیت ، سختی
مقدمه
فولاد خط لوله که برای انتقال دوربرد نفت خام یا گاز طبیعی استفاده می شود عموما برای تحمل فشارهای بالا نیاز به مقاومت های بالا دارد1]و. [2 فولاد خط لوله از درجه API X70 و X80 به صورت صفحه ساخته می شوند و سپس به شکل لوله در می آیند . در میان خواص مورد نیاز برای لوله ها، مقاومت تسلیم مینیمم در راستای محیطی بدلیل تغییر مقاومت تسلیم بعد از تغییر شکل مهم است . در حین شکل گیری دیوارهای داخلی و خارجی لوله ها تحت کرنش های مختلف قرار می گیرند، منظور کرنشهای ک ششی در دیواره خارجی و کرنشهای فشاری در دیواره خارجی است که همچنین با کرنش نسبت ضخامت به قطر - t/D - شکل دهی لوله و موقعیت ضخامت صفحه متفاوت است. با توجه به این سابقه کرنشی، صفحات بدست آمده از لوله های صاف شده اغلب دارای مقامت تسلیم کمتری نسبت به صفحات اصلی ه ستند که سبب ایجاد عدم قطعیت در برآورده کردن استانداردهای مقاومت تسلیم مورد نیاز موسسه نفت آمریکا - API - توسط فولادهای خط لوله تولید شده می شود.
دلیل اینکه مقاومت تسلیم تحت کرنش های کششی و فشاری مکرر کاهش می یابد عموما توسط اثر بوسچینگر تفسیر داده می شو د. اگر ماده ای که قبلا در یک جهت تغییر شکل داده است دوباره در جهت مخالف تغییر شکل دهد، مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک کاهش می یابد3]و. [4 این امر در فرایند شکل گیری لوله بسیار مهم است . بر اساس تئوری اوروان[5] با افزایش چگالی جابجایی های متحرک تنش های بر گشتی در حین تغییر شکل پلاستیک رو به جلو افزایش می یابند.
اثر بوسچینگر با جابجایی های متحرک که تولید، انتقال و جمع شدن آنها متاثر از عوامل ساختمان میکروسکپی است، متناسب است6]و. [7 مقاومت تسلیم بر اساس روش های شکل دهی لوله و کرنش های شکل دهی - نسبت - t/D که با ید قبل از اندازه گیری مقاومت تسلیم با دقت ملاحظه شود تغییر می کند . در این فولاد های خط لوله مقدار این تغییر شکل ایجاد شده در صفحات فولادی با توجه به روش های شکل دهی لوله تغییر می کند، و اثر سخت شدن توسط تغییر شکل و اثر بوسچینگر بر تغییر شکل موجود در هر ساخ تمان میکروسکپی بصورت متفاوت عمل می کنند . ساختمان میکروسکپی در فولادهای خط لوله X80 نسبتا پیچیده هستند زیرا آنها از ساختمانهای میکروسکپی تغییر شکل داده در دمای کم مانند هیدراکسید آهن سوزنی - AF - و باینات دانه ایَ - - GB تشکیل شده اند که سبب می شود تخمین دقیق مقاومت تسلیم قبل وبعد از شکل گیری لوله مشکل شود.با توجه به عوامل ساختمان میکروسکپی و کرنش های شکل دهی لوله - نسبت - t/D که با روش های مختلف شکل گیری لوله و قطر لوله تغییر می کنند، نیاز است که تغییر در مقاومت تسلیم با دقت تحلیل شود. عموما با افزایش مقدار تغییر شکل و در نتیجه اثر سخت شدن توسط تغییر شکل ، مقاومت تسلیم افزایش می یابد در حالیکه با افزایش اثر بوسچینگر کاهش می یابد.
آزمایشگاهی
2.1 صفحات فولادی لوله API X70 و X80 در این تحقیق از فولاد های خط لوله تجاری نوع API X70 و X80 که به ترتیب دارای مقدار مقاومت تسلیم مینیمم 483 MPa - 70 Ksi - و 552 MPa - 80Ksi - هستند استفاده شده است و ترکیب شیمیایی آنها در جدول 1 نشان داده شده است . هم ارز کربن در فولاد X80 بالاتر از فولاد X70 است. تاثیر کلی پالایش دانه ای را توسط نورد بانسبت کاهش بالا - بالای - 80% در ناحیه د وباره کریستال نشده آستنیت بعد از آستنیت کردن در دمای 1200-1180 درجه سانتیگراد توقع داریم.[12-10] عملیات نورد در دمای 840-790 درجه سانتی گراد در ناحیه آستنیت بالای Ar3 تمام شد . بعد از عملیات نورد ، فولادها از دمای پایانی نورد تا 525-500 درجه سانتی گراد با آهنگخنک شدن 16°C/s خنک شدند . ضخامت نهایی صفحه برای فولاد های X70 و X80 به ترتیب 19.0 میلی متر و 18.4 میلی متر بودند.
فرایند شکل دهی لوله
از صفحات فولادی X70 و X80 به روش شکل دهی مارپیچی در راستایی که 30 درجه از راستای نورد منحرف شده است به ترتیب لوله هایی با قطر خارجی 1020 میلی متر و 1220 میلی متر ساخته شدند. برای راحتی صفحه فولادی X70 را که تحت شکل دهی مارپیچی با قطر کوچک قرار گرفته را 7^ و صفحه فولادی X80 را که تحت شکل دهی مارپیچی با قطر بزرگ قرار گرفته را 8 می نامیم . از آنجاکه میزان تغییر کرنش در شکل دهی مارپیچی با توجه به ضخامت صفحه تغییر می کند، تغییر کرنش در فاصله X از وسط ضخامت صفحه را می توان به صورت زیر نمایش داد .
که در آن X ، D ، t و X به ترتیب برابر کرنش در فاصله X، قطر خارجی لوله، ضخامت صفحه و فاصله از وسط ضخامت صفحه هستند. [8] یک نمودار طرح کلی از فرایند شکل دهی لوله و کرنش شکل ده ی لوله در فاصله X از وسط ضخامت صفحه به ترتیب در شکل - a - 1 و - b - و نشان داده شده است . ماکزیمم کرنش شکل دهی در فولاد های 7S و 8L به ترتیب 1.9% و 1.53% بودند. کرنش شکل دهی در فولاد 7S حداکثر 0.4% از فولاد 8L بیشتر است.
شکل - - a - : - 1 نمودار گرافیکی فرایند شکل دهی لوله - b - کرنش شکل دهی لوله در فاصله X از وسط ضخامت صفحه
3.2 تحلیل ساختمان میکروسکپی
صفحات فولادی پرداخته شدند و در محلول 0.2% نیتال قلم کاری شدند و ساختمانهای میکروسکپی که در صفحات طولی- کوتاه عرضی بودند توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی مشاهده شدند.
4.2 آزمایش های کشش و سختی
شکل 2 راستا و مکان نمونه های کششی که از صفحه یا لوله گرفته شده اند را نشان می دهد . 7 نمونه کششی از صفحه یا لوله در فواصل 2.5 میلی متری برداشته شد و راستای نمونه کششی - پیکان آبی رنگ 30 - درجه از راستای نورد - پیکان قرمز رنگ - منحرف شده است . نمونه های صفحه ای با طول اندازه گیری شده 30 میلی متر، عرض اندازه گیری شده 5 میلی متر و ضخامت اندازه گیری شده 1 میلی متر تهیه شد و در دمای اتاق در نسبت کرنش 10 3 s 1 5 با توجه به روش استاندارد آزمایش [13] ASTM توسط دستگاه آزمایش جهانی با ظرفیت 100 KN آزمایش شدند. کرنش در طول اندازه گیری شده 30nمیلی متر توسط دستگاه اندازه گیری انبساط تماسی 30 میلی متری اندازه گیری شد .
نشان داده شد که 0.2% تنش جبرانی، مقاومت تسلیم در نمونه های فولاد است که نشان دهنده رفتار پیوسته تسلیم است در حالیکه مشخص شد که نقطه تسلیم پایین تر از مقاومت تسلیم در نمونه های فولاد است که نشان دهنده رفتار ناپیوسته تسلیم است . آزمایش های کشش برای هر شرایط آزمایش حداقل سه بار اجرا شدند و داده ها میانگین گیری شدند . سختی ویکرز در همان مکان نمونه کششی تحت بار 300 گرم اندازه گیری شد.
شکل : 2 نمودار های طرح کلی نشان دهنده راستا و موقعیت نمونه های کششی گرفته شده از صفحه یا لوله
3. نتایج
3.1 ساختمان میکروسکوپی صفحات فولادی خط لوله API X70و X80
ریز نگارهای میکروسکوپ الکترونی از نمونه های فولادی 7S و 8L در موقعیت خارجی، مر کز و داخلی در شکل - a - 3 تا - f - نشان داده شده اند. اجزا حجمی از ساختمانهای میکروسکوپی مختلف و دانه متوسط اندازه گیری شدند و نتایج در جدول 2 نشان داده شدند . نمونه های فولادی 7S و 8L هیدراکسید شبه چند ضلعی - QPF - ، هیدراکسیدآهن سوزنی - AF - ، باینیت دانه ای - GB - ، پیرلایت - P - و مارتنزیت آستنیت - MA - تشکیل شده اند .[18-14] با توجه به شکل و ویژگی های ساختمانهای میکروسکوپی، QPF در دماهای پایین تر و آهنگهای خنک شدن بالاتر از هیدراکسید چند ضلعی تغییر می کند و دانه های آن دارای مرزهای نامنظم است .
مقاومت آن بدلیل اینکه فاز های ثانویه در داخل دانه ها یا در طول مرزهای دانه به سختی شکل می گیرند نسبتا کم است . AF دارای خصوصیاتی همچون اندازه دانه خوب، شکل نامنظم و قرار گیری در راستاهای دلخواه است و بسته به جهت گیری بین نبش های همسایه می تواند در بسته های کوچک گروه بندی شود. AF به عنوان ساختمان میکروسکوپی که دارای ترکیب خوبی از مقاومت و سختی است شناخته می شود زیرا دارای اندازه خوب و چگالی جابجایی داخلی بالاتر است . GB دارای مارتنزیت آستنیت های جزیره شکل است و بدلیل اندازه بزرگ دسته دارای سختی کم است P. ساختمان میکروسکوپی پایداری است که از هیدراکسید آهن و چدن
