Progrès dans le recuit en ligne pour les petits

Normaliser un tuyau de petit diamètre revient souvent à traiter thermiquement toute la section transversale, mais pour une application spécifique, cela est particulièrement inutile. Le tube, dans ce cas, parcourt près de 11 kilomètres. Un soin particulier est apporté à la conception de chaque pièce d'équipement sur la ligne de normalisation pour s'assurer qu'elle ne génère aucun rebut. Images fournies

D'innombrables applications utilisent des tubes métalliques, mais la réutilisation des tubes n'est pas une pratique courante. Une fois qu'il est apposé, attaché, attaché ou installé, c'est généralement la fin. Cependant, une pratique croissante pour quelques applications de fond de trou dans l'industrie pétrolière est l'utilisation et la réutilisation de tubes en acier enroulés de petit diamètre.

Les objectifs ne sont pas nouveaux. Les opérateurs de puits effectuent de fréquentes inspections visuelles, laissant tomber une longueur de tube équipé d'une caméra dans le trou de forage du puits. Ils utilisent également des longueurs de tubes pour déposer des outils dans les puits afin d'effectuer diverses tâches de maintenance, injecter de l'azote ou des produits chimiques de traitement pour favoriser l'écoulement et ouvrir ou fermer des vannes pour connecter ou isoler des sections du puits. Les tubes sont également utilisés pour les opérations de nettoyage et pour faire passer les câbles électriques vers des machines telles que les pompes submersibles.

Les opérations conventionnelles impliquent une série de longueurs de tubes jusqu'à 48 pieds reliées par des raccords. Inutile de dire que cela est lourd et laborieux, à la fois dans les phases d'insertion et de rétraction. La pratique consistant à utiliser une longueur extrêmement longue de tube enroulé est beaucoup plus rapide.

Fabriquer un long tube et le recuire pour qu'il puisse supporter des enroulements et des déroulements répétés est simple en principe. Cependant, comme pour la plupart des opérations de tubes ou de tuyaux, ce genre de chose nécessite beaucoup de soin. De nos jours, une longueur de tube enroulé pour les opérations de fond de trou peut parcourir près de sept milles. Personne ne veut faire un mile (ou six) de tubes destinés à la ferraille parce que quelque chose s'est mal passé.

Déroulez-le et utilisez-le. Enroulez-le et déplacez-le vers le puits suivant. Déroulez-le et utilisez-le. Cela ne peut pas durer éternellement. Chaque fois que l'acier change de forme, il subit des contraintes. Dans ce cas, le métal ne peut subir qu'un certain nombre de cycles d'enroulement et de déroulement jusqu'à ce qu'il devienne trop fatigué pour supporter d'autres déformations ; éventuellement, des scissions apparaîtront. La fabrication de ce tube est une proposition coûteuse ; obtenir la plus longue durée de vie de celui-ci est une question de traitement thermique, de recuit ou de normalisation approprié.

Toute feuille, plaque, barre ou billette de métal ressemble à une masse homogène et continue. Cependant, ce n'est pas si simple. Lorsque l'acier est chauffé, les atomes de fer prennent une structure spécifique. Si la température de traitement est inférieure à 1 674 degrés F, elle prend une structure cubique centrée sur le corps. Imaginez les huit coins d'un cube - huit atomes de fer régulièrement espacés - avec un point de plus au centre, et vous pouvez imaginer cette structure. À des températures de traitement plus élevées, en fonction du pourcentage de carbone, il subit une transformation en une structure cubique à faces centrées, qui compte 14 atomes de fer.

Selon la température, l'une de ces deux microstructures apparaît tout au long de l'acier, une forme cubique après l'autre, formant un treillis. Un vaste treillis constitue un grain d'acier. Comme le métal reste à une température critique, les grains grossissent jusqu'à ce qu'ils entrent en contact avec d'autres grains, c'est là que se forment les joints de grains.

La croissance des grains est stoppée par un refroidissement rapide de l'acier. Le refroidir plus tôt que tard donne des grains relativement petits, qui sont associés à la dureté et à la résistance; l'inconvénient est que la dureté équivaut à la fragilité. Le refroidir plus tard permet aux grains de grossir, ce qui donne un matériau plus mou qui se forme plus facilement qu'un matériau à grain fin.

Ainsi, le processus de fabrication de l'acier consiste à contrôler la température de traitement et le temps qu'il passe à cette température, puis à le refroidir rapidement. . Ces étapes, ainsi que l'ajout d'un peu de carbone pendant qu'il est fondu - généralement moins de 2% en poids - et certains autres éléments déterminent les propriétés de l'acier.

Figure 1. Une zone affectée par la chaleur par induction à haute fréquence ressemble généralement à un sablier. Cela résulte de la chaleur générée à l'OD par la bobine d'induction et à l'ID par l'entrave.

De plus en plus de chaleur. Lorsqu'une bande longue et étroite de ce matériau est introduite dans une tuberie, le processus recommence à l'endroit où les deux bords se rencontrent pour former le cordon de soudure. La chaleur de soudage est introduite dans l'acier par une bobine d'induction qui entoure l'OD et un obstacle qui dirige le flux de courant sur l'ID. Le métal le long des deux bords devient rouge, le ramenant presque à l'état où il se trouvait à l'aciérie. Le tube est ensuite aspergé de liquide de refroidissement pour obtenir le refroidissement rapide nécessaire à des taux de production rentables.

Dans la majeure partie du profil du tube, la microstructure est inchangée. La chaleur de soudure n'est pas répartie dans le reste du métal (le matériau d'origine), de sorte qu'elle ne chauffe pas suffisamment pour changer de manière appréciable. La chaleur de soudure est concentrée le long du cordon de soudure et dans la zone immédiatement adjacente, où elle devient rouge et subit un refroidissement rapide. Dans la zone affectée par la chaleur (HAZ), la zone proche du cordon de soudure, les grains ont eu peu de temps pour se développer, de sorte que le matériau a une structure à grains fins. Le matériau dans la ZAT est plus fragile que le matériau ailleurs autour de la circonférence. C'est pourquoi toute personne qui plie des tubes et des tuyaux essaie toujours d'aligner le cordon de soudure avec l'axe neutre du coude.

Sur un tube destiné à être enroulé et déroulé (plié et redressé) à plusieurs reprises, toutes les fractures - qui se produisent entre les grains le long des joints de grains - se développeront dans la ZAT bien avant qu'elles ne se développent dans le matériau d'origine.

Chauffer à nouveau le matériau et le refroidir lentement au fur et à mesure qu'il refroidissait à l'aciérie est la clé pour recommencer et permettre aux grains de croître jusqu'à ce qu'ils retrouvent leur taille normale. Réduire la sévérité du différentiel de taille de grain, ou l'éliminer complètement, est un processus de recuit communément appelé normalisation.

Comprendre le profil thermique. Il convient de noter que le processus de chauffage utilisé pour le soudage et le processus de chauffage utilisé pour la normalisation sont des processus fondamentalement différents. Bien que les deux reposent sur l'induction, le soudage applique de la chaleur via la bobine d'induction (sur le diamètre extérieur) et en utilisant l'entrave (au niveau du diamètre intérieur); la normalisation utilise uniquement une inductance. En raison de cette différence, le profil thermique est différent. En soudage, la zone chauffée à travers la section transversale prend la forme d'un sablier ; la normalisation crée un profil de chaleur sous la forme d'une lettre U.

Sur les grands diamètres de tube ou de tuyau, une pratique courante consiste à recuire le matériau en le chauffant uniquement dans et à proximité de la ZAT. L'utilisation du chauffage par induction, le même processus qui réalise la soudure sur la plupart des usines de soudure, pour concentrer la chaleur le long du cordon de soudure n'est pas difficile. Après avoir localisé et orienté les inducteurs de manière appropriée, il s'agit d'adapter la chaleur à la vitesse de la ligne pour effectuer la quantité de recuit nécessaire pour ramollir et normaliser le matériau dans la ZAT.

Sur les petits diamètres, il est courant de recuire toute la circonférence. Cela gaspille pas mal d'énergie lorsque la zone cible qui nécessite une normalisation n'est que la ZAT de soudure, mais il est difficile de la contourner sur de petits diamètres. Cependant, la manière traditionnelle n'est pas la seule ; il y a plusieurs années, des recherches et une mise en œuvre sur le terrain ont prouvé qu'il est possible de normaliser uniquement la HAZ sur des tubes mesurant moins de 2 pouces de diamètre.

Le faire de manière efficace et efficace dépend de trois facteurs principaux : la distance entre les inducteurs et la surface du tube, l'alignement du cordon de soudure et des inducteurs, et le suivi du cordon de soudure pour maintenir l'alignement.

Garder la bonne distance de couplage.L'utilisation efficace du chauffage par induction consiste à maintenir les bobines d'induction aussi près que possible de la surface, et la distance de sécurité dans cette application n'est idéalement pas supérieure à 0,200 ou 0,300 pouce. Si la distance de sécurité est supérieure à 0,300 pouce, l'efficacité chute de façon exponentielle.

Figure 2. Étant donné que la normalisation ne peut pas accéder à l'ID, la seule source de chaleur se trouve à l'OD et le profil de chaleur de normalisation a la forme d'une lettre U.

Le problème avec le maintien d'une distance de sécurité minimale est qu'une variation ou une perturbation sur le broyeur peut réduire l'écart, ce qui risque de créer un court-circuit là où le tube entre en contact avec l'inducteur. Compte tenu de la quantité d'énergie électrique dans cette application, un court-circuit est un désastre potentiel pour le tube et la bobine d'induction. Les roues en céramique peuvent aider à empêcher le contact. Pourtant, les roues ne sont que des points de contact uniques espacés sur la longueur de la bobine d'induction, il est donc toujours difficile de maintenir la distance de sécurité appropriée sur les diamètres plus petits.

Un autre problème est que le processus d'induction génère des lignes de flux magnétiques qui créent des forces verticales appelées forces de Lorentz. La recherche a montré que les forces de levage magnétiques peuvent exercer près de 90 livres. de force vers le haut sur principalement 2,0 pouces de diamètre. et des tubes plus petits. Cela fait des ravages sur la cohérence dimensionnelle du tube, conduisant à un tube déformé et ajoutant à la possibilité d'un court-circuit entre la bobine d'induction et le tube.

Largeur de couture. En règle générale, un seul inducteur d'une largeur spécifiée est utilisé pour une gamme de tailles de tubes. Connaître la largeur de la soudure HAZ est nécessaire pour concevoir des bobines d'induction qui fonctionnent aussi efficacement que possible. Ils doivent couvrir suffisamment la circonférence du tube pour normaliser toute la largeur de la HAZ au diamètre intérieur du tube. Pourtant, s'il y a trop de chevauchement entre la ZAT de soudure et la largeur de l'inducteur, le gaspillage d'énergie électrique augmente. De plus, sur des diamètres plus petits, un chevauchement excessif provoque la chaleur pour saturer la circonférence du tube, augmentant l'élasticité de l'acier et le rendant plus susceptible de se déformer.

L'analyse par éléments finis (FEA) peut déterminer la largeur de la ZAT dans le processus de recuit, mais c'est un outil trop gros pour être utilisé pour chaque projet. De plus, le développement d'une FEA est un processus long et coûteux. Une méthode légèrement moins exacte, mais beaucoup plus rapide, consiste à couper et à graver un échantillon de tube soudé pour déterminer la largeur réelle de la ZAT. Un graphique du profil de distribution de chaleur du processus de normalisation peut alors être produit qui permet la prédiction de la HAZ de recuit de la couture.

Suivi des coutures. Un troisième élément de l'efficacité de l'induction est le maintien de l'emplacement des inducteurs par rapport à la couture. Idéalement, le cordon de soudure et les inducteurs sont parfaitement alignés, centrés sur la position 12 heures, mais le cordon a tendance à se déplacer de gauche à droite lorsque le tube se déplace dans le broyeur. Dans la plupart des cas, la couture dévie de moins de +/- 7,5 degrés, donc un positionneur de bobine orbitale qui se déplace d'un total de 15 degrés couvre la déviation typique.

Il faut beaucoup d'ingénierie pour fabriquer de très grandes longueurs de tubes et le faire efficacement.

Premièrement, ces tubes n'ont pas une seule épaisseur de paroi. La première section du trou a la paroi la plus légère; les sections suivantes ont des parois plus lourdes pour fournir plus de résistance pour supporter le poids croissant.

Deuxièmement, bien que le processus puisse utiliser un recuit complet, cela est trop coûteux. Dans certaines applications de tubes courantes, disons quelques centaines de longueurs de 20 pieds chacune, un recuit complet du corps aurait du sens, car la mise en place d'un système de normalisation en ligne sur mesure avec un traqueur de couture et une unité orbitale est au mieux une entreprise d'ingénierie, de capital et de temps. Pour un petit contrat, le retour sur investissement n'est pas susceptible de se matérialiser. Cependant, pour un programme qui implique la fabrication de centaines ou de milliers de lignes en acier flexibles qui parcourent des kilomètres, le recuit complet gaspille beaucoup trop d'énergie et une ligne de recuit personnalisée peut être justifiée.

Troisièmement, lors du développement d'un système de normalisation qui recuit plusieurs diamètres et épaisseurs de paroi, les plus petites tailles obtiennent plus de saturation thermique autour de la circonférence, augmentant ainsi la plasticité du métal. Les forces de Lorentz entrent en jeu et peuvent provoquer une certaine distorsion.

Figure 3. Comme indiqué sur ce graphique, le déplacement angulaire fait référence à la distribution de chaleur d'une ligne de recuit et à la zone affectée par la chaleur qui en résulte. Le centre du graphique, à 0 degré, représente le centre du cordon de soudure, qui est le centre du placement de la bobine de recuit. Pour ce diamètre, la répartition de la chaleur est d'environ +/- 60 degrés du centre.

Ces forces peuvent être contrées en utilisant un plus grand nombre d'inducteurs plus petits. Dans un système correctement conçu utilisant ce principe, la quantité totale de chaleur générée par les inducteurs est la même, mais chacun génère moins de flux magnétique, générant ainsi moins de force verticale, réduisant ainsi la distorsion.

L'utilisation de ces inducteurs, connus sous le nom d'inducteurs en série jumelle, permet l'utilisation de roues d'écartement en acier supplémentaires, qui sont placées entre les inducteurs. En d'autres termes, alors qu'un système conventionnel a des roues d'écartement en céramique, ce système a ces derniers et deux modes supplémentaires de protection contre les courts-circuits : moins de levage vertical du flux magnétique et des roues de guidage supplémentaires situées entre les stations d'induction.

Selon le niveau d'expertise et le temps consacré à la conception d'un tel système, deux lignes de normalisation concurrentes peuvent différer un peu dans leurs dispositions. Par exemple, un système conventionnel conçu plus ou moins selon des principes traditionnels pourrait utiliser quatre stations d'induction distinctes. En revanche, une approche plus sophistiquée et mise à jour peut aboutir à un système qui effectue la même quantité de travail avec seulement trois stations d'induction, économisant ainsi de l'espace au sol et de l'énergie. Cela équivaut à moins d'équipement sur une empreinte plus petite fonctionnant plus efficacement.

Figure 4. Les distributions de chaleur varient. Bien que similaire à la distribution de chaleur de la figure 3, ce graphique montre une distribution de chaleur plus large mesurée en degrés de rotation (+/- 75 degrés) sur un diamètre plus petit. Pour être efficace, un système de normalisation doit être conçu pour capter le profil thermique le plus large du tuyau à produire sur ce laminoir.