كيفية تبريد الأنابيب الفولاذية ذات القطر الكبير بعد عملية التبريد السريع؟

لا تقتصر استخدامات الأنابيب الفولاذية على نقل السوائل والمواد الصلبة المسحوقة وتبادل الطاقة الحرارية وتصنيع الأجزاء الميكانيكية والحاويات فحسب، بل تُعدّ أيضًا نوعًا اقتصاديًا من الفولاذ. فاستخدامها في بناء الشبكات الهيكلية والأعمدة والدعامات الميكانيكية يُسهم في تقليل الوزن، وتوفير ما بين 20% و40% من المعدن، ويُمكّن من إنشاءات آلية تُحاكي المصانع. كما أن استخدامها في بناء جسور الطرق لا يُوفر الفولاذ ويُبسط عملية البناء فحسب، بل يُقلل أيضًا بشكل كبير من مساحة الطلاء الواقي، مما يُوفر تكاليف الاستثمار والصيانة. تتميز الأنابيب الفولاذية ذات الأقطار الكبيرة بمقاطع مجوفة، ويكون طولها أكبر بكثير من قطرها أو محيطها. وتُصنف الأنابيب الفولاذية، وفقًا لشكل المقطع العرضي، إلى أنابيب دائرية ومربعة ومستطيلة وأنابيب ذات أشكال خاصة؛ ووفقًا للمادة، تُصنف إلى أنابيب فولاذية هيكلية كربونية، وأنابيب فولاذية هيكلية منخفضة السبائك، وأنابيب فولاذية مُسبكّة، وأنابيب فولاذية مركبة؛ ووفقًا للاستخدام، تُصنف إلى خطوط أنابيب النقل، والهياكل الهندسية، وأنابيب الفولاذ للمعدات الحرارية، وصناعة البتروكيماويات، وتصنيع الآلات، والحفر الجيولوجي، ومعدات الضغط العالي، وغيرها. وفقًا لعملية الإنتاج، يتم تقسيمها إلى أنابيب فولاذية غير ملحومة وأنابيب فولاذية ملحومة، ومن بينها تنقسم الأنابيب الفولاذية غير الملحومة إلى نوعين: مدرفلة على الساخن ومسحوبة على البارد، وتنقسم الأنابيب الفولاذية الملحومة إلى نوعين: أنابيب فولاذية ملحومة ذات لحام مستقيم وأنابيب فولاذية ملحومة ذات لحام حلزوني.

1. ما هي عملية المعالجة الحرارية لأنابيب الصلب ذات الأقطار الكبيرة؟
(1) خلال عملية المعالجة الحرارية، يعود سبب تغير الشكل الهندسي لأنابيب الصلب ذات الأقطار الكبيرة إلى تأثير إجهاد المعالجة الحرارية. يُعدّ إجهاد المعالجة الحرارية مسألة معقدة نسبيًا، فهو ليس فقط سببًا للعيوب كالتشوه والتشققات، بل هو أيضًا وسيلة مهمة لتحسين مقاومة الإجهاد وإطالة عمر الخدمة لقطع العمل.
(2) لذلك، من المهم فهم آلية وقواعد تغير إجهاد المعالجة الحرارية، وإتقان أساليب التحكم في الإجهاد الداخلي. يشير إجهاد المعالجة الحرارية إلى الإجهاد المتولد داخل قطعة العمل نتيجة لعوامل المعالجة الحرارية (العملية الحرارية وعملية التحول البنيوي).
(3) يكون هذا الإجهاد متوازناً ذاتياً داخل كامل حجم قطعة العمل أو جزء منه، ولذلك يُسمى إجهاداً داخلياً. يُقسم إجهاد المعالجة الحرارية إلى إجهاد شد وإجهاد ضغط وفقاً لطبيعة تأثيره؛ ويمكن تقسيمه إلى إجهاد لحظي وإجهاد متبقٍ وفقاً لزمن تأثيره؛ ويمكن تقسيمه إلى إجهاد حراري وإجهاد نسيجي وفقاً لسبب تكوّنه.
(4) ينشأ الإجهاد الحراري عن التغيرات المتزامنة في درجة الحرارة في أجزاء مختلفة من قطعة العمل أثناء عملية التسخين أو التبريد. فعلى سبيل المثال، في قطعة العمل الصلبة، يسخن السطح دائمًا أسرع من اللب عند التسخين، ويبرد اللب أبطأ من السطح عند التبريد. ويعود ذلك إلى أن امتصاص الحرارة وتبديدها يتمان عبر السطح.
(5) بالنسبة لأنابيب الصلب ذات الأقطار الكبيرة التي لا يتغير تركيبها وبنيتها، يتغير حجمها النوعي عند درجات حرارة مختلفة، طالما أن معامل التمدد الخطي لا يساوي صفرًا. لذلك، أثناء عملية التسخين أو التبريد، تتشكل فجوة بين سطح قطعة العمل ومركزها، مما يؤدي إلى إجهادات داخلية تضغط على بعضها البعض. ومن الواضح أنه كلما زاد فرق درجة الحرارة المتولد داخل قطعة العمل، زاد الإجهاد الحراري.

2. كيف يتم تبريد أنابيب الصلب ذات القطر الكبير بعد عملية التبريد السريع؟
(1) خلال عملية التبريد السريع، يجب تسخين قطعة العمل إلى درجة حرارة أعلى وتبريدها بسرعة أكبر. لذلك، يتولد إجهاد حراري كبير أثناء عملية التبريد السريع، وخاصةً أثناء عملية التبريد نفسها. يوضح الشكل تغيرات درجة الحرارة على سطح ومركز كرة فولاذية قطرها 26 مم عند تبريدها في الماء بعد تسخينها عند 700 درجة مئوية.
(2) في المراحل الأولى من التبريد، تتجاوز سرعة تبريد السطح سرعة تبريد اللب بشكل ملحوظ، ويستمر فرق درجة الحرارة بين السطح واللب في الازدياد. ومع استمرار التبريد، يتباطأ معدل تبريد السطح، بينما يزداد معدل تبريد اللب نسبيًا. وعندما يتساوى معدلا تبريد السطح واللب تقريبًا، يصل فرق درجة حرارتهما إلى قيمة كبيرة.
(3) بعد ذلك، يصبح معدل تبريد القلب أكبر من معدل تبريد السطح، ويتناقص فرق درجة الحرارة بين السطح والقلب تدريجيًا، حتى يختفي تمامًا عندما يبرد القلب كليًا. وتنتج عن هذه العملية إجهاد حراري أثناء التبريد السريع.
(4) في المراحل الأولى من التبريد، تبرد الطبقة السطحية بسرعة، ويبدأ فرق في درجة الحرارة بينها وبين اللب. وبسبب الخصائص الفيزيائية للتمدد والانكماش الحراري، يجب أن ينكمش حجم السطح بشكل موثوق، لكن درجة حرارة اللب لا تزال مرتفعة وحجمه النوعي كبير، مما يمنع السطح من الانكماش بحرية إلى الداخل، وبالتالي يتشكل إجهاد حراري يؤدي إلى تمدد السطح وانضغاط اللب.
(5) مع استمرار التبريد، يزداد فرق درجة الحرارة المذكور أعلاه، ويزداد معه الإجهاد الحراري المتولد. وعندما يصل فرق درجة الحرارة إلى قيمة كبيرة، يكون الإجهاد الحراري كبيرًا أيضًا. إذا كان الإجهاد الحراري في هذه الحالة أقل من مقاومة الخضوع للفولاذ في ظل ظروف درجة الحرارة المقابلة، فلن يتسبب ذلك في تشوه لدن، بل سينتج عنه تشوه مرن طفيف فقط.
(6) عند زيادة التبريد، يتباطأ معدل تبريد الطبقة السطحية، ويتسارع معدل تبريد اللب تبعًا لذلك، ويميل فرق درجة الحرارة إلى الانخفاض، ويتناقص الإجهاد الحراري تدريجيًا. ومع انخفاض الإجهاد الحراري، يتناقص التشوه المرن المذكور أعلاه تبعًا لذلك.