كيفية تبريد أنبوب فولاذي ذي قطر كبير بعد عملية التبريد السريع

تُستخدم الأنابيب الفولاذية لنقل السوائل والمساحيق، وتبادل الحرارة، وتصنيع الأجزاء الميكانيكية والحاويات، فضلاً عن كونها نوعًا اقتصاديًا من الفولاذ. يُمكن استخدام الأنابيب الفولاذية في بناء شبكات الهياكل، والأعمدة، والدعامات الميكانيكية، مما يُقلل الوزن ويُوفر من 20 إلى 40% من المعدن، ويُتيح إنشاءات آلية تُشبه المصانع. كما أن استخدامها في بناء جسور الطرق السريعة 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 بمقطع مجوف طوله أكبر بكثير من قطرها أو محيطها. وبحسب شكل المقطع العرضي، يُمكن تقسيمها إلى أنابيب دائرية، ومربعة، ومستطيلة، وأنابيب ذات أشكال خاصة؛ وبحسب المادة، يُمكن تقسيمها إلى أنابيب فولاذية هيكلية كربونية، وأنابيب فولاذية هيكلية منخفضة السبائك، وأنابيب فولاذية مُسبكّة، وأنابيب فولاذية مركبة. وتُستخدم الأنابيب الفولاذية في المعدات 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: المدرفلة على الساخن والمدرفلة على البارد (المسحوبة)، وتنقسم الأنابيب الفولاذية الملحومة إلى نوعين: الأنابيب الفولاذية الملحومة ذات اللحام المستقيم والأنابيب الفولاذية الملحومة ذات اللحام الحلزوني.

1. ما هي عملية المعالجة الحرارية لـأنابيب فولاذية ذات قطر كبير?
(1) خلال عملية المعالجة الحرارية، يكون سبب التغير الهندسي في الأنابيب الفولاذية ذات القطر الكبير هو 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 وعمر الخدمة للقطع المشغولة.
(2) لذلك، من الأهمية بمكان فهم آلية وقانون 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 تحول الأنسجة).
(3) يُسمى الإجهاد الداخلي بإجهاد التوازن الذاتي في كامل حجم قطعة العمل أو جزء منه. ويمكن تقسيم إجهاد المعالجة الحرارية إلى إجهاد شد وإجهاد ضغط وفقًا لطبيعة تأثيره؛ كما يمكن تقسيمه إلى إجهاد لحظي وإجهاد متبقٍ وفقًا لزمن تأثيره؛ ويمكن تقسيمه إلى إجهاد حراري وإجهاد نسيجي وفقًا لسبب تكوّنه.
(4) ينشأ الإجهاد الحراري نتيجةً لعدم تزامن تغيرات 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، وذلك لأن الحرارة تُمتص وتُبدد عبر السطح.
(5) بالنسبة لأنابيب الصلب ذات الأقطار الكبيرة التي لا يتغير تركيبها وبنيتها، فعند تعرضها لدرجات حرارة مختلفة، طالما أن معامل التمدد الطولي لا يساوي صفرًا، سيتغير حجمها النوعي. لذلك، أثناء عملية التسخين أو التبريد، سينشأ شد متبادل وإجهاد داخلي. ومن الواضح أنه كلما زاد فرق درجة الحرارة المتولد في قطعة العمل، زاد الإجهاد الحراري.

2. كيف يتم تبريد أنبوب الصلب ذي 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 خلال مرحلتي التبريد والتبريد. عند تبريد كرة فولاذية قطرها 26 مم في الماء بعد تسخينها عند 700 درجة مئوية، يتغير كل من سطحها ولبها.
(2) في المرحلة الأولى من التبريد، يكون معدل تبريد السطح أعلى بكثير من معدل تبريد اللب، ويتزايد فرق درجة الحرارة بينهما باستمرار. 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، يكون معدل تبريد القلب أكبر من معدل تبريد السطح، ويتناقص فرق درجة الحرارة بين السطح والقلب تدريجيًا حتى يبرد القلب تمامًا، ويختفي فرق درجة الحرارة أيضًا. هذه هي عملية توليد الإجهاد الحراري أثناء التبريد السريع.
(4) في المراحل الأولى من التبريد، تبرد الطبقة السطحية بسرعة، ويبدأ فرق في درجة الحرارة بينها وبين اللب. ونظرًا للخصائص الفيزيائية للتمدد الحراري والانكماش البارد، يجب أن ينكمش حجم الطبقة السطحية بشكل دقيق، بينما تكون درجة حرارة اللب مرتفعة وحجمه النوعي كبيرًا، مما يعيق انكماش الطبقة السطحية بحرية نحو الداخل، وبالتالي يُشكّل إجهادًا حراريًا يؤدي إلى تمدد الطبقة السطحية وانضغاط اللب.
(5) مع استمرار عملية التبريد، يزداد فرق درجة الحرارة المذكور أعلاه، وبالتالي يزداد الإجهاد الحراري الناتج. 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 عند درجة الحرارة المقابلة، فلن يحدث تشوه لدن، بل تشوه مرن طفيف فقط.
(6) عند زيادة التبريد، يتباطأ معدل تبريد السطح، ويزداد 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.