¿Cómo enfriar tuberías de acero de gran diámetro después del proceso de temple?

Las tuberías de acero no solo se utilizan para transportar fluidos y sólidos pulverulentos, intercambiar energía térmica y fabricar piezas mecánicas y contenedores, sino que también constituyen un tipo de acero económico. Su uso en la construcción de estructuras, pilares y soportes mecánicos permite reducir el peso, ahorrar entre un 20 % y un 40 % de metal y posibilitar una construcción mecanizada similar a la de una fábrica. En la construcción de puentes carreteros, el uso de tuberías de acero no solo ahorra acero y simplifica la construcción, sino que también reduce considerablemente la superficie de revestimiento protector, ahorrando así en costos de inversión y mantenimiento. Las tuberías de acero de gran diámetro tienen secciones huecas y su longitud es mucho mayor que su diámetro o circunferencia. Según la forma de su sección transversal, se clasifican en tuberías redondas, cuadradas, rectangulares y de formas especiales; según el material, en tuberías de acero estructural al carbono, de acero estructural de baja aleación, de acero aleado y de acero compuesto; y según su uso, en tuberías para transporte, estructuras de ingeniería, equipos térmicos, industria petroquímica, fabricación de maquinaria, perforación geológica, equipos de alta presión, etc. Según el proceso de producción, se dividen en tubos de acero sin soldadura y tubos de acero soldados. Entre los tubos de acero sin soldadura, existen dos tipos: laminados en caliente y laminados en frío (estirados). Los tubos de acero soldados se dividen en tubos de acero soldados con costura recta y tubos de acero soldados con costura espiral.

1. ¿Cuál es el proceso de tratamiento térmico de las tuberías de acero de gran diámetro?
(1) Durante el tratamiento térmico, la deformación geométrica de las tuberías de acero de gran diámetro se debe al efecto de la tensión térmica. Esta tensión es un fenómeno complejo, ya que no solo provoca defectos como deformaciones y grietas, sino que también es un medio importante para mejorar la resistencia a la fatiga y la vida útil de las piezas.
(2) Por lo tanto, es importante comprender el mecanismo y las reglas de cambio de la tensión por tratamiento térmico y dominar los métodos para controlar la tensión interna. La tensión por tratamiento térmico se refiere a la tensión generada dentro de la pieza de trabajo debido a los factores del tratamiento térmico (proceso térmico y proceso de transformación estructural).
(3) Se autoequilibra dentro del volumen total o parcial de la pieza de trabajo, por lo que se denomina tensión interna. La tensión de tratamiento térmico se divide en tensión de tracción y tensión de compresión según su naturaleza; en tensión instantánea y tensión residual según su duración; y en tensión térmica y tensión tisular según su causa.
(4) La tensión térmica se produce por las variaciones de temperatura simultáneas en las distintas partes de la pieza durante el proceso de calentamiento o enfriamiento. Por ejemplo, en una pieza sólida, la superficie siempre se calienta más rápido que el núcleo al calentarse, y el núcleo se enfría más lentamente que la superficie al enfriarse. Esto se debe a que la absorción y disipación del calor se producen a través de la superficie.
(5) En tuberías de acero de gran diámetro cuya composición y estructura no varían, el volumen específico cambia con la temperatura, siempre que el coeficiente de dilatación lineal sea distinto de cero. Por lo tanto, durante el calentamiento o enfriamiento, se genera una separación entre la superficie y el centro de la pieza, produciéndose tensiones internas de compresión mutua. Evidentemente, a mayor diferencia de temperatura en el interior de la pieza, mayor será la tensión térmica.

2. ¿Cómo enfriar tuberías de acero de gran diámetro después del proceso de temple?
(1) Durante el proceso de temple, la pieza debe calentarse a una temperatura elevada y enfriarse rápidamente. Por lo tanto, durante el temple, especialmente durante el enfriamiento, se genera una gran tensión térmica. Se muestran los cambios de temperatura en la superficie y el centro de una bola de acero de 26 mm de diámetro al enfriarse en agua tras calentarla a 700 °C.
(2) En la etapa inicial del enfriamiento, la velocidad de enfriamiento de la superficie supera significativamente la del núcleo, y la diferencia de temperatura entre ambos sigue aumentando. Al continuar el enfriamiento, la velocidad de enfriamiento de la superficie disminuye, mientras que la del núcleo aumenta relativamente. Cuando las velocidades de enfriamiento de la superficie y el núcleo son casi iguales, su diferencia de temperatura alcanza un valor considerable.
(3) Posteriormente, la velocidad de enfriamiento del núcleo es mayor que la de la superficie, y la diferencia de temperatura entre la superficie y el núcleo disminuye gradualmente hasta desaparecer cuando el núcleo se enfría por completo. Este es el proceso de generación de tensión térmica durante el enfriamiento rápido.
(4) En la etapa inicial de enfriamiento, la capa superficial se enfría rápidamente y comienza a producirse una diferencia de temperatura entre esta y el núcleo. Debido a las características físicas de la dilatación y contracción térmica, el volumen de la superficie debe contraerse de forma natural, pero la temperatura del núcleo sigue siendo alta y su volumen específico es grande, lo que impide que la superficie se contraiga libremente hacia el interior, generando así una tensión térmica en la que la superficie se estira y el núcleo se comprime.
(5) A medida que avanza el enfriamiento, la diferencia de temperatura mencionada anteriormente sigue aumentando, y la tensión térmica generada también aumenta en consecuencia. Cuando la diferencia de temperatura alcanza un valor elevado, la tensión térmica también es elevada. Si la tensión térmica en este momento es inferior al límite elástico del acero a las condiciones de temperatura correspondientes, no se producirá deformación plástica y solo se generará una mínima deformación elástica.
(6) Al continuar el enfriamiento, la velocidad de enfriamiento de la capa superficial disminuye, mientras que la del núcleo aumenta en consecuencia, la diferencia de temperatura tiende a disminuir y la tensión térmica también se reduce gradualmente. A medida que disminuye la tensión térmica, la deformación elástica mencionada anteriormente también disminuye.