¿Cómo enfriar una tubería 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 son un tipo de acero económico. Su uso para fabricar rejillas estructurales, pilares y soportes mecánicos permite reducir el peso, ahorrar entre un 20 % y un 40 % de metal y permitir una construcción mecanizada similar a la de una fábrica. El uso de tuberías de acero para construir puentes de carretera no solo permite ahorrar acero y simplificar la construcción, sino que también reduce considerablemente el área de recubrimiento protector, lo que ahorra costos de inversión y mantenimiento. Las tuberías de acero de gran diámetro tienen secciones huecas y su longitud es mucho mayor que el diámetro o la circunferencia del acero. Según su forma transversal, se dividen en redondas, cuadradas, rectangulares y de forma especial; según el material, se dividen en tuberías de acero estructural al carbono, tuberías de acero estructural de baja aleación, tuberías de acero aleado y tuberías de acero compuesto; y según su uso, se dividen en tuberías de transporte, estructuras de ingeniería, tuberías de acero para 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 costura y tubos de acero soldados, entre los cuales los tubos de acero sin costura se dividen en laminados en caliente y laminados en frío (estirados). Hay dos tipos, los tubos de acero soldados se dividen en tubos de acero soldados con costura recta y tubos de acero soldados con costura en espiral.

1. ¿Cuál es el proceso de tratamiento térmico de los tubos de acero de gran diámetro?
(1) Durante el proceso de tratamiento térmico, la causa del cambio en la forma geométrica de las tuberías de acero de gran diámetro es el efecto de la tensión del tratamiento térmico. Esta tensión es un problema relativamente complejo. No solo causa defectos como deformaciones y grietas, sino que también es un factor 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 del tratamiento térmico, así como dominar los métodos para controlar la tensión interna. La tensión del tratamiento térmico se refiere a la tensión generada dentro de la pieza de trabajo debido a factores del tratamiento térmico (proceso térmico y proceso de transformación estructural).
(3) Se autoequilibra dentro de todo o parte del volumen de la pieza, por lo que se denomina tensión interna. La tensión del tratamiento térmico se divide en tensión de tracción y tensión de compresión según su naturaleza; se puede dividir en tensión instantánea y tensión residual según su tiempo de acción; y se puede dividir en tensión térmica y tensión tisular según la causa de su formación.
(4) La tensión térmica se produce por los cambios de temperatura sincrónicos en diversas 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 este se enfría más lentamente que la superficie al enfriarse. Esto se debe a que la absorción y disipación del calor se realizan a través de la superficie.
(5) En el caso de tubos de acero de gran diámetro cuya composición y estado de organización no varían, a diferentes temperaturas, siempre que el coeficiente de expansión lineal no sea cero, el volumen específico variará. Por lo tanto, durante el calentamiento o enfriamiento, se formará una separación entre la superficie y el centro de la pieza. Las tensiones internas se comprimen entre sí. Obviamente, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura generada dentro de la pieza, mayor será la tensión térmica.

2. ¿Cómo enfriar tubos de acero de gran diámetro después del proceso de temple?
(1) Durante el proceso de temple, la pieza de trabajo debe calentarse a una temperatura más alta y enfriarse a mayor velocidad. Por lo tanto, durante el temple, especialmente durante el enfriamiento, se genera una gran tensión térmica. La temperatura cambia en la superficie y el centro de una bola de acero de 26 mm de diámetro al enfriarse en agua tras calentarse 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 la superficie y el núcleo continúa aumentando. A medida que el enfriamiento continúa, la velocidad de enfriamiento de la superficie disminuye, mientras que la del núcleo aumenta relativamente. Cuando las velocidades de enfriamiento de la superficie y del 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 que desaparece cuando el núcleo se enfría por completo. Proceso de generación de tensión térmica durante el enfriamiento rápido.
(4) En la etapa inicial del 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 expansión y contracción térmica, el volumen de la superficie debe contraerse de forma fiable, pero la temperatura del núcleo sigue siendo alta y el volumen específico es grande, lo que impide que la superficie se contraiga libremente hacia el interior, generando así una tensión térmica que estira la superficie y comprime el núcleo.
(5) A medida que avanza el enfriamiento, la diferencia de temperatura mencionada continúa 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 en las condiciones de temperatura correspondientes, no se producirá deformación plástica y solo se producirá una deformación elástica mínima.
(6) Al continuar enfriando, la velocidad de enfriamiento de la capa superficial disminuye y la velocidad de enfriamiento del núcleo se acelera en consecuencia. La diferencia de temperatura tiende a disminuir y la tensión térmica también disminuye gradualmente. A medida que la tensión térmica disminuye, la deformación elástica mencionada también disminuye.