Cómo enfriar la tubería de acero de gran diámetro después del proceso de temple

La tubería de acero se utiliza para transportar fluidos y polvos, intercambiar calor y fabricar piezas mecánicas y contenedores; además, es un tipo de acero económico. El uso de tuberías de acero en la construcción de estructuras, pilares y soportes mecánicos permite reducir el peso y ahorrar entre un 20 % y un 40 % de metal, facilitando una construcción mecanizada y con una producción similar a la de una fábrica. El uso de tuberías de acero en la construcción de puentes de carreteras no solo ahorra acero y simplifica la construcción, sino que también reduce considerablemente la superficie recubierta con capas protectoras, ahorrando costes de inversión y mantenimiento. Las tuberías de acero de gran diámetro tienen una sección hueca cuya longitud es mucho mayor que el diámetro o la circunferencia del acero. Según la forma de su sección transversal, se clasifican en tuberías de acero circulares, cuadradas, rectangulares y de formas especiales; según el material, se clasifican en tuberías de acero estructural al carbono, de acero estructural de baja aleación, de acero aleado y de acero compuesto. Las tuberías de acero se utilizan en equipos térmicos, la industria petroquímica, la fabricación de maquinaria, la 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 cuales los tubos de acero sin soldadura se dividen en 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 detuberías de acero de gran diámetro?
(1) Durante el proceso de tratamiento térmico, la causa de la deformación geométrica de las tuberías de acero de gran diámetro es 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 fundamental comprender el mecanismo y la ley de variación de la tensión durante el tratamiento térmico, así como dominar el método para controlar la tensión interna. La tensión durante el 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 del tejido).
(3) Se trata de un autoequilibrio en la totalidad o parte del volumen de la pieza, por lo que se denomina tensión interna. La tensión generada por el tratamiento térmico se puede clasificar 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 genera debido a la asincronía en los cambios de temperatura 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, ya que el calor se absorbe y disipa a través de la superficie.
(5) En tuberías de acero de gran diámetro cuya composición y estructura no varían, al someterse a diferentes temperaturas, siempre que el coeficiente de dilatación lineal sea distinto de cero, el volumen específico cambiará. Por lo tanto, durante el calentamiento o enfriamiento, se producirán tensiones mutuas y esfuerzos internos. Evidentemente, a mayor diferencia de temperatura en la pieza, mayor será el esfuerzo térmico.

2. ¿Cómo enfriar la tubería 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. Al enfriar en agua una bola de acero de 26 mm de diámetro tras calentarla a 700 °C, se produce un cambio de temperatura en la superficie y el núcleo.
(2) En la etapa inicial de enfriamiento, la velocidad de enfriamiento de la superficie es significativamente mayor que la del núcleo, y la diferencia de temperatura entre ambos aumenta continuamente. 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 que el núcleo se enfría por completo y dicha diferencia desaparece. Este es el proceso de generación de tensión térmica durante el enfriamiento rápido.
(4) En la fase 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 dilatación térmica y la contracción por frío, el volumen de la capa superficial debe contraerse de forma constante, mientras que la temperatura del núcleo es alta y su volumen específico es grande, lo que dificulta la contracción libre de la capa superficial hacia el interior, generando así una tensión térmica en la que la capa superficial se estira y el corazón se comprime.
(5) A medida que avanza el enfriamiento, la diferencia de temperatura mencionada anteriormente sigue aumentando, y la tensión térmica resultante 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 la temperatura correspondiente, no se producirá deformación plástica, sino solo una pequeña deformación elástica.
(6) Al continuar el enfriamiento, la velocidad de enfriamiento de la superficie disminuye, mientras que la del núcleo aumenta en consecuencia. La diferencia de temperatura tiende a disminuir y la tensión térmica se reduce gradualmente. A medida que disminuye la tensión térmica, la deformación elástica mencionada también disminuye.