Стальные трубы используются не только для транспортировки жидкостей и порошкообразных твердых веществ, теплообмена, изготовления механических деталей и контейнеров, но и являются экономичным видом стали. Использование стальных труб для изготовления строительных конструкций, опор и механических несущих элементов позволяет снизить вес, сэкономить 20-40% металла и обеспечить механизированное строительство, подобное заводскому. Использование стальных труб для строительства дорожных мостов позволяет не только экономить сталь и упрощать строительство, но и значительно сократить площадь защитного покрытия, экономя инвестиционные и эксплуатационные расходы. Стальные трубы большого диаметра имеют полое сечение, и их длина значительно превышает диаметр или окружность стали. По форме поперечного сечения они делятся на круглые, квадратные, прямоугольные и трубы специальной формы; по материалу — на трубы из углеродистой конструкционной стали, трубы из низколегированной конструкционной стали, трубы из легированной стали и композитные стальные трубы; по назначению — на транспортные трубопроводы, инженерные конструкции, стальные трубы для теплотехнического оборудования, нефтехимическую промышленность, машиностроение, геологическое бурение, оборудование высокого давления и т. д. В зависимости от технологического процесса, они делятся на бесшовные и сварные стальные трубы, среди которых бесшовные стальные трубы подразделяются на горячекатаные и холоднокатаные (тянутые). Сварные стальные трубы делятся на прямошовные и спиральношовные.
1. Что представляет собой процесс термообработки стальных труб большого диаметра?
(1) В процессе термообработки причиной изменения геометрической формы стальных труб большого диаметра является воздействие напряжений, возникающих при термообработке. Напряжения при термообработке – это относительно сложная проблема. Они являются не только причиной дефектов, таких как деформация и трещины, но и важным средством повышения усталостной прочности и срока службы заготовок.
(2) Поэтому важно понимать механизм и закономерности изменения напряжений, возникающих при термической обработке, и освоить методы контроля внутренних напряжений. Под напряжением, возникающим при термической обработке, понимается напряжение, возникающее внутри заготовки из-за факторов термической обработки (термический процесс и процесс структурного преобразования).
(3) Оно самобалансируется в пределах всего или части объема заготовки, поэтому называется внутренним напряжением. Напряжения, возникающие при термической обработке, делятся на растягивающие и сжимающие в зависимости от характера их действия; на мгновенные и остаточные в зависимости от времени их действия; и на термические и тканевые напряжения в зависимости от причины их возникновения.
(4) Тепловое напряжение возникает из-за синхронных изменений температуры в различных частях заготовки в процессе нагрева или охлаждения. Например, для цельной заготовки поверхность всегда нагревается быстрее, чем сердцевина, а сердцевина охлаждается медленнее, чем поверхность. Это происходит потому, что поглощение и рассеивание тепла происходит через поверхность.
(5) Для стальных труб большого диаметра, состав и структура которых не изменяются, при разных температурах, если коэффициент линейного расширения не равен нулю, удельный объем будет изменяться. Следовательно, в процессе нагрева или охлаждения между поверхностью и центром заготовки будет возникать зазор. Внутренние напряжения будут сжимать друг друга. Очевидно, что чем больше разница температур, возникающая внутри заготовки, тем больше термическое напряжение.
2. Как охладить стальные трубы большого диаметра после процесса закалки?
(1) В процессе закалки заготовку необходимо нагреть до более высокой температуры и охладить быстрее. Поэтому во время закалки, особенно во время охлаждения после закалки, возникает большое термическое напряжение. Изменение температуры на поверхности и в центре стального шарика диаметром 26 мм при его охлаждении в воде после нагрева до 700 °C.
(2) На ранней стадии охлаждения скорость охлаждения поверхности значительно превышает скорость охлаждения ядра, и разница температур между поверхностью и ядром продолжает увеличиваться. По мере продолжения охлаждения скорость охлаждения поверхности замедляется, в то время как скорость охлаждения ядра относительно возрастает. Когда скорости охлаждения поверхности и ядра становятся почти равными, разница их температур достигает большого значения.
(3) Впоследствии скорость охлаждения ядра становится больше скорости охлаждения поверхности, и разница температур между поверхностью и ядром постепенно уменьшается, пока разница температур не исчезнет, когда ядро полностью остынет. Процесс возникновения теплового напряжения при быстром охлаждении.
(4) На ранней стадии охлаждения поверхностный слой быстро охлаждается, и между ним и ядром начинает возникать разница температур. Из-за физических характеристик теплового расширения и сжатия объем поверхности должен надежно уменьшаться, но температура ядра все еще высока, а удельный объем велик, что препятствует свободному сжатию поверхности внутрь, тем самым создавая термическое напряжение, при котором поверхность растягивается, а ядро сжимается.
(5) По мере охлаждения указанная выше разница температур продолжает увеличиваться, и, соответственно, возрастает и возникающее термическое напряжение. Когда разница температур достигает большого значения, термическое напряжение также становится большим. Если термическое напряжение в это время ниже предела текучести стали при соответствующих температурных условиях, это не вызовет пластической деформации и приведет лишь к незначительной упругой деформации.
(6) При дальнейшем охлаждении скорость охлаждения поверхностного слоя замедляется, скорость охлаждения ядра соответственно ускоряется, разница температур стремится к уменьшению, а термическое напряжение также постепенно уменьшается. По мере уменьшения термического напряжения, вышеупомянутая упругая деформация также соответственно уменьшается.
Дата публикации: 12 января 2024 г.