Стальные трубы используются не только для транспортировки жидкостей и порошкообразных твердых веществ, обмена тепловой энергией, изготовления механических деталей и контейнеров, но они также являются своего рода экономичной сталью. Использование стальных труб для изготовления строительных структурных сеток, столбов и механических опор может снизить вес, сэкономить 20-40% металла и обеспечить механизированное строительство на уровне заводов. Использование стальных труб для строительства дорожных мостов может не только сэкономить сталь и упростить строительство, но и значительно сократить площадь защитного покрытия, экономя инвестиции и затраты на техническое обслуживание. Стальные трубы большого диаметра имеют полые секции, и их длина значительно больше диаметра или окружности стали. По форме поперечного сечения они делятся на круглые, квадратные, прямоугольные и стальные трубы специальной формы; по материалу они делятся на трубы из углеродистой конструкционной стали, трубы из низколегированной конструкционной стали, трубы из легированной стали и композитные стальные трубы; по использованию они делятся на транспортные трубопроводы, инженерные конструкции, стальные трубы для теплового оборудования, нефтехимической промышленности, машиностроения, геологического бурения, оборудования высокого давления и т. д.; В зависимости от способа производства трубы стальные делятся на бесшовные и сварные, среди которых бесшовные стальные трубы делятся на горячекатаные и холоднокатаные (тянутые). Сварные стальные трубы бывают двух типов: прямошовные и спиральношовные.
1. Каков процесс термической обработки стальных труб большого диаметра?
(1) В процессе термообработки причиной изменения геометрической формы стальных труб большого диаметра является воздействие термических напряжений. Термообработка представляет собой относительно сложную проблему. Она является не только причиной возникновения таких дефектов, как деформация и трещины, но и важным средством повышения усталостной прочности и срока службы деталей.
(2) Поэтому важно понимать механизм и закономерности изменения напряжений, возникающих при термической обработке, а также освоить методы управления внутренними напряжениями. Под напряжением при термической обработке понимают напряжения, возникающие внутри заготовки под воздействием факторов термической обработки (термического процесса и процесса структурного превращения).
(3) Оно самоуравновешивается во всём объёме заготовки или его части, поэтому называется внутренним напряжением. По характеру воздействия напряжения, возникающие при термической обработке, подразделяются на растягивающие и сжимающие; по времени воздействия – на мгновенные и остаточные; а по причине возникновения – на термические и тканевые.
(4) Тепловые напряжения возникают вследствие синхронного изменения температуры в различных частях заготовки в процессе нагрева или охлаждения. Например, в случае цельной заготовки поверхность всегда нагревается быстрее сердцевины при нагревании, а сердцевина охлаждается медленнее поверхности при охлаждении. Это объясняется тем, что поглощение и рассеивание тепла осуществляется через поверхность.
(5) Для стальных труб большого диаметра, состав и агрегатное состояние которых не меняются, при различных температурах, пока коэффициент линейного расширения не равен нулю, удельный объём будет изменяться. Следовательно, в процессе нагрева или охлаждения между поверхностью и центром заготовки будет возникать зазор. Внутренние напряжения, сжимающие друг друга, возникают. Очевидно, что чем больше разность температур, возникающая внутри заготовки, тем больше термические напряжения.
2. Как охладить стальные трубы большого диаметра после закалки?
(1) В процессе закалки заготовку необходимо нагревать до более высокой температуры и охлаждать с более высокой скоростью. Поэтому в процессе закалки, особенно при охлаждении после закалки, возникают значительные термические напряжения. 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 остывания скорость охлаждения поверхности значительно превышает скорость охлаждения ядра, и разность температур между поверхностью и ядром продолжает увеличиваться. По мере дальнейшего остывания скорость охлаждения поверхности замедляется, а скорость охлаждения ядра относительно увеличивается. Когда скорости охлаждения поверхности и ядра практически равны, разность их температур достигает большой величины.
(3) В дальнейшем скорость охлаждения ядра превышает скорость охлаждения поверхности, и разница температур между поверхностью и ядром постепенно уменьшается, пока не исчезнет, когда ядро полностью остынет. Процесс возникновения термических напряжений при быстром охлаждении.
(4) На ранней стадии охлаждения поверхностный слой быстро охлаждается, и между ним и сердцевиной начинает возникать разность температур. В силу физических характеристик теплового расширения и сжатия объём поверхности должен гарантированно сокращаться, но температура сердцевины всё ещё высока, а удельный объём велик, что препятствует свободному сжатию поверхности внутрь, создавая тем самым температурное напряжение, при котором поверхность растягивается, а сердцевина сжимается.
(5) По мере охлаждения указанная выше разность температур продолжает увеличиваться, и соответственно увеличивается возникающее термическое напряжение. При достижении большой разности температур термическое напряжение также становится большим. Если термическое напряжение в этот момент ниже предела текучести стали при соответствующих температурных условиях, оно не вызовет пластической деформации, а вызовет лишь незначительную упругую деформацию.
(6) При дальнейшем охлаждении скорость охлаждения поверхностного слоя замедляется, а скорость охлаждения сердцевины соответственно увеличивается, разность температур имеет тенденцию к уменьшению, а термическое напряжение также постепенно уменьшается. По мере уменьшения термического напряжения соответственно уменьшается и указанная выше упругая деформация.
Время публикации: 12 января 2024 г.