Методи усунення внутрішньої залишкової напруги в безшовних сталевих трубах

Під час таких процесів, як прокатка, зварювання, холодна обробка та термічна обробка,безшовні сталеві трубисхильні до внутрішньої залишкової напруги внаслідок локальних температурних коливань, змін мікроструктури або нерівномірної пластичної деформації. Якщо не усунути залишкову напругу, вона може призвести до деформації та розтріскування, зменшуючи-несучу здатність труби та термін служби. Далі представлені три основні методи усунення напруги, засновані на загальновживаних інженерних методах, які збалансовують ефективність і практичність.

 

 

1. Термічна обробка: найбільш ґрунтовне та основне рішення

Термічна обробка, яка використовує тепло для перегрупування атомів у сталевій трубі та зняття напруги, є найпоширенішим і найефективнішим методом у промисловості. В першу чергу це включає низькотемпературний-відпал і відпал для зняття напруги.

Низько{0}}температурний відпуск підходить для загартованих труб, таких як високо-вуглецева та легована сталь. Сталеву трубу нагрівають до 150-250 градусів, витримують при цій температурі протягом 1-3 годин, а потім повільно охолоджують. Під час цього процесу структура мартенситу частково розкладається, утворюючи дрібнодисперсні карбіди, які зменшують спотворення решітки та можуть усунути 60–80% залишкової напруги без значного зниження твердості. Наприклад, після загартування безшовна сталева труба 45# проходить низькотемпературний відпуск при 200 градусах, знижуючи залишкову напругу з 800 МПа до нижче 200 МПа, зберігаючи при цьому твердість 25-30 HRC, що робить її придатною для використання в механічних частинах.

 

Відпал для зняття напруги підходить для низько-вуглецевої сталі, середньо-вуглецевої сталі та зварних сталевих труб. Трубу нагрівають до 550-650 градусів (нижче температури фазового переходу), витримують 2-4 години, а потім повільно охолоджують в печі. Цей процес усуває внутрішні напруги, викликані пластичною деформацією за допомогою атомної дифузії, усуваючи 70%-90% залишкової напруги з мінімальним впливом на механічні властивості. Наприклад, після зварювання сталевої труби ASTM A106 Gr.B відпал для зняття напруги при 600 градусах зменшує залишкову напругу в зоні зварного шва з 500 МПа до 80 МПа, ефективно запобігаючи тріщинам зварного шва та роблячи його придатним для транспортних трубопроводів.

 

2. Зменшення механічної напруги: гнучкий і ефективний допоміжний метод

Зменшення механічної напруги використовує зовнішні сили, щоб викликати локалізовану пластичну деформацію в сталевих трубах, компенсуючи внутрішні залишкові напруги. Цей метод підходить для великих труб, де опалення є незручним, або для-будівництва на місці. В першу чергу це включає вібраційне старіння та випрямлення тиском.

Вібраційне старіння передбачає прикріплення вібратора до сталевої труби та застосування вібрації на певній частоті (50-100 Гц), щоб викликати резонанс труби. Під час цього резонансу залишкова напруга перевищує межу текучості матеріалу, викликаючи мікроскопічну пластичну деформацію та, таким чином, звільняючи напругу. Цей метод використовує низьку енергію (лише 1/10 теплової обробки) і займає лише 1-2 години. Він може усунути 30%-50% залишкової напруги, не пошкоджуючи поверхню. Наприклад, безшовна сталева труба Q345 великого діаметру діаметром 1 метр може знизити залишкову напругу з 400 МПа приблизно до 200 МПа за допомогою вібраційного старіння. Цей метод підходить для зняття напруги на місці труб, які використовуються в мостах і сталевих конструкціях.

 

Вирівнювання під тиском використовує гідравлічний прес для застосування тиску до вигинів або концентрації напруги в сталевій трубі, викликаючи зворотну пластичну деформацію та врівноважуючи залишкові напруги. Тиск регулюється відповідно до специфікацій труби (зазвичай 50%-70% межі текучості матеріалу) і підтримується протягом 10-30 хвилин. Цей метод може усунути локалізовані напруги (такі як напруги на кінцях труби після холодного витягування) зі швидкістю зменшення 40%-60%. Він зазвичай використовується для регулювання стресу вбезшовні сталеві трубидля прецизійного обладнання, що забезпечує точність подальшої обробки.

 

3. Природне старіння: недороге-довгострокове-рішення

Природне старіння передбачає вплив на сталеву трубу зовнішнього природного середовища (температура -20-40 градусів, вологість 40%-80%). Тривалі-температурні коливання та легка вібрація поступово знімають внутрішні напруги. Цей метод не потребує інвестицій у обладнання та є надзвичайно дешевим, але займає багато часу (зазвичай 3-12 місяців) і підходить лише для низьковуглецевих сталевих труб із коротким часом обробки та низьким рівнем напруги, наприклад 20#безшовні сталеві трубидля загального транспортування рідини. Природне старіння може усунути 20%-30% залишкової напруги та запобігти нагріванню поверхні труби, що робить її придатною для застосувань, які вимагають високої естетики.

 

Таким чином, у фактичних застосуваннях метод слід вибирати на основі матеріалу сталевої труби, специфікації, рівня напруги та умов експлуатації: термічна обробка є кращою для високих навантажень і високих вимог до точності; механічні методи можна використовувати для -будівництва на місці або великих труб; і природне старіння можна використовувати для недорогих-довгострокових-проектів. Розумна комбінація цих методів (наприклад, відпал для зняття напруги з наступним вібраційним старінням після зварювання) може додатково підвищити зняття напруги та забезпечити ефективність і безпеку безшовних сталевих труб.