По време на производството и обработката на стоманени тръби, поради неравномерната деформация и температурни промени вътре, в тях се образува вид напрежение, което може да се само-балансира дори без външна сила. Това е остатъчен стрес.
🔍 Остатъчно напрежение в стоманени тръби: причини, ефекти и стратегии за отстраняване
🔬 Определение и причини за остатъчен стрес
Остатъчното напрежение се отнася до напрежението, което остава в метала и е в само-равновесие, след като външната сила бъде елиминирана. Неговото възникване произтича главно от нехомогенността на различни физически явления по време на производствения процес.
• Неравномерно охлаждане:
По време на процеса на горещо валцуване, когато стоманената тръба се охлади от високо-температурно състояние, ако скоростите на охлаждане на различните части на напречното-сечение не са последователни, това ще доведе до асинхронно свиване, като по този начин се образува само-балансиращо се остатъчно напрежение вътре. Обикновено колкото по-голям е размерът на напречното-сечение на профилната стомана, толкова по-голямо е остатъчното напрежение.
• Неравномерна пластична деформация:
По време на процеси на студена обработка, като студено валцуване и студено изтегляне, металните материали претърпяват екструдиране от ролките и пластична деформация. Ако степента на деформация на вътрешния и външния слой на стоманената тръба не е последователна, това ще доведе до не-равномерно разпределение на напрежението.
• Процес на заваряване:
При производството на заварени тръби с прав шев или спирално заварени тръби, металът в областта на заварката претърпява интензивно локално нагряване и охлаждане. По време на този процес локалното напрежение, предизвикано от свиването на заваръчния шев, често е няколко пъти по-голямо от напрежението в границата на провлачване, като по този начин генерира огромно остатъчно напрежение при заваряване.
⚠️ Основното влияние на остатъчния стрес
Съществуването на остатъчно напрежение е като да посеете „семето на скрити опасности“ вътре в стоманената тръба, създавайки множество заплахи за нейната работа и експлоатационен живот.
1. Причинява деформация и нестабилност на размерите:
Остатъчното напрежение може да наруши механичния баланс вътре в стоманената тръба, което води до деформация като огъване или усукване по време на последваща обработка, съхранение или употреба. Когато остатъчното напрежение надвишава 15% от границата на провлачване на материала, грешката на изправеността на готовата стоманена тръба може да се увеличи рязко с повече от 30%, което сериозно да повлияе на точността на размерите на продукта.
2. Намалете издръжливостта на умора и товароносимостта-:
Остатъчното напрежение, особено напрежението на опън, може значително да намали устойчивостта на умора на стоманените тръби. При циклично натоварване зоните с остатъчно напрежение на опън са по-склонни да инициират пукнатини от умора и да ускорят тяхното разпространение, като по този начин водят до преждевременна повреда на компонентите и съкращаване на експлоатационния им живот.
3. Повишен риск от напукване:
За заварените стоманени тръби остатъчното напрежение, съществуващо в областта на заваръчния шев, често представлява три{0}}посочно състояние на напрежение, което значително увеличава риска от напукване. Ако самата стомана има разслояване (включванията се пресоват в тънки листове), остатъчното напрежение може също да причини разкъсване на междинния слой, когато заваръчният шев се свие.
4. Засилване на междукристалната корозия:
Остатъчното напрежение може да подобри химическата реактивност на металите. Под действието на остатъчното напрежение на опън, стоманените тръби (особено тръбите от неръждаема стомана) са особено склонни към напукване от междукристална корозия, т.е. те са корозирали по границите на кристалите, като по този начин сериозно засягат тяхната устойчивост на корозия.
5. Въздействие върху механичните свойства и безопасността на конструкцията:
Вземайки спирално заварени тръби като пример, ъгълът между посоката на пукнатината на разпределението на спиралната линия и оста на тръбата (обикновено 30-70 градуса) и ъгълът на разрушаване при срязване е подобен, което означава, че неговите характеристики на огъване, опън, натиск и усукване може да са по-ниски от тези на дъгово заварени тръби с прав шев под флюс. В допълнение, по време на строителния процес заваръчните шевове на пресечната линия във възлите могат да срежат спиралните шевове, генерирайки значително напрежение при заваряване и отслабвайки безопасността на компонентите.
💡 Основните методи за елиминиране на остатъчния стрес
Основната идея за преодоляване на остатъчния стрес е да му се осигури "изход за освобождаване", обикновено чрез физични или термодинамични методи. Следващата таблица сравнява три основни метода за елиминиране:
| Метод на елиминиране |
Основни принципи |
Приложима сцена | Елиминационен ефект | Основни ключови предимства |
|
Термична обработка |
Чрез нагряване атомите получават енергия, за да се пренаредят, а напрежението се освобождава по време на бавния процес на охлаждане | Тръбни материали с висока-прецизност и високо{1}}напрежение; Облекчете стреса след заваряване. | Може да елиминира 60% до 90% от стреса, с най-пълен ефект. | Има най-задълбочен ефект и е основното решение в индустрията. |
| Механичен метод | Чрез прилагане на външни сили като вибрации или натиск се предизвиква локална пластична деформация, като по този начин се компенсира или намалява остатъчното напрежение | Големи тръбни материали, -изграждане на място и сценарии, при които отоплението е неудобно. | Обикновено 30% до 60% от стреса се елиминира. | Гъвкав и ефективен, без нужда от отопление и ниска цена. |
| Естествено стареене | Като се възползвате от дългосрочните-температурни промени и леките вибрации в естествената среда, стресът се освобождава бавно и естествено | Ниско{0}}въглеродни стоманени тръби с нестроги изисквания за строителния период и невисоки нива на напрежение. | Отнема много дълго време (3 до 12 месеца), като елиминира само 20% до 30% | Цената е изключително ниска, не изисква оборудване или енергия |
🔍Специфични приложения на механичните методи:
• Основни моменти от процеса на термична обработка:
Обичайното отгряване за облекчаване на напрежението включва нагряване на стоманената тръба до определена температура (обикновено под температурата на фазова трансформация или температура на прекристализация, като 500-650 градуса), задържане за определен период от време и след това бавно охлаждане. За високо-въглеродна стомана или легирана стомана също може да се приеме закаляване при ниска температура (150-250 градуса), за да се елиминира известно напрежение, без значително да се намали твърдостта.
• Специфични приложения на механичните методи:
Облекчаване на напрежението от вибрации: Фиксирайте възбудителя върху стоманената тръба и приложете вибрация с определена честота, за да я накарате да резонира, като по този начин хомогенизира или елиминира напрежението. Този метод има ниска консумация на енергия и кратко време, но неговият елиминиращ ефект не е толкова добър, колкото този на термичната обработка.
Изправяне под налягане: Чрез прилагане на натиск върху огънатите или концентрирани{0}}части на стоманената тръба чрез хидравлична преса се получава обратна пластична деформация, за да се балансира напрежението.
• Комбинирано приложение на процеси:
В действителното промишлено производство тези методи често се комбинират и използват според конкретни обстоятелства. Например, за стоманени тръби с изключително високи изисквания, след топлинна обработка и отгряване за облекчаване на напрежението, обработката с вибрационно стареене може да бъде допълнена за допълнително стабилизиране на размерите и състоянието на напрежение. Чрез оптимизиране на параметрите на процеса на валцоване, подобряване на дизайна на формата и въвеждане на интелигентна технология за управление, генерирането на остатъчно напрежение може да бъде намалено от източника.
