În timpul producției și prelucrării țevilor de oțel, din cauza deformării neuniforme și a schimbărilor de temperatură în interior, în interiorul acestora se formează un fel de stres care se poate auto-echilibra chiar și fără forță externă. Acesta este stresul rezidual.
🔍 Tensiuni reziduale în conductele de oțel: cauze, efecte și strategii de eliminare
🔬 Definiția și cauzele stresului rezidual
Tensiunea reziduală se referă la tensiunea care rămâne în interiorul unui metal și se află în auto{0}}echilibru după ce forța externă este eliminată. Apariția sa provine în principal din neomogenitatea diferitelor fenomene fizice în timpul procesului de fabricație.
• Răcire neuniformă:
În timpul procesului de laminare la cald, când țeava de oțel se răcește dintr-o stare de-temperatură ridicată, dacă ratele de răcire ale diferitelor părți ale-secțiunii transversale nu sunt consecvente, va duce la contracție asincronă, formând astfel stres rezidual de auto-echilibrare în interior. În general, cu cât dimensiunea-secțiunii transversale a secțiunii de oțel este mai mare, cu atât efortul rezidual este mai mare.
• Deformare plastică neuniformă:
În timpul proceselor de prelucrare la rece, cum ar fi laminarea la rece și trefilarea la rece, materialele metalice suferă extrudare de către role și deformare plastică. Dacă gradele de deformare ale straturilor interioare și exterioare ale țevii de oțel nu sunt consistente, aceasta va duce la o distribuție ne-uniformă a tensiunilor.
• Proces de sudare:
La fabricarea țevilor sudate cu cusături drepte sau țevilor sudate în spirală, metalul din zona de sudare suferă o încălzire și răcire locală intensă. În timpul acestui proces, deformarea locală indusă de contracția cordonului de sudură este adesea de câteva ori mai mare decât deformarea punctului de curgere, generând astfel o tensiune reziduală uriașă de sudare.
⚠️ Principala influență a stresului rezidual
Existența stresului rezidual este ca și cum ar fi însămânțat „semințele pericolelor ascunse” în interiorul țevii de oțel, punând în pericol mai multe performanțe și durata de viață a acesteia.
1. Cauza deformare și instabilitate dimensională:
Tensiunea reziduală poate perturba echilibrul mecanic din interiorul țevii de oțel, ducând la deformare, cum ar fi îndoirea sau răsucirea în timpul prelucrării, depozitării sau utilizării ulterioare. Când tensiunea reziduală depășește 15% din limita de curgere a materialului, eroarea de dreptate a țevii de oțel finite poate crește brusc cu mai mult de 30%, afectând serios acuratețea dimensională a produsului.
2. Reduceți durata de viață la oboseală și{1}}capacitatea portantă:
Tensiunile reziduale, în special tensiunile de tracțiune, pot reduce semnificativ rezistența la oboseală a țevilor de oțel. În condiții de încărcare ciclică, zonele cu tensiuni de întindere reziduale sunt mai predispuse să inițieze fisuri de oboseală și să accelereze propagarea acestora, ducând astfel la defectarea prematură a componentelor și scurtând durata de viață a acestora.
3. Risc crescut de fisurare:
Pentru țevile de oțel sudate, efortul rezidual existent în zona cusăturii de sudură prezintă adesea o stare de solicitare în trei-direcții, care crește foarte mult riscul de fisurare. Dacă oțelul însuși are delaminare (incluziunile sunt presate în foi subțiri), tensiunea reziduală poate provoca, de asemenea, ruperea stratului intermediar atunci când cusătura de sudură se micșorează.
4. Intensificarea coroziunii intergranulare:
Stresul rezidual poate spori reactivitatea chimică a metalelor. Sub acțiunea tensiunii reziduale de tracțiune, țevile de oțel (în special țevile din oțel inoxidabil) sunt deosebit de predispuse la fisurarea coroziunii intergranulare, adică sunt corodate la limitele cristalului, afectând astfel grav rezistența la coroziune.
5. Impact asupra proprietăților mecanice și siguranței construcției:
Luând ca exemplu țevile sudate în spirală, Unghiul dintre direcția de fisurare a distribuției liniei spiralate și axa țevii (de obicei 30-70 de grade) și unghiul de rupere prin forfecare sunt similare, ceea ce înseamnă că performanța sa de îndoire, tracțiune, compresiune și torsiune poate fi inferioară celei ale țevilor sudate cu arc submers cu cusătură dreaptă. În plus, în timpul procesului de construcție, sudurile liniei de intersecție la noduri pot tăia cusăturile spiralate, generând tensiuni semnificative la sudare și slăbind performanța de siguranță a componentelor.
💡 Principalele metode de eliminare a stresului rezidual
Ideea de bază a depășirii stresului rezidual este de a oferi acestuia o „ieșire pentru eliberare”, de obicei prin metode fizice sau termodinamice. Următorul tabel compară trei metode principale de eliminare:
| Metoda de eliminare |
Principii de bază |
Scena aplicabilă | Efect de eliminare | Avantajele cheie |
|
Tratament termic |
Prin încălzire, atomii câștigă energie pentru a se rearanja, iar stresul este eliberat în timpul procesului de răcire lentă | Materiale pentru conducte de{0}}înaltă precizie și{1}}solicitare ridicată; Eliberați stresul după sudare. | Poate elimina 60% până la 90% din stres, cu efectul cel mai complet. | Are cel mai amănunțit efect și este soluția principală în industrie. |
| Metoda mecanică | Prin aplicarea de forțe externe, cum ar fi vibrația sau presiunea, se produce deformarea plastică locală, compensând sau reducând astfel stresul rezidual | Materiale de conducte mari,-construcții pe șantier și scenarii în care încălzirea este incomodă. | De obicei, 30% până la 60% din stres este eliminat. | Flexibil și eficient, nu necesită încălzire și costuri reduse. |
| Îmbătrânire naturală | Profitând de-schimbările de temperatură pe termen lung și de vibrațiile ușoare din mediul natural, stresul este eliberat lent și natural | Țevi-de oțel cu conținut scăzut de carbon, cu cerințe nu stricte pentru perioada de construcție și niveluri de solicitare nu ridicate. | Este nevoie de un timp extrem de lung (3 până la 12 luni), eliminând doar 20% până la 30% | Costul este extrem de mic, nefiind nevoie de echipamente sau energie |
🔍Aplicații specifice ale metodelor mecanice:
• Puncte cheie ale procesului de tratament termic:
Recoacere obișnuită de reducere a tensiunii implică încălzirea țevii de oțel la o anumită temperatură (de obicei sub temperatura de transformare a fazei sau temperatura de recristalizare, cum ar fi 500-650 de grade), menținerea ei pentru o perioadă de timp și apoi răcirea lent. Pentru oțel cu carbon înalt-sau oțel aliat, se poate adopta și temperatură la temperatură joasă (150-250 grade ) pentru a elimina unele tensiuni fără a reduce semnificativ duritatea.
• Aplicații specifice ale metodelor mecanice:
Reducerea stresului prin vibrații: Fixați excitatorul pe țeava de oțel și aplicați vibrații cu o anumită frecvență pentru a face rezonanță, omogenizând sau eliminând astfel stresul. Această metodă are un consum redus de energie și un consum de timp scurt, dar efectul ei de eliminare nu este la fel de bun ca cel al tratamentului termic.
Îndreptarea prin presiune: prin aplicarea unei presiuni asupra părților îndoite sau concentrate{0}}de țevi de oțel printr-o presă hidraulică, se produce o deformare plastică inversă pentru a echilibra solicitarea.
• Aplicarea combinației de procese:
În producția industrială reală, aceste metode sunt adesea combinate și utilizate în funcție de circumstanțe specifice. De exemplu, pentru țevile de oțel cu cerințe extrem de ridicate, după tratarea termică și recoacere de reducere a tensiunii, tratamentul de îmbătrânire prin vibrații poate fi suplimentat pentru a stabiliza în continuare dimensiunile și starea de solicitare. Prin optimizarea parametrilor procesului de laminare, îmbunătățirea designului matriței și introducerea tehnologiei de control inteligent, generarea de stres rezidual poate fi redusă de la sursă.
