تحليل إجهاد المعالجة الحرارية في الأنابيب الفولاذية وتأثيرها على عمر الخدمة

ما هو الإجهاد المعالجة الحرارية

إجهاد المعالجة الحرارية هو الإجهاد الداخلي الذي يبقى في مكون الفولاذ بعد اكتمال دورة التسخين والتبريد. يتم إنشاؤه عندما تمر أجزاء مختلفة من نفس القسم خلال الدورة الحرارية بمعدلات مختلفة أو تتحول في أوقات مختلفة، ويتم تثبيته في المادة بمجرد تبريد المكون إلى درجة حرارة الغرفة.

الإجهاد ليس ضارا تلقائيا. عندما يتم التحكم فيها وترتيبها بحيث تتحمل الطبقة السطحية الضغط، فإنها تزيد من مقاومة الكلال وعمر الخدمة. عندما لا يتم التحكم فيه، فإنه يزيد من الضغط الناتج عن الضغط والانحناء والتدوير الحراري، ويمكن أن يدفع أحد المكونات إلى ما هو أبعد من قوة الخضوع أو، في أسوأ الحالات، إلى ما هو أبعد من قوة الشد.

الإجهاد الحراري وإجهاد التحول

أثناء التسخين والتبريد، لا تتغير درجة حرارة السطح والقلب للأنبوب بنفس السرعة. وينتج عن اختلاف درجة الحرارة الناتج تمدد وانكماش غير متساويين، وبالتالي إجهاد. أثناء تبريد الأنبوب، يكون السطح في البداية أكثر برودة من القلب ويحاول الانكماش أكثر مما يسمح به القلب، لذلك يتم سحب القلب إلى التوتر ويتم دفع السطح إلى الضغط. عندما يقترب التبريد من الاكتمال، ينعكس الوضع، لأن القلب يجب أن ينكمش أخيرًا على سطح أصبح صلبًا بالفعل، وبالتالي ينتهي القلب في حالة توتر والسطح في حالة ضغط. ويسمى هذا المكون الإجهاد الحراري.

المكون الثاني هو إجهاد التحول، والذي يظهر فقط في الفولاذ الذي يتصلب. عندما تتحول الطبقة السطحية إلى مارتنسيت قبل أن يتحول اللب، يتمدد السطح بينما يظل اللب أوستنيتيًا ولينًا نسبيًا، ويتمدد اللب بشكل لدن في حالة توتر. بعد أن يتحول القلب بدوره، لا يمكنه التمدد بحرية لأن السطح صلب بالفعل، لذلك يبقى نمط التوازن الذاتي للضغط: السطح الصلب في حالة ضغط، والقلب في حالة توتر.

ويزداد حجم كلا المكونين مع معدل التبريد ومحتوى الكربون ومحتوى السبائك. يؤدي التبريد الأسرع والصلابة الأعلى وأجزاء الجدار الأثقل إلى زيادة الضغط البلاستيكي الناتج أثناء الدورة وبالتالي زيادة الضغط المتبقي في الأنبوب النهائي.

العواقب على الأنابيب والأنابيب والتجهيزات

التشويه: عندما يتجاوز الإجهاد المتبقي قوة الخضوع محليًا، ينحني الأنبوب أو يصبح بيضاويًا أو يفقد استقامته، ولا يمكن إعادته إلى التسامح عن طريق الاستقامة العادية.

التشقق: عندما يتجاوز الضغط المتبقي والضغط المطبق قوة الشد، أو عندما يتعرض الهيكل الصلب للهيدروجين، يبدأ التشقق عند السطح أو عند تركيز الإجهاد مثل إصبع اللحام.

فقدان استقرار الأبعاد بعد التشغيل الآلي: يتم إعادة توزيع الضغط الداخلي عند إزالة المادة أثناء الخيوط أو التشغيل الآلي، وبالتالي يتحرك المكون بعد القطع النهائي.

تقليل الكلال ومقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد: يؤدي إجهاد الشد المتبقي على السطح إلى تقصير عمر الكلال ويقلل من عتبة التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي، في حين أن إجهاد الضغط له تأثير معاكس.

التشتت في نتائج الاختبار الميكانيكي: يمكن أن يُظهر الطول ذو حالة الإجهاد غير المتساوية قوة إنتاج وصلابة غير متناسقة على طوله.

تقليل وتخفيف التوتر

المقياس الأول هو تصميم العملية وليس التصحيح. التسخين الموحد في فرن يتم التحكم فيه جيدًا-، والتبريد المتحكم فيه مع توزيع الرذاذ المتساوي، والتأخير المحدد بين التبريد والتلطيف، كلها عوامل تقلل من ذروة الإجهاد التي يجب التعامل معها لاحقًا. يتجنب التبريد البطيء والمتناسق بعد التقسية إضافة نمط ضغط حراري جديد فوق النمط الموجود.

الإجراء الثاني هو تخفيف التوتر. يسمح التقسية عند درجة حرارة مناسبة أقل من درجة الحرارة الحرجة المنخفضة للفولاذ بتخفيف الضغط المتبقي مع ضبط القوة إلى المستوى المطلوب؛ يتم تطبيق تخفيف الضغط المخصص- عندما يكون استقرار الأبعاد أمرًا بالغ الأهمية. يعد تخفيف الضغط خطوة قياسية للأنابيب والتجهيزات الملحومة، ويجب تحديد درجة حرارتها ووقتها للدرجة الفعلية وفقًا لرمز البناء الحاكم، مثل ASME B31.3.

عندما يكون الإجهاد السطحي الانضغاطي مفيدًا، فمن الممكن تقديمه بشكل متعمد. يتم استخدام الصقل بالطلقات، ودحرجة السطح التي يتم التحكم فيها، وفي بعض الحالات، تصلب السطح لوضع الطبقة الخارجية للمكون تحت الضغط، وهذا هو السبب في أن تأثير الطبقة السطحية الضاغطة -المصممة جيدًا على عمر الكلال قد اجتذب الكثير من الاهتمام في إنتاج الأنابيب والوصلات.

نقاط القياس والتفتيش

ونظرًا لعدم إمكانية رؤية الإجهاد المتبقي، فإن حلقة التحكم العملية هي توثيق العملية بالإضافة إلى التحقق الدوري. يسمح تسجيل مخططات الفرن ومعلمات التبريد ودورات التقسية وسجلات التسوية مقابل رقم الحرارة بتتبع الانحراف قبل أن تصبح دفعة مرفوضة.

التعليمات

س: هل الإجهاد المتبقي ضار دائمًا؟
لا. يعمل الضغط الضاغط المتبقي على السطح على تحسين قوة الكلال ومقاومة التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي. تكمن المشكلة في إجهاد الشد غير المنضبط، أو نمط الضغط الذي يزيد من حمل الخدمة.

س: ما الفرق بين الإجهاد الحراري وإجهاد التحويل؟
يأتي الإجهاد الحراري من الاختلافات في درجات الحرارة بين السطح واللب، مما يسبب انكماشًا غير متساوٍ. يأتي إجهاد التحويل من تغير الحجم عندما يتحول الأوستينيت إلى مارتنسيت أو بينيت في أوقات مختلفة في أجزاء مختلفة من القسم.

س: ما هي درجات الأنابيب الأكثر عرضة لخطر التشقق بالتسقية؟
درجات أعلى من الكربون-والسبائك-أعلى مع صلابة جيدة، لا سيما في سماكات الجدران الثقيلة، لأنها يمكن أن تشكل مارتنسيت صلبًا مع إجهاد متبقٍ عالي وتكون أكثر حساسية للهيدروجين.

س: كيف يتم تقليل إجهاد المعالجة الحرارية في الإنتاج؟
من خلال التسخين الموحد، والتبريد المتساوي والمتحكم فيه، والتلطيف الفوري، والتبريد المتحكم فيه بعد التقسية، وعند الحاجة، تخفيف الضغط المخصص-. تتم عملية الاستقامة بعد التقسية وليس قبلها.

س: هل يمكن قياس الإجهاد المتبقي على الأنبوب النهائي؟
نعم. تعد طريقة حيود الأشعة السينية - وطريقة قياس ضغط الحفر- من التقنيات المعتادة، ويتم تنفيذ كليهما وفقًا لطرق الاختبار المنشورة بحيث تكون النتائج قابلة للمقارنة بين الموردين والمختبرات.

س: لماذا ينحني الأنبوب أحيانًا بعد الخيط؟
لأن التصنيع يزيل المواد ويسمح بإعادة توزيع نمط الضغط الداخلي، وبالتالي فإن الطول الذي يبدو مستقيمًا يمكن أن ينحرف. يعتبر تخفيف الضغط المناسب قبل التشغيل الآلي هو العلاج القياسي.