روش‌های حذف تنش پسماند داخلی در لوله‌های فولادی بدون درز

در طی فرآیندهایی مانند نورد، جوشکاری، سرد کاری و عملیات حرارتی،لوله های فولادی بدون درزبه دلیل نوسانات دمایی موضعی، دگرگونی‌های ریزساختار یا تغییر شکل ناهموار پلاستیک، مستعد تنش‌های پسماند داخلی هستند. اگر حذف نشود، تنش پسماند می‌تواند منجر به تغییر شکل و ترک شود و ظرفیت باربری و عمر مفید لوله را کاهش دهد. در زیر سه روش اصلی حذف تنش را معرفی می‌کند که بر اساس تکنیک‌های مهندسی متداول استفاده می‌شود، که اثربخشی و عملی بودن را متعادل می‌کند.

 

 

1. عملیات حرارتی: کامل ترین و اصلی ترین راه حل

عملیات حرارتی که از گرما برای تنظیم مجدد اتم‌ها در لوله فولادی و کاهش تنش استفاده می‌کند، پرکاربردترین و مؤثرترین روش در صنعت است. این در درجه اول شامل اعتدال{1}}در دمای پایین و بازپخت تنش‌زدایی می‌شود.

دمای پایین-برای لوله‌های خاموش مانند فولاد کربن بالا و فولاد آلیاژی مناسب است. لوله فولادی تا 150-250 درجه حرارت داده می‌شود، به مدت 1 تا 3 ساعت در این دما نگه داشته می‌شود و سپس به آرامی سرد می‌شود. در طی این فرآیند، ساختار مارتنزیت تا حدی تجزیه می شود و کاربیدهای ریز رسوب می کند که اعوجاج شبکه را کاهش می دهد و می تواند 60 تا 80 درصد تنش پسماند را بدون کاهش قابل توجه سختی از بین ببرد. به عنوان مثال، لوله فولادی بدون درز 45# پس از کوئنچ تحت دمای پایین در دمای 200 درجه قرار می گیرد و تنش پسماند را از 800 مگاپاسکال به زیر 200 مگاپاسکال کاهش می دهد و در عین حال سختی 25 تا 30 HRC را حفظ می کند و برای استفاده در قطعات مکانیکی مناسب است.

 

بازپخت تنش زدایی برای لوله‌های فولادی کم کربن، فولاد کم کربن، متوسط-و لوله‌های فولادی جوش داده شده مناسب است. لوله تا 550-650 درجه (زیر دمای انتقال فاز) گرم می شود، 2-4 ساعت نگه داشته می شود و سپس به آرامی در کوره خنک می شود. این فرآیند تنش‌های داخلی ناشی از تغییر شکل پلاستیک را از طریق انتشار اتمی حذف می‌کند و 70 تا 90 درصد تنش‌های پسماند را با کمترین تأثیر بر خواص مکانیکی حذف می‌کند. به عنوان مثال، پس از جوشکاری لوله فولادی ASTM A106 Gr.B، بازپخت تنش زدایی در 600 درجه تنش باقیمانده در ناحیه جوش را از 500 مگاپاسکال به 80 مگاپاسکال کاهش می دهد و به طور موثر از ترک های جوش جلوگیری می کند و آن را برای خطوط لوله حمل و نقل مناسب می کند.

 

2. کاهش استرس مکانیکی: یک روش کمکی انعطاف پذیر و کارآمد

کاهش تنش مکانیکی از نیروهای خارجی برای ایجاد تغییر شکل پلاستیک موضعی در لوله‌های فولادی استفاده می‌کند و تنش‌های پسماند داخلی را جبران می‌کند. این روش برای لوله های بزرگ که گرمایش نامناسب است یا برای ساخت و ساز در سایت مناسب است. این در درجه اول شامل پیری ارتعاشی و صاف کردن فشار است.

پیری ارتعاشی شامل اتصال یک ویبراتور به لوله فولادی و اعمال ارتعاشات در فرکانس مشخص (50{10}}100 هرتز) برای ایجاد طنین در لوله است. در طول این رزونانس، تنش پسماند از نقطه تسلیم ماده فراتر می رود و باعث ایجاد تغییر شکل پلاستیک میکروسکوپی و در نتیجه آزاد شدن تنش می شود. این روش از انرژی کم استفاده می کند (فقط 1/10 عملیات حرارتی) و تنها 1-2 ساعت طول می کشد. این می تواند 30٪ - 50٪ از تنش پسماند را بدون آسیب رساندن به سطح از بین ببرد. به عنوان مثال، یک لوله فولادی بدون درز Q345 با قطر بزرگ با قطر 1 متر می تواند تنش پسماند را از طریق پیری ارتعاشی از 400 مگاپاسکال به تقریباً 200 مگاپاسکال کاهش دهد. این روش برای تنش زدایی در محل لوله های مورد استفاده در پل ها و سازه های فولادی مناسب است.

 

صاف کردن فشار از یک پرس هیدرولیک برای اعمال فشار به خم ها یا غلظت های تنش در لوله فولادی استفاده می کند که باعث ایجاد تغییر شکل پلاستیک معکوس و متعادل کردن تنش های پسماند می شود. فشار با توجه به مشخصات لوله تنظیم می شود (معمولا 50٪ - 70٪ از قدرت تسلیم مواد) و برای 10-30 دقیقه حفظ می شود. این روش می تواند تنش های موضعی (مانند تنش در انتهای لوله پس از کشش سرد) را با نرخ کاهش 60-40 درصد حذف کند. معمولاً برای تنظیم استرس درلوله های فولادی بدون درزبرای ماشین آلات دقیق، اطمینان از دقت پردازش بعدی.

 

3. پیری طبیعی: راه حل کم هزینه-دراز مدت-

پیری طبیعی شامل قرار دادن لوله فولادی در معرض یک محیط طبیعی و بیرونی (دما -20-40 درجه، رطوبت 40%-80%) است. نوسانات درازمدت دما و لرزش خفیف به تدریج تنش های داخلی را آزاد می کند. این روش نیازی به سرمایه گذاری در تجهیزات ندارد و بسیار کم هزینه است، اما زمان بر است (معمولاً 12-3 ماه) و فقط برای لوله های فولادی کم کربن با زمان پردازش کوتاه و سطوح استرس کم مانند 20# مناسب است.لوله های فولادی بدون درزبرای انتقال کلی مایعات پیری طبیعی می تواند 20 تا 30 درصد تنش باقیمانده را از بین ببرد و از اثرات گرمایش روی سطح لوله جلوگیری کند و آن را برای کاربردهایی که نیاز به زیبایی شناسی بالایی دارند مناسب می کند.

 

به طور خلاصه، در کاربردهای واقعی، روش باید بر اساس مواد لوله فولادی، مشخصات، سطح تنش و شرایط عملیاتی انتخاب شود: عملیات حرارتی برای نیازهای تنش بالا و دقت بالا ترجیح داده می شود. روش های مکانیکی را می توان برای ساخت و ساز در سایت یا لوله های بزرگ استفاده کرد. و پیری طبیعی را می توان برای پروژه های کم هزینه و بلند مدت استفاده کرد. ترکیب معقولی از این روش ها (مانند بازپخت تنش زدایی و به دنبال آن پیری ارتعاشی پس از جوشکاری) می تواند کاهش تنش را بیشتر کرده و عملکرد و ایمنی لوله های فولادی بدون درز را تضمین کند.