FI81609C - Foerfarande foer foerbaettring av restspaenningar i ett av rostfritt staol framstaellt roer eller motsvarande. - Google Patents

Description

1 81609

Menetelmä ruostumattomasta teräksestä valmistetun putken tai vastaavan jäännösjännitysten parantamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä ruostumattomasta 5 teräksestä valmistetussa putkessa tai vastaavassa vallitsevien jäännösjännitysten parantamiseksi, jossa menetelmässä jäähdytysvesi saatetaan kosketukseen putken, jonka seinämän paksuus on T mm ja keskimääräinen säde R mm, sisäpinnan kanssa ja kuumennetaan samalla paikallisesti put-10 ken ulkopinnan kohtaa ympäri putken koko kehän, joka kohta on säteen suunnassa ulospäin putken sisäpinnasta, syötettävällä lämpömäärällä Q J/mm.

On yleisesti hyvin tunnettua, että jos austeniitti-sessa teräksessä, jota käytetään suuria määriä ydinvoi-15 maloissa ja kemiallisissa tehtaissa, vallitsee samanaikaisesti vetojännityksiä ja korroosiota edistävät tekijät vaikuttavat siihen, tapahtuu nopea korroosiosäröilyn eteneminen .

Kun metallimateriaalit ovat teräsputkien muodossa, 20 on keksitty ja esitetty menetelmä jäännösjännitysten parantamiseksi, jossa annetaan jäähdytysveden virrata putken läpi ja kuumennetaan putkea samalla induktiokuumennus-menetelmällä tai vastaavalla tavalla, niin että lämpötilaero putken uiko- ja sisäpinnan välillä on riittävä saamaan 25 aikaan myötörajan ylittäviä lämpöjännityksiä, jolloin muodostuu jäännöspuristusjännityksiä putken, jonka jäännös-jännityksen parantamista vaaditaan, hitsisaumaan. Tämän keksinnön tekijät ovat esimerkiksi julkaisseet keksinnön "Menetelmä jäännösjännitysten tuottamiseksi paikallisella 30 kuumennuksella" JP-patenttihakemuksessa nro 154198/1977. Tässä menetelmässä käytetään volframielektrodia hitsisau-mavyöhykkeelle kerääntyneen metallin kuumentamiseen uudelleen, samalla kun putken sisäpintaa jäähdytetään vedellä, jolloin hitsausvyöhykkeelle muodostuu jäännöspu-35 ristusjännityksiä. Lisäksi on julkistettu toinen menetel- 2 81609 mä, jossa hitsaus tehdään jäähdytysveden virratessa samalla putkessa ja tuotetaan sillä tavalla jäännösjännityksiä hitsisaumavyöhykkeelle. Samat keksijät ovat lisäksi ehdottaneet menetelmää, jossa putken ulompaa sylinteri-5 pintaa päällehitsataan jäähdyttäen putken sisäpintaa samalla.

Edellä kuvattuihin menetelmiin liittyy kuitenkin seuraavia ongelmia riippuen ruostumattomien teräsputkien sellaisten tekijöiden kuin läpimitan, seinämän paksuuden, 10 tms. vaihtelusta: (1) Tavanomaisen induktioktiomennusmenetelmän ollessa kyseessä tarvitaan suurta syöttölämpötiheyettä putkille, joiden läpimitta on suhteellisen pieni ja seinämä ohut. Tuloksena on monia teknisiä rajoituksia ja kustan- 15 nusten nousu, koska täytyy käyttää suurtaajuusgeneraat- toria tai vastaavaa.

(2) Edellä mainitussa JP-patenttihakemuksessa nro 154198/1977 julkistetun menetelmänä ollessa kyseessä täytyy lämpökäsittelyolosuhteet määrittää ennalta kullakin 20 putken läpimitalla tehtyjen kokeiden perusteella. Tästä syystä tämä menetelmä on työläs.

(3) Menetelmän, jossa tehdään hitsaus jäähdytysveden läsnäollessa, tapauksessa voidaan käyttää vain hitsaukselle sopivia kuumennusolosuhteita, niin että käyttö- 25 alue on rajoitettu.

(4) Menetelmä, jossa tehdään päällehitsaus, voidaan, kuten tapauksessa (3), käyttää vain hitsaukseen sopivia kuumennusolosuhteita, ja päälle hitsattu metalli vaikuttaa haitallisesti ultraäänitutkimuksiin.

30 Edellä esitetyn valossa on tämän keksinnön eräänä päämääränä saada aikaan menetelmä jäännösjännitysten parantamiseksi, jolla voidaan suurin piirtein voittaa tavanomaisissa menetelmissä esiintyvät ongelmat; jolla voidaan välttää erilaiset ruostumattomien teräsputkien koon vaih- 35 telun asettamat rajoitukset; jolla voidaan lisätä jäännös- 3 81 609 jännityksiä; jolla voidaan parantaa ruostumattomien teräs-putkien sisäpintojen korroosionkestoa vain säätämällä kuu-mennusolosuhteet yksinkertaisten laskelmien avulla; ja jolle löytyy monia erilaisia käyttötarkoituksia.

5 Edellä mainittujen ja muiden päämäärien saavutta miseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että syötettävä lämpömäärä Q täyttää ehdon 2,6 RT £ Q £ 44 T2 jolloin putken seinämään muodostuu myötörajan ylittäviä 10 jännityksiä kuumennuskohdan ja putken sisäpinnan väliin, ja putki jäähdytetään sen jälkeen. Kun putkea jäähdytetään, niin että putken seinämässä tapahtuu plastista muodonmuutosta vastaava kutistuminen, putken sisäpintaan muodostuu ruostumattoman teräsputken ollessa kyseessä jään-15 nöspuristusJännityksiä, jotka alittavat arvon -10 kp/mm2.

Edellä mainitut ja muut päämäärät, vaikutukset, piirteet ja edut, joita tällä keksinnöllä on, käyvät paremmin ilmi seuraavasta edullisen suoritusmuodon kuvauksesta tarkasteltaessa sitä yhdessä liitteenä olevien piir-20 rosten kanssa.

Kuvio 1 esittää ruostumattoman teräsputken tai vastaavan hitsausvyöhykettä, jota kuumennetaan volframi-elektrodipurkauksella; kuvio 2 esittää putken seinämässä vallitsevaa läm-25 pötilagradienttia kuviossa 1 esitetyissä olosuhteissa; kuvio 3 esittää kuvion 2 mukaisissa olosuhteissa putken seinämään syntyneiden jännitysten jakautumista; kuvio 4 esittää jäännösjännityksen jakautumia putken sisäpinnalla kun hitsausvyöhykettä on kuumennettu ku-30 vion 1 mukaisesti ja kun on tehty jäännösjännitystä parantava käsittely; Ja kuvio 5 riippuvuutta putken seinämän paksuuden ja syötettävän lämpömäärän välillä.

Tämän keksinnön mukaista menetelmää ruostumattomas-35 sa teräsputkessa tai vastaavassa vallitsevien jäännösjän- 4 81 609 nitysten parantamiseksi kuvataan nyt tarkemmin viitaten kuvioihin 1-5. Tässä suoritusmuodossa synnytetään jäännös-puristusjännityksiä austeniittisesta teräksestä valmistetun ruostumattoman teräsputken P sisäpintaan (hitsaus-5 vyöhykkeen läheisyyteen).

Jäähdytysvesi pakotetaan aina virtaamaan sopivalla virtausnopeudella, esimerkiksi 0,3 m/s, ja se saatetaan kosketukseen ruostumattoman teräsputken P sisäpinnan kanssa. Kuumennuspiste B valitaan ulkopinnalla siten, että se 10 on säteen suunnassa sisäpinnan käsiteltävän pisteen A, joka on keskellä sitä vyöhykettä, jolla jäännösjännityksiä on määrä parantaa, kohdalla. TIG-hitsauskoneen volframi-elektrodiin S johdetaan jännite, niin että siten muodostuva kuumennuskaari kuumentaa paikallisesti kuumennuspis-15 tettä B argonkaasuatmosfäärissä. Käsittely tehdään sillä tavalla, että kuumennuspistettä B siirretään asteettain teräsputken B kehällä kuviossa 1 olevan nuolen X osoittamalla tavalla. Syötettävä lämpömäärä Q (J/mm) säädetään yhtälön (i) määräämälle alueelle, niin että tuotetaan 20 jäännöspuristusjännityksiä, jotka alittavat arvon -10 kp/mm2, eikä aiheuteta jäähdytysveden W kalvokiehumista.

Kun ruostumatonta teräsputkea kuumennetaan edellä kuvion 1 avulla esitetyllä tavalla, wolframielektrodin S kuumennusvaikutus rajoittuu vain siihen pisteeseen, johon 25 kaari suunnataan. Seurauksena on pistemäisen sulan kohdan syntyminen ja kuviossa 2 esitetyn kaltaisen lämpötilagra-dientin muodostuminen ruostumattoman teräsputken käsiteltävän kohdan A ja kuumennuspisteen B välille. Koska kuu-mennuspisteen B lähellä olevan alueen lämpötila kohoaa, 30 tapahtuu lämpölaajenemista ruostumattoman teräsputken P eri osissa sekä akselin että kehän suunnassa. Näitä lämpölaajenemisia rajoittavat ne ruostumattoman teräsputken P osat, jotka eivät kuumene, niin että, kuten kuvio 3 osoittaa, jännityksiä syntyy putken seinämään käsiteltävän koh-35 dan A ja kuumennuspisteen B välille. Kun jännitykset (pu- li 5 816Q9 ristusjännitykset, -σ ) kuumennuspisteen B läheisyydessä ylittävät myötörajan, on seurauksena vastaava paikallinen plastinen muodonmuutos.

Kun volframielektrodia S siirretään ja putken sei-5 nämä, jonka lämpötila on kohonnut korkeaksi, jäähdytetään, muodostuu pisteeseen A jäännöspuristusjännityksiä, jotka vastaavat kuumennuspisteen B läheisyydessä tapahtuneen plastisen muodonmuutoksen (kutistumisen) aiheuttamia veny-tysvoimia.

10 Välittömästi hitsausvaiheen jälkeen ovat käsiteltä vän pisteen A lähellä vallitsevat jännitykset siten venytys jännityksiä +σ, kuten kiinteä viiva kuviossa 4 osoittaa, mutta venytysjännitykset muuttuvat käsittelyn jälkeen puristusjännityksiksi -o, kuten katkoviiva osoittaa. Koska 15 volframielenktrodia siirretään ruostumattoman teräsputken

Ph kehän suunnassa, on tuloksena vastaava kehän suuntainen kutistuminen, niin kutsuttu rengasjännltysilmiö, niin että jäännöspuristusjännitykset muodostuvat myös kehän suunnassa.

20 Seuraavaksi kuvataan riippuvuutta syötettävän läm pömäärän Q ja jäännöspuristusjännitysten välillä. Edellä esitetty ehto eli yhtälö (i) saatiin analyyttisin laskelmin (esimerkiksi soveltamalla edellä kuvatussa JP-patent-tihakemuksessa nro 154198/1977 esitettyä menetelmää) ja 25 analysoimalla kokeita, joita tehtiin syötettävän lämpömäärän Q ja tuloksena olevien jäännösjännitysten riippuvuuden selvittämiseksi. Lisäehtona on se, että jäännöspuritusjännitysten tulee alittaa arvo -10 kp/mm2 ja että jäähdytysveden kalvokiehumista tulee välttää. Kuvio 5 on käyrä, joka 30 saadaan soveltamalla kokeisiin perustuvaa analyysiä ruostumattomiin teräsputkiin (tyyppi 80), jotka liitettiin hitsaamalla putkilinjaksi. Kuviossa 5 käyrät φ, ®, @... edustavat ruostumattomia teräsputkia SUS304 (AISI TYPE 304) (tyyppi 80), joiden seinämän paksuus T ja keskisäde H 35 on esitetty taulukossa 1.

6 81 609

Taulukko 1

Putkien mitat _Seinämän paksuus T (mm) Keskisäde R (mm) 5 φ 4,5 14,75 (2) 5,0 27,75 © 6,8 41,15 © 7,7 53,3 © 9,8 77,7 10 ® 11,7 102,3 @ 13,8 126,8

Keksintöä kuvataan seuraavassa tarkemmin viitaten edelleen kuvioon 5. Oletetaan, että käsiteltävään kohtaan 15 A muodostuu jäännösjännityksiä, jotka alittavat arvon -10 kp/mm2 (itseisarvot ovat suurempia, koska jäännöspu-ristusjännitykset ovat negatiivisia) ja ettei ruostumattoman teräsputken sisäpinnalla esiinny jäähdytysveden kalvokiehumista. Tällöin saadaan kahden katkoviivan ra-20 joittama varjostettu alue, joka näkyy kuviossa 5. Tuloksena on se, että kun syötettävä lämpömäärä Q säädetään tälle varjostetulle alueelle, muodostuu käsiteltävään pisteeseen A ja sen läheisyyteen kuviossa 4 esitetyn kaltaisia jäännöspuristusjännityksiä -σ.

25 Ääritapauksessa, ohutseinäisen putken, jonka kes- kisäde R on hyvin paljon suurempi kuin seinämän paksuus T, ollessa kyseessä voi yhtälö (i) olla soveltumaton. Käytännössä yhtälöä (i) voidaan kuitenkin soveltaa lähes kaikkiin ruostumattomiin teräsputkiin, jota käytetään 30 putkilinjan rakentamiseen.

Tässä suoritusmuodossa käytetään TIG-hitsauskonet-ta paikalliseen kuumennukseen, niin että jäännösjännityksiä parantava käsittely voidaan tehdä heti hitsausvaiheen jälkeen. Lisäksi syötettävä lämpömäärä Q voidaan helposti 35 määrätä ja säätää seuraamalla kaaren jännitettä ja vir-

II

7 81609 taa. On kuitenkin ymmärrettävä, että multakin soveltuvia kuumennusvälineitä, kuten laserhitsauskonetta, plas-makaarihltsauskonetta tai paikallista suurtaaj uuskuumen-nuslaitetta, jolla voidaan kuumentaa pistettä tai kehä-5 mäistä osaa, voidaan käyttää. Edellä kuvatussa suoritusmuodossa käytetään jäähdytysveden W pakotettua virtausta, mutta on ymmärrettävä, että kuumennuspiste voidaan valita siten, että se on ruostumattoman teräsputken P pohja- tai sivu-ulkopinnalla, niin että jäähdytysvesi W 10 pääsee kiertämään luonnollisella konvektiomekanismilla.

Kuten edellä kuvattiin, tämän keksinnön mukaisesti menetellään sillä tavalla, että samalla kun jäähdytysvesi saatetaan kosketukseen ruostumattoman teräsputken tai vastaavan sisäpinnan kanssa, kuumennetaan ruostumattoman 15 teräsputken sisäpintaa vastaavaa ulkopinnan kohtaa paikallisesti syötettävällä lämpömäärällä, joka saadaan yksinkertaisesta yhtälöstä ja joka riippuu ruostumattoman teräsputken seinämän paksuudesta Ja keskisäteestä. Seurauksena on myötörajan ylittävien jännitysten muodos-20 tuminen putken seinämään kuumennuspisteen ja putken sisäpinnan välillä, ja sen jälkeen putken pinta jäähdytetään. Siksi jäähdytyksen jälkeen putken sisäpintaan muodostuu jäännöspuristusjännityksiä, jotka ovat suurempia kuin määrätty arvo. Vaikka putkea kuumennetaan, estetään tässä 25 tapauksessa jäähdytysveden kalvokiehuminen, ja kuumennus-tehoa voidaan vaihdella laajalla alueella, niin että jäännösjännitysten muodostuminen on helposti toteutettavissa. Täten voidaan parantaa ruostumattoman teräsputken tai vastaavan korroosionkestoa. Tämän keksinnön mu-30 kainen menetelmä voidaan lisäksi toteuttaa yksinkertaisesti ja sillä on laaja käyttöalue.

Claims (1)

1. 20 Förfarande för förbättring av restspänningar i ett av rostfritt stäl framställt rör eller motsvarande, i vilket förfarande kylvatten leds i kontakt med inre ytan av röret, vilket har en väggtjocklek av T mm och en me-delradie av R mm, medan rörets yttre yta, vilken ligger 25 radiellt utät frän rörets inre yta, uppvärms lokalt runt rörets hela periferi med en tillförd värmemängd Q J/mm, kännetecknat därav, att den tillförda energin uppfyller villkoret 2.6 RT S Q S 44 T! 30 varigenom uppkommer sträckgränsen överstigande spänningar i rörväggen me11an uppvärmningspunkten och rörets inre yta, varefter röret avkyles. li