RU1790615C - Способ термической обработки толстостенных стальных труб - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : после нагрева и выдержки при температурах аустенизации трубу подвигают одностороннему охлаждению в спрейерных устройствах. Охлаждение стенки трубы в интервале МН...МК осуществл ют за врем  t, определ емое из математического выражени  1,5 V RI / R2 at/b2 1,65, где а - коэффициент температуропроводности стали, м/с, Ri и R2 - радиусы внутренней и наружной поверхностей трубы, мм; b - толщина стенки трубы, мм. 5 табл.

Description

Изобретение относитс  к машиностроению и металлургии и может быть использовано при изготовлении сосудов высокого давлени  и толстостенных стальных труб, нагруженных высоким внутренним давлением .

Известны способы термической обработки труб, включающие нагрев до температуры аустенизации стали, выдержку при этой температуре и двустороннее охлаждение , например, в механизированных ваннах . Охлаждение труб в механизированных ваннах при термическом упрочнении металла обеспечивает получение высоких механи- ческих (прочностных) характеристик материала и однородность свойств по толщине стенки.

Недостатком известных способов  вл етс  невозможность создани  в материале стенки труб, предназначенных дл  изготовлени  сосудов и трубопроводов высокого давлени , остаточных напр жений сжати 

на внутренней поверхности трубы, которые способствовали бы повышению допускаемой рабочей нагрузки в пределах упругости.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу  вл етс  прин тый за прототип способ термической обработки труб, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре и одностороннее охлаждение струйными (спрейерными) устройствами со скоростью охлаждени , выбираемой в интервале , обеспечивающем необходимые свойства конструкционного материала. Дл  получени  регламентированной структуры стали скорость охлаждени  выбирают от величин 0,5...20°С/с дл  котельных труб перлитного класса до интервала 40...100°С/с.

Недостатком этого способа также  вл етс  невозможность создани  в стенке трубы остаточных напр жений, способствующих повышению несущей способности изVj

О

О О

:сл

ы

дели  в области упругих деформаций при нагружении внутренним давлением.

Целью изобретени   вл етс  повышение несущей способности труб, нагружаемых внутренним давлением, в пределах упругости за счет формировани  при термообработке остаточных механических напр жений , сходных с напр жени ми после автофретировани .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе термической обработки стальных труб, включающем нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре и одностороннее охлаждение в струйных (спрейерных) устройствах с регулируемой скоростью, выбираемой в интервале , обеспечивающем получение регла- ментированной структуры материала, охлаждение стенки трубы в интервале тем-

ператур мартенситного превращени  про вод т за врем  t, определ емое из услови 

1,5

1,65

где t - врем  охлаждени  стенки трубы в интервале температур мартенситного превращени  (Мн...Мк), с;

а - коэффициент температуропроводности стали, м/с;

RI и R2 - радиусы внутренней и наружной поверхностей трубы, мм;

b - толщина стенки, b Ra - Ri, мм.

При одностороннем интенсивном охлаждении стальной трубы температура ма- тер иала измен етс  неравномерно по толщине стенки; при этом в интервале температур мартенситного превращени  протекают конкурирующие процессы снижени  удельного объема материала при охлаждении и увеличени  удельного объема материала при нарастании содержани  сс- фазы. Градиенты деформации при этом достаточно велики дл  развити  пластических деформаций металла; в результате после полного остывани  трубы в материале стенки действуют внутренние остаточные механические напр жени , сходные с напр жени ми после гидростатического ав- тофретировани , что повышает несущую способность трубы в пределах упругости. Последнее означает, что при предложенном способе термической обработке в результате термопластического деформировани  происходит автофретирование труб.

Пример 1, Рассчитывали параметры теплового и напр женного состо ни  труб из стали 38ХНЗМФА. При численном расчете использовались табличные характери

5 10 15 20

25

стики свойств стали, Дл  получени  регламентированной (мартенситной) структуры на основании имеющихс  опытных данных принималось, что в интервале температур 350...300°С скорость охлаждени  должна быть более 1,7°С/с. При меньших скорост х охлаждени  возможно образование верхнего бейнита и отклонение физико-механических свойств конструкционного материала от требуемых.

Результаты расчета характеристик тер- моавтофретированных толстостенных труб представлены в табл.1-3. В табл.1 показано распределение остаточных окружных напр жений по толщине стенки трубы при различных значени х времени охлаждени . Вли ние напр жений, сформировавшихс  при разных скорост х охлаждени , на упругую прочность трубы неодинаково, и в табл.2 приведены границы интервала значений времени охлаждени , в котором наблюдаетс  повышение несущей способности трубы. Количественные оценки этого эффекта - повышени  упругой прочности трубы при действии внутреннего гидростатического давлени  - дл  значений времени охлаждени  из указанного интервала привод тс  в табл.3.

Используема  в таблицах характеристика - относительное врем  прохождени  всей толщиной стенки трубы интервала температур мартенситного превращени  представл ет собой комплекс

т

at

5

Под границами интервала значений относительного времени (см. табл.2) понимаютс  лева  и права  границы соотношени  формулы .изобретени .

В табл.2 также сопоставл ютс  значени  границы интервала, полученные точным расчетом и по аппроксимирующей зависимости , представленной в формуле изобретени .

Пример 2. Заготовки - полые валы длиной 6 м с наружным диаметром 200 мм и толщиной стенки 40 мм из стали 38ХНЗМФА подвергали термической обработке: нагреву до 830°С кольцевым индуктором , водо-воздушному охлаждению от радиальной спрейерной секции длиной 700 мм, перемещающейс  вдоль заготовки со скоростью 1,3 мм/с, затем - отпуск при температуре 550°С. После термической обработке валы обтачивались на токарном станке до диаметра 190 мм. Токарна  обработка проводилась с установкой вала в центры и промежуточные кольцевые четырехку- лачковые люнеты, выставленные таким образом , что в местах установки люнетов осевое отверстие было концентрично оси центров станка, т.е. обработка заготовки проводилась в деформированном состо нии . Имеюща с  перед токарной обработкой равноценность заготовки образовала припуск, снимаемый обтачиванием. Деформации заготовки при токарной обработке контролировались по результатам измерений непр молинейности осевого отверсти , выполн емым до и после токарной обработки в свободном состо нии заготовки . Наличие в поверхностном, снимаемом при точении слое металла остаточных напр жений приводит к изменению непр молинейности оси отверсти ,- причем, как следует из .схемы обработки, раст гивающие напр жени  в снимаемом слое приво- д т к уменьшению непр молинейности оси отверсти , а сжимающие - к увеличению окружные напр жени  раст жени  вызывают укорочение материала в осевом направлении , пропорциональное величине напр жени  и коэффициенту Пуассона, и при преимущественном съеме материала, сокращенного таким образом в осевом направлении , происходит удаление части поверхности , у которой съем материала наибольший, от геометрической оси заготовки . Так как при установке заготовки в станок она деформировалась так, что направление наибольшего припуска на обта- чивание стало противоположным направлению непр молинейности, то после токарной обработки сумма исходной непр молинейности и остаточной деформации оси заготовки при наличии в поверхностных сло х металла раст гивающих окружных на- пр жений будет меньше величины исходной непр молинейности.

Расчет процесса охлаждени  заготовки при термической обработке показывает, что врем  полного охлаждени  составл ет око- ло 9 минут (соотношение длины и скорости перемещени  спрейерной секции), при этом врем  прохождени  всей толщиной стенки интервала температур мартенситного превращени  равно 220 с; по соотношени м предложенного способа эта величина должна быть в диапазоне от 185 до 270 с, т.е. фактическа  величина соответствует требовани м предложенного способа.

Результаты измерений приведены в табл.4.

Полученные результаты нос т случайный характер, так как кроме исходной вели- чины непр молинейности осевого отверсти  на изменение непр молинейности вли ет неучитывающа с  величина непр молинейности исходной наружной поверхности , также вли юща  на величину разносъема при токарной обработке. Исход  из этого сравниватьс  должны статистические характеристики результатов измерений. Из данных табл,4 следует, что среднее значение отклонени  от непр молинейности оси отверсти  до обтачивани  равно 0,48 мм, после обтачивани  - 0,37 мм (уменьшилось почти на 20%), среднее квад- ратическое отклонение равно 0,19 мм до обтачивани  и 0,18 мм - после (практически не изменилось). По характеру изменени  непр молинейности можно судить, что на поверхности заготовки после термической обработки сформировались раст гивающие окружные напр жени , как и следует при осуществлении предложенного способа термообработки. Дл  количественной оценки напр жений было определено следующее соотношение:

о п Е I di - 62

fi(

дГ

где о- напр жение в поверхностном слое заготовки;

Е - модуль упругости материала;

I - момент инерции поперечного сечени  детали;

/и - коэффициент Пуассона;

R - радиус наружной поверхности детали;

I - длина заготовки;

61,62- отклонение от пр молинейности до и после точени .

Предполагалось, что исходна  непр молинейность параболически измен етс  по длине заготовки.

Расчет показывает, что дл  уменьшени  величины непр молинейности на 20% остаточные окружные напр жени  в заготовке должны составл ть около 450 МПа, что не противоречит данным табл.1.

Пример 3. Термической упрочн ющей обработке подвергаетс  обточенна  труба из заготовки - сталь 38ХНЗМФА ОСТ 14-21-77. Размеры поперечного сечени  трубы: наружный диаметр 75 и 150 мм, толщина стенки - 25 мм при термообработке труба нагреваетс  в кольцевом индукторе токами промышленной частоты до температуры 830°С, выдерживаетс  при этой температуре и охлаждаетс  в кольцевом спрейере непрерывного действи . Интервал мартенситного превращени ; Мн 320°С, Мк 160°С. Дл  получени  тре

Таблица 2

Продолжение таблицы 2

Таблица 3

Таблица 4

Границы интервала времени прохождени  температур мартенситного превращени ,

мин

Нижн   Верхн  

ТаблицаБ

1,3 1,7

0,9 1,7