كيفية تبريد الأنابيب الفولاذية ذات الأقطار الكبيرة بعد عملية التبريد السريع

لا تقتصر استخدامات الأنابيب الفولاذية على نقل السوائل والمواد الصلبة المسحوقة وتبادل الطاقة الحرارية وصناعة الأجزاء الميكانيكية والحاويات فحسب، بل تُعدّ أيضًا نوعًا اقتصاديًا من الفولاذ. فاستخدامها في بناء الهياكل الشبكية والأعمدة والدعامات الميكانيكية يُسهم في تقليل الوزن، وتوفير ما بين 20 و40% من المعدن، ويُمكّن من إنشاءات آلية تُحاكي المصانع. كما أن استخدامها في بناء جسور الطرق لا يُوفر الفولاذ ويُبسط عملية البناء فحسب، بل يُقلل أيضًا بشكل كبير من مساحة الطلاء الواقي، مما يُوفر تكاليف الاستثمار والصيانة.أنابيب فولاذية ذات قطر كبيرتتميز الأنابيب الفولاذية بمقاطع مجوفة، ويبلغ طولها أكبر بكثير من قطر أو محيط الفولاذ. وتُصنف، وفقًا لشكل المقطع العرضي، إلى أنابيب دائرية ومربعة ومستطيلة وأنابيب ذات أشكال خاصة. كما تُصنف، وفقًا للمادة، إلى أنابيب فولاذية هيكلية كربونية، وأنابيب فولاذية هيكلية منخفضة السبائك، وأنابيب فولاذية مُسبَّكة، وأنابيب فولاذية مركبة. وتُصنف أيضًا، وفقًا للاستخدام، إلى أنابيب النقل، والمنشآت الهندسية، وأنابيب الفولاذ للمعدات الحرارية، وصناعة البتروكيماويات، وصناعة الآلات، والحفر الجيولوجي، ومعدات الضغط العالي، وغيرها. أما وفقًا لعملية الإنتاج، فتُصنف إلى أنابيب فولاذية غير ملحومة وأنابيب فولاذية ملحومة. وتنقسم الأنابيب الفولاذية غير الملحومة إلى نوعين: المدرفلة على الساخن والمدرفلة على البارد (المسحوبة). وتنقسم الأنابيب الفولاذية الملحومة إلى نوعين: الأنابيب الملحومة ذات اللحام المستقيم والأنابيب الملحومة ذات اللحام الحلزوني.

أولاً، ما هي عملية المعالجة الحرارية لأنابيب الصلب ذات الأقطار الكبيرة؟
(1) خلال عملية المعالجة الحرارية، يعود سبب تغير الشكل الهندسي لأنابيب الصلب ذات الأقطار الكبيرة إلى تأثير إجهاد المعالجة الحرارية. يُعدّ إجهاد المعالجة الحرارية مسألة معقدة نسبيًا، فهو ليس فقط سببًا للعيوب كالتشوه والتشققات، بل هو أيضًا وسيلة مهمة لتحسين مقاومة الإجهاد وإطالة عمر الخدمة لقطع العمل.
(2) لذلك، من المهم فهم آلية وقواعد تغير إجهاد المعالجة الحرارية، وإتقان أساليب التحكم في الإجهاد الداخلي. يشير إجهاد المعالجة الحرارية إلى الإجهاد المتولد داخل قطعة العمل نتيجة لعوامل المعالجة الحرارية (العملية الحرارية وعملية التحول البنيوي).
(3) يُسمى الإجهاد الداخلي بإجهاد التوازن الذاتي في كامل حجم قطعة العمل أو جزء منه. وينقسم إجهاد المعالجة الحرارية إلى إجهاد شد وإجهاد ضغط وفقًا لطبيعة تأثيره؛ ويمكن تقسيمه إلى إجهاد لحظي وإجهاد متبقٍ وفقًا لزمن تأثيره؛ ويمكن تقسيمه إلى إجهاد حراري وإجهاد نسيجي وفقًا لسبب تكوّنه.
(4) ينشأ الإجهاد الحراري عن التغيرات المتزامنة في درجة الحرارة في أجزاء مختلفة من قطعة العمل أثناء عملية التسخين أو التبريد. فعلى سبيل المثال، في قطعة العمل الصلبة، يسخن السطح دائمًا أسرع من اللب عند التسخين، ويبرد اللب أبطأ من السطح عند التبريد. ويعود ذلك إلى أن امتصاص الحرارة وتبديدها يتمان عبر السطح.
(5) بالنسبة لأنابيب الصلب ذات الأقطار الكبيرة التي لا يتغير تركيبها وبنيتها، يتغير حجمها النوعي عند درجات حرارة مختلفة، طالما أن معامل التمدد الخطي لا يساوي صفرًا. لذلك، أثناء عملية التسخين أو التبريد، تتشكل فجوة بين سطح قطعة العمل ومركزها، مما يُسبب إجهادًا داخليًا ناتجًا عن الشد المتبادل. ومن الواضح أنه كلما زاد فرق درجة الحرارة المتولد داخل قطعة العمل، زاد الإجهاد الحراري.

ثانياً، كيف يتم تبريد أنابيب الصلب ذات الأقطار الكبيرة بعد عملية التبريد السريع؟
(1) خلال عملية التبريد السريع، يجب تسخين قطعة العمل إلى درجة حرارة أعلى وتبريدها بسرعة أكبر. لذلك، يتولد إجهاد حراري كبير أثناء عملية التبريد السريع، وخاصةً أثناء عملية التبريد نفسها. فعند تبريد كرة فولاذية قطرها 26 مم في الماء بعد تسخينها عند 700 درجة مئوية، يتغير كل من سطحها ولبّها في درجة الحرارة.
(2) في المرحلة الأولى من التبريد، يكون معدل تبريد السطح أعلى بكثير من معدل تبريد اللب، ويتزايد فرق درجة الحرارة بينهما باستمرار. ومع استمرار التبريد، يتباطأ معدل تبريد السطح، بينما يزداد معدل تبريد اللب نسبيًا. وعندما يتساوى معدلا تبريد السطح واللب تقريبًا، يصل فرق درجة حرارتهما إلى قيمة كبيرة.
(3) بعد ذلك، يصبح معدل تبريد القلب أكبر من معدل تبريد السطح، ويتناقص فرق درجة الحرارة بين السطح والقلب تدريجيًا، حتى يختفي تمامًا عندما يبرد القلب كليًا. وتنتج عن هذه العملية إجهاد حراري أثناء التبريد السريع.
(4) في المراحل الأولى من التبريد، تبرد الطبقة السطحية بسرعة، ويبدأ فرق في درجة الحرارة بينها وبين اللب. وبسبب الخصائص الفيزيائية للتمدد والانكماش الحراري، يجب أن ينكمش حجم السطح بشكل موثوق، لكن درجة حرارة اللب لا تزال مرتفعة وحجمه النوعي كبير، مما يمنع السطح من الانكماش بحرية إلى الداخل، وبالتالي يتشكل إجهاد حراري يؤدي إلى تمدد السطح وانضغاط اللب.
(5) مع استمرار التبريد، يزداد فرق درجة الحرارة المذكور أعلاه، ويزداد معه الإجهاد الحراري المتولد. وعندما يصل فرق درجة الحرارة إلى قيمة كبيرة، يزداد الإجهاد الحراري أيضًا. إذا كان الإجهاد الحراري في هذه الحالة أقل من مقاومة الخضوع للفولاذ عند درجة الحرارة المقابلة، فلن يحدث تشوه لدن، بل سيحدث تشوه مرن طفيف فقط.
(6) عند زيادة التبريد، يتباطأ معدل تبريد السطح، ويزداد معدل تبريد اللب تبعًا لذلك، ويميل فرق درجة الحرارة إلى الانخفاض، ويتناقص الإجهاد الحراري تدريجيًا. ومع انخفاض الإجهاد الحراري، يتناقص التشوه المرن المذكور أعلاه تبعًا لذلك.