Stahlrohre dienen nicht nur dem Transport von Flüssigkeiten und pulverförmigen Feststoffen, dem Wärmeaustausch und der Herstellung von Maschinenteilen und Behältern, sondern stellen auch eine wirtschaftliche Stahlsorte dar. Der Einsatz von Stahlrohren für Tragwerkskonstruktionen, Pfeiler und mechanische Träger ermöglicht Gewichtseinsparungen von 20–40 % und eine industrienahe, mechanisierte Bauweise. Auch im Brückenbau sparen Stahlrohre Stahl, vereinfachen die Konstruktion und reduzieren den Bedarf an Schutzbeschichtungen erheblich, was Investitions- und Wartungskosten senkt.Stahlrohre mit großem DurchmesserStahlrohre haben einen hohlen Querschnitt und ihre Länge ist deutlich größer als ihr Durchmesser oder Umfang. Je nach Querschnittsform werden sie in runde, quadratische, rechteckige und Sonderformrohre unterteilt; je nach Material in Baustahlrohre aus Kohlenstoffstahl, niedriglegiertem Baustahl, legiertem Stahl und Verbundstahl; je nach Verwendungszweck in Transportleitungen, Ingenieurbau, Stahlrohre für thermische Anlagen, die petrochemische Industrie, den Maschinenbau, geologische Bohrungen, Hochdruckanlagen usw.; je nach Herstellungsverfahren werden sie in nahtlose und geschweißte Stahlrohre unterteilt. Nahtlose Stahlrohre werden wiederum in warmgewalzte und kaltgewalzte (gezogene) Rohre unterteilt. Geschweißte Stahlrohre werden in geradnahtgeschweißte und spiralnahtgeschweißte Stahlrohre unterteilt.
Zunächst einmal: Wie sieht das Wärmebehandlungsverfahren für Stahlrohre mit großem Durchmesser aus?
(1) Die Veränderung der geometrischen Form von Stahlrohren mit großem Durchmesser während der Wärmebehandlung ist auf die Wärmebehandlungsspannungen zurückzuführen. Wärmebehandlungsspannungen sind ein komplexes Phänomen. Sie verursachen nicht nur Defekte wie Verformungen und Risse, sondern sind auch ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Dauerfestigkeit und Lebensdauer der Werkstücke.
(2) Daher ist es wichtig, den Mechanismus und die Änderungsgesetze der Wärmebehandlungsspannungen zu verstehen und die Methoden zur Kontrolle von Eigenspannungen zu beherrschen. Wärmebehandlungsspannungen bezeichnen die Spannungen, die im Werkstück aufgrund von Wärmebehandlungsfaktoren (thermischer Prozess und Strukturumwandlungsprozess) entstehen.
(3) Es handelt sich um ein Eigenspannungsgleichgewicht im gesamten oder einem Teil des Werkstückvolumens; daher spricht man von innerer Spannung. Wärmebehandlungsspannungen werden nach ihrer Wirkungsweise in Zug- und Druckspannungen unterteilt; nach ihrer Wirkungsdauer in Momentanspannungen und Eigenspannungen; und nach ihrer Entstehungsursache in thermische Spannungen und Gewebespannungen.
(4) Thermische Spannungen entstehen durch die synchronen Temperaturänderungen in verschiedenen Bereichen des Werkstücks während des Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesses. Beispielsweise erwärmt sich bei einem massiven Werkstück die Oberfläche beim Erhitzen stets schneller als der Kern, und der Kern kühlt beim Abkühlen langsamer ab als die Oberfläche. Dies liegt daran, dass Wärmeaufnahme und -abgabe über die Oberfläche erfolgen.
(5) Bei Stahlrohren mit großem Durchmesser, deren Zusammensetzung und Strukturzustand sich nicht ändern, ändert sich das spezifische Volumen bei unterschiedlichen Temperaturen, solange der Längenausdehnungskoeffizient ungleich null ist. Daher entsteht während des Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesses ein Spalt zwischen der Oberfläche und dem Kern des Werkstücks. Dies führt zu gegenseitigen Zugspannungen. Je größer die Temperaturdifferenz im Werkstück ist, desto größer ist die thermische Spannung.
Zweitens, wie kühlt man Stahlrohre mit großem Durchmesser nach dem Abschreckprozess ab?
(1) Beim Abschrecken muss das Werkstück auf eine höhere Temperatur erhitzt und schnell abgekühlt werden. Daher entstehen beim Abschrecken, insbesondere während der Abkühlphase, große thermische Spannungen. Wird eine Stahlkugel mit 26 mm Durchmesser nach dem Erhitzen auf 700 °C in Wasser abgekühlt, so ergeben sich Temperaturunterschiede zwischen Oberfläche und Kern.
(2) In der Anfangsphase der Abkühlung ist die Abkühlungsrate der Oberfläche deutlich höher als die des Kerns, und die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kern nimmt kontinuierlich zu. Mit fortschreitender Abkühlung verlangsamt sich die Abkühlungsrate der Oberfläche, während die des Kerns relativ zunimmt. Sobald die Abkühlungsraten von Oberfläche und Kern nahezu gleich sind, erreicht ihre Temperaturdifferenz einen großen Wert.
(3) Anschließend ist die Abkühlrate des Kerns höher als die der Oberfläche, und der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern verringert sich allmählich, bis er verschwindet, wenn der Kern vollständig abgekühlt ist. Dies ist der Prozess der Erzeugung von thermischer Spannung während der schnellen Abkühlung.
(4) In der Anfangsphase der Abkühlung kühlt die Oberflächenschicht rasch ab, wodurch ein Temperaturunterschied zum Kern entsteht. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Wärmeausdehnung und -kontraktion müsste sich das Oberflächenvolumen verringern. Da die Kerntemperatur jedoch weiterhin hoch und das spezifische Volumen groß ist, kann sich die Oberfläche nicht frei nach innen zusammenziehen. Dadurch entsteht eine thermische Spannung, die zu einer Dehnung der Oberfläche und einer Stauchung des Kerns führt.
(5) Mit fortschreitender Abkühlung vergrößert sich die oben genannte Temperaturdifferenz weiter, und die entstehende Wärmespannung steigt entsprechend an. Erreicht die Temperaturdifferenz einen hohen Wert, so ist auch die Wärmespannung hoch. Liegt die Wärmespannung zu diesem Zeitpunkt unterhalb der Streckgrenze des Stahls bei der entsprechenden Temperatur, tritt keine plastische Verformung, sondern lediglich eine geringe elastische Verformung ein.
(6) Bei weiterer Abkühlung verlangsamt sich die Abkühlungsrate der Oberfläche, während die Abkühlungsrate des Kerns entsprechend zunimmt. Dadurch verringert sich die Temperaturdifferenz und die thermische Spannung nimmt allmählich ab. Mit sinkender thermischer Spannung verringert sich auch die oben beschriebene elastische Verformung.
Veröffentlichungsdatum: 05.09.2023