Hva er varmebehandlingsstress
Varmebehandlingsspenning er den indre spenningen som forblir i en stålkomponent etter at en oppvarmings- og avkjølingssyklus er fullført. Det genereres når forskjellige deler av samme seksjon passerer gjennom den termiske syklusen med forskjellige hastigheter eller transformeres til forskjellige tider, og det låses inn i materialet når komponenten er avkjølt til romtemperatur.
Stresset er ikke automatisk skadelig. Når det styres og arrangeres slik at overflatelaget bærer kompresjon, øker det utmattelsesmotstanden og levetiden. Når den er ukontrollert, øker den spenningen som produseres av trykk, bøyning og termisk sykling, og kan presse en komponent forbi flytegrensen eller i verste fall forbi strekkstyrken.
Termisk stress og transformasjonsstress
Under oppvarming og avkjøling endrer ikke overflaten og kjernen av et rør temperatur med samme hastighet. Den resulterende temperaturforskjellen gir ulik ekspansjon og sammentrekning, og derfor stress. Mens røret avkjøles, er overflaten i utgangspunktet kaldere enn kjernen og prøver å trekke seg sammen mer enn kjernen tillater, slik at kjernen trekkes i spenning og overflaten presses til kompresjon. Når kjølingen er nesten fullført, snur situasjonen, fordi kjernen til slutt må trekke seg sammen mot en overflate som allerede er blitt stiv, slik at kjernen havner i strekk og overflaten i kompresjon. Denne komponenten kalles termisk stress.
Den andre komponenten er transformasjonsspenning, som bare vises i stål som herder. Når overflatelaget forvandles til martensitt før kjernen gjør det, utvider overflaten seg mens kjernen fortsatt er austenittisk og relativt myk, og kjernen strekkes plastisk i strekk. Etter at kjernen forvandles i sin tur, kan den ikke utvide seg fritt fordi overflaten allerede er hard, så det gjenstår et selvbalanserende mønster av spenning: hard overflate i kompresjon, kjerne i spenning.
Størrelsen på begge komponentene øker med avkjølingshastigheten, med karboninnholdet og med legeringsinnholdet. Raskere avkjøling, høyere herdbarhet og tyngre veggseksjoner øker alle plastbelastningen som produseres under syklusen og øker derfor restspenningen som er igjen i det ferdige røret.
Konsekvenser for rør, rør og fittings
Forvrengning: når restspenningen overstiger flytegrensen lokalt, bøyer røret, ovaler eller mister retthet, og kan ikke bringes tilbake til toleranse ved normal retting.
Sprekking: når den kombinerte gjenværende og påførte spenningen overstiger strekkfastheten, eller når en hard struktur utsettes for hydrogen, begynner sprekking ved overflaten eller ved en spenningskonsentrasjon som en sveisetå.
Tap av dimensjonsstabilitet etter maskinering: indre spenning omfordeles når materialet fjernes under gjenging eller maskinering, slik at komponenten beveger seg etter det endelige kuttet.
Redusert utmattings- og spenningskorrosjonsmotstand: strekkrestspenning ved overflaten forkorter utmattingstiden og senker terskelen for spenningskorrosjonssprekker, mens trykkspenning har motsatt effekt.
Spredning i mekaniske testresultater: en lengde med ujevn spenningstilstand kan vise inkonsekvent flytestyrke og hardhet langs lengden.
Redusere og lindre stress
Det første tiltaket er prosessdesign i stedet for korreksjon. Ensartet oppvarming i en godt-kontrollert ovn, en kontrollert bråkjøling med jevn sprayfordeling og en definert forsinkelse mellom bråkjøling og temperering reduserer alle toppspenningene som må håndteres senere. Langsom, symmetrisk avkjøling etter temperering unngår å legge til et nytt termisk spenningsmønster på toppen av det eksisterende.
Det andre tiltaket er stressavlastning. Herding ved en passende temperatur under den lavere kritiske temperaturen gjør at stålet kan slappe av restspenningen mens den justerer styrken til det nødvendige nivået; en dedikert spennings-avlastningsgløding brukes der dimensjonsstabilitet er kritisk. Spenningsavlastning er et standardtrinn for sveisede rør og rørdeler, og dets temperatur og tid må velges for den faktiske karakteren i henhold til gjeldende konstruksjonskode, for eksempel ASME B31.3.
Der trykkoverflatespenning er fordelaktig, kan det innføres bevisst. Kulepening, kontrollert overflatevalsing og i noen tilfeller overflateherding brukes til å sette det ytre laget av en komponent i kompresjon, og det er grunnen til at påvirkningen av et godt-konstruert trykkoverflatelag på utmattingstiden har tiltrukket seg så mye oppmerksomhet i produksjonen av rør og rørdeler.
Måle- og inspeksjonspunkter
| Metode | Hensikt |
|---|---|
| Røntgendiffraksjon.- | Direkte måling av overflateresiduspenning; instrumentinnrettingen er verifisert i samsvar med ASTM E915 |
| Hull-strekkmåler | Måling av spenningsfordeling med dybde i henhold til ASTM E837 |
| Hardhetsundersøkelse | Indirekte sjekk av kjøle- og tempereringsresponsen langs lengden og rundt omkretsen |
| Dimensjonskontroll etter bearbeiding | Bekrefter at stress er lettet nok til at komponenten forblir stabil |
| Magnetisk partikkel- og ultralydinspeksjon | Påvisning av bråkjølingssprekker og hydrogen-indusert sprekkdannelse ved sveiser og ved endring av snitt |
Fordi restspenning ikke kan sees, er den praktiske kontrollsløyfen prosessdokumentasjon pluss periodisk verifisering. Registrering av ovndiagrammer, bråkjølingsparametere, tempereringssykluser og retting av poster mot varmetallet gjør at et avvik kan spores før det blir et avvist parti.
FAQ
Spørsmål: Er reststress alltid skadelig?
Nei. En gjenværende trykkspenning på overflaten forbedrer utmattingsstyrken og motstanden mot spenningskorrosjonssprekker. Problemet er ukontrollert strekkspenning, eller et spenningsmønster som øker servicebelastningen.
Spørsmål: Hva er forskjellen mellom termisk stress og transformasjonsspenning?
Termisk stress kommer fra temperaturforskjeller mellom overflate og kjerne, som forårsaker ulik sammentrekning. Transformasjonsspenning kommer fra volumendringen når austenitt blir til martensitt eller bainitt til forskjellige tider i ulike deler av seksjonen.
Spørsmål: Hvilke rørkvaliteter er mest utsatt for quench cracking?
Høyere-karbon og høyere-legeringskvaliteter med god herdbarhet, spesielt i tunge veggtykkelser, fordi de kan danne hard martensitt med høy restspenning og er mer følsomme for hydrogen.
Spørsmål: Hvordan reduseres varmebehandlingsstress i produksjonen?
Ved jevn oppvarming, en jevn og kontrollert bråkjøling, umiddelbar temperering, kontrollert avkjøling etter temperering og, der det er nødvendig, en dedikert spennings-utglødning. Retting utføres etter herding i stedet for før.
Spørsmål: Kan restspenning måles på et ferdig rør?
Ja. Røntgendiffraksjon og hull-strekkmålermetoden er de vanlige teknikkene, og begge utføres i samsvar med publiserte testmetoder slik at resultatene er sammenlignbare mellom leverandører og laboratorier.
Spørsmål: Hvorfor bøyer et rør noen ganger etter gjenging?
Fordi maskinering fjerner materiale og lar det indre spenningsmønsteret omfordeles, slik at en lengde som virket rett kan avledes. Tilstrekkelig avlastning før maskinering er standardmiddelet.
