Способ термической обработки толстостенных стальных труб
Сущность изобретения: после нагрева и выдержки при температурах аустенизации трубу подвигают одностороннему охлаждению в спрейерных устройствах. Охлаждение стенки трубы в интервале МН...МК осуществляют за время t, определяемое из математического выражения 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.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ О 1 (О, ,Щ 6д (21) 4909986/02 (22) 12.02.91 (46) 23.01.93. Бюл. N. 3 (71) Пермский научно-исследовательский технологический институт (72) И,Я.Шендеров (73) Пермский научно-исследовательский технологический институт (56) Металловедение и термическая обработка стали, Справ. изд. в 3-х томах, Т вЂ” 3. Термическая обработка металлопродукции. / Под ред, M.Ë.Áåðíøòåéíà и А,Г,Рахштадта, — М.: Металлургия, 1983, с.90 — 91, (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОЛСТОСТЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ТРУБ Изобретение относится к машиностроению и металлургии и может быть использовано при изготовлении сосудов высокого давления 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 механических (прочностных) характеристик материала и однородность свойств по толщине стенки. Недостатком известных способов является невозможность создания в материале стенки труб, предназначенных для изготовления сосудов и трубопроводов высокого давления, остаточных напряжений сжатия „„ Д „„1790615 А3 (57) Сущность изобретения: после нагрева и выдержки при температурах аустенизации трубу подвигают одностороннему охлаждению в спрейерных устройствах. Охлаждение стенки трубы в интервале Мн...Мк осуществляют за время t, определяемое из математического выражения 1,5 Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу является принятый за прототип способ термической обработки труб, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре и одностороннее охлаждение струйными (спрейерными) устройствами со скоростью охлаждения, выбираемой в интервале, обеспечивающем необходимые свойства конструкционного материала. Для получения регламентированной структуры стали скорость охлаждения выбирают от величин 0,5...20 С/с для котельных труб перлитного класса до интервала 40„,100 С/с. Недостатком этого способа также является невозможность создания в стенке трубы остаточных напряжений, способствующих повышению несущей способности из1790615 at Ьг 55 делия в области упругих деформаций при нагружении внутренним давлением. Целью изобретения является повышение несущей способности труб, нагружаемых внутренним давлением, в пределах упругости за счет формирования при термообработке остаточных механических напряжений, сходных с напряжениями после автофретирования. Поставленная цель достигается тем, что в способе термической обработки стальных труб, включающем нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре и одностороннее охлаждение в струйн ых (сп рейер н ых) устройствах с регулируемой скоростью, выбираемой в интервале, обеспечивающем получение регламентированной структуры материала, охлаждение стенки трубы в интервале температур мартенситного превращения проводят за время т, определяемое из условия 1,5 ((<1,65, Rz где т — время охлаждения стенки трубы в интервале температур мартенситного превращения (М,„.MK), c; а — коэффициент температуропроводности стали, м/с; R1 и R2 — радиусы внутренней и наружной поверхностей трубы, мм; Ь вЂ” толщина стенки, Ь = Rz — Rl, мм, При одностороннем интенсивном охлаждении стальной трубы температура материала изменяется неравномерно по толщине стенки; при этом в интервале температур мартенситного у- а превращения протекают конкурирующие процессы снижения удельного объема материала при охлаждении и увеличения удельного объема материала при нарастании содержания афазы. Градиенты деформации при этом достаточно велики для развития пластических деформаций металла; в результате после полного остывания трубы в материале стенки действуют внутренние остаточные механические напряжения, сходные с напряжениями после гидростатического автофретирования, что повышает несущую способность трубы в пределах упругости. Последнее означает, что при предложенном способе термической обработке в результате термопластического деформирования происходит автофретирование труб. Пример 1, Рассчитывали параметры теплового и напряженного состояния труб из стали 38ХНЗМФА. При численном расчете использовались табличные характери5 30 стики свойств стали, Для получения регламентированной (мартенситной) структуры на основании имеющихся опытных данных принималось, что в интервале температур 350...300 С скорость охлаждения должна быть более 1,7 С/с, При меньших скоростях охлаждения возможно образование верхнего бейнита и отклонение физико-механических свойств конструкционного материала от требуемых. Результаты расчета характеристик термоавтофретированных толстостенных труб представлены в табл.1 — 3. В табл.1 показано распределение остаточных окружных напряжений по толщине стенки трубы при различных значениях времени охлаждения, Влияние напряжений, сформировавшихся при разных скоростях охлаждения, на упругую прочность трубы неодинаково, и в табл.2 приведены границы интервала значений времени охлаждения, в котором наблюдается повышение несущей способности трубы, Количественные оценки этого эффекта — повышения упругой прочности трубы при действии внутреннего гидростатического давления — для значений времени охлаждения из указанного интервала приводятся в табл.3. Используемая в таблицах характеристика — относительное время прохождения всей толщиной стенки трубы интервала температур мартенситного превращения представляет собой комплекс Под границами интервала значений относительного времени (см, табл.2) понимаются левая и правая границы соотношения формулы изобретения. В табл,2 также сопоставляются значения границы интервала, полученные точным расчетом и по аппроксимирующей зависимости, представленной в формуле изобретения. П р и M е р 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, перемещающейся 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. Токарная обработка проводилась с установкой вала в цен1790615 15 30 л Е! д1 — д2 0— p(RI)2 — %в 40 тры и промежуточные кольцевые четырехкулачковые люнеты, выставленные таким образом, что в местах установки люнетов осевое отверстие было концентрично оси центров станка, т.е. обработка заготовки проводилась в деформированном состоянии. Имеющаяся перед токарной обработкой равностенность заготовки образовала припуск, снимаемый обтачиванием. Деформации заготовки при токарной обработке контролировались по результатам измерений непрямолинейности осевого отверстия, выполняемым до и после токарной обработки в свободном состоянии заготовки. Наличие в поверхностном, снимаемом при точении слое металла остаточных напряжений приводит к изменению непрямолинеиности оси отверстия,. причем, как следует из схемы обработки, растягивающие напряжения в снимаемом слое приводят к уменьшению непрямолинейности оси отверстия, а сжимающие — к увеличению окружные напряжения растяжения вызывают укорочение материала в осевом направлении, пропорциональное величине напряжения 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 обтачивание стало противоположным направлению непрямолинейности, то после токарной обработки сумма исходной непрямолинейности и остаточной деформации оси заготовки при наличии в поверхностных слоях металла растягивающих окружных напряжений будет меньше величины исходной непрямолинейности. Расчет процесса охлаждения заготовки при термической обработке показывает, что время полного охлаждения составляет около 9 минут (соотношение длины и скорости перемещения спрейерной секции), при этом время прохождения всей толщиной стенки интервала температур мартенситного превращения равно 220 с; по соотношениям предложенного способа эта величина должна быть в диапазоне от 185 до 270 с, т.е. фактическая величина соответствует требованиям предложенного способа. Результаты измерений приведены в табл,4. Полученные результаты носят случайный характер. так как кроме исходной величины непpÿMолинейности осевого отверстия на изменение непрямолинейно45 55 сти влияет неучитывающаяся величина непрямолинейности исходной наружной поверхности, также влияющая на величину разносъема при токарной обработке, Исходя из этого сравниваться должны статистические характеристики результатов измерений. Из данных табл,4 следует, что среднее значение отклонения от непрямолинейности оси отверстия до обтачивания равно 0,48 мм, после обтачивания — 0,37 мм (уменьшилось почти íà 20%), среднее квадратическое отклонение равно 0,19 мм до обтачивания и 0,18 мм — после (практически не изменилось), По характеру изменения непрямолинейности можно судить, что на поверхности заготовки после термической обработки сформировались растягивающие окружные напряжения, как и следует при осуществлении предложенного способа термообработки. Для количественной оценки напряжений было определено следующее соотношение: где о — напряжение в поверхностном слое заготовки; Š— модуль упругости материала; I — момент инерции поперечного сечения детали; и — коэффициент Пуассона; R — радиус наружной поверхности детали; ! — длина заготовки; 0>, д — отклонение от прямолинейности до и после точения. Предполагалось, что исходная непрямолинейность параболическй изменяется по длине заготовки. Расчет показывает, что для уменьшения величины непрямолинейности на 20% остаточные окружные напряжения в заготовке должны составлять около 450 МПа, что не противоречит данным табл.1, Пример 3. Термической упрочняющей обработке подвергается обточенная труба из заготовки — сталь 38ХНЗМФА ОСТ 14-2 1-77. Размеры поперечного сечения трубы; наружный диаметр 75 и 150 мм, толщина стенки — 25 мм при термообработке труба нагревается в кольцевом индукторе токами промышленной частоты до температуры 830 С, выдерживается при этой температуре и охлаждается в кольцевом спрейере непрерывного действия. Интервал мартенситного превращения: Мн= 320 С, Мк= 1 60 С. Для получения тре1790615 1,5 — < < 1,65, г b2 25 Таблица 1 Таблица 2 Соотношение радиусов R2/R1 Границы интервала значений относительного времени прохождения темпе ат ма тенситного и ев а ения верхняя граница нижняя г ани а расчет точное значение погрешность асчета, 1.,49 1,33 1,32 1,25 1,14 1,08 5,7 3,6 0,0 1,6 0,0 0,9 1,58 1,38 1,32 1,23 1,14 1,07 1,02 1,28 1,29 1,43 1,73 1,94 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 буемой структуры и прочностных свойств металла скорость охлаждения в интервале температур 350...300 С должна быть не мене 1,7 С/с. Результаты расчета напряженного состояния материала трубы и упругой несущей способности при действии внутреннего давления приведены в табл.5. Там же указаны величины наибольшей толщины стенки трубы, которая после термообработки при данных режимах охлаждения имеет регламентируемую структуру и свойства металла (наибольшая толщина стенки определена из условия превышения скоростью охлаждения величины 1,7 С/с). Расчетные толщины стенки больше толщины стенки труб, результаты термообработки которых здесь рассматриваются. Из этого следует, что в области характеристик известного способа термической обработки, принятого за прототип, имеется интервал параметров, при соблюдении которых проявляются качественно новые свойства обрабатываемых изделий. Формула изобретения Способ термической обработки толстостенных стальных труб, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку 5 при этой температуре и одностороннее охлаждение в спрейерных устройствах с регулируемой скоростью, отличающийся тем, что охлаждение стенки трубы в интервале температур мартенситного превраще10 ния проводят за время t, определяемое из условия где t — время охлаждения стенки в интервале температур мартенситного превращения (Мн" Мк), с; а — коэффициент температуропроводности стали, м /с; R) и R2 — радиусы внутренней и наружной поверхности трубы, мм; b = R2 — R — тслщина СтЕнки трубы, мм, 10 1790615 Продолжение таблицы 2 Таблица 3 Таблица 4 Отклонение оси отверстия от прямолиней- Отношения величин ности, мм до и после точения Заводские номера деталей пе е обтачиванием после обтачивания 943 964 972 973 974 978 979 1041 1048 1054 1057 1064 1068 1069 1071 1073 1076 6414 6416 0,38 0,30 0,78 0,64 0,42 0,40 0,42 0,56 0,72 0,23 0,33 0,36 0,20 0,83 0,56 0,70 0,22 0,39 0,53 0,74 0,70 0,60 0,28 0,54 0,16 0,40 0,24 0,60 0,60 0,20 0,20 0,31 0,44 0,58 0,32 0,20 0,10 0,14 0,64 0,58 0,41 0,17 0,39 0,33 0,76 0,51 0,50 0,26 0,34 0,14 0,95 1,25 1,390 1,07 2,10 2,00 1,35 1,27 1,24 0,72 1,65 3,60 1,43 1,30 0,97 1,71 1,29 1,00 1,61 0,97 1,37 1,20 1,08 1,59 1,36 1790615 Таблица5 Границы интервала времени прохождения температур мартенситного превращения, мин Составитель И,Шендеров Техред М,Моргентал Корректор Н,Ревская Редактор Т.Иванова Заказ 367 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Нижняя Be хняя 1,3 1,7 0,9 1,7
