Bei der Herstellung und Verarbeitung von Stahlrohren entsteht im Inneren aufgrund der ungleichmäßigen Verformung und der Temperaturschwankungen im Inneren eine Art Spannung, die sich auch ohne äußere Krafteinwirkung selbst-ausgleichen kann. Das ist Eigenspannung.
🔍 Eigenspannungen in Stahlrohren: Ursachen, Auswirkungen und Beseitigungsstrategien
🔬 Definition und Ursachen von Eigenspannung
Unter Restspannung versteht man die Spannung, die innerhalb eines Metalls verbleibt und sich im Selbstgleichgewicht befindet, nachdem die äußere Kraft beseitigt wurde. Seine Entstehung ist hauptsächlich auf die Inhomogenität verschiedener physikalischer Phänomene während des Herstellungsprozesses zurückzuführen.
• Ungleichmäßige Kühlung:
Wenn das Stahlrohr während des Warmwalzvorgangs aus einem Zustand hoher{0}}Temperatur abkühlt und die Abkühlraten verschiedener Teile des Querschnitts nicht konsistent sind, kommt es zu einer asynchronen Kontraktion, wodurch sich im Inneren eine selbst-ausgleichende Eigenspannung bildet. Im Allgemeinen ist die Restspannung umso größer, je größer der Querschnitt des Profilstahls ist.
• Ungleichmäßige plastische Verformung:
Bei Kaltumformungsprozessen wie Kaltwalzen und Kaltziehen werden metallische Werkstoffe durch die Walzen extrudiert und plastisch verformt. Wenn die Verformungsgrade der inneren und äußeren Schichten des Stahlrohrs nicht konsistent sind, führt dies zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung.
• Schweißverfahren:
Bei der Herstellung von geraden nahtgeschweißten Rohren oder spiralgeschweißten Rohren erfährt das Metall im Schweißbereich eine starke lokale Erwärmung und Abkühlung. Bei diesem Prozess ist die durch die Schweißnahtkontraktion induzierte lokale Dehnung oft um ein Vielfaches höher als die Streckgrenze, wodurch enorme Schweißeigenspannungen entstehen.
⚠️ Der Haupteinfluss der Eigenspannung
Das Vorhandensein von Eigenspannungen ist wie die Aussaat der „Samen versteckter Gefahren“ im Inneren des Stahlrohrs und stellt eine mehrfache Bedrohung für dessen Leistung und Lebensdauer dar.
1. Verformung und Dimensionsinstabilität verursachen:
Restspannungen können das mechanische Gleichgewicht im Inneren des Stahlrohrs stören und bei der späteren Verarbeitung, Lagerung oder Nutzung zu Verformungen wie Biegung oder Verdrehung führen. Wenn die Restspannung 15 % der Streckgrenze des Materials überschreitet, kann der Geradheitsfehler des fertigen Stahlrohrs stark um mehr als 30 % ansteigen, was die Maßhaltigkeit des Produkts erheblich beeinträchtigt.
2. Reduzieren Sie die Ermüdungslebensdauer und die Tragfähigkeit:
Eigenspannungen, insbesondere Zugspannungen, können die Ermüdungsfestigkeit von Stahlrohren erheblich verringern. Unter zyklischer Belastung neigen Bereiche mit Restzugspannung eher dazu, Ermüdungsrisse auszulösen und deren Ausbreitung zu beschleunigen, was zu einem vorzeitigen Ausfall von Bauteilen und einer Verkürzung ihrer Lebensdauer führt.
3. Erhöhte Rissgefahr:
Bei geschweißten Stahlrohren stellt die im Schweißnahtbereich vorhandene Eigenspannung häufig einen Spannungszustand in drei -Richtungen dar, was die Rissgefahr stark erhöht. Wenn der Stahl selbst Delaminationen aufweist (Einschlüsse werden in dünne Bleche gepresst), kann es durch Eigenspannungen beim Schrumpfen der Schweißnaht auch zu Zwischenschichtrissen kommen.
4. Interkristalline Korrosion verstärken:
Eigenspannungen können die chemische Reaktivität von Metallen verstärken. Stahlrohre (insbesondere Edelstahlrohre) sind unter Einwirkung von Eigenzugspannungen besonders anfällig für interkristalline Korrosionsrisse, das heißt, sie korrodieren an den Kristallgrenzen, wodurch ihre Korrosionsbeständigkeit stark beeinträchtigt wird.
5. Auswirkungen auf mechanische Eigenschaften und Bausicherheit:
Am Beispiel spiralgeschweißter Rohre sind der Winkel zwischen der Rissrichtung der Spirallinienverteilung und der Rohrachse (normalerweise 30–70 Grad) und der Scherversagenswinkel ähnlich, was bedeutet, dass die Biege-, Zug-, Druck- und Torsionsleistung schlechter sein kann als die von unterpulvergeschweißten Rohren mit gerader Naht. Darüber hinaus können während des Bauprozesses die Schnittlinienschweißnähte an den Knotenpunkten die Spiralnähte durchtrennen, wodurch erhebliche Schweißspannungen entstehen und die Sicherheitsleistung der Komponenten geschwächt wird.
💡 Die wichtigsten Methoden zur Beseitigung von Eigenspannungen
Der Kerngedanke bei der Überwindung von Eigenspannungen besteht darin, ihr einen „Auslass zur Entspannung“ zu verschaffen, meist durch physikalische oder thermodynamische Methoden. Die folgende Tabelle vergleicht drei gängige Eliminierungsmethoden:
| Eliminierungsmethode |
Grundprinzipien |
Anwendbare Szene | Eliminierungseffekt | Wichtige Vorteile |
|
Wärmebehandlung |
Durch Erhitzen gewinnen Atome Energie, um sich neu anzuordnen, und während des langsamen Abkühlungsprozesses wird Spannung abgebaut | Hoch-präzise und hoch-beanspruchte Rohrmaterialien; Stress nach dem Schweißen abbauen. | Es kann 60 % bis 90 % des Stresses abbauen, und zwar mit der gründlichsten Wirkung. | Es hat die gründlichste Wirkung und ist die gängige Lösung in der Industrie. |
| Mechanische Methode | Durch die Einwirkung äußerer Kräfte wie Vibration oder Druck kommt es zu einer lokalen plastischen Verformung, wodurch Eigenspannungen ausgeglichen oder reduziert werden | Große Rohrmaterialien, -Bauarbeiten vor Ort und Situationen, in denen das Heizen unbequem ist. | Normalerweise werden 30 bis 60 % des Stresses beseitigt. | Flexibel und effizient, keine Heizung erforderlich und kostengünstig. |
| Natürliches Altern | Indem man sich die langfristigen Temperaturschwankungen und leichten Vibrationen in der natürlichen Umgebung zunutze macht, wird Stress langsam und auf natürliche Weise abgebaut | Stahlrohre mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, keine strengen Anforderungen an die Bauzeit und kein hohes Spannungsniveau. | Es dauert extrem lange (3 bis 12 Monate) und eliminiert nur 20 bis 30 % | Die Kosten sind äußerst gering, da weder Ausrüstung noch Energie erforderlich sind |
🔍Spezifische Anwendungen mechanischer Methoden:
• Kernpunkte des Wärmebehandlungsprozesses:
Beim üblichen Spannungsarmglühen wird das Stahlrohr auf eine bestimmte Temperatur erhitzt (normalerweise unter der Phasenumwandlungstemperatur oder Rekristallisationstemperatur, z. B. 500 -650 Grad), es für einen bestimmten Zeitraum gehalten und dann langsam abgekühlt. Bei Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt oder legiertem Stahl kann auch ein Anlassen bei niedriger Temperatur (150–250 Grad) angewendet werden, um Spannungen zu beseitigen, ohne die Härte wesentlich zu verringern.
• Spezifische Anwendungen mechanischer Methoden:
Vibrationsentlastung: Befestigen Sie den Erreger am Stahlrohr und wenden Sie Vibrationen einer bestimmten Frequenz an, um es in Resonanz zu versetzen, wodurch Spannungen homogenisiert oder beseitigt werden. Diese Methode hat einen geringen Energieverbrauch und einen kurzen Zeitaufwand, ihre Eliminierungswirkung ist jedoch nicht so gut wie die der Wärmebehandlung.
Druckrichten: Durch die Ausübung von Druck auf die gebogenen oder spannungsstarken Teile des Stahlrohrs durch eine hydraulische Presse wird eine umgekehrte plastische Verformung erzeugt, um die Spannung auszugleichen.
• Prozesskombinationsanwendung:
In der tatsächlichen industriellen Produktion werden diese Methoden häufig kombiniert und je nach spezifischen Umständen eingesetzt. Beispielsweise kann bei Stahlrohren mit extrem hohen Anforderungen nach der Wärmebehandlung und dem Spannungsarmglühen eine Vibrationsalterungsbehandlung ergänzt werden, um die Abmessungen und den Spannungszustand weiter zu stabilisieren. Durch die Optimierung der Walzprozessparameter, die Verbesserung des Formdesigns und die Einführung intelligenter Steuerungstechnik kann die Entstehung von Eigenspannungen von vornherein reduziert werden.
