20# безшевна стоманена тръба е класът на материала, определен в GB3087-2008 „Безшевни стоманени тръби за котли с ниско и средно налягане“. Това е висококачествена безшевна стоманена тръба от въглеродна структурна стомана, подходяща за производство на различни котли с ниско и средно налягане. Това е често срещан материал за стоманени тръби с голям обем. Когато производител на котелно оборудване произвеждаше нискотемпературен колектор за пренагревател, беше установено, че има сериозни напречни пукнатини по вътрешната повърхност на десетки тръбни съединения. Материалът за свързване на тръбата беше стомана 20 със спецификация Φ57 mm × 5 mm. Проверихме напуканата стоманена тръба и проведохме серия от тестове, за да възпроизведем дефекта и да открием причината за напречната пукнатина.

1. Анализ на характеристиките на крак
Морфология на пукнатината: Вижда се, че има много напречни пукнатини, разпределени по надлъжната посока на стоманената тръба. Пукнатините са подредени спретнато. Всяка пукнатина има вълнообразна характеристика, с лека деформация в надлъжна посока и без надлъжни драскотини. Има определен ъгъл на отклонение между пукнатината и повърхността на стоманената тръба и определена ширина. По ръба на пукнатината има оксиди и обезвъглеродяване. Дъното е тъпо и няма признаци на разширение. Структурата на матрицата е нормален ферит + перлит, който е разпределен в лента и има размер на зърното 8. Причината за пукнатината е свързана с триенето между вътрешната стена на стоманената тръба и вътрешната форма по време на производството на стоманена тръба.

Според макроскопските и микроскопичните морфологични характеристики на пукнатината може да се заключи, че пукнатината е генерирана преди окончателната термична обработка на стоманената тръба. Стоманената тръба използва кръгла тръбна заготовка Φ90 mm. Основните процеси на формоване, на които се подлага, са гореща перфорация, горещо валцуване и намаляване на диаметъра и две студени изтегляния. Специфичният процес е, че заготовката с кръгла тръба Φ90 mm се навива в груба тръба Φ93 mm × 5,8 mm, след което се валцува горещо и се редуцира до Φ72 mm × 6,2 mm. След ецване и смазване се извършва първото студено изтегляне. Спецификацията след студеното изтегляне е Φ65mm×5.5mm. След междинно отгряване, декапиране и смазване се извършва второто студено изтегляне. Спецификацията след студеното изтегляне е Φ57mm×5mm.

Според анализа на производствения процес факторите, влияещи върху триенето между вътрешната стена на стоманената тръба и вътрешната матрица, са главно качеството на смазването и също са свързани с пластичността на стоманената тръба. Ако пластичността на стоманената тръба е лоша, възможността за образуване на пукнатини ще се увеличи значително, а лошата пластичност е свързана с междинното облекчаване на напрежението чрез термична обработка с отгряване. Въз основа на това се прави заключение, че пукнатините могат да се генерират в процеса на студено изтегляне. В допълнение, тъй като пукнатините не са отворени до голяма степен и няма очевидни признаци на разширение, това означава, че пукнатините не са претърпели влиянието на вторична деформация на изтегляне, след като са се образували, така че допълнително се прави заключение, че най-вероятно времето за генериране на пукнатини трябва да бъде вторият процес на студено изтегляне. Най-вероятните влияещи фактори са лошо смазване и/или лошо отгряване за освобождаване на напрежението.

За да се определи причината за пукнатините, бяха проведени тестове за възпроизвеждане на пукнатини в сътрудничество с производителите на стоманени тръби. Въз основа на горния анализ бяха проведени следните тестове: При условие, че процесите на намаляване на диаметъра на перфорация и горещо валцуване остават непроменени, условията на топлинна обработка на смазване и/или освобождаване на напрежението отгряване се променят и изтеглените стоманени тръби се проверяват за опитайте се да възпроизведете същите дефекти.

2. План за тестване
Предложени са девет тестови плана чрез промяна на процеса на смазване и параметрите на процеса на отгряване. Сред тях нормалното изискване за време за фосфатиране и смазване е 40 минути, нормалното изискване за температура на отгряване за междинно освобождаване на напрежението е 830 ℃, а нормалното изискване за време за изолация е 20 минути. Тестовият процес използва 30t единица за студено изтегляне и пещ за термична обработка с ролково дъно.

3. Резултати от теста
Чрез проверката на стоманените тръби, произведени по горните 9 схеми, беше установено, че с изключение на схеми 3, 4, 5 и 6, всички други схеми имат разклащане или напречни пукнатини в различна степен. Сред тях схема 1 имаше пръстеновидна стъпка; схеми 2 и 8 имаха напречни пукнатини и морфологията на пукнатините беше много подобна на тази, открита при производството; схеми 7 и 9 бяха разклатени, но не бяха открити напречни пукнатини.

4. Анализ и дискусия
Чрез поредица от тестове беше напълно потвърдено, че смазването и междинното отгряване за освобождаване на напрежението по време на процеса на студено изтегляне на стоманени тръби имат жизненоважно въздействие върху качеството на готовите стоманени тръби. По-специално, схеми 2 и 8 възпроизвеждат същите дефекти по вътрешната стена на стоманената тръба, открити при горното производство.

Схема 1 е да се извърши първото студено изтегляне върху горещо валцуваната основна тръба с намален диаметър, без да се извършва процесът на фосфатиране и смазване. Поради липсата на смазване, натоварването, необходимо по време на процеса на студено изтегляне, е достигнало максималното натоварване на машината за студено изтегляне. Процесът на студено изтегляне е много трудоемък. Разклащането на стоманената тръба и триенето с матрицата причиняват очевидни стъпки по вътрешната стена на тръбата, което показва, че когато пластичността на основната тръба е добра, въпреки че несмазаният чертеж има неблагоприятен ефект, не е лесно да се причини напречни пукнатини. В Схема 2 стоманената тръба с лошо фосфатиране и смазване е непрекъснато студено изтеглена без междинно отгряване за освобождаване на напрежението, което води до подобни напречни пукнатини. Въпреки това, в Схема 3 не са открити дефекти при непрекъснатото студено изтегляне на стоманената тръба с добро фосфатиране и смазване без междинно отгряване за освобождаване на напрежението, което предварително показва, че лошото смазване е основната причина за напречните пукнатини. Схеми 4 до 6 трябва да променят процеса на топлинна обработка, като същевременно осигуряват добро смазване и в резултат на това не са възникнали дефекти при изтегляне, което показва, че междинното отгряване за освобождаване на напрежението не е доминиращият фактор, водещ до появата на напречни пукнатини. Схеми 7 до 9 променят процеса на термична обработка, като същевременно съкращават наполовина времето за фосфатиране и смазване. В резултат на това стоманените тръби от схеми 7 и 9 имат линии на треперене, а схема 8 произвежда подобни напречни пукнатини.

Горният сравнителен анализ показва, че напречни пукнатини ще се появят и в двата случая на лошо смазване + липса на междинно отгряване и лошо смазване + ниска температура на междинно отгряване. В случаите на лошо смазване + добро междинно отгряване, добро смазване + липса на междинно отгряване и добро смазване + ниска температура на междинно отгряване, въпреки че ще възникнат дефекти на линията на разклащане, няма да се появят напречни пукнатини по вътрешната стена на стоманената тръба. Лошото смазване е основната причина за напречните пукнатини, а лошото отгряване за облекчаване на междинното напрежение е спомагателната причина.

Тъй като напрежението на изтегляне на стоманената тръба е пропорционално на силата на триене, лошото смазване ще доведе до увеличаване на силата на изтегляне и намаляване на скоростта на изтегляне. Скоростта е ниска, когато стоманената тръба е изтеглена за първи път. Ако скоростта е по-ниска от определена стойност, т.е. достигне точката на бифуркация, дорникът ще произведе самовъзбуждаща се вибрация, което ще доведе до линии на треперене. В случай на недостатъчно смазване, аксиалното триене между металната повърхност (особено вътрешната повърхност) и матрицата по време на изтегляне се увеличава значително, което води до втвърдяване при работа. Ако последващата температура на термична обработка на стоманената тръба за облекчаване на напрежението при отгряване е недостатъчна (като около 630 ℃, зададена при теста) или няма отгряване, лесно е да предизвикате повърхностни пукнатини.

Според теоретичните изчисления (най-ниската температура на рекристализация ≈ 0,4 × 1350 ℃), температурата на рекристализация на стомана 20 # е около 610 ℃. Ако температурата на отгряване е близка до температурата на рекристализация, стоманената тръба не успява да рекристализира напълно и втвърдяването при работа не се елиминира, което води до лоша пластичност на материала, потокът на метала се блокира по време на триене и вътрешните и външните слоеве на метала са силно повредени се деформират неравномерно, като по този начин генерират голямо аксиално допълнително напрежение. В резултат на това аксиалното напрежение на метала на вътрешната повърхност на стоманената тръба надвишава своята граница, като по този начин генерира пукнатини.

5. Заключение
Образуването на напречни пукнатини по вътрешната стена на 20# безшевна стоманена тръба се причинява от комбинирания ефект на лошо смазване по време на изтегляне и недостатъчно междинно облекчаване на напрежението, термична обработка с отгряване (или без отгряване). Сред тях лошото смазване е основната причина, а лошото междинно отгряване за освобождаване на напрежението (или липса на отгряване) е спомагателната причина. За да се избегнат подобни дефекти, производителите трябва да изискват от операторите на сервизи да спазват стриктно съответните технически разпоредби за процеса на смазване и топлинна обработка в производството. В допълнение, тъй като пещта за непрекъснато отгряване с ролково дъно е пещ за непрекъснато отгряване, въпреки че е удобна и бърза за зареждане и разтоварване, е трудно да се контролира температурата и скоростта на материали с различни спецификации и размери в пещта. Ако не се прилага стриктно съгласно разпоредбите, лесно е да се предизвика неравномерна температура на отгряване или твърде кратко време, което води до недостатъчна рекристализация, което води до дефекти в последващото производство. Следователно производителите, които използват пещи за непрекъснато отгряване с ролково дъно за топлинна обработка, трябва да контролират различните изисквания и действителните операции на топлинната обработка.