Bezešvá ocelová trubka 20# je jakost materiálu specifikovaná v GB3087-2008 „Bezešvé ocelové trubky pro nízkotlaké a středotlaké kotle“. Jedná se o vysoce kvalitní bezešvou trubku z uhlíkové konstrukční oceli vhodnou pro výrobu různých nízkotlakých a středotlakých kotlů. Jde o běžný a velkoobjemový ocelový trubkový materiál. Když výrobce kotlového zařízení vyráběl nízkoteplotní dohřívač, bylo zjištěno, že na vnitřním povrchu desítek potrubních spojů byly vážné defekty příčných trhlin. Materiál trubkového spoje byla ocel 20 se specifikací Φ57 mm × 5 mm. Zkontrolovali jsme prasklou ocelovou trubku a provedli řadu testů, abychom defekt reprodukovali a zjistili příčinu příčné trhliny.

1. Analýza vlastností trhlin
Morfologie trhlin: Je vidět, že existuje mnoho příčných trhlin rozmístěných podél podélného směru ocelové trubky. Trhliny jsou uspořádány úhledně. Každá trhlina má zvlněný rys s mírným vychýlením v podélném směru a bez podélných rýh. Mezi trhlinou a povrchem ocelové trubky je určitý úhel vychýlení a určitá šířka. Na okraji trhliny jsou oxidy a oduhličení. Spodní část je tupá a není zde žádná známka rozšíření. Struktura matrice je normální ferit + perlit, který je rozmístěn v pásu a má zrnitost 8. Příčina trhliny souvisí s třením mezi vnitřní stěnou ocelové trubky a vnitřní formou při výrobě ocelová trubka.

Podle makroskopických a mikroskopických morfologických charakteristik trhliny lze usuzovat, že trhlina vznikla před konečným tepelným zpracováním ocelové trubky. Ocelová trubka používá předvalek z kruhové trubky Φ90 mm. Hlavními tvářecími procesy, kterými prochází, jsou perforace za tepla, válcování za tepla a zmenšování průměru a dva tažení za studena. Specifický proces spočívá v tom, že předvalek s kulatou trubkou Φ90 mm je válcován do hrubé trubky Φ93 mm × 5,8 mm a poté válcován za tepla a redukován na Φ72 mm × 6,2 mm. Po moření a mazání se provede první tažení za studena. Specifikace po tažení za studena je Φ65 mm × 5,5 mm. Po mezižíhání, moření a mazání se provádí druhé tažení za studena. Specifikace po tažení za studena je Φ57mm×5mm.

Podle analýzy výrobního procesu jsou faktory ovlivňující tření mezi vnitřní stěnou ocelové trubky a vnitřní matricí především kvalita mazání a souvisí také s plasticitou ocelové trubky. Je-li plasticita ocelové trubky špatná, výrazně se zvýší možnost vzniku trhlin a špatná plasticita souvisí s tepelným zpracováním žíháním s odlehčením pnutí. Na základě toho se usuzuje, že trhliny mohou vznikat v procesu tažení za studena. Navíc, protože trhliny nejsou do značné míry otevřené a není zde patrná známka expanze, znamená to, že trhliny po svém vzniku nezaznamenaly vliv sekundární deformace tažením, takže se dále usuzuje, že nejpravděpodobnější čas pro vytvoření trhlin by měl být druhým procesem tažení za studena. Nejpravděpodobnějšími ovlivňujícími faktory jsou špatné mazání a/nebo špatné žíhání pro odlehčení pnutí.

Pro zjištění příčiny vzniku trhlin byly ve spolupráci s výrobci ocelových trubek provedeny zkoušky reprodukce trhlin. Na základě výše uvedené analýzy byly provedeny následující zkoušky: Pod podmínkou, že procesy děrování a zmenšování průměru válcování za tepla zůstanou nezměněny, se změní podmínky mazání a/nebo tepelného zpracování žíhání pro odlehčení pnutí a tažené ocelové trubky se zkontrolují, aby pokusit se reprodukovat stejné vady.

2. Testovací plán
Je navrženo devět zkušebních plánů změnou parametrů procesu mazání a procesu žíhání. Mezi nimi je normální požadavek na dobu fosfátování a mazání 40 minut, normální požadavek na teplotu žíhání pro střední odlehčení pnutí je 830 ℃ a požadavek na normální dobu izolace je 20 minut. Zkušební proces využívá 30t jednotku pro tažení za studena a pec pro tepelné zpracování s válcovým dnem.

3. Výsledky testu
Inspekcí ocelových trubek vyrobených podle výše uvedených 9 schémat bylo zjištěno, že kromě schémat 3, 4, 5 a 6 měla všechna ostatní schémata v různé míře otřesy nebo příčné trhliny. Mezi nimi schéma 1 mělo prstencový stupeň; schémata 2 a 8 měla příčné trhliny a morfologie trhlin byla velmi podobná morfologii zjištěné ve výrobě; schémata 7 a 9 se otřásla, ale nebyly nalezeny žádné příčné trhliny.

4. Analýza a diskuse
Prostřednictvím série testů bylo plně ověřeno, že mazání a mezilehlé žíhání pro odlehčení pnutí během procesu tažení ocelových trubek za studena mají zásadní vliv na kvalitu hotových ocelových trubek. Zejména schémata 2 a 8 reprodukovala stejné defekty na vnitřní stěně ocelové trubky, které byly nalezeny ve výše uvedené výrobě.

Schéma 1 spočívá v provedení prvního tažení za studena na matečné trubce se sníženým průměrem válcované za tepla bez provádění procesu fosfátování a mazání. Kvůli nedostatku mazání dosáhlo zatížení potřebné během procesu tažení za studena maximálního zatížení stroje pro tažení za studena. Proces tažení za studena je velmi pracný. Otřesy ocelové trubky a tření o formu způsobují zjevné kroky na vnitřní stěně trubky, což naznačuje, že když je plasticita matečné trubky dobrá, ačkoli má nemazaný výkres nepříznivý účinek, není snadné to způsobit příčné trhliny. Ve schématu 2 je ocelová trubka se špatným fosfátováním a mazáním nepřetržitě tažena za studena bez mezilehlého žíhání pro odlehčení pnutí, což má za následek podobné příčné trhliny. Ve schématu 3 však nebyly zjištěny žádné závady v průběžném tažení za studena ocelové trubky s dobrým fosfátováním a mazáním bez mezilehlého žíhání na odlehčení pnutí, což předběžně ukazuje, že špatné mazání je hlavní příčinou příčných trhlin. Schémata 4 až 6 mají změnit proces tepelného zpracování při zajištění dobrého mazání a v důsledku toho nedošlo k žádným defektům v tahu, což naznačuje, že žíhání na střední odlehčení pnutí není dominantním faktorem vedoucím k výskytu příčných trhlin. Schémata 7 až 9 mění proces tepelného zpracování a zkracují dobu fosfátování a mazání na polovinu. Výsledkem je, že ocelové trubky ze schématu 7 a 9 mají otřesy a schéma 8 vytváří podobné příčné trhliny.

Výše uvedená srovnávací analýza ukazuje, že k příčným trhlinám dojde v obou případech špatného mazání + žádné mezižíhání a špatné mazání + nízká teplota mezižíhání. V případech špatného mazání + dobré mezižíhání, dobré mazání + žádné mezižíhání a dobré mazání + nízká mezižíhací teplota se sice vyskytnou defekty třepačky, ale na vnitřní stěně ocelové trubky nevzniknou příčné trhliny. Špatné mazání je hlavní příčinou příčných trhlin a pomocnou příčinou je špatné žíhání na střední odlehčení pnutí.

Protože tažné napětí ocelové trubky je úměrné třecí síle, špatné mazání povede ke zvýšení tažné síly a snížení rychlosti tažení. Při prvním tažení ocelové trubky je rychlost nízká. Pokud je rychlost nižší než určitá hodnota, to znamená, že dosáhne bodu rozvětvení, bude trn produkovat samobuzené vibrace, které mají za následek chvění. V případě nedostatečného mazání je axiální tření mezi povrchovým (zejména vnitřním povrchem) kovem a matricí při tažení značně zvýšeno, což má za následek mechanické zpevnění. Pokud je následná teplota tepelného zpracování ocelové trubky při žíhání při odlehčení pnutí nedostatečná (jako je při zkoušce nastavena přibližně 630 °C) nebo žádné žíhání, je snadné způsobit povrchové trhliny.

Podle teoretických výpočtů (nejnižší teplota rekrystalizace ≈ 0,4×1350℃) je teplota rekrystalizace oceli 20# asi 610℃. Pokud je teplota žíhání blízká teplotě rekrystalizace, ocelová trubka nemůže plně rekrystalizovat a nevylučuje se mechanické zpevnění, což má za následek špatnou plasticitu materiálu, tok kovu je blokován během tření a vnitřní a vnější vrstvy kovu jsou vážně narušeny. deformovány nerovnoměrně, čímž vzniká velké axiální dodatečné napětí. V důsledku toho axiální napětí kovu vnitřního povrchu ocelové trubky překračuje svou mez, čímž dochází ke vzniku trhlin.

5. Závěr
Vytváření příčných trhlin na vnitřní stěně bezešvé ocelové trubky 20# je způsobeno kombinovaným účinkem špatného mazání během tažení a nedostatečného tepelného zpracování žíháním s odlehčením středního napětí (nebo žádného žíhání). Mezi nimi je hlavní příčinou špatné mazání a pomocnou příčinou je špatné střední žíhání (nebo žádné žíhání). Aby se předešlo podobným závadám, měli by výrobci vyžadovat, aby provozovatelé dílen přísně dodržovali příslušné technické předpisy procesu mazání a tepelného zpracování ve výrobě. Kromě toho, protože kontinuální žíhací pec s válečkovým dnem je kontinuální žíhací pec, i když je pohodlné a rychlé nakládání a vykládání, je obtížné řídit teplotu a rychlost materiálů různých specifikací a velikostí v peci. Pokud není přísně implementováno podle předpisů, může snadno dojít k nerovnoměrné teplotě žíhání nebo příliš krátké době, což má za následek nedostatečnou rekrystalizaci, což vede k vadám v následné výrobě. Výrobci, kteří pro tepelné zpracování používají kontinuální žíhací pece s válečkovým dnem, by proto měli kontrolovat různé požadavky a skutečné operace tepelného zpracování.