20#継目無鋼管はGB3087-2008「低中圧ボイラー用継目無鋼管」に規定されている材質グレードです。各種低圧・中圧ボイラーの製造に適した高品質炭素構造用継目無鋼管です。一般的かつ大量生産される鋼管材料です。ボイラー機器メーカーが低温再熱器ヘッダーを製造していたところ、数十のパイプ継手の内面に重大な横方向の亀裂欠陥があることが判明しました。パイプ継手の材質は20鋼、仕様はΦ57mm×5mmです。亀裂が入った鋼管を検査し、欠陥を再現して横亀裂の原因を究明する一連の試験を実施しました。

1. 亀裂特徴解析
亀裂形態：鋼管の長手方向に沿って多数の横亀裂が分布していることがわかります。亀裂が綺麗に並んでいます。各亀裂は波状の特徴を持ち、長手方向にわずかに偏向しており、長手方向の傷はありません。亀裂と鋼管の表面との間には一定のたわみ角と一定の幅が存在します。亀裂の端には酸化物と脱炭が見られます。底は鈍くなっており、膨張の兆候はありません。母相組織は通常のフェライト＋パーライトであり、帯状に分布し、粒度は8である。亀裂の原因は、鋼管製造時の鋼管内壁と内型との摩擦に関係している。鋼管。

亀裂の巨視的および微視的形態学的特徴から、亀裂は鋼管の最終熱処理前に発生したと推測できます。スチールパイプはΦ90mm丸管ビレットを使用しています。主な成形プロセスは、熱間穿孔、熱間圧延、縮径、および 2 回の冷間絞りです。具体的な工程としては、Φ90mmの丸管ビレットをΦ93mm×5.8mmの粗管に圧延した後、熱間圧延してΦ72mm×6.2mmに細管化する。酸洗、潤滑を行った後、1次冷間引抜加工を行います。冷間絞り後の仕様はΦ65mm×5.5mmです。中間焼鈍、酸洗、潤滑を経た後、2次冷間引抜加工を行います。冷間絞り後の仕様はΦ57mm×5mmです。

生産プロセスの分析によると、鋼管の内壁と内金型の間の摩擦に影響を与える要因は主に潤滑の品質であり、鋼管の塑性にも関連しています。鋼管の塑性が悪いと絞り割れが発生する可能性が非常に高くなりますが、塑性不良は中間歪取り焼鈍熱処理に関係します。このことから、冷間引抜加工においてクラックが発生したものと推察される。また、亀裂は大きく開いておらず、明らかな拡大の兆候がないことから、亀裂が形成された後に二次的な絞り変形の影響を受けていないことを意味し、さらに、亀裂が発生した可能性が最も高いと推測されます。クラックが発生するまでの時間は、2回目の冷間引抜き工程までとします。最も可能性の高い影響要因は、不十分な潤滑および/または不十分な応力除去焼きなましです。

亀裂の原因を究明するため、鋼管メーカーと協力して亀裂再現試験を実施しました。以上の解析を踏まえ、穿孔・熱間圧延縮径工程はそのままで、潤滑・歪取焼鈍熱処理条件を変更し、引抜鋼管の品質を検査する試験を実施した。同じ欠陥を再現してみます。

2. テスト計画
潤滑プロセスと焼鈍プロセスのパラメータを変更することにより、9 つの試験計画が提案されます。このうち、通常のリン酸塩処理および潤滑時間の要件は 40 分、通常の中間歪取り焼鈍温度要件は 830℃、通常の絶縁時間要件は 20 分です。試験工程には30t冷間引抜装置とローラー底熱処理炉を使用します。

3. 試験結果
上記９方式で製造した鋼管を検査したところ、方式３、方式４、方式５、方式６を除き、程度の差はあれ、いずれの方式でも揺れや横割れが発生していることが判明した。このうち、スキーム 1 には環状ステップがありました。スキーム 2 と 8 には横方向の亀裂があり、亀裂の形態は製造時に見られたものと非常によく似ていました。スキーム 7 と 9 は揺れていましたが、横方向の亀裂は見つかりませんでした。

4. 分析と考察
一連の試験を通じて、鋼管の冷間引抜工程における潤滑と中間応力除去焼鈍が、完成した鋼管の品質に重大な影響を与えることが十分に確認されました。特に、スキーム 2 とスキーム 8 では、上記の製造で見つかった鋼管の内壁の同じ欠陥が再現されました。

方式１は、熱間圧延縮径母管に対し、リン酸塩処理及び潤滑処理を行わずに、一次冷間引抜加工を施すものである。潤滑不足により、冷間引抜加工時に必要な負荷が冷間引抜機の最大負荷に達しています。冷間引抜加工は非常に手間がかかります。鋼管の揺れや金型との摩擦により、管内壁に明らかな段差が生じます。これは、母管の塑性が良好な場合、無潤滑絞り加工は悪影響を及ぼしますが、段差が発生しにくいことを示しています。横方向の亀裂。スキーム 2 では、リン酸塩処理と潤滑が不十分な鋼管が、中間の応力除去焼鈍を行わずに連続的に冷間引抜加工されるため、同様の横方向亀裂が発生します。しかし、スキーム 3 では、中間応力除去焼鈍を行わずに、良好なリン酸塩処理と潤滑を行った鋼管の連続冷間引抜きでは欠陥は見つかりませんでした。これは、潤滑不良が横割れの主な原因であることを予備的に示しています。スキーム 4 ～ 6 は、良好な潤滑を確保しながら熱処理プロセスを変更したもので、その結果、絞り欠陥は発生せず、中間歪取り焼鈍が横割れ発生の支配的な要因ではないことを示しています。スキーム 7 ～ 9 は熱処理プロセスを変更し、リン酸塩処理と潤滑時間を半分に短縮します。その結果、方式７、方式９の鋼管にはシェークラインが発生し、方式８でも同様の横亀裂が発生した。

上記の比較分析は、潤滑不良 + 中間焼鈍なしの場合と、潤滑不良 + 中間焼鈍温度が低い場合の両方で横亀裂が発生することを示しています。潤滑不良＋中間焼鈍良好、潤滑良好＋中間焼鈍なし、潤滑良好＋中間焼鈍温度低の場合、シェークライン欠陥は発生するものの、鋼管内壁に横割れは発生しない。不十分な潤滑が横方向亀裂の主な原因であり、不十分な中間応力除去焼きなましが副次的な原因です。

鋼管の引抜応力は摩擦力に比例するため、潤滑不良は引抜力の増加を招き、引抜速度の低下を招きます。鋼管を最初に引き抜くときは速度が遅いです。速度が一定値以下、つまり分岐点に達するとマンドレルに自励振動が発生し、シェークラインが発生します。潤滑が不十分な場合、絞り加工時の金属表面（特に内面）と金型との間の軸方向摩擦が著しく増大し、加工硬化が発生する。鋼管のその後の歪取焼鈍熱処理温度が不十分（例えば試験で設定した630℃程度）や焼鈍を行わなかった場合、表面割れが発生しやすくなります。

理論計算（最低再結晶温度 ≈ 0.4×1350℃）によれば、20#鋼の再結晶温度は約610℃です。焼鈍温度が再結晶温度に近い場合、鋼管は完全に再結晶できず、加工硬化が解消されず、材料の塑性が低下し、摩擦中に金属の流れが妨げられ、金属の内外層が著しく損傷します。不均一に変形し、大きな軸方向の追加応力が発生します。その結果、鋼管内面金属の軸応力が限界を超えて亀裂が発生する。

5. 結論
20#継目無鋼管の内壁における横亀裂の発生は、引抜き加工時の潤滑不良と中間歪取り焼鈍熱処理の不十分（または焼鈍なし）の複合効果によって発生します。このうち、潤滑不良が主な原因であり、中間歪取り焼鈍の不良（または焼鈍なし）が副次的な原因です。同様の欠陥を回避するために、製造業者は工場のオペレーターに対し、生産時の潤滑および熱処理プロセスの関連技術規制に厳密に従うことを要求する必要があります。また、ローラーボトム型連続焼鈍炉は連続焼鈍炉であるため、搬入出が早くて便利ではあるものの、仕様やサイズの異なる材料を炉内で温度や速度を制御することが困難です。規定に従って厳密に実施されないと、焼鈍温度が不均一になったり、焼鈍時間が短すぎたりして再結晶が不十分となり、その後の生産に欠陥が生じる可能性があります。したがって、熱処理にローラーボトム連続焼鈍炉を使用するメーカーは、熱処理のさまざまな要件と実際の操作を管理する必要があります。