20# sømløst stålrør er materialkvaliteten spesifisert i GB3087-2008 "Sømløse stålrør for lav- og mellomtrykkskjeler". Det er et sømløst stålrør av høykvalitets karbonkonstruksjonsstål som er egnet for produksjon av forskjellige lavtrykks- og mellomtrykkskjeler. Det er et vanlig og stort volum stålrørmateriale. Da en produsent av kjeleutstyr produserte en gjenoppvarmingshode med lav temperatur, ble det funnet at det var alvorlige tverrsprekkedefekter på den indre overflaten av dusinvis av rørskjøter. Rørskjøtmaterialet var 20 stål med en spesifikasjon på Φ57mm×5mm. Vi inspiserte det sprukne stålrøret og gjennomførte en rekke tester for å reprodusere defekten og finne ut årsaken til den tverrgående sprekken.

1. Crack funksjonsanalyse
Sprekkmorfologi: Man kan se at det er mange tverrsprekker fordelt langs stålrørets lengderetning. Sprekkene er ordnet pent. Hver sprekk har et bølget trekk, med en liten avbøyning i lengderetningen og ingen langsgående riper. Det er en viss avbøyningsvinkel mellom sprekken og overflaten av stålrøret og en viss bredde. Det er oksider og avkarbonisering i kanten av sprekken. Bunnen er sløv og det er ingen tegn til utvidelse. Matrisestrukturen er normal ferritt + perlitt, som er fordelt i et bånd og har en kornstørrelse på 8. Årsaken til sprekken er knyttet til friksjonen mellom stålrørets innervegg og den indre formen under produksjonen av stålrør.

I henhold til de makroskopiske og mikroskopiske morfologiske egenskapene til sprekken, kan det utledes at sprekken ble generert før den endelige varmebehandlingen av stålrøret. Stålrøret bruker et Φ90 mm rundrørsstykke. De viktigste formingsprosessene den gjennomgår er varmperforering, varmvalsing og diameterreduksjon, og to kalde tegninger. Den spesifikke prosessen er at Φ90mm rundrørsstykket rulles inn i et Φ93mm×5,8mm grovt rør, og deretter varmvalset og redusert til Φ72mm×6,2mm. Etter beising og smøring utføres den første kaldtrekkingen. Spesifikasjonen etter den kalde tegningen er Φ65mm×5,5mm. Etter mellomgløding, beising og smøring utføres den andre kaldtrekkingen. Spesifikasjonen etter den kalde tegningen er Φ57mm×5mm.

I henhold til produksjonsprosessanalysen er faktorene som påvirker friksjonen mellom den indre veggen av stålrøret og den indre formen hovedsakelig smørekvaliteten og er også relatert til plastisiteten til stålrøret. Hvis plastisiteten til stålrøret er dårlig, vil muligheten for å trekke sprekker øke sterkt, og dårlig plastisitet er relatert til den mellomliggende spenningsavlastende utglødningsvarmebehandlingen. Basert på dette antas det at sprekkene kan oppstå i kaldtrekkingsprosessen. I tillegg, fordi sprekkene ikke er åpne i stor grad og det ikke er noen åpenbare tegn på ekspansjon, betyr det at sprekkene ikke har opplevd påvirkningen av sekundær tegningsdeformasjon etter at de er dannet, så det antas videre at det mest sannsynlige tiden før sprekkene skal genereres, bør være den andre kaldtrekkeprosessen. De mest sannsynlige påvirkningsfaktorene er dårlig smøring og/eller dårlig avspenningsgløding.

For å finne årsaken til sprekkene ble det utført sprekkreproduksjonstester i samarbeid med stålrørprodusenter. Basert på ovenstående analyse ble følgende tester utført: Under forutsetning av at prosessene for reduksjon av perforering og varmvalsingsdiameter forblir uendret, endres smøre- og/eller spenningsavlastende glødevarmebehandlingsbetingelser, og de trukket stålrør inspiseres for å prøv å gjenskape de samme feilene.

2. Testplan
Ni testplaner er foreslått ved å endre smøreprosessen og glødeprosessparametere. Blant dem er det normale fosfaterings- og smøretidskravet 40 minutter, det normale kravet til middels spenningsavlastende glødetemperatur er 830 ℃, og det normale kravet til isolasjonstid er 20 minutter. Testprosessen bruker en 30t kaldtrekkeenhet og en varmebehandlingsovn med rullebunn.

3. Testresultater
Gjennom inspeksjonen av stålrørene produsert av de ovennevnte 9 ordningene, ble det funnet at bortsett fra skjemaene 3, 4, 5 og 6, hadde alle andre systemer risting eller tverrgående sprekker i varierende grad. Blant dem hadde skjema 1 et ringformet trinn; skjema 2 og 8 hadde tverrgående sprekker, og sprekkmorfologien var veldig lik den som ble funnet i produksjonen; skjema 7 og 9 hadde ristet, men ingen tverrgående sprekker ble funnet.

4. Analyse og diskusjon
Gjennom en serie tester ble det fullstendig verifisert at smøring og mellomliggende spenningsavlastning under kaldtrekkingsprosessen av stålrør har en avgjørende innvirkning på kvaliteten på ferdige stålrør. Spesielt skjema 2 og 8 reproduserte de samme feilene på den indre veggen av stålrøret som ble funnet i produksjonen ovenfor.

Skjema 1 er å utføre den første kaldtrekkingen på det varmvalsede moderrøret med redusert diameter uten å utføre fosfaterings- og smøreprosessen. På grunn av mangelen på smøring har belastningen som kreves under kaldtrekkprosessen nådd maksimalbelastningen til kaldtrekkmaskinen. Den kalde tegningsprosessen er svært arbeidskrevende. Ristingen av stålrøret og friksjonen med formen forårsaker åpenbare trinn på den indre veggen av røret, noe som indikerer at når plastisiteten til moderrøret er god, selv om den usmurte tegningen har en negativ effekt, er det ikke lett å forårsake tverrgående sprekker. I skjema 2 blir stålrøret med dårlig fosfatering og smøring kontinuerlig kaldtrukket uten mellomliggende spenningsavlastende gløding, noe som resulterer i lignende tverrsprekker. I Skjema 3 ble det imidlertid ikke funnet feil ved kontinuerlig kaldtrekking av stålrøret med god fosfatering og smøring uten mellomliggende spenningsgløding, noe som foreløpig indikerer at dårlig smøring er hovedårsaken til tverrsprekker. Skjema 4 til 6 skal endre varmebehandlingsprosessen samtidig som man sikrer god smøring, og det oppstod ingen trekkfeil som et resultat, noe som indikerer at mellomliggende spenningsavlastende gløding ikke er den dominerende faktoren som fører til forekomst av tverrgående sprekker. Skjema 7 til 9 endrer varmebehandlingsprosessen samtidig som fosfaterings- og smøretiden halveres. Som et resultat har stålrørene i skjema 7 og 9 ristelinjer, og skjema 8 produserer lignende tverrgående sprekker.

Ovenstående komparative analyse viser at det vil oppstå tverrgående sprekker i begge tilfeller med dårlig smøring + ingen mellomgløding og dårlig smøring + lav mellomglødetemperatur. Ved dårlig smøring + god mellomgløding, god smøring + ingen mellomgløding, og god smøring + lav mellomglødetemperatur, selv om det vil oppstå ristelinjedefekter, vil det ikke oppstå tverrgående sprekker på stålrørets innervegg. Dårlig smøring er hovedårsaken til tverrgående sprekker, og dårlig middels spenningsavlastende utglødning er hjelpeårsaken.

Siden trekkspenningen til stålrøret er proporsjonal med friksjonskraften, vil dårlig smøring føre til en økning i trekkkraften og en reduksjon i trekkhastigheten. Hastigheten er lav når stålrøret først trekkes. Hvis hastigheten er lavere enn en viss verdi, det vil si at den når bifurkasjonspunktet, vil doren produsere selveksitert vibrasjon, noe som resulterer i ristelinjer. Ved utilstrekkelig smøring økes den aksiale friksjonen mellom overflaten (spesielt den indre overflaten) metall og dysen kraftig under trekking, noe som resulterer i arbeidsherding. Hvis den påfølgende spenningsavlastende varmebehandlingstemperaturen til stålrøret er utilstrekkelig (som ca. 630 ℃ satt i testen) eller ingen utglødning, er det lett å forårsake overflatesprekker.

I følge teoretiske beregninger (den laveste rekrystalliseringstemperaturen ≈ 0,4 × 1350 ℃), er rekrystalliseringstemperaturen til 20 # stål omtrent 610 ℃. Hvis utglødningstemperaturen er nær rekrystalliseringstemperaturen, klarer ikke stålrøret å rekrystallisere fullstendig, og arbeidsherdingen elimineres ikke, noe som resulterer i dårlig materialplastisitet, metallstrømmen blokkeres under friksjon, og de indre og ytre lagene av metall er alvorlige deformeres ujevnt, og genererer derved en stor aksial tilleggsspenning. Som et resultat overskrider den aksiale spenningen til stålrørets indre overflatemetall sin grense, og genererer derved sprekker.

5. Konklusjon
Generering av tverrgående sprekker på den indre veggen av et 20# sømløst stålrør er forårsaket av den kombinerte effekten av dårlig smøring under trekking og utilstrekkelig mellomspenningsavlastende varmebehandling (eller ingen utglødning). Blant dem er dårlig smøring hovedårsaken, og dårlig middels spenningsavlastende utglødning (eller ingen utglødning) er hjelpeårsaken. For å unngå lignende feil, bør produsenter kreve at verkstedoperatører følger de relevante tekniske forskriftene for smøre- og varmebehandlingsprosessen i produksjonen. I tillegg, siden den kontinuerlige glødeovnen med rullebunn er en kontinuerlig glødeovn, selv om den er praktisk og rask å laste og losse, er det vanskelig å kontrollere temperaturen og hastigheten til materialer med forskjellige spesifikasjoner og størrelser i ovnen. Hvis det ikke er strengt implementert i henhold til forskriftene, er det lett å forårsake ujevn glødetemperatur eller for kort tid, noe som resulterer i utilstrekkelig omkrystallisering, noe som fører til defekter i etterfølgende produksjon. Derfor bør produsenter som bruker rullebunns kontinuerlige glødeovner for varmebehandling kontrollere de ulike kravene og faktiske operasjoner for varmebehandling.