Rura stalowa bez szwu 20# to gatunek materiału określony w GB3087-2008 „Rury stalowe bez szwu do kotłów nisko- i średniociśnieniowych”. Jest to wysokiej jakości rura stalowa bez szwu ze stali konstrukcyjnej węglowej, odpowiednia do produkcji różnych kotłów niskociśnieniowych i średniociśnieniowych. Jest to powszechny materiał na rury stalowe o dużej objętości. Kiedy producent wyposażenia kotłowego produkował niskotemperaturowy kolektor dogrzewacza, stwierdzono, że na wewnętrznej powierzchni kilkudziesięciu połączeń rur występowały poważne wady w postaci pęknięć poprzecznych. Materiałem złącza rurowego była stal 20 o specyfikacji Φ57mm×5mm. Sprawdziliśmy pękniętą rurę stalową i przeprowadziliśmy serię testów, aby odtworzyć defekt i znaleźć przyczynę pęknięcia poprzecznego.

1. Analiza cech pęknięć
Morfologia pęknięć: Można zauważyć, że istnieje wiele pęknięć poprzecznych rozmieszczonych wzdłuż kierunku wzdłużnego rury stalowej. Pęknięcia są starannie ułożone. Każde pęknięcie ma charakter falisty, z niewielkim odchyleniem w kierunku wzdłużnym i bez rys podłużnych. Istnieje pewien kąt odchylenia pomiędzy pęknięciem a powierzchnią rury stalowej i pewna szerokość. Na krawędzi pęknięcia występują tlenki i odwęglenia. Dno jest tępe i nie ma oznak rozszerzania. Struktura matrycy to normalny ferryt + perlit, który jest rozmieszczony w paśmie i ma wielkość ziaren 8. Przyczyna pęknięcia jest związana z tarciem pomiędzy wewnętrzną ścianą rury stalowej a wewnętrzną formą podczas produkcji rura stalowa.

Na podstawie makroskopowych i mikroskopowych cech morfologicznych pęknięcia można wnioskować, że pęknięcie powstało przed końcową obróbką cieplną rury stalowej. W rurze stalowej zastosowano kęs z okrągłej rury o średnicy Φ90 mm. Główne procesy formowania, którym podlega, to perforacja na gorąco, walcowanie na gorąco i redukcja średnicy oraz dwa ciągnienia na zimno. Specyficzny proces polega na tym, że kęs z okrągłej rury Φ90 mm jest zwijany w szorstką rurę Φ93 mm x 5,8 mm, a następnie walcowany na gorąco i redukowany do Φ72 mm x 6,2 mm. Po wytrawieniu i smarowaniu przeprowadza się pierwsze ciągnienie na zimno. Specyfikacja po ciągnieniu na zimno wynosi Φ65 mm × 5,5 mm. Po wyżarzaniu pośrednim, trawieniu i smarowaniu przeprowadza się drugie ciągnienie na zimno. Specyfikacja po ciągnieniu na zimno wynosi Φ57 mm × 5 mm.

Zgodnie z analizą procesu produkcyjnego, czynnikami wpływającymi na tarcie pomiędzy wewnętrzną ścianką rury stalowej a matrycą wewnętrzną są przede wszystkim jakość smarowania, a także plastyczność rury stalowej. Jeżeli plastyczność rury stalowej jest niska, możliwość powstawania pęknięć znacznie wzrasta, a słaba plastyczność jest związana z pośrednią obróbką cieplną poprzez wyżarzanie odprężające. Na tej podstawie wnioskuje się, że pęknięcia mogą powstawać w procesie ciągnienia na zimno. Ponadto, ponieważ pęknięcia nie są w dużym stopniu otwarte i nie ma wyraźnych oznak rozszerzania, oznacza to, że pęknięcia nie uległy wpływowi wtórnego odkształcenia ciągnienia po ich utworzeniu, stąd dalej wnioskuje się, że najbardziej prawdopodobny czas na powstanie pęknięć powinien przypadać na drugi proces ciągnienia na zimno. Najbardziej prawdopodobnymi czynnikami wpływającymi na to jest słabe smarowanie i/lub słabe wyżarzanie odprężające.

Aby określić przyczynę pęknięć, we współpracy z producentami rur stalowych przeprowadzono badania odtwarzania pęknięć. Na podstawie powyższej analizy przeprowadzono następujące badania: Pod warunkiem zachowania niezmiennych procesów perforacji i zmniejszania średnicy walcowania na gorąco, zmianie ulegają warunki obróbki cieplnej poprzez smarowanie i/lub wyżarzanie odprężające oraz poddaje się kontroli ciągnionych rur stalowych pod kątem spróbuj odtworzyć te same wady.

2. Plan testów
Zaproponowano dziewięć planów testów obejmujących zmianę parametrów procesu smarowania i wyżarzania. Wśród nich normalne wymagania dotyczące czasu fosforanowania i smarowania wynoszą 40 minut, normalne wymagania dotyczące temperatury wyżarzania pośredniego odprężającego wynoszą 830 ℃, a normalne wymagania dotyczące czasu izolacji wynoszą 20 minut. W procesie testowym wykorzystuje się jednostkę do ciągnienia na zimno o nacisku 30 ton i piec do obróbki cieplnej z dnem rolkowym.

3. Wyniki testów
Podczas kontroli rur stalowych wyprodukowanych według powyższych 9 schematów stwierdzono, że z wyjątkiem schematów 3, 4, 5 i 6, wszystkie inne schematy miały pęknięcia spowodowane wstrząsami lub pęknięcia poprzeczne w różnym stopniu. Wśród nich schemat 1 miał stopień pierścieniowy; schematy 2 i 8 przedstawiały pęknięcia poprzeczne, a morfologia pęknięć była bardzo zbliżona do występującej w produkcji; schematy 7 i 9 zatrzęsły się, lecz nie stwierdzono żadnych pęknięć poprzecznych.

4. Analiza i dyskusja
Seria testów w pełni potwierdziła, że ​​smarowanie i wyżarzanie odprężające podczas procesu ciągnienia na zimno rur stalowych mają istotny wpływ na jakość gotowych rur stalowych. W szczególności schematy 2 i 8 odtworzyły te same wady na wewnętrznej ścianie rury stalowej, co w powyższej produkcji.

Schemat 1 polega na wykonaniu pierwszego ciągnienia na zimno walcowanej na gorąco rury macierzystej o zmniejszonej średnicy bez przeprowadzania procesu fosforanowania i smarowania. Z powodu braku smarowania obciążenie wymagane podczas procesu ciągnienia na zimno osiągnęło maksymalne obciążenie maszyny do ciągnienia na zimno. Proces ciągnienia na zimno jest bardzo pracochłonny. Trzęsienie stalowej rury i tarcie z formą powodują wyraźne kroki na wewnętrznej ściance rury, co wskazuje, że gdy plastyczność rury macierzystej jest dobra, chociaż niesmarowany rysunek ma niekorzystny wpływ, nie jest łatwo spowodować pęknięcia poprzeczne. Na schemacie 2 rura stalowa słabo fosforanowana i smarowana jest w sposób ciągły ciągniona na zimno bez pośredniego wyżarzania odprężającego, co skutkuje podobnymi pęknięciami poprzecznymi. Jednakże na Schemacie 3 nie stwierdzono żadnych wad w ciągłym ciągnieniu na zimno rury stalowej przy dobrym fosforanowaniu i smarowaniu bez pośredniego wyżarzania odprężającego, co wstępnie wskazuje, że główną przyczyną pęknięć poprzecznych jest złe smarowanie. Schematy 4 do 6 mają na celu zmianę procesu obróbki cieplnej przy jednoczesnym zapewnieniu dobrego smarowania, w wyniku czego nie powstają żadne wady ciągnienia, co wskazuje, że wyżarzanie pośrednie nie jest dominującym czynnikiem prowadzącym do powstawania pęknięć poprzecznych. Schematy 7 do 9 zmieniają proces obróbki cieplnej, skracając o połowę czas fosforanowania i smarowania. W rezultacie rury stalowe przedstawione na schematach 7 i 9 mają linie wstrząsów, a na schemacie 8 powstają podobne pęknięcia poprzeczne.

Z powyższej analizy porównawczej wynika, że ​​pęknięcia poprzeczne wystąpią zarówno w przypadku złego smarowania + braku wyżarzania pośredniego, jak i złego smarowania + niskiej temperatury wyżarzania pośredniego. W przypadku złego smarowania + dobrego wyżarzania pośredniego, dobrego smarowania + braku wyżarzania pośredniego i dobrego smarowania + niskiej temperatury wyżarzania pośredniego, chociaż wystąpią defekty linii wstrząsania, nie wystąpią pęknięcia poprzeczne na wewnętrznej ściance rury stalowej. Słabe smarowanie jest główną przyczyną pęknięć poprzecznych, a złe wyżarzanie odprężające pośrednie jest przyczyną pomocniczą.

Ponieważ naprężenie ciągnące rury stalowej jest proporcjonalne do siły tarcia, złe smarowanie doprowadzi do wzrostu siły ciągnącej i zmniejszenia szybkości ciągnienia. Prędkość jest niska, gdy rura stalowa jest rysowana po raz pierwszy. Jeśli prędkość jest niższa od określonej wartości, to znaczy osiąga punkt rozwidlenia, trzpień wytwarza drgania samowzbudne, w wyniku czego powstają linie drgań. W przypadku niedostatecznego smarowania tarcie osiowe pomiędzy powierzchnią (zwłaszcza wewnętrzną) metalu a matrycą podczas ciągnienia znacznie wzrasta, co powoduje umocnienie przez zgniot. Jeśli temperatura obróbki cieplnej rury stalowej po wyżarzeniu odprężającym jest niewystarczająca (np. ustawiona w teście na około 630 ℃) lub nie następuje żadne wyżarzanie, łatwo jest spowodować pęknięcia powierzchniowe.

Według obliczeń teoretycznych (najniższa temperatura rekrystalizacji ≈ 0,4×1350℃) temperatura rekrystalizacji stali 20# wynosi około 610℃. Jeśli temperatura wyżarzania jest zbliżona do temperatury rekrystalizacji, rura stalowa nie ulega całkowitej rekrystalizacji, a utwardzanie przez zgniot nie jest wyeliminowane, co powoduje słabą plastyczność materiału, przepływ metalu jest blokowany podczas tarcia, a wewnętrzne i zewnętrzne warstwy metalu są poważnie zniszczone odkształcają się nierównomiernie, generując w ten sposób duże dodatkowe naprężenia osiowe. W rezultacie naprężenie osiowe wewnętrznej powierzchni metalu rury stalowej przekracza wartość graniczną, powodując w ten sposób pęknięcia.

5. Wniosek
Tworzenie się pęknięć poprzecznych na wewnętrznej ścianie rury stalowej bez szwu o średnicy 20 # jest spowodowane połączonym efektem złego smarowania podczas ciągnienia i niewystarczającej obróbki cieplnej poprzez wyżarzanie pośrednie (lub brak wyżarzania). Wśród nich główną przyczyną jest słabe smarowanie, a przyczyną pomocniczą jest słabe wyżarzanie odprężające pośrednie (lub brak wyżarzania). Aby uniknąć podobnych usterek, producenci powinni wymagać od operatorów warsztatów ścisłego przestrzegania odpowiednich przepisów technicznych dotyczących procesu smarowania i obróbki cieplnej podczas produkcji. Ponadto, ponieważ piec do wyżarzania ciągłego z dnem rolkowym jest piecem do wyżarzania ciągłego, chociaż załadunek i rozładunek jest wygodny i szybki, trudno jest kontrolować temperaturę i prędkość materiałów o różnych specyfikacjach i rozmiarach w piecu. Jeśli nie będzie to ściśle przestrzegane przepisami, łatwo doprowadzić do nierównej temperatury wyżarzania lub zbyt krótkiego czasu wyżarzania, co spowoduje niedostateczną rekrystalizację, co z kolei doprowadzi do wad w późniejszej produkcji. Dlatego producenci stosujący do obróbki cieplnej piece do wyżarzania ciągłego z dnem rolkowym powinni kontrolować różne wymagania i rzeczywiste operacje obróbki cieplnej.