Bezšvíková oceľová rúra 20# je trieda materiálu špecifikovaná v GB3087-2008 „Bezšvíkové oceľové rúry pre nízkotlakové a stredotlakové kotly“. Jedná sa o vysokokvalitnú bezšvíkovú oceľovú rúrku z uhlíkovej konštrukčnej ocele, ktorá je vhodná na výrobu rôznych nízkotlakových a strednotlakových kotlov. Ide o bežný a veľkoobjemový oceľový potrubný materiál. Keď výrobca kotlového zariadenia vyrábal hlavicu nízkoteplotného dohrievača, zistilo sa, že na vnútornom povrchu desiatok spojov rúr boli vážne defekty priečnych trhlín. Materiál rúrkového spoja bola oceľ 20 so špecifikáciou Φ57 mm × 5 mm. Skontrolovali sme prasknutú oceľovú rúru a vykonali sme sériu testov na reprodukciu defektu a zistenie príčiny priečnej trhliny.

1. Analýza vlastností trhliny
Morfológia trhlín: Je vidieť, že existuje veľa priečnych trhlín rozmiestnených pozdĺž pozdĺžneho smeru oceľovej rúry. Trhliny sú usporiadané úhľadne. Každá trhlina má zvlnený znak, s miernym vychýlením v pozdĺžnom smere a bez pozdĺžnych ryh. Medzi trhlinou a povrchom oceľovej rúry je určitý uhol vychýlenia a určitá šírka. Na okraji trhliny sú oxidy a oduhličenie. Spodná časť je tupá a nie je tu žiadna známka rozšírenia. Štruktúra matrice je normálny ferit + perlit, ktorý je rozmiestnený v páse a má zrnitosť 8. Príčina praskliny súvisí s trením medzi vnútornou stenou oceľovej rúry a vnútornou formou pri výrobe oceľové potrubie.

Podľa makroskopických a mikroskopických morfologických charakteristík trhliny možno usudzovať, že trhlina vznikla pred konečným tepelným spracovaním oceľovej rúry. Oceľová rúra používa predvalok s kruhovou rúrkou Φ90 mm. Hlavnými procesmi tvárnenia, ktorým prechádza, sú perforácia za tepla, valcovanie za tepla a zmenšenie priemeru a dve ťahanie za studena. Špecifický proces spočíva v tom, že predvalok s okrúhlou rúrou Φ90 mm sa zvinie do hrubej rúry Φ93 mm × 5,8 mm a potom sa valcuje za tepla a redukuje sa na Φ72 mm × 6,2 mm. Po morení a mazaní sa vykoná prvé ťahanie za studena. Špecifikácia po ťahaní za studena je Φ65 mm × 5,5 mm. Po medzižíhaní, morení a mazaní sa uskutoční druhé ťahanie za studena. Špecifikácia po ťahaní za studena je Φ57 mm × 5 mm.

Podľa analýzy výrobného procesu faktory ovplyvňujúce trenie medzi vnútornou stenou oceľovej rúry a vnútornou matricou sú najmä kvalita mazania a súvisia aj s plasticitou oceľovej rúry. Ak je plasticita oceľovej rúry nízka, možnosť vzniku trhlín sa výrazne zvýši a slabá plasticita súvisí so stredným tepelným spracovaním žíhaním na uvoľnenie napätia. Na základe toho sa usudzuje, že trhliny môžu vznikať v procese ťahania za studena. Okrem toho, pretože trhliny nie sú do veľkej miery otvorené a nie sú na nich zjavné známky expanzie, znamená to, že trhliny po svojom vzniku neprešli vplyvom sekundárnej deformácie ťahaním, takže sa ďalej usudzuje, že najpravdepodobnejšia čas na vytvorenie trhlín by mal byť druhým procesom ťahania za studena. Najpravdepodobnejšími ovplyvňujúcimi faktormi sú slabé mazanie a/alebo slabé žíhanie na uvoľnenie napätia.

Na zistenie príčiny vzniku trhlín sa v spolupráci s výrobcami oceľových rúr vykonali testy reprodukcie trhlín. Na základe vyššie uvedenej analýzy boli vykonané nasledujúce testy: Pod podmienkou, že procesy dierovania a zmenšovania priemeru valcovania za tepla zostanú nezmenené, sa zmenia podmienky mazania a/alebo tepelného spracovania žíhaním na uvoľnenie napätia a ťahané oceľové rúry sa skontrolujú, aby skúste reprodukovať rovnaké chyby.

2. Testovací plán
Navrhuje sa deväť testovacích plánov zmenou parametrov procesu mazania a procesu žíhania. Medzi nimi je normálna požiadavka na čas fosfátovania a mazania 40 minút, normálna požiadavka na teplotu žíhania na odľahčenie stredného napätia je 830 ℃ a normálna požiadavka na čas izolácie je 20 minút. Skúšobný proces využíva 30t jednotku na ťahanie za studena a pec na tepelné spracovanie s valcovým dnom.

3. Výsledky testov
Kontrolou oceľových rúrok vyrobených podľa vyššie uvedených 9 schém sa zistilo, že okrem schém 3, 4, 5 a 6 mali všetky ostatné schémy v rôznej miere otrasy alebo priečne trhliny. Medzi nimi schéma 1 mala prstencový stupeň; schémy 2 a 8 mali priečne trhliny a morfológia trhlín bola veľmi podobná morfológii zistenej vo výrobe; schémy 7 a 9 sa otriasli, ale nenašli sa žiadne priečne trhliny.

4. Analýza a diskusia
Prostredníctvom série testov sa plne overilo, že mazanie a medziľahlé žíhanie na uvoľnenie napätia počas procesu ťahania oceľových rúr za studena má zásadný vplyv na kvalitu hotových oceľových rúr. Najmä schémy 2 a 8 reprodukovali tie isté chyby na vnútornej stene oceľovej rúry, ktoré sa vyskytujú vo vyššie uvedenej výrobe.

Schéma 1 je uskutočnenie prvého ťahania za studena na za tepla valcovanej matičnej rúrke so zníženým priemerom bez vykonania procesu fosfátovania a mazania. Kvôli nedostatku mazania dosiahlo zaťaženie potrebné počas procesu ťahania za studena maximálne zaťaženie stroja na ťahanie za studena. Proces ťahania za studena je veľmi namáhavý. Chvenie oceľovej rúrky a trenie s formou spôsobujú zjavné kroky na vnútornej stene rúrky, čo naznačuje, že keď je plasticita materskej rúrky dobrá, hoci nemazaný výkres má nepriaznivý vplyv, nie je ľahké spôsobiť priečne trhliny. V schéme 2 je oceľová rúra so slabým fosfátovaním a mazaním nepretržite ťahaná za studena bez medziľahlého žíhania na uvoľnenie napätia, čo vedie k podobným priečnym trhlinám. V schéme 3 sa však nezistili žiadne chyby v kontinuálnom ťahaní za studena oceľovej rúry s dobrým fosfátovaním a mazaním bez medziľahlého žíhania na odľahčenie napätia, čo predbežne naznačuje, že zlé mazanie je hlavnou príčinou priečnych trhlín. Schémy 4 až 6 majú zmeniť proces tepelného spracovania pri zabezpečení dobrého mazania a v dôsledku toho sa nevyskytli žiadne chyby pri ťahaní, čo naznačuje, že žíhanie na uvoľnenie stredného napätia nie je dominantným faktorom vedúcim k výskytu priečnych trhlín. Schémy 7 až 9 menia proces tepelného spracovania pri skrátení času fosfátovania a mazania na polovicu. Výsledkom je, že oceľové rúry podľa schém 7 a 9 majú otrasové línie a schéma 8 vytvára podobné priečne trhliny.

Vyššie uvedená porovnávacia analýza ukazuje, že priečne trhliny sa vyskytnú v oboch prípadoch zlého mazania + žiadne stredné žíhanie a zlé mazanie + nízka stredná teplota žíhania. V prípadoch zlého mazania + dobré medzižíhanie, dobré mazanie + žiadne medzižíhanie a dobré mazanie + nízka medzižíhacia teplota sa síce vyskytnú defekty v trasovej línii, ale na vnútornej stene oceľovej rúry nevzniknú priečne trhliny. Slabé mazanie je hlavnou príčinou priečnych trhlín a pomocnou príčinou je slabé žíhanie na zmiernenie napätia.

Pretože ťahové napätie oceľovej rúry je úmerné trecej sile, zlé mazanie povedie k zvýšeniu ťahovej sily a zníženiu rýchlosti ťahania. Pri prvom ťahaní oceľovej rúry je rýchlosť nízka. Ak je rýchlosť nižšia ako určitá hodnota, to znamená, že dosiahne bod rozdvojenia, tŕň bude produkovať samobudené vibrácie, čo má za následok vznik otrasov. V prípade nedostatočného mazania sa axiálne trenie medzi povrchovým (najmä vnútorným povrchom) kovom a matricou pri ťahaní značne zvyšuje, čo má za následok mechanické spevnenie. Ak je následná teplota tepelného spracovania oceľovej rúry na uvoľnenie napätia nedostatočná (napríklad pri skúške nastavená približne 630 °C) alebo žiadne žíhanie, je ľahké spôsobiť povrchové trhliny.

Podľa teoretických výpočtov (najnižšia teplota rekryštalizácie ≈ 0,4 × 1350 ℃) je teplota rekryštalizácie ocele 20# približne 610 ℃. Ak je teplota žíhania blízka teplote rekryštalizácie, oceľová rúra nedokáže úplne rekryštalizovať a nevylučuje sa mechanické vytvrdzovanie, čo má za následok zlú plasticitu materiálu, tok kovu je blokovaný počas trenia a vnútorná a vonkajšia vrstva kovu sú vážne narušené. deformované nerovnomerne, čím vzniká veľké axiálne dodatočné napätie. V dôsledku toho axiálne napätie kovu vnútorného povrchu oceľovej rúry prekračuje svoju medzu, čím vznikajú trhliny.

5. Záver
Vytváranie priečnych trhlín na vnútornej stene 20# bezšvíkovej oceľovej rúry je spôsobené kombinovaným účinkom zlého mazania počas ťahania a nedostatočného tepelného spracovania žíhaním na uvoľnenie stredného napätia (alebo žiadne žíhanie). Spomedzi nich je hlavnou príčinou zlé mazanie a pomocnou príčinou je slabé stredné žíhanie na uvoľnenie napätia (alebo žiadne žíhanie). Aby sa predišlo podobným závadám, výrobcovia by mali od prevádzkovateľov dielní vyžadovať, aby prísne dodržiavali príslušné technické predpisy o procese mazania a tepelného spracovania vo výrobe. Okrem toho, keďže kontinuálna žíhacia pec s valčekovým dnom je kontinuálna žíhacia pec, hoci je pohodlné a rýchle nakladanie a vykladanie, je ťažké regulovať teplotu a rýchlosť materiálov rôznych špecifikácií a veľkostí v peci. Ak nie je prísne implementovaný podľa predpisov, je ľahké spôsobiť nerovnomernú teplotu žíhania alebo príliš krátky čas, čo vedie k nedostatočnej rekryštalizácii, čo vedie k chybám v následnej výrobe. Preto by výrobcovia, ktorí používajú na tepelné spracovanie kontinuálne žíhacie pece s valcovým dnom, mali kontrolovať rôzne požiadavky a skutočné operácie tepelného spracovania.