20# sömlöst stålrör är materialkvaliteten specificerad i GB3087-2008 "Sömlösa stålrör för låg- och medeltryckspannor". Det är ett högkvalitativt sömlöst stålrör av kolkonstruktionsstål som är lämpligt för tillverkning av olika lågtrycks- och medeltryckspannor. Det är ett vanligt stålrörsmaterial med stor volym. När en tillverkare av pannutrustning tillverkade en lågtemperatursvärmare, fann man att det fanns allvarliga tvärgående sprickdefekter på insidan av dussintals rörskarvar. Rörfogmaterialet var 20 stål med en specifikation på Φ57mm×5mm. Vi inspekterade det spruckna stålröret och genomförde en serie tester för att reproducera defekten och ta reda på orsaken till den tvärgående sprickan.

1. Sprickfunktionsanalys
Sprickmorfologi: Det kan ses att det finns många tvärgående sprickor fördelade längs stålrörets längdriktning. Sprickorna är ordnade prydligt. Varje spricka har ett vågigt drag, med en liten avböjning i längdriktningen och inga längsgående repor. Det finns en viss avböjningsvinkel mellan sprickan och stålrörets yta och en viss bredd. Det finns oxider och avkolning vid kanten av sprickan. Botten är trubbig och det finns inga tecken på expansion. Matrisstrukturen är normal ferrit + perlit, som är fördelad i ett band och har en kornstorlek på 8. Orsaken till sprickan är relaterad till friktionen mellan stålrörets innervägg och den inre formen under tillverkningen av stålrör.

Enligt sprickans makroskopiska och mikroskopiska morfologiska egenskaper kan man dra slutsatsen att sprickan genererades före den slutliga värmebehandlingen av stålröret. Stålröret använder ett Φ90mm rundrörsämne. De huvudsakliga formningsprocesserna som den genomgår är varmperforering, varmvalsning och diameterminskning samt två kalldragningar. Den specifika processen är att Φ90mm rundrörsämnet rullas till ett Φ93mm×5,8mm grovt rör och sedan varmvalsas och reduceras till Φ72mm×6,2mm. Efter betning och smörjning utförs den första kalldragningen. Specifikationen efter kallritningen är Φ65mm×5,5mm. Efter mellanglödgning, betning och smörjning utförs den andra kalldragningen. Specifikationen efter kallritningen är Φ57mm×5mm.

Enligt produktionsprocessanalysen är de faktorer som påverkar friktionen mellan stålrörets innervägg och den inre formen främst smörjningskvaliteten och är också relaterade till stålrörets plasticitet. Om stålrörets plasticitet är dålig kommer möjligheten att dra sprickor att öka kraftigt, och dålig plasticitet är relaterad till den mellanliggande spänningsavlastande glödgningsvärmebehandlingen. Baserat på detta kan man dra slutsatsen att sprickorna kan genereras i kalldragningsprocessen. Dessutom, eftersom sprickorna inte är öppna i stor utsträckning och det inte finns några uppenbara tecken på expansion, betyder det att sprickorna inte har upplevt påverkan av sekundär dragningsdeformation efter att de har bildats, så man drar vidare slutsatsen att det mest troliga tid för att sprickorna ska genereras bör vara den andra kalldragningsprocessen. De mest sannolika påverkande faktorerna är dålig smörjning och/eller dålig avspänningsglödgning.

För att fastställa orsaken till sprickorna genomfördes sprickreproduktionstester i samarbete med stålrörstillverkare. Baserat på ovanstående analys utfördes följande tester: Under förutsättning att processerna för reduktion av perforering och varmvalsdiameter förblir oförändrade, ändras smörjnings- och/eller avspänningsglödgningsvärmebehandlingsförhållandena och de dragna stålrören inspekteras för att försök att återskapa samma defekter.

2. Testplan
Nio testplaner föreslås genom att ändra smörjprocessen och glödgningsprocessens parametrar. Bland dem är det normala fosfaterings- och smörjtidskravet 40 minuter, det normala kravet på mellanliggande spänningsavlastande glödgningstemperatur är 830 ℃ och det normala kravet på isoleringstid är 20 minuter. Testprocessen använder en 30t kalldragningsenhet och en värmebehandlingsugn med rullbotten.

3. Testresultat
Genom inspektionen av stålrören som producerats av ovanstående 9 scheman visade det sig att förutom schema 3, 4, 5 och 6 hade alla andra scheman skakningar eller tvärgående sprickor i varierande grad. Bland dem hade schema 1 ett ringformigt steg; Schema 2 och 8 hade tvärgående sprickor, och sprickmorfologin var mycket lik den som hittades i produktionen; Schema 7 och 9 hade skakat, men inga tvärgående sprickor hittades.

4. Analys och diskussion
Genom en serie tester verifierades det till fullo att smörjning och mellanliggande avspänningsglödgning under kalldragningsprocessen av stålrör har en avgörande inverkan på kvaliteten på färdiga stålrör. I synnerhet återgav scheman 2 och 8 samma defekter på innerväggen av stålröret som hittades i ovanstående produktion.

Schema 1 är att utföra den första kalldragningen på det varmvalsade moderröret med reducerad diameter utan att utföra fosfatering och smörjning. På grund av bristen på smörjning har den belastning som krävs under kalldragningsprocessen nått den maximala belastningen för kalldragningsmaskinen. Den kalla ritningsprocessen är mycket mödosam. Skakningen av stålröret och friktionen med formen orsakar uppenbara steg på rörets innervägg, vilket indikerar att när plasticiteten hos moderröret är bra, även om den osmorda dragningen har en negativ effekt, är det inte lätt att orsaka tvärgående sprickor. I schema 2 kalldrags stålröret med dålig fosfatering och smörjning kontinuerligt utan mellanliggande avspänningsglödgning, vilket resulterar i liknande tvärgående sprickor. I Schema 3 hittades dock inga defekter i den kontinuerliga kalldragningen av stålröret med god fosfatering och smörjning utan mellanliggande avspänningsglödgning, vilket preliminärt indikerar att dålig smörjning är den främsta orsaken till tvärgående sprickor. Schema 4 till 6 är att ändra värmebehandlingsprocessen samtidigt som man säkerställer god smörjning, och inga dragningsdefekter uppstod som ett resultat, vilket indikerar att mellanliggande spänningsavlastningsglödgning inte är den dominerande faktorn som leder till uppkomsten av tvärgående sprickor. Schema 7 till 9 ändrar värmebehandlingsprocessen samtidigt som fosfaterings- och smörjtiden förkortas med hälften. Som ett resultat har stålrören i schema 7 och 9 skaklinjer, och schema 8 ger liknande tvärgående sprickor.

Ovanstående jämförande analys visar att tvärgående sprickor kommer att uppstå i båda fallen med dålig smörjning + ingen mellanglödgning och dålig smörjning + låg mellanglödgningstemperatur. Vid dålig smörjning + bra mellanglödgning, bra smörjning + ingen mellanglödgning och bra smörjning + låg mellanglödgningstemperatur, även om skakledningsdefekter kommer att uppstå, uppstår inte tvärgående sprickor på stålrörets innervägg. Dålig smörjning är den främsta orsaken till tvärgående sprickor, och dålig mellanliggande spänningsavlastningsglödgning är den extra orsaken.

Eftersom dragspänningen för stålröret är proportionell mot friktionskraften kommer dålig smörjning att leda till en ökning av dragkraften och en minskning av dragningshastigheten. Hastigheten är låg när stålröret dras första gången. Om hastigheten är lägre än ett visst värde, det vill säga den når bifurkationspunkten, kommer dornen att producera självexciterade vibrationer, vilket resulterar i skaklinjer. Vid otillräcklig smörjning ökas den axiella friktionen mellan ytan (särskilt den inre ytan) metall och formen kraftigt under dragningen, vilket resulterar i arbetshärdning. Om den efterföljande spänningsavlastande värmebehandlingstemperaturen för stålröret är otillräcklig (som cirka 630 ℃ inställd i testet) eller ingen glödgning, är det lätt att orsaka ytsprickor.

Enligt teoretiska beräkningar (den lägsta omkristallisationstemperaturen ≈ 0,4×1350 ℃) är omkristallisationstemperaturen för 20 # stål cirka 610 ℃. Om glödgningstemperaturen är nära omkristallisationstemperaturen, misslyckas stålröret att helt omkristallisera, och arbetshärdningen elimineras inte, vilket resulterar i dålig materialplasticitet, metallflöde blockeras under friktion och de inre och yttre skikten av metall är allvarligt deformeras ojämnt, vilket genererar en stor axiell extra spänning. Som ett resultat överskrider den axiella spänningen hos stålrörets inre ytmetall dess gräns, vilket genererar sprickor.

5. Slutsats
Genereringen av tvärgående sprickor på innerväggen av ett 20 # sömlöst stålrör orsakas av den kombinerade effekten av dålig smörjning under dragning och otillräcklig mellanliggande spänningsavlastande glödgningsvärmebehandling (eller ingen glödgning). Bland dem är dålig smörjning den främsta orsaken, och dålig mellanliggande spänningsavlastningsglödgning (eller ingen glödgning) är hjälporsaken. För att undvika liknande defekter bör tillverkare kräva att verkstadsoperatörer strikt följer de relevanta tekniska föreskrifterna för smörj- och värmebehandlingsprocessen i produktionen. Dessutom, eftersom den kontinuerliga glödgningsugnen med rullbotten är en kontinuerlig glödgningsugn, även om den är bekväm och snabb att ladda och lossa, är det svårt att kontrollera temperaturen och hastigheten för material av olika specifikationer och storlekar i ugnen. Om det inte är strikt implementerat enligt bestämmelserna är det lätt att orsaka ojämn glödgningstemperatur eller för kort tid, vilket resulterar i otillräcklig omkristallisation, vilket leder till defekter i efterföljande produktion. Därför bör tillverkare som använder rullbottnade kontinuerliga glödgningsugnar för värmebehandling kontrollera de olika kraven och faktiska operationerna för värmebehandling.