Безшовні сталеві труби 20# — це клас матеріалу, зазначений у GB3087-2008 «Безшовні сталеві труби для котлів низького та середнього тиску». Це високоякісна безшовна труба з вуглецевої конструкційної сталі, придатна для виготовлення різних котлів низького та середнього тиску. Це поширений матеріал для сталевих труб великого обсягу. Коли виробник котельного обладнання виготовляв колектор низькотемпературного перегрівача, було виявлено серйозні поперечні дефекти тріщин на внутрішній поверхні десятків з’єднань труб. Матеріалом з’єднання труб була сталь 20 зі специфікацією Φ57 мм × 5 мм. Ми оглянули тріснуту сталеву трубу та провели ряд тестів, щоб відтворити дефект і з’ясувати причину поперечної тріщини.

1. Аналіз функцій Crack
Морфологія тріщин: можна побачити, що є багато поперечних тріщин, розподілених уздовж поздовжнього напрямку сталевої труби. Щілини розташовані акуратно. Кожна тріщина має хвилеподібну форму з невеликим відхиленням у поздовжньому напрямку та без поздовжніх подряпин. Існує певний кут відхилення між тріщиною та поверхнею сталевої труби та певна ширина. На краю тріщини є оксиди і знеуглерожування. Дно тупе, і немає ознак розширення. Структура матриці — це звичайний ферит + перліт, який розподілений у вигляді смуги та має розмір зерна 8. Причина тріщини пов’язана з тертям між внутрішньою стінкою сталевої труби та внутрішньою формою під час виробництва сталева труба.

Згідно з макроскопічними та мікроскопічними морфологічними характеристиками тріщини можна зробити висновок, що тріщина утворилася до остаточної термічної обробки сталевої труби. Сталева труба використовує круглу трубну заготовку Φ90 мм. Основними процесами формування, яким він піддається, є гаряча перфорація, гаряча прокатка та зменшення діаметра, а також дві холодні витяжки. Специфічний процес полягає в тому, що заготовка круглої труби Φ90 мм згортається в грубу трубу Φ93 мм × 5,8 мм, а потім гаряче прокатується та зменшується до Φ72 мм × 6,2 мм. Після травлення і змащування проводиться перше холодне витягування. Специфікація після холодного волочіння становить Φ65 мм × 5,5 мм. Після проміжного відпалу, травлення і змащування проводять другу холодну витяжку. Специфікація після холодного волочіння становить Φ57 мм × 5 мм.

Згідно з аналізом виробничого процесу, факторами, що впливають на тертя між внутрішньою стінкою сталевої труби та внутрішньою матрицею, є в основному якість змащення, а також пов’язані з пластичністю сталевої труби. Якщо пластичність сталевої труби погана, ймовірність утворення тріщин значно зросте, а погана пластичність пов’язана з проміжною термічною обробкою відпалу для зняття напруги. Виходячи з цього, робиться висновок, що тріщини можуть утворюватися в процесі холодного витягування. Крім того, оскільки тріщини не відкриті значною мірою і немає очевидних ознак розширення, це означає, що тріщини не зазнали впливу вторинної деформації витяжки після їх утворення, тому далі робиться висновок, що, швидше за все, час для утворення тріщин має бути другим процесом холодного витягування. Найімовірнішими факторами впливу є погане змащення та/або поганий відпал для зняття напруги.

Щоб визначити причину тріщин, у співпраці з виробниками сталевих труб були проведені тести на відтворення тріщин. На основі вищезазначеного аналізу було проведено наступні випробування: за умови, що процеси зменшення діаметра перфорації та гарячої прокатки залишаються незмінними, умови термічної обробки змащування та/або зняття напруги відпалу змінюються, а витягнуті сталеві труби перевіряються на спробуйте відтворити ті самі дефекти.

2. План тестування
Запропоновано дев'ять планів випробувань шляхом зміни параметрів процесу змащування та процесу відпалу. Серед них звичайна вимога до часу фосфатування та змащення становить 40 хвилин, нормальна вимога до температури відпалу для зняття проміжної напруги становить 830 ℃, а нормальна вимога до часу ізоляції становить 20 хвилин. У процесі тестування використовується 30-тонна установка для холодного витягування та піч для термічної обробки з роликовим днищем.

3. Результати тестування
Під час перевірки сталевих труб, виготовлених за 9 вищевказаними схемами, було виявлено, що за винятком схем 3, 4, 5 і 6, всі інші схеми мали коливання або поперечні тріщини різного ступеня. Серед них схема 1 мала кільцеву сходинку; схеми 2 і 8 мали поперечні тріщини, а морфологія тріщин була дуже схожа на виробничу; схеми 7 і 9 були розхитані, але поперечних тріщин не виявлено.

4. Аналіз та обговорення
За допомогою серії випробувань було повністю підтверджено, що змащення та проміжний відпал для зняття напруги під час процесу холодного волочіння сталевих труб мають життєво важливий вплив на якість готових сталевих труб. Зокрема, на схемах 2 і 8 відтворено ті самі дефекти внутрішньої стінки сталевої труби, які були виявлені у вищезгаданому виробництві.

Схема 1 полягає у виконанні першого холодного витягування гарячекатаної маткової труби зменшеного діаметру без виконання процесу фосфатування та змащування. Через відсутність мастила навантаження, необхідне під час процесу холодного волочіння, досягло максимального навантаження машини для холодного волочіння. Процес холодної витяжки дуже трудомісткий. Струшування сталевої труби та тертя форми спричиняють очевидні сходи на внутрішній стінці труби, що вказує на те, що, коли пластичність основної труби хороша, незважаючи на те, що незмащений малюнок має негативний вплив, це нелегко спричинити поперечні тріщини. На схемі 2 сталева труба з поганим фосфатуванням і змащенням безперервно піддається холодному витягуванню без проміжного відпалу для зняття напруги, що призводить до подібних поперечних тріщин. Проте на схемі 3 при безперервному холодному витягуванні сталевої труби з хорошим фосфатуванням і змащенням без проміжного відпалу для зняття напруги дефектів не виявлено, що попередньо вказує на те, що основною причиною появи поперечних тріщин є погане змащення. Схеми 4-6 повинні змінити процес термічної обробки, забезпечуючи при цьому хороше змащування, і в результаті не виникло дефектів витяжки, що вказує на те, що проміжний відпал для зняття напруги не є домінуючим фактором, що призводить до появи поперечних тріщин. Схеми 7-9 змінюють процес термічної обробки, скорочуючи час фосфатування та змащування вдвічі. В результаті сталеві труби схем 7 і 9 мають лінії струсу, а схема 8 дає аналогічні поперечні тріщини.

Наведений вище порівняльний аналіз показує, що поперечні тріщини виникнуть в обох випадках поганого змащення + відсутність проміжного відпалу та поганого змащення + низька температура проміжного відпалу. У випадках поганого змащення + хорошого проміжного відпалу, хорошого змащення + відсутності проміжного відпалу та хорошого змащення + низької температури проміжного відпалу, незважаючи на те, що виникнуть дефекти лінії струсу, поперечні тріщини не виникнуть на внутрішній стінці сталевої труби. Погане змащення є основною причиною поперечних тріщин, а поганий проміжний відпал для зняття напруги є допоміжною причиною.

Оскільки напруга витягування сталевої труби пропорційна силі тертя, погане змащення призведе до збільшення сили витягування та зниження швидкості витягування. Швидкість низька, коли сталева труба вперше витягнута. Якщо швидкість нижча за певне значення, тобто вона досягає точки біфуркації, оправка вироблятиме самозбуджену вібрацію, що призведе до появи ліній струсу. У разі недостатнього змащення осьове тертя між поверхнею (особливо внутрішньою поверхнею) металу та матриці під час витягування значно збільшується, що призводить до наклепу. Якщо наступна температура термічної обробки сталевої труби для зняття напруги відпалу є недостатньою (наприклад, близько 630 ℃, встановленої під час випробування) або відсутність відпалу, легко спричинити поверхневі тріщини.

Згідно з теоретичними розрахунками (найнижча температура рекристалізації ≈ 0,4 × 1350 ℃), температура рекристалізації сталі 20# становить близько 610 ℃. Якщо температура відпалу близька до температури рекристалізації, сталева труба не може повністю рекристалізуватися, а зміцнення не усувається, що призводить до поганої пластичності матеріалу, потік металу блокується під час тертя, а внутрішній і зовнішній шари металу сильно пошкоджені. деформується нерівномірно, створюючи тим самим велику осьову додаткову напругу. У результаті осьове напруження металу внутрішньої поверхні сталевої труби перевищує межі, що призводить до утворення тріщин.

5. Висновок
Утворення поперечних тріщин на внутрішній стінці безшовної сталевої труби 20# спричинене сукупним впливом поганого змащення під час витягування та недостатнього проміжного зняття напруги від відпалу термічної обробки (або без відпалу). Серед них погане змащення є основною причиною, а поганий проміжний відпал для зняття напруги (або відсутність відпалу) є допоміжною причиною. Щоб уникнути подібних дефектів, виробники повинні вимагати від операторів цехів суворого дотримання відповідних технічних регламентів процесу змащування та термообробки на виробництві. Крім того, оскільки піч безперервного відпалу з роликовим днищем є піччю безперервного відпалу, хоча її зручно та швидко завантажувати та вивантажувати, важко контролювати температуру та швидкість матеріалів різних специфікацій та розмірів у печі. Якщо це не виконується строго згідно з правилами, легко спричинити нерівномірну температуру відпалу або занадто короткий час, що призведе до недостатньої рекристалізації, що призведе до дефектів у подальшому виробництві. Тому виробники, які використовують для термічної обробки печі безперервного відпалу з роликовим дном, повинні контролювати різні вимоги та фактичні операції термічної обробки.