ASTM A709-50W أنابيب الصلب كورتن للتجوية
كانون الثاني 16, 2026
ASTM A234 WP5 تجهيزات أنابيب سبائك الصلب
كانون الثاني 31, 2026
تحليل سبب تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن
الملخص: الفولاذ المقاوم للصدأ WP304, كمادة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستخدمة على نطاق واسع, يتم تطبيقه على نطاق واسع في مكونات الكوع من البتروكيماويات, الطيران, ومجالات الهندسة البحرية نظرا لتميزها تآكل مقاومة, الخواص الميكانيكية, واستقرار درجات الحرارة العالية. تشكيل الانحناء بالدفع الساخن هو عملية تصنيع رئيسية لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ, تتميز بكفاءة إنتاجية عالية, نوعية تشكيل جيدة, وقدرة قوية على التكيف مع الأشكال المعقدة. ومع ذلك, غالبًا ما يحدث تشقق الجدار الداخلي أثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304, مما يؤثر بشكل خطير على معدل تأهيل المنتج, يزيد من تكاليف الإنتاج, بل ويشكل مخاطر سلامة محتملة على الخدمة اللاحقة للمرفقين. لحل هذه المشكلة التقنية, تجري هذه الورقة دراسة متعمقة حول أسباب تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن.
أولاً, تتناول الورقة الخصائص المادية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304, بما في ذلك تركيبته الكيميائية, المجهرية, والخواص الميكانيكية عند درجات الحرارة المرتفعة, وضع الأساس النظري لتحليل آلية التكسير. ثانيا, إنه يقدم المبدأ الأساسي ومعلمات العملية الرئيسية لعملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, ويوضح قانون توزيع الإجهاد والانفعال للمرفق أثناء عملية التشكيل, وخاصة ظاهرة تركيز الإجهاد على الجدار الداخلي. ثم, من خلال مزيج من البحوث الأدبية, التحليل التجريبي, ومحاكاة العناصر المحدودة, يتم تحليل الأسباب الرئيسية لتشقق الجدران الداخلية بشكل منهجي, بما في ذلك العوامل المادية (مثل الادراج, حجم الحبوب, والإجهاد المتبقي), عوامل العملية (مثل تشكيل درجة الحرارة, سرعة الدفع, تصميم يموت, وتوحيد التدفئة), والعوامل البيئية (مثل الأكسدة ونزع الكربنة). أخيرا, يتم اقتراح التدابير الوقائية والرقابية المقابلة بناءً على أسباب التشقق, مثل تحسين التركيب الكيميائي للمادة, تحسين عملية المعالجة الحرارية, تحسين معلمات عملية الانحناء بالدفع الساخن, وتحسين هيكل القالب.
أظهرت نتائج البحث أن تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن هو نتيجة شاملة لعوامل متعددة. فيما بينها, المطابقة غير المعقولة لدرجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع, التسخين غير المتكافئ للفراغ, هيكل القالب غير المعقول يؤدي إلى تركيز الضغط المفرط على الجدار الداخلي, ووجود شوائب ضارة في المادة هي العوامل الرئيسية المسببة للتشقق. يمكن للتدابير الوقائية المقترحة في هذه الورقة أن تقلل بشكل فعال من حدوث تشققات الجدران الداخلية, تحسين معدل تأهيل المنتج لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304, وتقديم الدعم الفني للإنتاج المستقر والفعال للمؤسسات. تتمتع هذه الدراسة بأهمية نظرية مهمة وقيمة تطبيقية عملية لتحسين مستوى تصنيع أكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 وضمان التشغيل الآمن للمعدات الهندسية..
الكلمات الدالة: الفولاذ المقاوم للصدأ WP304; مِرفَق; تشكيل الانحناء بالدفع الساخن; تشقق الجدار الداخلي; تحليل السبب; التدابير الوقائية
1. مقدمة
1.1 خلفية البحث وأهميته
فى السنوات الاخيرة, مع التطور السريع للبتروكيماويات العالمية, القوة النووية, الطيران, والصناعات الهندسية البحرية, الطلب على الأداء العالي خط أنابيب لقد تزايدت المكونات. كعنصر ربط مهم في أنظمة خطوط الأنابيب, تلعب الأكواع دورًا حاسمًا في تغيير اتجاه تدفق السوائل وضمان التشغيل السلس لخط الأنابيب. الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 هو الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مع نظام سبائك Cr-Ni, والتي لديها مقاومة ممتازة للتآكل (وخاصة ضد الغلاف الجوي, ماء, والوسائط الكيميائية), قوة جيدة في درجات الحرارة العالية والمتانة, وقابلية تشكيل وقابلية لحام ممتازة. لذلك, تُستخدم أكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 على نطاق واسع في بيئات العمل القاسية مثل درجة حرارة عالية, ضغط مرتفع, والتآكل القوي.
يعتبر تشكيل الانحناء بالدفع الساخن عملية ناضجة وفعالة لتصنيع أكواع الفولاذ المقاوم للصدأ. بالمقارنة مع عمليات التشكيل الأخرى مثل تشكيل الختم والتشكيل بالتزوير, يتميز تشكيل الانحناء بالدفع الساخن بمزايا تدفق العملية البسيط, ارتفاع كفاءة الإنتاج, تكلفة العفن منخفضة, والتوحيد الجيد لسمك جدار الكوع المشكل. إنها مناسبة بشكل خاص للإنتاج الضخم للأكواع ذات الأقطار المختلفة وأقطار الانحناء. ومع ذلك, في عملية الإنتاج الفعلية, بسبب التغيرات الفيزيائية والكيميائية المعقدة وحالات الإجهاد والانفعال للمادة أثناء العمل الساخن, من المحتمل أن تحدث عيوب مختلفة في الأكواع المشكلة, والتي يعد تشقق الجدران الداخلية من أكثر العيوب شيوعاً وضرراً.
إن تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 لن يقلل فقط من الخواص الميكانيكية (مثل القوة, المتانة, ومقاومة التعب) من المرفقين ولكنها توفر أيضًا قنوات لتسلل الوسائط المسببة للتآكل, تسريع فشل التآكل في المرفقين. في الحالات الشديدة, قد يؤدي حتى إلى تسرب خط الأنابيب, مما تسبب في حوادث سلامة كبيرة وخسائر اقتصادية. فمثلا, في مصنع للبتروكيماويات في 2022, وقع حادث تسرب في خط الأنابيب بسبب تشقق كوع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء الخدمة, مما يؤدي إلى تسرب الوسائط السامة والضارة, الأمر الذي لم يتسبب فقط في خسائر اقتصادية مباشرة بأكثر من 5 مليون يوان ولكنه يشكل أيضًا تهديدًا خطيرًا للبيئة المحيطة وسلامة الأفراد. وجدت التحقيقات اللاحقة أن السبب الجذري لتشققات المرفق هو وجود شقوق صغيرة على الجدار الداخلي تشكلت أثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, والتي توسعت تدريجياً تحت تأثير ضغوط الخدمة طويلة الأمد والوسائط المسببة للتآكل.
لذلك, إجراء بحث متعمق حول أسباب تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, واقتراح التدابير الوقائية المستهدفة, له أهمية عملية كبيرة لتحسين جودة منتج الأكواع, تقليل تكاليف الإنتاج, ضمان التشغيل الآمن لأنظمة خطوط الأنابيب, وتعزيز التنمية الصحية للصناعات ذات الصلة. في نفس الوقت, يمكن لهذا البحث أيضًا إثراء النظام النظري للعمل الساخن للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي, توفير مرجع لدراسة مشاكل التشقق في عمليات التشكيل الساخن الأخرى المشابهة.
1.2 حالة البحث في الداخل والخارج
في الوقت الحاضر, قام العديد من العلماء في الداخل والخارج بإجراء الأبحاث ذات الصلة حول عملية التشكيل الساخن والتحكم في عيوب الأكواع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. فيما يتعلق بعملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, أجرى العلماء الأجانب دراسات متعمقة حول آلية التشكيل وتحسين معلمات العملية. فمثلا, سميث وآخرون. (2020) تم استخدام برنامج محاكاة العناصر المحدودة لمحاكاة عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي, تحليل قانون توزيع الإجهاد والانفعال للمرفق أثناء التشكيل, ووجد أن الجدار الداخلي للمرفق تعرض لإجهاد انضغاطي والجدار الخارجي تعرض لإجهاد الشد, وكان تركيز الإجهاد أكثر وضوحا عند القوس الداخلي للمرفق. كما قاموا بدراسة تأثير درجة حرارة التكوين وسرعة الدفع على جودة التشكيل, واقترح أن يكون نطاق درجة حرارة التشكيل الأمثل للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي هو 1050 درجة مئوية -1150 درجة مئوية.
لقد حقق العلماء المحليون أيضًا إنجازات ملحوظة في الأبحاث المتعلقة بتشكيل الانحناء بالدفع الساخن للأكواع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. Li et al. (2021) دراسة تأثير طرق التسخين على جودة تشكيل أكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304. أظهرت النتائج أن التسخين غير المتساوي سيؤدي إلى توزيع غير متساو لدرجة الحرارة للفراغ, مما أدى إلى الإجهاد والانفعال غير المتكافئ أثناء التشكيل, والذي كان سببًا مهمًا في تشقق الجدران الداخلية. وانغ وآخرون. (2023) قام بتحليل تطور البنية المجهرية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, ووجدوا أن نمو الحبوب وإعادة تبلورها يحدثان في المادة عند درجات حرارة عالية, وكان لحجم الحبوب تأثير مهم على قابلية تشكيل المادة. من شأن الحبوب الخشنة بشكل مفرط أن تقلل من صلابة المادة, مما يجعلها عرضة للتشقق أثناء التشكيل.
من حيث أسباب تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ, وقد طرح العلماء وجهات نظر مختلفة. ويرى بعض العلماء أن العوامل المادية هي الأسباب الرئيسية, مثل وجود شوائب ضارة (مثل الأكاسيد, كبريتيدات) في المادة, والتي سوف تصبح مصدر الشقوق وتؤدي إلى التشقق تحت تأثير الضغط. يعتقد علماء آخرون أن عوامل العملية أكثر أهمية, مثل معلمات العملية غير المعقولة (درجة حرارة التشكيل مرتفعة جدًا أو منخفضة جدًا, سرعة دفع سريعة جدًا), تصميم يموت غير معقول (نصف قطر الانحناء صغير جدًا, سوء نوعية سطح القالب), إلخ, الأمر الذي سيؤدي إلى تركيز الضغط الزائد على الجدار الداخلي للمرفق, مما أدى إلى تكسير. بالاضافة, كما قام بعض العلماء بدراسة تأثير العوامل البيئية على التشقق, مثل الأكسدة وإزالة الكربنة من سطح المادة عند درجات حرارة عالية, مما يقلل من جودة السطح والخواص الميكانيكية للمادة, مما يجعلها عرضة للتشقق.
على الرغم من أن الدراسات الحالية قد حققت بعض التقدم في الأبحاث المتعلقة بتشكيل الانحناء بالدفع الساخن وتشقق الجدران الداخلية لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ, لا تزال هناك بعض أوجه القصور. فمثلا, تركز معظم الدراسات على عامل واحد يسبب التشقق, وهناك نقص في التحليل المنهجي والشامل للتأثير الشامل للعوامل المتعددة. بالاضافة, البحث عن آلية تكسير الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن ليس عميقًا بدرجة كافية, والتدابير الوقائية المستهدفة المقترحة ليست شاملة بما فيه الكفاية. لذلك, ومن الضروري إجراء مزيد من البحث المتعمق حول هذه المسألة.
1.3 أهداف البحث ونطاقه
الأهداف الرئيسية لهذه الورقة هي كما يلي: (1) لتوضيح الخصائص المادية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304, وخاصة الخواص الميكانيكية وتطور البنية المجهرية في درجات الحرارة المرتفعة, ووضع الأساس النظري لتحليل آلية التكسير. (2) إتقان المبدأ الأساسي لعملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 وقانون توزيع الإجهاد والانفعال أثناء التشكيل. (3) لتحليل منهجي للأسباب الرئيسية لتشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, بما في ذلك العوامل المادية, عوامل العملية, والعوامل البيئية. (4) اقتراح تدابير وقائية ورقابية مستهدفة بناءً على أسباب التشقق, وذلك للحد من حدوث تشققات الجدار الداخلي.
يقتصر نطاق البحث في هذه الورقة على مشكلة تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن.. يتضمن محتوى البحث الخصائص المادية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304, معلمات عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, هيكل القالب, العوامل البيئية أثناء التشكيل, إلخ. وتشمل أساليب البحث البحث الأدبي, التحليل التجريبي (مثل تحليل المعادن, اختبار الخصائص الميكانيكية, وتحليل الكسر), ومحاكاة العناصر المحدودة.
1.4 هيكل الأطروحة
وتنقسم هذه الورقة إلى ستة فصول, والهيكل المحدد هو على النحو التالي: الفصل 1 هي المقدمة, والذي يوضح بشكل أساسي خلفية البحث وأهمية تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, يلخص حالة البحث في الداخل والخارج, يوضح أهداف البحث ونطاقه, ويقدم هيكل الأطروحة. الفصل 2 يقدم الخصائص المادية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304, بما في ذلك التكوين الكيميائي, المجهرية, والخواص الميكانيكية لدرجات الحرارة العالية. الفصل 3 يشرح المبدأ الأساسي لعملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304, يحلل توزيع الإجهاد والانفعال أثناء التشكيل, ويقدم معلمات العملية الرئيسية. الفصل 4 يحلل بشكل منهجي الأسباب الرئيسية لتشقق الجدران الداخلية, بما في ذلك العوامل المادية, عوامل العملية, والعوامل البيئية, من خلال التحليل التجريبي ومحاكاة العناصر المحدودة. الفصل 5 يقترح تدابير وقائية وتحكمية لتشققات الجدران الداخلية بناءً على أسباب التشقق. الفصل 6 هو الاستنتاج والاحتمال, الذي يلخص نتائج البحث الرئيسية لهذه الورقة, ويشير إلى أوجه القصور في البحث, ويتطلع إلى اتجاه البحث المستقبلي.
2. الخصائص المادية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304
تؤثر الخصائص المادية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 بشكل مباشر على قابلية تشكيله أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن وحدوث عيوب التشقق. لذلك, فمن الضروري إجراء تحليل متعمق لتركيبه الكيميائي, المجهرية, والخواص الميكانيكية لدرجات الحرارة العالية.
2.1 التركيبة الكيميائية
الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 هو الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي النموذجي, ويتم تنظيم تركيبه الكيميائي بشكل صارم وفقًا للمعايير ذات الصلة (مثل أستم A403/A403M). التركيب الكيميائي الرئيسي (جزء الشامل, %) يظهر في الجدول 1.
|
عنصر
|
ج
|
الاشتراكية الدولية
|
يغطي الأسود الملحوم وغير الملحوم والساخن
|
ص
|
S
|
الجمهورية التشيكية
|
ني
|
N
|
Fe
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
محتوى
|
≤0.08
|
≤1.00
|
≤2.00
|
≤0.045
|
≤0.030
|
18.00-20.00
|
8.00-12.00
|
≤0.10
|
كرة.
|
يتميز التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 بالخصائص التالية: (1) الكروم (الجمهورية التشيكية) هو العنصر الرئيسي لصناعة السبائك, والتي يمكن أن تشكل طبقة كثيفة من أكسيد الكروم على سطح المادة, تحسين مقاومة التآكل للمواد. يتم التحكم في الجزء الكتلي من Cr بين 18.00% و 20.00%, والتي يمكن أن تضمن تشكيل فيلم سلبي مستقر. (2) النيكل (ني) هو عنصر الأوستنيتي, والتي يمكنها تثبيت الهيكل الأوستنيتي للمادة في درجة حرارة الغرفة ودرجة الحرارة المنخفضة, تحسين صلابة وقابلية تشكيل المواد. الجزء الكتلي من Ni يقع بين 8.00% و 12.00%, والتي يمكن أن تضمن أن المادة لها بنية أوستنيتي واحدة. (3) T11 (ج) يمكن تحسين قوة المادة, لكن الكمية الزائدة من C سوف تتحد مع الكروم لتكوين كربيدات الكروم (مثل Cr₂₃C₆), مما سيقلل من محتوى الكروم في المحلول الصلب, مما يؤدي إلى التآكل بين الحبيبات. لذلك, يقتصر محتوى C بشكل صارم على .080.08٪. (4) الفوسفور (ص) والكبريت (S) هي عناصر النجاسة الضارة, مما يقلل من صلابة المادة وقابليتها للتشكيل, مما يجعلها عرضة للتشقق أثناء المعالجة. لذلك, محتوياتها تخضع لرقابة صارمة.
إن المطابقة المعقولة للتركيب الكيميائي تضمن أن الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 يتمتع بخصائص شاملة ممتازة. ومع ذلك, إذا كان التركيب الكيميائي ينحرف عن المتطلبات القياسية (مثل محتوى C العالي جدًا, محتوى Cr أو Ni منخفض جدًا), وسوف يؤثر على البنية المجهرية والخواص الميكانيكية للمادة, تقليل قابليتها للتشكيل أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن وزيادة خطر التشقق.
2.2 المجهرية
البنية المجهرية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 في درجة حرارة الغرفة عبارة عن هيكل أوستنيتي واحد, وهو مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) هيكل مع ليونة جيدة والقابلية للتشكيل. الحبوب الأوستنيتي متساوية, وحجم الحبوب عموما بين 5 و 8 الدرجات (وفقا لمعيار ASTM E112).
أثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, يتم تسخين الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 إلى درجة حرارة عالية (عادة فوق 1000 درجة مئوية), وسوف تخضع البنية المجهرية لسلسلة من التغييرات, مثل نمو الحبوب وإعادة تبلورها. إعادة التبلور هي عملية تتشكل فيها حبيبات جديدة متساوية المحاور عن طريق نواة ونمو الحبيبات المشوهة, والتي يمكن أن تقضي على تصلب العمل الناتج عن التشوه السابق, تحسين ليونة المواد, ومفيد لعملية التشكيل. ومع ذلك, إذا كانت درجة حرارة التسخين مرتفعة جدًا أو كان وقت الانتظار طويلًا جدًا, سيحدث نمو مفرط للحبوب. سوف تقلل الحبوب الخشنة بشكل مفرط من صلابة المادة وقوتها, مما يجعلها عرضة للتشقق أثناء التشكيل. فمثلا, عندما تتجاوز درجة حرارة التسخين 1200 درجة مئوية, سيزداد حجم حبيبات الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 بشكل ملحوظ, وسوف تنخفض اللدونة بأكثر من 30% مقارنة مع ذلك عند 1100 درجة مئوية.
بالاضافة, يعد وجود شوائب ضارة في البنية المجهرية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 عاملاً مهمًا أيضًا يؤثر على قابلية تشكيل المادة. وتشمل الادراج المشتركة أكاسيد (مثل Al₂O₃, SiO₂), كبريتيدات (مثل MNS), والكربيدات. هذه الادراج لها توافق ضعيف مع المصفوفة, ومن المحتمل أن يحدث تركيز الإجهاد حولهم أثناء عملية التشكيل, والتي سوف تصبح مصدر الشقوق وتؤدي إلى بدء الشقوق وانتشارها.
2.3 الخواص الميكانيكية لدرجة الحرارة العالية
يتم تنفيذ تشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 في درجات حرارة عالية, وبالتالي فإن الخواص الميكانيكية للحرارة العالية للمادة (مثل قوة درجات الحرارة العالية, ليونة, ومقاومة الزحف) لها تأثير مهم على جودة التشكيل. ترتبط الخواص الميكانيكية ذات درجة الحرارة العالية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 ارتباطًا وثيقًا بدرجة الحرارة. مع ارتفاع درجة الحرارة, قوة المادة تنخفض, وتزداد اللدونة أولاً ثم تقل.
الطاولة 2 يُظهر الخواص الميكانيكية النموذجية ذات درجة الحرارة العالية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 في درجات حرارة مختلفة.
|
درجة حرارة (℃)
|
مقاومة الخضوع (σₛ, الآلام والكروب الذهنية)
|
مقاومة الشد (ᵦ, الآلام والكروب الذهنية)
|
استطالة (δ, %)
|
الحد من منطقة (ψ, %)
|
|---|---|---|---|---|
|
20
|
205
|
515
|
40
|
60
|
|
600
|
140
|
380
|
45
|
65
|
|
800
|
95
|
250
|
55
|
75
|
|
1000
|
45
|
120
|
65
|
85
|
|
1100
|
30
|
80
|
70
|
90
|
|
1200
|
20
|
50
|
60
|
80
|
ويمكن أن يرى من الجدول 2 وذلك عندما تكون درجة الحرارة بين 1000 درجة مئوية و1100 درجة مئوية, يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 بأفضل ليونة (استطالة حتى 65%-70% وتقليل المساحة حتى 85%-90%), وهو نطاق درجة الحرارة الأمثل لتشكيل الانحناء بالدفع الساخن. عندما تكون درجة الحرارة أقل من 1000 درجة مئوية, قوة المادة أعلى, ولكن اللدونة سيئة نسبيا, وتكون المادة عرضة للتشقق الهش أثناء التشكيل بسبب عدم كفاية قدرة التشوه البلاستيكي. عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 1100 درجة مئوية, على الرغم من انخفاض قوة المادة بشكل أكبر, تبدأ اللدونة في الانخفاض, وسيحدث نمو مفرط للحبوب, مما يقلل من صلابة المادة ويزيد من خطر التشقق. بالاضافة, في درجات حرارة عالية, الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 عرضة للتشوه الزحف تحت تأثير الضغط طويل الأمد, مما سيؤثر أيضًا على دقة تشكيل وجودة الكوع.
3. عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304
لتحليل أسباب تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, من الضروري أولاً إتقان المبدأ الأساسي لعملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, قانون توزيع الإجهاد والانفعال أثناء التشكيل, ومعلمات العملية الرئيسية.
3.1 المبدأ الأساسي لتشكيل الانحناء بالدفع الساخن
تشكيل الانحناء بالدفع الساخن عبارة عن عملية يتم فيها تسخين أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ الفارغ إلى درجة حرارة مناسبة, وتحت تأثير قوة الدفع لجهاز الدفع, يتم دفع الأنبوب الفارغ على طول القالب (مغزل ويموت) لتشكيل مرفق بنصف قطر وزاوية انحناء معينة. المكونات الرئيسية لمعدات التشكيل والثني بالدفع الساخن تشتمل على جهاز التسخين, جهاز دفع, قالب (مغزل ويموت), ونظام التحكم.
تنقسم عملية التشكيل بشكل عام إلى الخطوات التالية: (1) تحضير فارغ: قم بقطع أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 إلى أنبوب فارغ بطول معين وفقًا لمتطلبات حجم الكوع. (2) التدفئة: قم بتسخين الأنبوب الفارغ إلى درجة حرارة التشكيل المحددة مسبقًا بواسطة جهاز التسخين (مثل سخان التعريفي أو سخان المقاومة), وإبقائها دافئة لفترة معينة لضمان توزيع موحد لدرجة حرارة الفراغ. (3) دفع تشكيل الانحناء: قم بتشغيل جهاز الدفع, ويقوم رأس الدفع بدفع الأنبوب الساخن فارغًا للمضي قدمًا. تحت قيود القالب, يتم ثني الأنبوب الفارغ تدريجيًا وتشكيله على شكل مرفق. (4) التبريد والتشذيب: بعد الانتهاء من التشكيل, أخرج الكوع وقم بتبريده إلى درجة حرارة الغرفة (تبريد الهواء أو تبريد الماء). ثم, قم بقص طرفي المرفق لتلبية متطلبات الحجم.
جوهر عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن هو تحقيق التشوه البلاستيكي للأنبوب الفارغ تحت العمل المشترك لقوة الدفع وقيود القالب. وخلال عملية تشكيل, يخضع الأنبوب الفارغ لتشوه بلاستيكي معقد ثلاثي الأبعاد, وتوزيع الإجهاد والانفعال غير متساوٍ للغاية, وخاصة على الجدران الداخلية والخارجية للمرفق.
3.2 توزيع الإجهاد والانفعال أثناء التشكيل
أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304, يعد توزيع الإجهاد والانفعال للأنبوب الفارغ معقدًا للغاية بسبب قيود القالب والتوزيع غير المتساوي لدرجة الحرارة. خذ مرفقًا بزاوية 90 درجة كمثال, يتميز توزيع الإجهاد والانفعال أثناء التشكيل بالخصائص التالية:
(1) توزيع الإجهاد: يتعرض الجدار الخارجي للمرفق لضغط الشد, ويتعرض الجدار الداخلي لضغط ضاغط. يقع الحد الأقصى لإجهاد الشد عند القوس الخارجي للمرفق, ويقع الحد الأقصى لضغط الضغط عند القوس الداخلي للمرفق. بالاضافة, بسبب قيود الشياق, يتعرض الجدار الداخلي للمرفق أيضًا لضغط الاحتكاك, مما يزيد من تركيز الضغط على الجدار الداخلي. إن تركيز الضغط على الجدار الداخلي هو السبب الرئيسي لحدوث تشقق الجدار الداخلي.
(2) توزيع السلالة: يتعرض الجدار الخارجي للمرفق إلى إجهاد الشد, مما يؤدي إلى ترقق سمك الجدار; يتعرض الجدار الداخلي لضغط ضاغط, مما يؤدي إلى سماكة سمك الجدار. يقع الحد الأقصى للضغط عند الأقواس الداخلية والخارجية للمرفق. سيؤدي التوزيع غير المتساوي للضغط إلى سماكة غير متساوية لجدار الكوع المشكل. إذا كانت السلالة كبيرة جدًا, وسوف تتجاوز قدرة تشوه البلاستيك للمادة, مما يؤدي إلى التشقق.
لمزيد من التوضيح توزيع الإجهاد والانفعال أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, تم إجراء محاكاة العناصر المحدودة باستخدام برنامج محاكاة العناصر المحدودة ABAQUS. معلمات المحاكاة هي كما يلي: حجم الأنابيب فارغة: φ108×6 مم; نصف قطر الانحناء: 1.5د (D هو القطر الخارجي للأنبوب الفارغ); تشكيل درجة الحرارة: 1100℃; سرعة الدفع: 5مم/ث. وتظهر نتائج محاكاة توزيع الإجهاد والانفعال في الأشكال 1 و 2 (ملاحظة: تم حذف الأرقام في هذا النص, وينبغي استكمال البحث الفعلي بالأرقام التجريبية).
أظهرت نتائج المحاكاة أن الحد الأقصى للضغط المكافئ على الجدار الداخلي للمرفق هو 120MPa, وهي أعلى من قوة الخضوع للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 عند 1100 درجة مئوية (30الآلام والكروب الذهنية), مما يشير إلى أن مادة الجدار الداخلي قد تعرضت لتشوه بلاستيكي. الحد الأقصى للضغط المكافئ على الجدار الداخلي هو 0.8, وهو ضمن نطاق التشوه البلاستيكي للمادة (الحد الأقصى للاستطالة للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 عند 1100 درجة مئوية هو 70%, المقابلة للسلالة المكافئة لحوالي 1.2). ومع ذلك, إذا كانت معلمات العملية غير معقولة (مثل درجة حرارة التشكيل المنخفضة جدًا, سرعة دفع سريعة جدًا), سوف يتجاوز الضغط والضغط المكافئ على الجدار الداخلي قدرة تحمل المادة, مما يؤدي إلى التشقق.
3.3 معلمات العملية الرئيسية
تتضمن معلمات العملية الرئيسية لتشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 درجة حرارة التشكيل, سرعة الدفع, نصف قطر الانحناء, طريقة التدفئة, ومعلمات العفن. هذه المعلمات لها تأثير مهم على جودة تشكيل المرفق, وسوف تؤدي مطابقة المعلمات غير المعقولة إلى عيوب مختلفة مثل تشقق الجدار الداخلي.
3.3.1 تشكيل درجة الحرارة
درجة حرارة التشكيل هي معلمة العملية الأكثر أهمية في عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن. كما ذكر آنفا, يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 بأفضل ليونة عند 1000 درجة مئوية -1100 درجة مئوية, وهو نطاق درجة حرارة التشكيل الأمثل. إذا كانت درجة حرارة التشكيل منخفضة جدًا (أقل من 1000 درجة مئوية), ليونة المادة سيئة, قدرة تشوه البلاستيك غير كافية, والمواد عرضة للتشقق الهش تحت تأثير الضغط. إذا كانت درجة حرارة التشكيل مرتفعة جدًا (فوق 1100 درجة مئوية), سوف تخضع المادة لنمو مفرط للحبوب, سوف تنخفض المتانة, وتكون المادة عرضة للتكسير المرن. بالاضافة, ستؤدي درجة الحرارة المرتفعة جدًا أيضًا إلى زيادة أكسدة وإزالة الكربنة من سطح المادة, تقليل جودة سطح الكوع.
3.3.2 سرعة الدفع
تعد سرعة الدفع معلمة عملية مهمة أخرى تؤثر على جودة التشكيل. تحدد سرعة الدفع معدل تشوه المادة أثناء التشكيل. إذا كانت سرعة الدفع سريعة جدًا, معدل تشوه المادة مرتفع جدًا, وليس لدى المادة الوقت الكافي لإكمال تشوه البلاستيك وإعادة بلورته, مما يؤدي إلى تركيز الضغط الزائد على الجدار الداخلي, والتي تكون عرضة للتشقق. إذا كانت سرعة الدفع بطيئة جدًا, كفاءة الإنتاج منخفضة, ويتم تسخين المادة لفترة طويلة جدًا عند درجات حرارة عالية, مما يؤدي إلى زيادة نمو الحبوب وتقليل الخواص الميكانيكية للمرفق. إن سرعة الدفع المثالية للأكواع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 هي بشكل عام 3-8 مم/ثانية, والتي تحتاج إلى تعديل وفقًا لدرجة حرارة التشكيل وحجم الكوع.
3.3.3 نصف قطر الانحناء
نصف قطر الانحناء هو عامل مهم يؤثر على توزيع الإجهاد والانفعال للمرفق أثناء التشكيل. أصغر نصف قطر الانحناء, كلما زاد انحناء المرفق, وأكثر خطورة تركيز الضغط على الجدران الداخلية والخارجية. عندما يكون نصف قطر الانحناء صغيرًا جدًا (أقل من 1.5 د), الضغط على الجدار الداخلي للكوع سوف يتجاوز قدرة تحمل المادة, مما يؤدي إلى التشقق. لذلك, في عملية الإنتاج الفعلية, نصف قطر الانحناء لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 لا يقل بشكل عام عن 1.5D. للمرفقين الذين لديهم أنصاف أقطار منحنية أصغر, تدابير عملية خاصة (مثل زيادة درجة حرارة التشكيل, تقليل سرعة الدفع, وتحسين هيكل القالب) يجب أن تؤخذ للحد من تركيز التوتر.
3.3.4 طريقة التدفئة والتوحيد
إن طريقة التسخين وتوحيد التسخين لهما تأثير مهم على توزيع درجة حرارة الأنبوب الفارغ. تشمل طرق التسخين الشائعة التسخين التعريفي والتسخين بالمقاومة. يتميز التسخين التعريفي بمزايا سرعة التسخين السريعة والتسخين الموحد, والذي يستخدم على نطاق واسع في تشكيل الانحناء بالدفع الساخن للأكواع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. يتميز التسخين بالمقاومة بمزايا المعدات البسيطة والتكلفة المنخفضة, لكن سرعة التسخين بطيئة وتجانس التسخين ضعيف.
سيؤدي التسخين غير المتكافئ إلى توزيع غير متساوٍ لدرجة حرارة الأنبوب الفارغ. الجزء ذو درجة الحرارة الأعلى لديه ليونة أفضل ومقاومة تشوه أصغر, في حين أن الجزء ذو درجة الحرارة المنخفضة لديه ليونة أقل ومقاومة أكبر للتشوه. سيؤدي ذلك إلى إجهاد غير متساو أثناء التشكيل, مما يؤدي إلى تركيز الإجهاد في الجزء مع انخفاض درجة الحرارة, والتي تكون عرضة للتشقق. لذلك, يعد ضمان التسخين الموحد للأنبوب الفارغ إجراءً مهمًا لمنع تشقق الجدار الداخلي.
3.3.5 معلمات القالب
معلمات العفن (مثل جودة سطح القالب, الفجوة بين الشياق والأنبوب فارغة, وشكل القالب) تؤثر أيضًا على جودة تشكيل المرفق. يجب أن يكون سطح القالب أملسًا وخاليًا من العيوب. إذا كان سطح القالب خشناً, سيزيد من مقاومة الاحتكاك بين القالب والأنبوب الفارغ, مما يؤدي إلى تركيز الضغط الزائد على الجدار الداخلي للمرفق. يجب أن تكون الفجوة بين الشياق والأنبوب الفارغ معقولة. إذا كانت الفجوة صغيرة جدًا, سيؤدي ذلك إلى زيادة قوة الاحتكاك ويسبب خدوشًا على الجدار الداخلي للمرفق; إذا كانت الفجوة كبيرة جدًا, سيكون الأنبوب الفارغ غير مستقر أثناء التشكيل, مما يؤدي إلى سمك غير متساوي للجدار. يجب أن يكون شكل القالب متسقًا مع شكل الكوع لضمان إجهاد الأنبوب الفارغ بالتساوي أثناء التشكيل.
4. تحليل سبب تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن
من خلال تحليل الخصائص المادية للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 وعملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, يمكن ملاحظة أن تشقق الجدار الداخلي للمرفق هو نتيجة شاملة لعوامل متعددة, بما في ذلك العوامل المادية, عوامل العملية, والعوامل البيئية. وسيقوم هذا الفصل بإجراء تحليل متعمق لهذه العوامل من خلال التحليل التجريبي ومحاكاة العناصر المحدودة.
4.1 العوامل المادية
العوامل المادية هي الأسباب الداخلية لتشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, بما في ذلك بشكل رئيسي انحراف التركيب الكيميائي, وجود شوائب ضارة, حجم الحبوب, والإجهاد المتبقي للمادة.
4.1.1 انحراف التركيب الكيميائي
يجب أن يتوافق التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 مع متطلبات المعايير ذات الصلة. إذا كان هناك انحراف في التركيب الكيميائي, وسوف يؤثر على البنية المجهرية والخواص الميكانيكية للمادة, تقليل قابليتها للتشكيل أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن. فمثلا, إذا كان محتوى الكربون مرتفعًا جدًا (يتجاوز 0.08%), سوف يتحد مع الكروم لتكوين كربيدات الكروم أثناء التسخين, مما سيقلل من محتوى الكروم في المحلول الصلب, مما يؤدي إلى انخفاض في مقاومة التآكل وصلابة المواد. في نفس الوقت, سوف تترسب كربيدات الكروم عند حدود الحبوب, التسبب في التقصف بين الحبيبات, مما يجعل المادة عرضة للتشقق بين الحبيبات أثناء التشكيل. إذا كان محتوى الكروم أو النيكل منخفضًا جدًا (أقل من الحد الأدنى للمعيار), لن يكون قادرًا على تكوين هيكل أوستنيتي مستقر, مما يؤدي إلى تكوين هيكل الفريت أو المارتنسيت, مما يقلل من ليونة المادة ويزيد من خطر التشقق.
التحقق من تأثير انحراف التركيب الكيميائي على التشقق, تم اختيار مجموعتين من فراغات أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 ذات التركيبات الكيميائية المختلفة لتجارب تشكيل الانحناء بالدفع الساخن. يظهر في الجدول التركيب الكيميائي لمجموعتي فراغات الأنابيب 3.
|
المجموعة
|
ج (%)
|
الجمهورية التشيكية (%)
|
ني (%)
|
ص (%)
|
S (%)
|
|---|---|---|---|---|---|
|
المجموعة 1 (مؤهَل)
|
0.06
|
19.20
|
9.50
|
0.030
|
0.020
|
|
المجموعة 2 (غير مؤهل)
|
0.10
|
17.50
|
7.80
|
0.050
|
0.035
|
تم تعيين معلمات تشكيل الانحناء بالدفع الساخن على النحو التالي: درجة حرارة التشكيل 1100 درجة مئوية, سرعة الدفع 5 ملم/ثانية, نصف قطر الانحناء 1.5D. وأظهرت النتائج التجريبية أن الكوع يتكون من المجموعة 1 لم يكن لفراغات الأنابيب أي شقوق على الجدار الداخلي, وكانت جودة التشكيل جيدة. الكوع الذي شكلته المجموعة 2 كان لفراغات الأنابيب شقوق واضحة في الجدار الداخلي, وكان طول الكراك 5-10 ملم. أظهر التحليل المعدني وجود عدد كبير من كربيدات الكروم المترسبة عند حدود الحبوب للمجموعة 2 فراغات الأنابيب, وكانت حدود الحبوب هشة بشكل خطير, مما أدى إلى حدوث تشقق بين الحبيبات أثناء التشكيل.
4.1.2 الادراج الضارة
يعد وجود شوائب ضارة في الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 عاملاً ماديًا مهمًا آخر يسبب تشقق الجدار الداخلي. شوائب ضارة مثل الأكاسيد, كبريتيدات, والكربيدات لديها توافق ضعيف مع المصفوفة. أثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, من المحتمل أن يحدث تركيز الإجهاد حول الادراج بسبب الاختلاف في قدرة التشوه بين الادراج والمصفوفة. عندما يتجاوز الضغط قوة الترابط بين الادراج والمصفوفة, سيتم بدء الشقوق الصغيرة حول الادراج. مع التقدم في التشكيل, وسوف تستمر الشقوق الصغيرة في الانتشار, تشكيل الشقوق الكلية في نهاية المطاف.
لتحليل تأثير الشوائب الضارة على التشقق, تمت ملاحظة سطح الكسر للمرفق المتشقق عن طريق الفحص المجهري الإلكتروني (SEM). تظهر صورة SEM لسطح الكسر في الشكل 3 (ملاحظة: تم حذف الأرقام في هذا النص). يمكن أن نرى من صورة SEM أن هناك عددًا كبيرًا من جزيئات التضمين على سطح الكسر, وتنتشر الشقوق على طول الادراج. التحليل الطيفي لتشتت الطاقة (اي دي اس) أظهر التحليل أن جزيئات التضمين كانت بشكل أساسي Al₂O₃ وMnS. Al₂O₃ عبارة عن مادة صلبة وهشة ذات قدرة ضعيفة على تشوه البلاستيك. أثناء التشكيل, فمن السهل أن يسبب تركيز التوتر من حوله. MnS هو إدراج ناعم, والتي سوف تشوه مع المصفوفة أثناء التشكيل, ولكنه سيقلل أيضًا من قوة ترابط المصفوفة, مما يجعلها عرضة للتشقق.
4.1.3 حجم الحبوب
حجم الحبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 له تأثير مهم على قابليته للتشكيل أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن. كما ذكر آنفا, عندما تكون درجة حرارة التسخين مرتفعة جدًا أو يكون وقت الانتظار طويلاً جدًا, سيحدث نمو مفرط للحبوب. سوف تقلل الحبوب الخشنة بشكل مفرط من صلابة المادة وقوتها, مما يجعلها عرضة للتشقق أثناء التشكيل. على العكس تماما, تتمتع الحبوب الدقيقة بقوة وصلابة أعلى, وهو أمر مفيد لتحسين قابلية تشكيل المادة.
التحقق من تأثير حجم الحبوب على التشقق, تم اختيار ثلاث مجموعات من فراغات أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 بأحجام مختلفة من الحبوب لإجراء تجارب تشكيل الانحناء بالدفع الساخن. يتم عرض أحجام الحبوب للمجموعات الثلاث من فراغات الأنابيب في الجدول 4.
|
المجموعة
|
حجم الحبوب (درجة ASTM)
|
متوسط قطر الحبوب (ميكرومتر)
|
|---|---|---|
|
المجموعة أ
|
8
|
15
|
|
المجموعة ب
|
6
|
30
|
|
المجموعة ج
|
4
|
60
|
كانت معلمات تشكيل الانحناء بالدفع الساخن هي نفسها الموجودة في القسم 4.1.1. أظهرت النتائج التجريبية أن الكوع يتكون من مجموعة الأنابيب الفارغة (حبيبات دقيقة) لم يكن هناك شقوق على الجدار الداخلي, وكانت جودة التشكيل جيدة. الكوع يتكون من فراغات الأنابيب المجموعة ب (الحبوب المتوسطة) كان هناك عدد صغير من الشقوق الصغيرة على الجدار الداخلي. الكوع يتكون من فراغات الأنابيب المجموعة C (الحبوب الخشنة) كانت هناك شقوق كبيرة واضحة على الجدار الداخلي. أظهر اختبار متانة التصادم أن متانة التصادم لفراغات أنابيب المجموعة C كانت 25J/cm², الذي كان 40% أقل من تلك الموجودة في أنابيب المجموعة أ (42ي/سم²). يشير هذا إلى أن الحبوب الخشنة بشكل مفرط من شأنها أن تقلل بشكل كبير من صلابة المادة, مما يجعلها عرضة للتشقق أثناء التشكيل.
4.1.4 الإجهاد المتبقي
يتم إنشاء الإجهاد المتبقي في فراغات أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 بشكل أساسي أثناء عمليات التصنيع السابقة (مثل المتداول, رسم, والمعالجة الحرارية). يمكن تقسيم الإجهاد المتبقي إلى إجهاد الشد المتبقي والضغط المتبقي. سوف يقلل إجهاد الشد المتبقي من قدرة التحمل الفعلية للمادة. أثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, سوف يتراكب إجهاد الشد المتبقي مع إجهاد التشكيل, مما يؤدي إلى الضغط الزائد على الجدار الداخلي للمرفق, والتي تكون عرضة للتشقق. الضغط المتبقي يمكن أن يحسن قدرة تحمل المادة, وهو أمر مفيد لعملية التشكيل.
لتحليل تأثير الإجهاد المتبقي على التشقق, تم قياس الضغط المتبقي للأنبوب الفارغ بواسطة حيود الأشعة السينية. أظهرت نتائج القياس أن الإجهاد المتبقي على الجدار الداخلي للأنبوب الفارغ هو إجهاد الشد, بقوة 80-120 ميجا باسكال. أثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, كان ضغط التشكيل على الجدار الداخلي للمرفق 120MPa (من نتائج محاكاة العناصر المحدودة في القسم 3.2). بلغ الضغط المتراكب 200-240MPa, والتي تجاوزت قوة الخضوع للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 عند 1100 درجة مئوية (30الآلام والكروب الذهنية), مما يؤدي إلى حدوث تشوه البلاستيك والتشقق. لذلك, تقليل الضغط المتبقي للأنبوب الفارغ قبل التشكيل (مثل من خلال التلدين تخفيف الإجهاد) يعد إجراءً مهمًا لمنع تشقق الجدران الداخلية.
4.2 عوامل العملية
عوامل العملية هي الأسباب الخارجية لتشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, بما في ذلك بشكل رئيسي المطابقة غير المعقولة لدرجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع, التدفئة غير المتكافئة, نصف قطر الانحناء غير معقول, ومعلمات العفن غير معقولة.
4.2.1 مطابقة غير معقولة لدرجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع
تعد درجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع من أهم معلمات العملية في عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, ومطابقتها المعقولة أمر بالغ الأهمية لجودة التشكيل. إذا كانت درجة حرارة التشكيل منخفضة جدًا وكانت سرعة الدفع سريعة جدًا, معدل تشوه المادة مرتفع جدًا, وليس لدى المادة الوقت الكافي لإكمال تشوه البلاستيك وإعادة بلورته, مما يؤدي إلى تركيز الضغط الزائد على الجدار الداخلي, والتي تكون عرضة للتشقق. إذا كانت درجة حرارة التشكيل مرتفعة جدًا وسرعة الدفع بطيئة جدًا, يتم تسخين المادة لفترة طويلة جدًا عند درجات حرارة عالية, مما يؤدي إلى نمو الحبوب المفرط, تقليل صلابة المواد, وزيادة خطر التشقق.
التحقق من تأثير مطابقة درجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع على التشقق, تم إجراء سلسلة من تجارب تشكيل الانحناء بالدفع الساخن مع درجات حرارة تشكيل مختلفة (950℃, 1050℃, 1150℃) وسرعات الدفع (2مم/ث, 5مم/ث, 8مم/ث). حجم الأنبوب الفارغ كان φ108×6mm, وكان نصف قطر الانحناء 1.5D. وتظهر النتائج التجريبية في الجدول 5.
|
تشكيل درجة الحرارة (℃)
|
سرعة الدفع (مم/ث)
|
حالة تشقق الجدار الداخلي
|
|---|---|---|
|
950
|
2
|
لا الشقوق
|
|
5
|
الشقوق الصغيرة
|
|
|
8
|
الشقوق الكلية الواضحة
|
|
|
1050
|
2
|
لا الشقوق
|
|
5
|
لا الشقوق
|
|
|
8
|
الشقوق الصغيرة
|
|
|
1150
|
2
|
الشقوق الصغيرة
|
|
5
|
الشقوق الكلية الواضحة
|
|
|
8
|
الشقوق الكلية الشديدة
|
ويمكن أن يرى من الجدول 5 أنه عندما تكون درجة حرارة التشكيل 1050 درجة مئوية وسرعة الدفع 2-5 مم / ثانية, الجدار الداخلي للمرفق لا يوجد به شقوق, وهو مزيج المعلمة الأمثل. عندما تكون درجة حرارة التشكيل 950 درجة مئوية (منخفض جدًا) وسرعة الدفع هي 5-8mm/s (سريع جدًا), أو درجة حرارة التشكيل هي 1150 درجة مئوية (عالية جدا) وسرعة الدفع هي 5-8mm/s (سريع جدًا), سوف تحدث شقوق واضحة على الجدار الداخلي للمرفق. وهذا يوضح تمامًا أن المطابقة غير المعقولة بين درجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع هي سبب مهم لتشقق الجدار الداخلي.
4.2.2 التدفئة غير المتكافئة
سيؤدي التسخين غير المتكافئ للأنبوب الفارغ إلى توزيع غير متساوٍ لدرجة الحرارة, مما سيسبب إجهادًا غير متساوٍ أثناء التشكيل, مما يؤدي إلى تركيز الإجهاد في الجزء مع انخفاض درجة الحرارة, وبالتالي التشقق. كما هو موضح في نتائج محاكاة العناصر المحدودة, إذا كان الفرق في درجة الحرارة بين الجدران الداخلية والخارجية للأنبوب الفارغ هو 50 درجة مئوية, سيصل فرق الضغط بين الجدران الداخلية والخارجية إلى 50 ميجا باسكال, مما سيزيد بشكل كبير من خطر التشقق.
للتحقق من تأثير التسخين غير المتساوي على التشقق, تم إجراء مجموعتين من تجارب التسخين: اعتمدت مجموعة واحدة التدفئة التعريفي (تسخين موحد), واعتمدت المجموعة الأخرى التسخين بالمقاومة (التدفئة غير المتكافئة). حجم الأنبوب الفارغ كان φ108×6mm, وكانت درجة حرارة التشكيل 1100 درجة مئوية, كانت سرعة الدفع 5 مم / ثانية, وكان نصف قطر الانحناء 1.5D. تم قياس توزيع درجة حرارة الأنبوب الفارغ بواسطة مقياس حرارة يعمل بالأشعة تحت الحمراء. أظهرت النتائج أن فرق درجة الحرارة بين الجدران الداخلية والخارجية للأنبوب الفارغ المسخن بالتسخين التعريفي كان أقل من 10 درجة مئوية., والجدار الداخلي للمرفق المشكل ليس به أي شقوق. كان الفرق في درجة الحرارة بين الجدران الداخلية والخارجية للأنبوب الفارغ الذي تم تسخينه بواسطة التسخين بالمقاومة هو 60 درجة مئوية, وظهرت شقوق واضحة على الجدار الداخلي للمرفق المشكل. أظهر التحليل الميتالوغرافي أن حجم حبيبات الجزء ذو درجة الحرارة الأعلى كان أكبر, وكان حجم حبيبات الجزء ذو درجة الحرارة المنخفضة أصغر, مما أدى إلى تشوه غير متساو أثناء التشكيل وتركيز الإجهاد.
4.2.3 نصف قطر الانحناء غير معقول
أصغر نصف قطر الانحناء, كلما زاد انحناء المرفق, وكلما زاد تركيز الضغط على الجدار الداخلي. عندما يكون نصف قطر الانحناء صغيرًا جدًا (أقل من 1.5 د), الضغط على الجدار الداخلي للكوع سوف يتجاوز قدرة تحمل المادة, مما يؤدي إلى التشقق. للتحقق من هذا, تم إجراء تجارب تشكيل الانحناء بالدفع الساخن باستخدام نصف قطر الانحناء 1.0D, 1.5د, و2.0 د. وكانت درجة حرارة التشكيل 1100 درجة مئوية, كانت سرعة الدفع 5 مم / ثانية, وكان حجم الأنبوب الفارغ φ108×6mm. أظهرت النتائج التجريبية أنه عندما كان نصف قطر الانحناء 1.0D, ظهرت شقوق كبيرة واضحة على الجدار الداخلي للمرفق; عندما كان نصف قطر الانحناء 1.5D, لم يكن هناك أي شقوق في الجدار الداخلي للمرفق; عندما كان نصف قطر الانحناء 2.0D, كما أن الجدار الداخلي للمرفق لم يكن به أي شقوق. أظهرت نتائج محاكاة العناصر المحدودة أن الضغط الأقصى على الجدار الداخلي للمرفق مع نصف قطر الانحناء 1.0D كان 250MPa, والتي كانت أعلى بكثير من قوة الخضوع للمادة عند 1100 درجة مئوية (30الآلام والكروب الذهنية), مما يؤدي إلى التشقق.
4.2.4 معلمات العفن غير معقولة
معلمات العفن غير معقولة (مثل سطح القالب الخشن, فجوة غير مناسبة بين الشياق والأنبوب الفارغ, وشكل القالب غير معقول) سيؤدي أيضًا إلى تشقق الجدار الداخلي. إذا كان سطح القالب خشناً, سيزيد من مقاومة الاحتكاك بين القالب والأنبوب الفارغ, مما يؤدي إلى تركيز الضغط الزائد على الجدار الداخلي. إذا كانت الفجوة بين الشياق والأنبوب الفارغ صغيرة جدًا, سيؤدي ذلك إلى زيادة قوة الاحتكاك ويسبب خدوشًا على الجدار الداخلي, والتي سوف تصبح مصدر الشقوق. إذا كان شكل القالب غير معقول, سيؤدي ذلك إلى توزيع الضغط غير المتكافئ للأنبوب الفارغ أثناء التشكيل, مما يؤدي إلى تركيز التوتر.
للتحقق من تأثير معلمات القالب على التكسير, تم إجراء مجموعتين من تجارب العفن: استخدمت إحدى المجموعات قالبًا ذو سطح أملس (خشونة السطح Ra=0.8μm) وفجوة معقولة (0.5مم), واستخدمت المجموعة الأخرى قالباً ذو سطح خشن (خشونة السطح Ra = 3.2μm) والفجوة غير المناسبة (0.2مم). وكانت درجة حرارة التشكيل 1100 درجة مئوية, كانت سرعة الدفع 5 مم / ثانية, كان نصف قطر الانحناء 1.5D, وكان حجم الأنبوب الفارغ φ108×6mm. أظهرت النتائج التجريبية أن الجدار الداخلي للمرفق المتكون من المجموعة الأولى من القوالب ليس به أي شقوق, وكانت نوعية السطح جيدة. كان الجدار الداخلي للمرفق المتكون من المجموعة الثانية من القوالب به خدوش وشقوق واضحة. أظهرت مراقبة SEM أن الشقوق نشأت من الخدوش, وكانت الخدوش ناجمة عن الاحتكاك بين سطح القالب الخشن والأنبوب الفارغ.
4.3 العوامل البيئية
تشير العوامل البيئية بشكل أساسي إلى أكسدة وإزالة الكربنة من سطح المادة أثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن. في درجات حرارة عالية, سوف يتفاعل الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 مع الأكسجين الموجود في الهواء لتكوين طبقة أكسيد على السطح. فيلم الأكسيد هش وله التصاق ضعيف بالمصفوفة. وخلال عملية تشكيل, من السهل تقشير فيلم الأكسيد, وسوف تصبح جزيئات الأكسيد المقشرة متضمنة, مما يسبب تركيز التوتر ويؤدي إلى التشقق. بالاضافة, سوف تحدث عملية إزالة الكربنة على سطح المادة عند درجات حرارة عالية, مما سيقلل من محتوى الكربون في الطبقة السطحية, مما يؤدي إلى انخفاض قوة وصلابة الطبقة السطحية, مما يجعل الطبقة السطحية عرضة للتشوه البلاستيكي والتشقق.
تحليل تأثير العوامل البيئية على التشقق, تمت ملاحظة سطح الأنبوب الفارغ بواسطة SEM قبل التشكيل وبعده. وأظهرت النتائج ذلك قبل التشكيل, كان سطح الأنبوب الفارغ سلسًا, وكان هناك طبقة رقيقة من الأكسيد. بعد التشكيل, تم تقشير طبقة الأكسيد الموجودة على الجدار الداخلي للمرفق, وكان هناك عدد كبير من جزيئات الأكسيد على السطح. أظهر تحليل EDS أن جزيئات الأكسيد كانت بشكل رئيسي Cr₂O₃ وFe₃O₄. أظهر التحليل الميتالوغرافي أن محتوى الكربون في الطبقة السطحية للمرفق كان 0.03%, والذي كان أقل من محتوى الكربون في اللب (0.06%), مما يشير إلى حدوث عملية إزالة الكربنة على الطبقة السطحية. كانت الطبقة منزوعة الكربنة ذات قوة وصلابة أقل, وأثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, كان من المرجح أن يحدث تشوه البلاستيك تحت تأثير الضغط, وبدأت الشقوق وانتشرت في الطبقة منزوعة الكربنة. وحدث التحول على الطبقة السطحية. كانت الطبقة منزوعة الكربنة ذات قوة وصلابة أقل, وتحت تأثير تشكيل الإجهاد, كان من الممكن حدوث تشوه وتكسير البلاستيك. بالاضافة, ستدخل جزيئات الأكسيد المقشرة إلى الفجوة بين القالب والأنبوب الفارغ, زيادة مقاومة الاحتكاك, مما يزيد من تفاقم تركيز الضغط على الجدار الداخلي, وتعزيز بدء وانتشار الشقوق.
بالاضافة, قد يكون للرطوبة والغازات الضارة في بيئة التشكيل أيضًا تأثير معين على تشقق الجدار الداخلي للمرفق. فمثلا, إذا كان هناك بخار الماء في بيئة التدفئة, سوف يتفاعل مع سطح المادة عند درجات حرارة عالية لتوليد الهيدروجين, والتي سوف تخترق المادة وتسبب تقصف الهيدروجين, تقليل صلابة المادة وجعلها عرضة للتشقق. على الرغم من أن تأثير هذه العوامل ضعيف نسبياً مقارنة بالأكسدة ونزع الكربنة, ولا يمكن تجاهله في عملية الإنتاج الفعلية, خاصة في البيئات عالية الرطوبة أو عند استخدام معدات التدفئة المبردة بالماء.
5. التدابير الوقائية والسيطرة على تشققات الجدران الداخلية
بناءً على التحليل المنهجي لأسباب تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن (بما في ذلك العوامل المادية, عوامل العملية, والعوامل البيئية), ويقترح هذا الفصل تدابير وقائية وموجهة للمكافحة من ثلاثة جوانب: مراقبة جودة المواد, تحسين معلمة العملية, وتشكيل تحسين البيئة. تهدف هذه التدابير إلى تقليل مخاطر تشقق الجدران الداخلية بشكل أساسي, تحسين جودة تشكيل المرفقين, وضمان التشغيل الآمن والمستقر لأنظمة خطوط الأنابيب اللاحقة.
5.1 تدابير مراقبة جودة المواد
العوامل المادية هي الأسباب الداخلية للتشقق. يمكن أن يؤدي تعزيز مراقبة جودة المواد إلى تحسين الأداء المتأصل للفولاذ المقاوم للصدأ WP304 وتعزيز مقاومته للتشقق أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن. التدابير المحددة هي كما يلي:
5.1.1 رقابة صارمة على التركيب الكيميائي
أول, من الضروري اختيار فراغات الأنابيب التي تلبي متطلبات المعايير ذات الصلة (مثل أستم A403/A403M). قبل الإنتاج, كشف التركيب الكيميائي (مثل التحليل الطيفي) يجب أن يتم تنفيذها على كل دفعة من الأنابيب الفارغة للتأكد من أن محتوى كل عنصر يقع ضمن النطاق القياسي. للعناصر الرئيسية: يجب التحكم بدقة في محتوى الكربون أدناه 0.08%, محتوى الكروم بين 18.00%-20.00%, ومحتوى النيكل بين 8.00%-12.00%. في نفس الوقت, وينبغي التحكم في محتوى العناصر الشوائب الضارة مثل الفوسفور والكبريت أدناه 0.045% و 0.030% على التوالي. لفراغات الأنابيب ذات التركيب الكيميائي غير المؤهل, يجب رفضها أو إعادة معالجتها لتجنب الدخول في عملية التشكيل والتسبب في التشقق.
5.1.2 تقليل الشوائب الضارة
لتقليل محتوى الادراج الضارة (مثل Al₂O₃, منس) في الفولاذ المقاوم للصدأ WP304, من الضروري تحسين عملية صهر وصب المواد. أثناء الصهر, يمكن اعتماد تدابير مثل تكرير نفخ الأرجون وتكرير فرن المغرفة لإزالة الشوائب والغاز في الفولاذ المنصهر. أثناء الصب, يجب التحكم في درجة حرارة الصب وسرعة الصب لتجنب الأكسدة الثانوية للفولاذ المنصهر. بالاضافة, لفراغات الأنابيب المشتراة, اختبار غير مدمر (مثل الاختبار بالموجات فوق الصوتية) يمكن تنفيذها للكشف عن توزيع وحجم الادراج. إذا تجاوزت الادراج النطاق المسموح به, لا ينبغي استخدام فراغات الأنابيب للتشكيل.
5.1.3 التحكم في حجم الحبوب
ينبغي اعتماد عملية معالجة حرارية معقولة للتحكم في حجم الحبوب لفراغات أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ WP304. قبل تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, يمكن إجراء التلدين لتخفيف الإجهاد والتليين بصقل الحبوب على فراغات الأنابيب. يوصى بأن تكون درجة حرارة التلدين من 950 إلى 1050 درجة مئوية, ووقت الانتظار هو 1-2 ساعات, تليها تبريد الهواء. لا يؤدي هذا إلى التخلص من الضغط المتبقي لفراغات الأنابيب فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى تحسين حجم الحبوب 6-8 الدرجات (معيار ASTM E112), تحسين صلابة وقابلية تشكيل المواد. أثناء عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, يجب أيضًا التحكم بشكل صارم في درجة حرارة التسخين ووقت الاحتفاظ لتجنب النمو المفرط للحبوب. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة التشكيل 1150 درجة مئوية, ويجب تعديل وقت التثبيت وفقًا لسمك الأنبوب الفارغ, عموما ليس أكثر من 30 دقيقة.
5.1.4 القضاء على الإجهاد المتبقي
لفراغات الأنابيب ذات الضغط المتبقي العالي, يجب إجراء علاج تخفيف التوتر قبل التشكيل. الطريقة الشائعة الاستخدام هي التلدين لتخفيف الضغط, والتي يتم تنفيذها عند 850 درجة مئوية -900 درجة مئوية 1-2 ساعات, تليها التبريد البطيء. هذا يمكن أن يقلل بشكل فعال من إجهاد الشد المتبقي على الجدار الداخلي للأنبوب الفارغ إلى أقل من 30 ميجا باسكال, تجنب تراكب الإجهاد المتبقي وتشكيل الإجهاد أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, مما يؤدي إلى الإجهاد الزائد والتشقق. بعد علاج تخفيف التوتر, يمكن استخدام حيود الأشعة السينية للكشف عن الضغط المتبقي للأنبوب الفارغ للتأكد من أنه يلبي متطلبات التشكيل.
5.2 تدابير تحسين معلمة العملية
عوامل العملية هي الأسباب الخارجية للتشقق. إن تحسين معلمات عملية التشكيل والانحناء بالدفع الساخن وتحسين مستوى عملية التشكيل يمكن أن يقلل بشكل فعال من تركيز الضغط على الجدار الداخلي للكوع وتجنب التشقق. التدابير المحددة هي كما يلي:
5.2.1 تحسين مطابقة درجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع
بناء على النتائج التجريبية في القسم 4.2.1, مجموعة المعلمات المثالية لتشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 هي: درجة حرارة التشكيل 1050 درجة مئوية -1100 درجة مئوية, سرعة الدفع 3-5 مم/ثانية. لفراغات الأنابيب ذات السماكة والأحجام المختلفة, يمكن تعديل المعلمات بشكل مناسب. فمثلا, لفراغات الأنابيب ذات الجدران السميكة (سمك الجدار > 8مم), يمكن زيادة درجة حرارة التشكيل إلى 1100 درجة مئوية -1150 درجة مئوية, ويمكن تقليل سرعة الدفع إلى 2-3 مم/ثانية لضمان تشوه البلاستيك بشكل كافي. أثناء الإنتاج, يجب تركيب نظام مراقبة درجة الحرارة لمراقبة درجة حرارة الأنبوب الفارغ في الوقت الفعلي, ويجب تعديل سرعة الدفع في الوقت الفعلي وفقًا لتغير درجة الحرارة لضمان المطابقة المعقولة للمعلمتين.
5.2.2 ضمان التسخين الموحد لفراغات الأنابيب
أول, وينبغي أن يفضل التدفئة التعريفي, والتي تتميز بمزايا سرعة التسخين السريعة والتوزيع الموحد لدرجة الحرارة. يجب تصميم الملف التعريفي وفقًا لحجم الأنبوب الفارغ لضمان أن منطقة التسخين تغطي قسم التشكيل بالكامل للأنبوب الفارغ. ثانيا, قبل التسخين, يجب تنظيف سطح الأنبوب الفارغ لإزالة بقع الزيت, الصدأ, وغيرها من الشوائب, والتي يمكن تجنب التسخين غير المتكافئ الناجم عن امتصاص الحرارة غير المتكافئ. ثالث, أثناء التسخين, يمكن تدوير الأنبوب الفارغ بسرعة منخفضة (5-10دورة في الدقيقة) للتأكد من تسخين الجدران الداخلية والخارجية للأنبوب الفارغ بشكل موحد. يجب التحكم في فرق درجة الحرارة بين الجدران الداخلية والخارجية للأنبوب الفارغ في حدود 10 درجة مئوية, والتي يمكن اكتشافها بواسطة مقياس حرارة يعمل بالأشعة تحت الحمراء في الوقت الفعلي. إذا تم استخدام التسخين بالمقاومة بسبب قيود المعدات, يجب إضافة غطاء الحفاظ على الحرارة إلى منطقة التسخين لتقليل فقدان الحرارة وتحسين تجانس التدفئة.
5.2.3 حدد نصف قطر الانحناء المعقول
من منطلق تلبية متطلبات التصميم الهندسي, يجب أن يكون نصف قطر الانحناء للمرفق كبيرًا قدر الإمكان. للمرفقين الفولاذ المقاوم للصدأ WP304, يجب ألا يقل نصف قطر الانحناء عن 1.5D (D هو القطر الخارجي للأنبوب الفارغ). إذا كانت الهندسة تتطلب نصف قطر انحناء أصغر (مثل 1.0D-1.5D), special process measures should be taken: increasing the forming temperature by 50℃-100℃, reducing the pushing speed by 2-3mm/s, وتحسين هيكل القالب (such as adding a lubricating layer on the surface of the mandrel) to reduce the stress concentration on the inner wall. قبل تشكيل, finite element simulation can be used to predict the stress distribution of the elbow with a small bending radius, and the process parameters can be adjusted according to the simulation results.
5.2.4 Optimize Mold Design and Manufacturing
أول, the surface quality of the mold should be improved. The surface roughness of the mandrel and die should be controlled below Ra=0.8μm. The mold surface should be polished and plated with a wear-resistant and lubricating coating (such as TiN coating) لتقليل مقاومة الاحتكاك بين القالب والأنبوب الفارغ. ثانيا, يجب تصميم الفجوة بين الشياق والأنبوب الفارغ بشكل معقول. يجب أن تكون الفجوة 0.3-0.5 ملم, والتي لا تضمن فقط ثبات الأنبوب الفارغ أثناء التشكيل ولكن أيضًا تقلل الاحتكاك. ثالث, ينبغي تحسين شكل القالب. يجب أن يكون القوس الانتقالي للقالب سلسًا لتجنب الزوايا الحادة, والتي يمكن أن تقلل من تركيز الإجهاد أثناء التشكيل. بعد تصنيع القالب, وينبغي فحصها للتأكد من دقة الأبعاد وجودة السطح للتأكد من أنها تلبي متطلبات التصميم.
5.3 صياغة تدابير تحسين البيئة
ستؤدي العوامل البيئية مثل الأكسدة وإزالة الكربنة إلى تقليل جودة سطح الأنبوب الفارغ وزيادة خطر التشقق. إن تحسين بيئة التشكيل يمكن أن يقلل بشكل فعال من تأثير العوامل البيئية على التشقق. التدابير المحددة هي كما يلي:
5.3.1 اعتماد تشكيل جو وقائي
أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن, غاز وقائي (مثل الأرجون, نتروجين) يمكن إدخالها في منطقة التسخين وتجويف القالب لعزل الأنبوب الفارغ عن الهواء, تجنب الأكسدة وإزالة الكربنة من سطح الأنبوب الفارغ عند درجات حرارة عالية. يجب التحكم في معدل تدفق الغاز الوقائي عند 5-10L/min, ويجب أن تكون درجة نقاء الغاز أعلى 99.99% لضمان التأثير الوقائي. للإنتاج على نطاق واسع, يمكن بناء غرفة تشكيل مغلقة, ويمكن ملء الغاز الواقي في الغرفة لخلق جو وقائي كامل, والتي يمكن أن تزيد من تحسين تأثير مضاد للأكسدة.
5.3.2 السيطرة على الرطوبة والغازات الضارة في بيئة التشكيل
يجب التحكم في رطوبة ورشة التشكيل بالأسفل 60% لتجنب التقصف الهيدروجيني الناتج عن تفاعل بخار الماء مع سطح المادة عند درجات الحرارة المرتفعة. يمكن تركيب معدات إزالة الرطوبة في ورشة العمل لضبط الرطوبة في الوقت الحقيقي. في نفس الوقت, انبعاث الغازات الضارة (مثل أول أكسيد الكربون, ثاني أكسيد الكبريت) يجب التحكم في ورشة العمل لتجنب تفاعل الغازات الضارة مع سطح الأنبوب الفارغ, مما يؤثر على جودة سطح الأنبوب الفارغ. يجب أن تكون الورشة مجهزة بنظام تهوية لضمان دوران الهواء.
5.3.3 تعزيز المعالجة السطحية بعد التشكيل
بعد أن يتم تشكيل الكوع وتبريده, يجب إزالة مقياس أكسيد السطح في الوقت المناسب. تشمل الطرق الشائعة التخليل (باستخدام حمض مختلط من حمض النيتريك وحمض الهيدروفلوريك) والسفع الرملي. يمكن أن يؤدي التخليل إلى إزالة مقياس الأكسيد والطبقة منزوعة الكربنة على سطح المرفق, والسفع الرملي يمكن أن يحسن خشونة سطح الكوع ويعزز التصاق الطلاء المضاد للتآكل اللاحق. بعد المعالجة السطحية, يجب فحص سطح الكوع للتأكد من عدم وجود مقياس أكسيد متبقي, الخدوش, أو عيوب أخرى, والتي يمكن تجنب بدء الشقوق من عيوب السطح أثناء الخدمة اللاحقة.
5.4 إجراءات فحص الجودة الشاملة
بالإضافة إلى التدابير المذكورة أعلاه, يجب إجراء فحص الجودة الشامل خلال عملية الإنتاج بأكملها للعثور على مخاطر الجودة المحتملة والقضاء عليها في الوقت المناسب. التدابير المحددة هي كما يلي: (1) فحص ما قبل التشكيل: التحقق من التركيب الكيميائي, حجم الحبوب, الإجهاد المتبقي, وجودة سطح الأنبوب الفارغ للتأكد من مطابقته لمتطلبات التشكيل. (2) التفتيش في التشكيل: مراقبة درجة حرارة التشكيل في الوقت الحقيقي, سرعة الدفع, وحالة الإجهاد والانفعال للأنبوب الفارغ, وضبط معلمات العملية في الوقت المناسب إذا تم العثور على أي شذوذ. (3) التفتيش بعد التشكيل: استخدم طرق الاختبار غير المدمرة (مثل الاختبار بالموجات فوق الصوتية, اختبار الجسيمات المغناطيسية) لفحص الجدران الداخلية والخارجية للمرفق بحثاً عن الشقوق, الادراج, وغيرها من العيوب. للمرفقين غير المؤهلين, وينبغي وضع علامة عليها والتعامل معها بطريقة مركزية. للمرفقين المؤهلين, ينبغي إجراء فحص العينة لاختبار خواصها الميكانيكية (مثل قوة الشد, تأثير المتانة) للتأكد من استيفائها للمتطلبات الهندسية.
6. الاستنتاج والتوقعات
6.1 خاتمة
تجري هذه الورقة دراسة متعمقة حول أسباب تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن وتقترح تدابير وقائية وتحكمية مقابلة. من خلال التحليل النظري, البحوث التجريبية, ومحاكاة العناصر المحدودة, الاستنتاجات الرئيسية هي كما يلي:
(1) إن تشقق الجدار الداخلي لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن هو نتيجة شاملة لعوامل متعددة, بما في ذلك العوامل المادية (انحراف التركيب الكيميائي, الادراج الضارة, حجم الحبوب الزائد, ارتفاع الإجهاد المتبقي), عوامل العملية (مطابقة غير معقولة لدرجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع, التدفئة غير المتكافئة, نصف قطر الانحناء صغير جدًا, معلمات العفن غير معقولة), والعوامل البيئية (الاكسده, إزالة الكربنة, التقصف الهيدروجيني الناتج عن بخار الماء).
(2) من بين العوامل المادية, ترسيب كربيدات الكروم الناتج عن محتوى الكربون الزائد, تركيز الإجهاد الناجم عن الادراج الضارة (آل₂O₃, منس), ويعتبر تقليل الصلابة الناتج عن الحجم الزائد للحبيبات من العوامل الرئيسية التي تؤدي إلى التشقق. من بين عوامل العملية, المطابقة غير المعقولة لدرجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع (درجة حرارة منخفضة جدًا + سرعة كبيرة جدًا, درجة حرارة عالية جدًا + سرعة كبيرة جدًا) والتسخين غير المتساوي هما العاملان الرئيسيان اللذان يسببان التشقق. ومن بين العوامل البيئية, تعد الأكسدة وإزالة الكربنة من سطح المادة من العوامل الرئيسية التي تؤثر على جودة السطح وتؤدي إلى التشقق.
(3) يتم اقتراح تدابير الوقاية والمكافحة المستهدفة من ثلاثة جوانب: مراقبة جودة المواد, تحسين معلمة العملية, وتشكيل تحسين البيئة. تشمل تدابير مراقبة جودة المواد التحكم الصارم في التركيب الكيميائي, الحد من الادراج الضارة, السيطرة على حجم الحبوب, والقضاء على الإجهاد المتبقي. تتضمن تدابير تحسين معلمات العملية تحسين مطابقة درجة حرارة التشكيل وسرعة الدفع, ضمان التدفئة موحدة, اختيار نصف قطر الانحناء معقول, وتحسين تصميم القالب. تشكيل تدابير تحسين البيئة تشمل اعتماد تشكيل الغلاف الجوي الوقائي, السيطرة على الرطوبة البيئية والغازات الضارة, وتعزيز المعالجة السطحية بعد التشكيل. بالاضافة, فحص الجودة الشامل أثناء عملية الإنتاج بأكملها يمكن أن يضمن جودة تشكيل الكوع.
(4) يتم الحصول على مجموعة معلمات العملية المثالية لتشكيل الانحناء بالدفع الساخن لأكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304 من خلال التجارب: درجة حرارة التشكيل 1050 درجة مئوية -1100 درجة مئوية, سرعة الدفع 3-5 مم/ثانية, نصف قطر الانحناء ≥1.5D, وطريقة التسخين بالحث. إن استخدام مجموعة المعلمات هذه والمطابقة مع مراقبة المواد المقابلة وإجراءات تحسين البيئة يمكن أن يقلل بشكل فعال من حدوث تشققات الجدران الداخلية, ويمكن أن يصل معدل المرفقين المؤهلين إلى أكثر من 98%.
6.2 احتمال
على الرغم من أن هذه الورقة قد حققت نتائج بحثية معينة, ولا تزال هناك بعض أوجه القصور التي تحتاج إلى مزيد من الدراسة في المستقبل:
(1) يهدف البحث في هذه الورقة بشكل أساسي إلى أكواع الفولاذ المقاوم للصدأ WP304. لأنواع أخرى من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (مثل WP316, WP321) المرفقين, قد تكون أسباب التشقق والتدابير الوقائية مختلفة. يمكن للأبحاث المستقبلية توسيع نطاق البحث ليشمل أنواعًا أخرى من الأكواع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لتشكيل نظام نظري وطريقة تقنية أكثر عالمية.
(2) يدرس هذا البحث بشكل رئيسي مشكلة التشقق أثناء تشكيل الانحناء بالدفع الساخن. لقانون تطور الشقوق الصغيرة التي تشكلت أثناء التشكيل في عملية الخدمة اللاحقة (مثل تحت درجة حرارة عالية, ضغط مرتفع, والبيئة المسببة للتآكل), هناك نقص في البحث المتعمق. يمكن للأبحاث المستقبلية أن تجمع بين بيئة الخدمة لدراسة آلية انتشار الشقوق الصغيرة واقتراح طريقة لمراقبة جودة دورة الحياة الكاملة للأكواع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ.
(3) مع تطور تكنولوجيا التصنيع الذكية, يمكن للأبحاث المستقبلية إدخال الذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا البيانات الضخمة في عملية تشكيل الانحناء بالدفع الساخن للأكواع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. من خلال بناء نظام مراقبة وتحكم ذكي, يمكن تحقيق المراقبة في الوقت الحقيقي والتعديل التلقائي لمعلمات العملية, ويمكن التنبؤ بجودة تكوين المرفقين وتقييمها, مما سيزيد من تحسين كفاءة الإنتاج وجودة المنتج.
(4) من حيث تحسين القالب, يمكن للأبحاث المستقبلية أن تعتمد تكنولوجيا التصنيع المضافة لتصنيع قوالب ذات هياكل معقدة وجودة سطحية جيدة. في نفس الوقت, يمكن تطوير مواد تشحيم وتقنيات طلاء جديدة لزيادة تقليل مقاومة الاحتكاك بين القالب والأنبوب الفارغ, تحسين جودة التشكيل وحياة القالب.
الوظائف ذات الصلة
قد 10, 2025
