Tubo de aço para intemperismo ASTM A709-50W Corten

janeiro 16, 2026

Análise de formação de dobra a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304

Análise de causa de rachaduras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente

Abstrato: Aço inoxidável WP304, como um material de aço inoxidável austenítico amplamente utilizado, é amplamente aplicado em componentes de cotovelo de produtos petroquímicos, aeroespaço, e engenharia naval devido ao seu excelente corrosão resistência, Propriedades mecânicas, e estabilidade de alta temperatura. A conformação por dobra a quente é um processo de fabricação convencional para cotovelos de aço inoxidável, apresentando alta eficiência de produção, boa qualidade de formação, e forte adaptabilidade a formas complexas. No entanto, rachaduras na parede interna geralmente ocorrem durante o processo de formação de dobra a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304, o que afeta seriamente a taxa de qualificação do produto, aumenta os custos de produção, e ainda representa riscos potenciais à segurança para o serviço subsequente dos cotovelos. Para resolver este problema técnico, este artigo conduz um estudo aprofundado sobre as causas de rachaduras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente.

Primeiramente, o artigo discorre sobre as características do material do aço inoxidável WP304, incluindo sua composição química, Microestrutura, e propriedades mecânicas em altas temperaturas, estabelecendo uma base teórica para analisar o mecanismo de fissuração. Tubo de revestimento sem costura API N80-1 com roscas BTC conforme API 5CT, ele apresenta o princípio básico e os principais parâmetros do processo de conformação por dobra a quente, e esclarece a lei de distribuição tensão-deformação do cotovelo durante o processo de conformação, especialmente o fenômeno de concentração de tensão na parede interna. Então, através de uma combinação de pesquisa bibliográfica, análise experimental, e simulação de elementos finitos, as principais causas de fissuras nas paredes internas são analisadas sistematicamente, incluindo fatores materiais (como inclusões, tamanho de grão, e estresse residual), fatores de processo (como temperatura de formação, velocidade de impulso, desenho de matriz, e uniformidade de aquecimento), e fatores ambientais (como oxidação e descarbonetação). Finalmente, medidas preventivas e de controle correspondentes são propostas com base nas causas da fissuração, como otimizar a composição química do material, melhorando o processo de tratamento térmico, otimizando os parâmetros do processo de dobra a quente, e melhorando a estrutura da matriz.

Os resultados da pesquisa mostram que a fissuração da parede interna dos cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente é um resultado abrangente de múltiplos fatores. sob a ação sucessiva da força de teste inicial, a correspondência irracional entre temperatura de formação e velocidade de empurrão, o aquecimento desigual da peça em branco, a estrutura irracional da matriz, levando à concentração excessiva de tensão na parede interna, e a existência de inclusões nocivas no material são os principais fatores que causam fissuras. As medidas preventivas propostas neste artigo podem efetivamente reduzir a ocorrência de fissuras nas paredes internas, melhorar a taxa de qualificação do produto de cotovelos de aço inoxidável WP304, e fornecer suporte técnico para a produção estável e eficiente das empresas. Este estudo tem importante significado teórico e valor de aplicação prática para melhorar o nível de fabricação de cotovelos de aço inoxidável WP304 e garantir a operação segura de equipamentos de engenharia..

Palavras-chave: Aço inoxidável WP304; cotovelo; formação de dobra por pressão a quente; rachaduras na parede interna; análise de causa; medidas preventivas

1. prazo de entrega

1.1 Antecedentes e Importância da Pesquisa

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da indústria petroquímica global, poder nuclear, aeroespaço, e indústrias de engenharia naval, a demanda por alto desempenho pipeline de componentes vem aumentando. Como um importante componente de conexão em sistemas de dutos, cotovelos desempenham um papel crucial na mudança da direção do fluxo de fluido e na garantia do bom funcionamento da tubulação. O aço inoxidável WP304 é um aço inoxidável austenítico com sistema de liga Cr-Ni, que tem excelente resistência à corrosão (especialmente contra atmosféricos, água, e meios químicos), boa resistência e tenacidade em altas temperaturas, e excelente conformabilidade e soldabilidade. Assim sendo, Os cotovelos de aço inoxidável WP304 são amplamente utilizados em ambientes de trabalho agressivos, como e encontrei o acima, alta pressão, e forte corrosão.

A conformação por dobra a quente é um processo maduro e eficiente para a fabricação de cotovelos de aço inoxidável. Comparado com outros processos de conformação, como conformação por estampagem e conformação por forjamento, A formação por dobra a quente tem as vantagens do fluxo de processo simples, eficiência de produção elevada, baixo custo do molde, e boa uniformidade da espessura da parede do cotovelo formado. É especialmente adequado para a produção em massa de cotovelos com diferentes diâmetros e raios de curvatura. No entanto, no processo de produção real, devido às complexas mudanças físicas e químicas e aos estados de tensão e deformação do material durante o trabalho a quente, vários defeitos são prováveis de ocorrer nos cotovelos formados, entre os quais a fissuração da parede interna é um dos defeitos mais comuns e prejudiciais.

A rachadura na parede interna dos cotovelos de aço inoxidável WP304 não apenas reduzirá as propriedades mecânicas (como a força, dureza, e resistência à fadiga) dos cotovelos, mas também fornecem canais para a infiltração de meios corrosivos, acelerando a falha de corrosão dos cotovelos. Em casos graves, pode até levar ao vazamento do gasoduto, causando grandes acidentes de segurança e perdas econômicas. Por exemplo, em uma planta petroquímica em 2022, ocorreu um acidente de vazamento na tubulação devido à rachadura de um cotovelo de aço inoxidável WP304 durante o serviço, resultando no vazamento de meios tóxicos e prejudiciais, que não só causou perdas económicas directas superiores a 5 milhões de yuans, mas também representava uma séria ameaça ao meio ambiente e à segurança do pessoal. Investigações subsequentes descobriram que a causa raiz da fissura do cotovelo foi a existência de microfissuras na parede interna formadas durante o processo de formação por flexão por pressão a quente., que se expandiu gradualmente sob a ação do estresse de serviço de longo prazo e meios corrosivos.

Assim sendo, conduzindo pesquisas aprofundadas sobre as causas de rachaduras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por dobra a quente, e propor medidas preventivas específicas, é de grande importância prática para melhorar a qualidade do produto de cotovelos, reduzindo os custos de produção, garantindo a operação segura de sistemas de dutos, e promover o desenvolvimento saudável das indústrias relacionadas. Ao mesmo tempo, esta pesquisa também pode enriquecer o sistema teórico de trabalho a quente do aço inoxidável austenítico, fornecendo uma referência para o estudo de problemas de fissuração em outros processos similares de conformação a quente.

1.2 Status da pesquisa no país e no exterior

Atualmente, muitos estudiosos nacionais e estrangeiros realizaram pesquisas relevantes sobre o processo de conformação a quente e controle de defeitos em cotovelos de aço inoxidável. Em relação ao processo de formação por dobra a quente, estudiosos estrangeiros conduziram estudos aprofundados sobre o mecanismo de formação e otimização de parâmetros de processo. Por exemplo, Smith e outros. (2020) usou software de simulação de elementos finitos para simular o processo de conformação por flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável austenítico, analisou a lei de distribuição tensão-deformação do cotovelo durante a formação, e descobriu que a parede interna do cotovelo estava sujeita a tensão de compressão e a parede externa estava sujeita a tensão de tração, e a concentração de tensão foi mais óbvia no arco interno do cotovelo. Eles também estudaram a influência da temperatura de conformação e da velocidade de empuxo na qualidade da conformação, e propôs que a faixa ideal de temperatura de formação para aço inoxidável austenítico fosse de 1050°C a 1150°C.

Estudiosos nacionais também obtiveram avanços notáveis na pesquisa sobre a conformação por flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável.. Li e outros. (2021) estudou a influência dos métodos de aquecimento na qualidade de conformação de cotovelos de aço inoxidável WP304. Os resultados mostraram que o aquecimento desigual levaria a uma distribuição desigual da temperatura da peça bruta, resultando em tensão desigual durante a formação, que foi uma causa importante de rachaduras na parede interna. Wang e outros. (2023) analisou a evolução da microestrutura do aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente, e descobriram que o crescimento e a recristalização dos grãos ocorreram no material em altas temperaturas, e o tamanho do grão teve uma influência importante na conformabilidade do material. Grãos excessivamente grossos reduziriam a tenacidade do material, tornando-o propenso a rachaduras durante a formação.

Em termos das causas de fissuras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável, estudiosos apresentaram diferentes pontos de vista. Alguns estudiosos acreditam que os fatores materiais são as principais causas, como a existência de inclusões prejudiciais (como óxidos, sulfetos) na matéria, que se tornará a fonte de rachaduras e levará a rachaduras sob a ação da formação de tensões. Outros estudiosos acreditam que os fatores do processo são mais críticos, como parâmetros de processo irracionais (temperatura de formação muito alta ou muito baixa, velocidade de empurrão muito rápida), design de matriz irracional (raio de curvatura muito pequeno, má qualidade da superfície da matriz), etc., o que levará à concentração excessiva de estresse na parede interna do cotovelo, resultando em rachaduras. além do que, além do mais, alguns estudiosos também estudaram a influência de fatores ambientais na fissuração, como oxidação e descarbonetação da superfície do material em altas temperaturas, o que reduzirá a qualidade da superfície e as propriedades mecânicas do material, tornando-o propenso a rachaduras.

Embora os estudos existentes tenham feito algum progresso na pesquisa sobre a conformação por flexão a quente e a fissuração da parede interna de cotovelos de aço inoxidável, ainda existem algumas deficiências. Por exemplo, a maioria dos estudos se concentra em um único fator que causa rachaduras, e há uma falta de análise sistemática e abrangente do efeito abrangente de múltiplos fatores. além do que, além do mais, a pesquisa sobre o mecanismo de rachadura do aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente não é profunda o suficiente, e as medidas preventivas específicas propostas não são suficientemente abrangentes. Assim sendo, é necessário realizar pesquisas mais aprofundadas sobre esta questão.

1.3 Objetivos e escopo da pesquisa

Os principais objetivos deste artigo são os seguintes: (1) Para esclarecer as características do material do aço inoxidável WP304, especialmente as propriedades mecânicas e a evolução da microestrutura em altas temperaturas, e estabelecer uma base teórica para analisar o mecanismo de fissuração. (2) Dominar o princípio básico do processo de conformação por flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304 e a lei de distribuição tensão-deformação durante a conformação. (3) Analisar sistematicamente as principais causas de fissuras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente, incluindo fatores materiais, fatores de processo, e fatores ambientais. (4) Propor medidas preventivas e de controle direcionadas com base nas causas da fissuração, de modo a reduzir a ocorrência de fissuras na parede interna.

O escopo de pesquisa deste artigo é limitado ao problema de rachaduras na parede interna dos cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente.. O conteúdo da pesquisa inclui as características do material do aço inoxidável WP304, os parâmetros do processo de formação de dobra a quente, a estrutura da matriz, os fatores ambientais durante a formação, etc. Os métodos de pesquisa incluem pesquisa bibliográfica, análise experimental (como análise metalográfica, testes de propriedades mecânicas, e análise de fratura), e simulação de elementos finitos.

1.4 Estrutura da Tese

Este artigo está dividido em seis capítulos, e a estrutura específica é a seguinte: Capítulo 1 é a introdução, que discorre principalmente sobre o histórico de pesquisa e o significado da fissuração da parede interna dos cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a formação de dobra por pressão a quente, resume o status da pesquisa no país e no exterior, esclarece os objetivos e escopo da pesquisa, e apresenta a estrutura da tese. Capítulo 2 apresenta as características do material do aço inoxidável WP304, incluindo composição química, Microestrutura, e propriedades mecânicas de alta temperatura. Capítulo 3 expõe o princípio básico do processo de formação por flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304, analisa a distribuição tensão-deformação durante a conformação, e apresenta os principais parâmetros do processo. Capítulo 4 analisa sistematicamente as principais causas de fissuras nas paredes internas, incluindo fatores materiais, fatores de processo, e fatores ambientais, através de análise experimental e simulação de elementos finitos. Capítulo 5 propõe medidas preventivas e de controle para fissuras em paredes internas com base nas causas da fissuração. Capítulo 6 é a conclusão e a perspectiva, que resume os principais resultados da pesquisa do artigo, aponta as deficiências da pesquisa, e aguarda com expectativa a direção futura da pesquisa.

2. Características do material do aço inoxidável WP304

As características do material do aço inoxidável WP304 afetam diretamente sua conformabilidade durante a conformação por flexão a quente e a ocorrência de defeitos de trincas. Assim sendo, é necessário realizar uma análise aprofundada de sua composição química, Microestrutura, e propriedades mecânicas de alta temperatura.

2.1 Composição química

O aço inoxidável WP304 é um aço inoxidável austenítico típico, e sua composição química é estritamente regulamentada por padrões relevantes (como ASTM A403/A403M). A principal composição química (fração de massa, %) é mostrado na tabela 1.

Elemento	C	Si	MN	P	S	CR	Ni	N	Fe
Contente	≤0.08	≤1.00	≤2.00	≤0.045	≤0.030	18.00-20.00	8.00-12.00	≤0.10	bola.

A composição química do aço inoxidável WP304 possui as seguintes características: (1) Crómio (CR) é o principal elemento de liga, que pode formar uma película densa de óxido de cromo na superfície do material, melhorando a resistência à corrosão do material. A fração de massa de Cr é controlada entre 18.00% e 20.00%, o que pode garantir a formação de um filme passivo estável. (2) Níquel (Ni) é um elemento austenitizante, que pode estabilizar a estrutura austenítica do material à temperatura ambiente e baixa temperatura, melhorando a tenacidade e conformabilidade do material. A fração de massa do Ni está entre 8.00% e 12.00%, o que pode garantir que o material tenha uma única estrutura austenítica. (3) Carbono (C) pode melhorar a resistência do material, mas o C excessivo se combinará com o Cr para formar carbonetos de cromo (como Cr₂₃C₆), o que reduzirá o teor de Cr na solução sólida, levando à corrosão intergranular. Assim sendo, o conteúdo C é estritamente limitado a ≤0,08%. (4) Fósforo (P) e enxofre (S) são elementos de impureza prejudiciais, o que reduzirá a tenacidade e a conformabilidade do material, tornando-o propenso a rachaduras durante o processamento. Assim sendo, seu conteúdo é estritamente controlado.

A correspondência razoável da composição química garante que o aço inoxidável WP304 tenha excelentes propriedades abrangentes. No entanto, se a composição química se desviar dos requisitos padrão (como conteúdo C muito alto, teor muito baixo de Cr ou Ni), afetará a microestrutura e as propriedades mecânicas do material, reduzindo sua conformabilidade durante a conformação por flexão a quente e aumentando o risco de rachaduras.

2.2 Microestrutura

A microestrutura do aço inoxidável WP304 à temperatura ambiente é uma estrutura austenítica única, que é uma cúbica de face centrada (FCC) estrutura com boa ductilidade e conformabilidade. Os grãos austeníticos são equiaxiais, e o tamanho do grão é geralmente entre 5 e 8 notas (de acordo com a norma ASTM E112).

Durante o processo de formação de dobra a quente, O aço inoxidável WP304 é aquecido a alta temperatura (geralmente acima de 1000 ℃), e a microestrutura sofrerá uma série de alterações, como crescimento de grãos e recristalização. A recristalização é um processo no qual novos grãos equiaxiais são formados pela nucleação e crescimento dos grãos deformados., o que pode eliminar o endurecimento causado pela deformação anterior, melhorar a ductilidade do material, e é benéfico para o processo de formação. No entanto, se a temperatura de aquecimento for muito alta ou o tempo de espera for muito longo, ocorrerá crescimento excessivo de grãos. Grãos excessivamente grossos reduzirão a tenacidade e a resistência do material, tornando-o propenso a rachaduras durante a formação. Por exemplo, quando a temperatura de aquecimento excede 1200 ℃, o tamanho do grão do aço inoxidável WP304 aumentará significativamente, e a ductilidade diminuirá em mais de 30% em comparação com isso em 1100 ℃.

além do que, além do mais, a presença de inclusões nocivas na microestrutura do aço inoxidável WP304 também é um fator importante que afeta a conformabilidade do material. As inclusões comuns incluem óxidos (como Al₂O₃, SiO₂), sulfetos (como MNS), e carbonetos. Essas inclusões têm baixa compatibilidade com a matriz, e é provável que ocorra concentração de tensão ao seu redor durante o processo de formação, que se tornará a fonte de fissuras e levará ao início e propagação de fissuras.

2.3 Propriedades mecânicas de alta temperatura

A conformação por flexão a quente dos cotovelos de aço inoxidável WP304 é realizada em altas temperaturas, então as propriedades mecânicas de alta temperatura do material (como resistência a altas temperaturas, ductilidade, e resistência à fluência) têm uma influência importante na qualidade da formação. As propriedades mecânicas de alta temperatura do aço inoxidável WP304 estão intimamente relacionadas à temperatura. Com o aumento da temperatura, a resistência do material diminui, e a ductilidade primeiro aumenta e depois diminui.

Mesa 2 mostra as propriedades mecânicas típicas de alta temperatura do aço inoxidável WP304 em diferentes temperaturas.

Temperatura (℃)	Força de rendimento (σₛ, MPa)	Resistência à tração (σᵦ, MPa)	Alongamento (d, %)	Redução da área (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

Pode ser visto a partir da Tabela 2 que quando a temperatura está entre 1000 ℃ e 1100 ℃, O aço inoxidável WP304 tem a melhor ductilidade (alongamento até 65%-70% e redução de área até 85%-90%), qual é a faixa de temperatura ideal para conformação por dobra a quente. Quando a temperatura é inferior a 1000 ℃, a resistência do material é maior, mas a ductilidade é relativamente pobre, e o material é propenso a fissuras quebradiças durante a formação devido à capacidade insuficiente de deformação plástica. Quando a temperatura é superior a 1100 ℃, embora a resistência do material seja ainda mais reduzida, a ductilidade começa a diminuir, e ocorrerá crescimento excessivo de grãos, o que reduzirá a tenacidade do material e aumentará o risco de rachaduras. além do que, além do mais, em altas temperaturas, O aço inoxidável WP304 é propenso a deformações por fluência sob a ação de tensões de longo prazo, o que também afetará a precisão e a qualidade da formação do cotovelo.

3. Processo de formação de dobra a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304

Analisar as causas de fissuras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente, é necessário primeiro dominar o princípio básico do processo de conformação por dobra a quente, a lei de distribuição tensão-deformação durante a formação, e os principais parâmetros do processo.

3.1 Princípio básico de conformação por dobra a quente

A conformação por dobra a quente é um processo no qual a peça bruta do tubo de aço inoxidável é aquecida a uma temperatura adequada, e sob a ação da força de empurrão do dispositivo de empurrão, o tubo vazio é empurrado ao longo do molde (mandril e morra) para formar um cotovelo com um certo raio e ângulo de curvatura. Os principais componentes do equipamento de conformação por dobra a quente incluem um dispositivo de aquecimento, um dispositivo de empurrar, um molde (mandril e morra), e um sistema de controle.

O processo de formação é geralmente dividido nas seguintes etapas: (1) Preparação em branco: Corte o tubo de aço inoxidável WP304 em um tubo vazio de um determinado comprimento de acordo com os requisitos de tamanho do cotovelo. (2) Aquecimento: Aqueça o tubo vazio até a temperatura de formação predefinida pelo dispositivo de aquecimento (como um aquecedor por indução ou um aquecedor de resistência), e mantê-lo aquecido por um certo tempo para garantir uma distribuição uniforme da temperatura do branco. (3) Formação de flexão por pressão: Inicie o dispositivo de empurrar, e a cabeça de empurrar empurra o tubo em branco aquecido para avançar. Sob a restrição do molde, o tubo vazio é gradualmente dobrado e formado em um cotovelo. (4) Resfriamento e corte: Depois que a formação for concluída, retire o cotovelo e deixe esfriar até a temperatura ambiente (resfriamento a ar ou resfriamento a água). Então, apare as duas extremidades do cotovelo para atender aos requisitos de tamanho.

O núcleo do processo de formação de dobra por pressão a quente é realizar a deformação plástica da peça bruta do tubo sob a ação combinada da força de pressão e da restrição do molde.. Durante o processo de conformação, o tubo vazio sofre deformação plástica tridimensional complexa, e a distribuição tensão-deformação é extremamente desigual, especialmente nas paredes internas e externas do cotovelo.

3.2 Distribuição tensão-deformação durante a conformação

Durante a formação por flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304, a distribuição tensão-deformação do tubo vazio é muito complexa devido à restrição do molde e à distribuição desigual da temperatura. Tomando um cotovelo de 90° como exemplo, a distribuição tensão-deformação durante a conformação tem as seguintes características:

(1) Distribuição de estresse: A parede externa do cotovelo está sujeita a tensão de tração, e a parede interna está sujeita a tensão de compressão. A tensão máxima de tração está localizada no arco externo do cotovelo, e a tensão compressiva máxima está localizada no arco interno do cotovelo. além do que, além do mais, devido à restrição do mandril, a parede interna do cotovelo também está sujeita a tensão de fricção, o que aumenta ainda mais a concentração de tensão na parede interna. A concentração de tensões na parede interna é a principal razão para a ocorrência de fissuras na parede interna.

(2) Distribuição de tensão: A parede externa do cotovelo sofre tensão de tração, o que leva ao afinamento da espessura da parede; a parede interna sofre tensão compressiva, o que leva ao espessamento da espessura da parede. A tensão máxima está localizada nos arcos interno e externo do cotovelo. A distribuição desigual da tensão levará a uma espessura desigual da parede do cotovelo formado. Se a tensão for muito grande, excederá a capacidade de deformação plástica do material, levando a rachaduras.

Para esclarecer ainda mais a distribuição tensão-deformação durante a conformação por flexão a quente, a simulação de elementos finitos foi realizada usando o software de simulação de elementos finitos ABAQUS. Os parâmetros de simulação são os seguintes: tamanho do tubo vazio: φ108×6mm; raio de curvatura: 1.5D (D é o diâmetro externo do tubo vazio); temperatura de formação: 1100℃; velocidade de impulso: 5mm/s. Os resultados da simulação da distribuição de tensões e deformações são mostrados nas Figuras 1 e 2 (Nota: As figuras são omitidas neste texto, e a pesquisa real deve ser complementada com números experimentais).

Os resultados da simulação mostram que a tensão equivalente máxima na parede interna do cotovelo é 120MPa, que é superior ao limite de escoamento do aço inoxidável WP304 a 1100 ℃ (30MPa), indicando que o material da parede interna sofreu deformação plástica. A deformação equivalente máxima na parede interna é 0.8, que está dentro da faixa de deformação plástica do material (o alongamento máximo do aço inoxidável WP304 a 1100 ℃ é 70%, correspondendo à deformação equivalente de cerca de 1.2). No entanto, se os parâmetros do processo não forem razoáveis (como temperatura de formação muito baixa, velocidade de empurrão muito rápida), a tensão e deformação equivalentes na parede interna excederão a capacidade de suporte do material, levando a rachaduras.

3.3 Parâmetros de processo -chave

Os principais parâmetros do processo de conformação por flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304 incluem temperatura de conformação, velocidade de impulso, raio de curvatura, método de aquecimento, e parâmetros do molde. Estes parâmetros têm uma influência importante na qualidade de formação do cotovelo, e a correspondência irracional de parâmetros levará a vários defeitos, como rachaduras na parede interna.

3.3.1 Temperatura de formação

A temperatura de conformação é o parâmetro de processo mais importante no processo de conformação por dobra a quente. Como mencionado anteriormente, O aço inoxidável WP304 tem a melhor ductilidade em 1000℃-1100℃, qual é a faixa ideal de temperatura de formação. Se a temperatura de formação for muito baixa (abaixo de 1000 ℃), a ductilidade do material é pobre, a capacidade de deformação plástica é insuficiente, e o material é propenso a fissuras frágeis sob a ação de formação de tensão. Se a temperatura de formação for muito alta (acima de 1100 ℃), o material sofrerá crescimento excessivo de grãos, a resistência diminuirá, e o material é propenso a rachaduras dúcteis. além do que, além do mais, temperatura muito alta também aumentará a oxidação e descarbonetação da superfície do material, reduzindo a qualidade da superfície do cotovelo.

3.3.2 Empurrando Velocidade

A velocidade de empurrar é outro parâmetro importante do processo que afeta a qualidade da conformação. A velocidade de empurrar determina a taxa de deformação do material durante a conformação. Se a velocidade de empurrar for muito rápida, a taxa de deformação do material é muito alta, e o material não tem tempo suficiente para completar a deformação plástica e a recristalização, levando à concentração excessiva de tensão na parede interna, que é propenso a rachar. Se a velocidade de empurrar for muito lenta, a eficiência da produção é baixa, e o material é aquecido por muito tempo em altas temperaturas, levando ao crescimento excessivo de grãos e reduzindo as propriedades mecânicas do cotovelo. A velocidade de impulso ideal para cotovelos de aço inoxidável WP304 é geralmente de 3-8 mm/s, que precisa ser ajustado de acordo com a temperatura de formação e o tamanho do cotovelo.

3.3.3 Raio de curvatura

O raio de curvatura é um parâmetro importante que afeta a distribuição tensão-deformação do cotovelo durante a conformação. Quanto menor o raio de curvatura, quanto maior a curvatura do cotovelo, e quanto mais grave for a concentração de tensões nas paredes internas e externas. Quando o raio de curvatura é muito pequeno (menos de 1,5D), a tensão na parede interna do cotovelo excederá a capacidade de carga do material, levando a rachaduras. Assim sendo, no processo de produção real, o raio de curvatura dos cotovelos de aço inoxidável WP304 geralmente não é inferior a 1,5D. Para cotovelos com raios de curvatura menores, medidas especiais de processo (como aumentar a temperatura de formação, reduzindo a velocidade de empurrar, e otimizando a estrutura do molde) precisam ser tomadas para reduzir a concentração de estresse.

3.3.4 Método de aquecimento e uniformidade

O método de aquecimento e a uniformidade do aquecimento têm uma influência importante na distribuição de temperatura do tubo vazio. Os métodos de aquecimento comuns incluem aquecimento por indução e aquecimento por resistência. O aquecimento por indução tem as vantagens de velocidade de aquecimento rápida e aquecimento uniforme, que é amplamente utilizado na formação de flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável. O aquecimento por resistência tem as vantagens de equipamento simples e baixo custo, mas a velocidade de aquecimento é lenta e a uniformidade de aquecimento é fraca.

O aquecimento desigual levará a uma distribuição desigual da temperatura do tubo vazio. A parte com maior temperatura tem melhor ductilidade e menor resistência à deformação, enquanto a parte com temperatura mais baixa tem menor ductilidade e maior resistência à deformação. Isto levará a tensão desigual durante a formação, resultando em concentração de tensão na peça com temperatura mais baixa, que é propenso a rachar. Assim sendo, garantir o aquecimento uniforme do tubo vazio é uma medida importante para evitar rachaduras na parede interna.

3.3.5 Parâmetros do Molde

Parâmetros do molde (como a qualidade da superfície do molde, a lacuna entre o mandril e o tubo vazio, e a forma do dado) também afetam a qualidade de formação do cotovelo. A superfície do molde deve ser lisa e sem defeitos. Se a superfície do molde for áspera, aumentará a resistência ao atrito entre o molde e a peça bruta do tubo, levando à concentração excessiva de estresse na parede interna do cotovelo. A folga entre o mandril e o tubo vazio deve ser razoável. Se a lacuna for muito pequena, aumentará a força de atrito e causará arranhões na parede interna do cotovelo; se a lacuna for muito grande, o tubo vazio ficará instável durante a formação, levando a espessura de parede irregular. O formato da matriz deve ser consistente com o formato do cotovelo para garantir que a peça bruta do tubo seja tensionada uniformemente durante a conformação.

4. Análise de causa de rachaduras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente

Através da análise das características do material do aço inoxidável WP304 e do processo de conformação por dobra a quente, pode-se observar que a fissura na parede interna do cotovelo é um resultado abrangente de múltiplos fatores, incluindo fatores materiais, fatores de processo, e fatores ambientais. Este capítulo conduzirá uma análise aprofundada desses fatores por meio de análise experimental e simulação de elementos finitos..

4.1 Fatores materiais

Fatores materiais são as causas internas de rachaduras na parede interna dos cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a formação de dobra por pressão a quente, incluindo principalmente o desvio da composição química, a presença de inclusões prejudiciais, o tamanho do grão, e a tensão residual do material.

4.1.1 Desvio de composição química

A composição química do aço inoxidável WP304 deve atender aos requisitos das normas pertinentes. Se houver desvio na composição química, afetará a microestrutura e as propriedades mecânicas do material, reduzindo sua conformabilidade durante a conformação por dobra a quente. Por exemplo, se o teor de carbono for muito alto (superior a 0.08%), ele se combinará com o cromo para formar carbonetos de cromo durante o aquecimento, o que reduzirá o teor de cromo na solução sólida, levando a uma diminuição na resistência à corrosão e tenacidade do material. Ao mesmo tempo, carbonetos de cromo precipitarão nos limites dos grãos, causando fragilização intergranular, tornando o material propenso a rachaduras intergranulares durante a formação. Se o teor de cromo ou níquel for muito baixo (inferior ao limite inferior do padrão), não será capaz de formar uma estrutura austenítica estável, levando à formação de estrutura de ferrita ou martensita, o que reduzirá a ductilidade do material e aumentará o risco de rachaduras.

Verificar a influência do desvio da composição química na fissuração, dois grupos de tubos de aço inoxidável WP304 com diferentes composições químicas foram selecionados para experimentos de conformação por flexão a quente. As composições químicas dos dois grupos de tubos vazios são mostradas na Tabela 3.

Grupo	C (%)	CR (%)	Ni (%)	P (%)	S (%)
Grupo 1 (Qualificado)	0.06	19.20	9.50	0.030	0.020
Grupo 2 (Não qualificado)	0.10	17.50	7.80	0.050	0.035

Os parâmetros de formação de dobra a quente foram definidos como segue: temperatura de formação 1100℃, empurrando velocidade 5mm/s, raio de curvatura 1,5D. Os resultados experimentais mostraram que o cotovelo formado pelo Grupo 1 os espaços em branco dos tubos não tinham rachaduras na parede interna, e a qualidade de formação era boa. O cotovelo formado pelo Grupo 2 os espaços em branco dos tubos tinham rachaduras óbvias na parede interna, e o comprimento da fissura era de 5-10 mm. A análise metalográfica mostrou que havia um grande número de carbonetos de cromo precipitados nos contornos de grão do Grupo 2 tubos em branco, e os limites dos grãos estavam seriamente fragilizados, o que levou à ocorrência de fissuras intergranulares durante a formação.

4.1.2 Inclusões prejudiciais

A presença de inclusões prejudiciais no aço inoxidável WP304 é outro fator material importante que causa rachaduras na parede interna. Inclusões prejudiciais, como óxidos, sulfetos, e carbonetos têm baixa compatibilidade com a matriz. Durante o processo de formação de dobra a quente, é provável que a concentração de tensão ocorra em torno das inclusões devido à diferença na capacidade de deformação entre as inclusões e a matriz. Quando a tensão excede a resistência de ligação entre as inclusões e a matriz, microfissuras serão iniciadas em torno das inclusões. Com o progresso da formação, as microfissuras continuarão a se propagar, eventualmente formando macro rachaduras.

Analisar a influência de inclusões nocivas na fissuração, a superfície de fratura do cotovelo fraturado foi observada por microscopia eletrônica de varredura (SEM). A imagem SEM da superfície de fratura é mostrada na Figura 3 (Nota: As figuras são omitidas neste texto). Pode-se observar na imagem SEM que há um grande número de partículas de inclusão na superfície da fratura, e as rachaduras se propagam ao longo das inclusões. A espectroscopia de energia dispersiva (EDS) a análise mostrou que as partículas de inclusão eram principalmente Al₂O₃ e MnS. Al₂O₃ é uma inclusão dura e quebradiça com baixa capacidade de deformação plástica. Durante a formação, é fácil causar concentração de estresse ao seu redor. MnS é uma inclusão suave, que se deformará junto com a matriz durante a formação, mas também reduzirá a força de ligação da matriz, tornando-o propenso a rachaduras.

4.1.3 Tamanho do grão

O tamanho do grão do aço inoxidável WP304 tem uma influência importante em sua conformabilidade durante a conformação por dobra a quente. Como mencionado anteriormente, quando a temperatura de aquecimento é muito alta ou o tempo de espera é muito longo, ocorrerá crescimento excessivo de grãos. Grãos excessivamente grossos reduzirão a tenacidade e a resistência do material, tornando-o propenso a rachaduras durante a formação. Pelo contrário, grãos finos têm maior resistência e tenacidade, o que é benéfico para melhorar a conformabilidade do material.

Para verificar a influência do tamanho do grão na fissuração, três grupos de peças brutas de tubos de aço inoxidável WP304 com diferentes tamanhos de grãos foram selecionados para experimentos de conformação por flexão a quente. Os tamanhos de grão dos três grupos de peças brutas de tubos são mostrados na Tabela 4.

Grupo	Tamanho do grão (Grau ASTM)	Diâmetro Médio do Grão (Μm)
Grupo A	8	15
Grupo B	6	30
Grupo C	4	60

Os parâmetros de conformação por flexão a quente foram os mesmos da Seção 4.1.1. Os resultados experimentais mostraram que o cotovelo formado pelos tubos do Grupo A (grãos finos) não tinha rachaduras na parede interna, e a qualidade de formação era boa. O cotovelo formado por tubos em branco do Grupo B (grãos médios) tinha um pequeno número de microfissuras na parede interna. O cotovelo formado por tubos em branco do Grupo C (grãos grossos) tinha macro rachaduras óbvias na parede interna. O teste de resistência ao impacto mostrou que a resistência ao impacto dos tubos brutos do Grupo C foi de 25J/cm², que foi 40% inferior ao dos tubos vazios do Grupo A (42J/cm²). Isto indicou que grãos excessivamente grossos reduziriam significativamente a tenacidade do material, tornando-o propenso a rachaduras durante a formação.

4.1.4 Estresse residual

A tensão residual em peças brutas de tubos de aço inoxidável WP304 é gerada principalmente durante os processos de fabricação anteriores (como rolar, desenho, e tratamento térmico). A tensão residual pode ser dividida em tensão residual de tração e tensão residual de compressão. A tensão residual de tração reduzirá a capacidade de carga real do material. Durante o processo de formação de dobra a quente, a tensão residual de tração se sobreporá à tensão de formação, levando a estresse excessivo na parede interna do cotovelo, que é propenso a rachar. A tensão residual compressiva pode melhorar a capacidade de carga do material, o que é benéfico para o processo de formação.

Analisar a influência da tensão residual na fissuração, a tensão residual do tubo vazio foi medida por difração de raios X. Os resultados da medição mostraram que a tensão residual na parede interna da peça bruta do tubo era uma tensão de tração, com uma magnitude de 80-120MPa. Durante o processo de formação de dobra a quente, a tensão de formação na parede interna do cotovelo foi de 120MPa (dos resultados da simulação de elementos finitos na Seção 3.2). A tensão sobreposta atingiu 200-240MPa, que excedeu o limite de escoamento do aço inoxidável WP304 em 1100 ℃ (30MPa), levando à ocorrência de deformação plástica e rachaduras. Assim sendo, reduzindo a tensão residual do tubo vazio antes da formação (como através do recozimento de alívio de tensão) é uma medida importante para evitar rachaduras na parede interna.

4.2 Fatores de Processo

Fatores de processo são as causas externas de rachaduras na parede interna dos cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por dobra a quente, incluindo principalmente a correspondência irracional entre temperatura de formação e velocidade de empurrão, aquecimento irregular, raio de curvatura irracional, e parâmetros de molde irracionais.

4.2.1 Correspondência irracional de temperatura de formação e velocidade de empurrão

A temperatura de conformação e a velocidade de empurrão são os dois parâmetros de processo mais importantes no processo de conformação por dobra a quente, e sua correspondência razoável é crucial para a qualidade da formação. Se a temperatura de formação estiver muito baixa e a velocidade de compressão for muito rápida, a taxa de deformação do material é muito alta, e o material não tem tempo suficiente para completar a deformação plástica e a recristalização, levando à concentração excessiva de tensão na parede interna, que é propenso a rachar. Se a temperatura de formação estiver muito alta e a velocidade de compressão for muito lenta, o material é aquecido por muito tempo em altas temperaturas, levando ao crescimento excessivo de grãos, reduzindo a tenacidade do material, e aumentando o risco de rachaduras.

Para verificar a influência da correspondência entre temperatura de formação e velocidade de empuxo na fissuração, uma série de experimentos de conformação por flexão a quente foram realizados com diferentes temperaturas de conformação (950℃, 1050℃, 1150℃) e empurrando velocidades (2mm/s, 5mm/s, 8mm/s). O tamanho da peça bruta do tubo era φ108×6mm, e o raio de curvatura era 1,5D. Os resultados experimentais são mostrados na Tabela 5.

Temperatura de formação (℃)	Empurrando Velocidade (mm/s)	Status de rachaduras na parede interna
950	2	Sem rachaduras
	5	Microfissuras
	8	Rachaduras macro óbvias
1050	2	Sem rachaduras
	5	Sem rachaduras
	8	Microfissuras
1150	2	Microfissuras
	5	Rachaduras macro óbvias
	8	Rachaduras macro graves

Pode ser visto a partir da Tabela 5 que quando a temperatura de formação é 1050 ℃ e a velocidade de empurrão é 2-5 mm/s, a parede interna do cotovelo não tem rachaduras, qual é a combinação ideal de parâmetros. Quando a temperatura de formação é 950℃ (muito baixo) e a velocidade de empurrar é de 5-8 mm/s (muito rápido), ou a temperatura de formação é 1150℃ (muito alto) e a velocidade de empurrar é de 5-8 mm/s (muito rápido), rachaduras óbvias ocorrerão na parede interna do cotovelo. Isto mostra plenamente que a correspondência irracional entre a temperatura de formação e a velocidade de compressão é uma causa importante de fissuras na parede interna..

4.2.2 Aquecimento irregular

O aquecimento desigual do tubo vazio levará a uma distribuição desigual da temperatura, o que causará tensão desigual durante a formação, levando à concentração de tensão na peça com temperatura mais baixa, e assim quebrando. Conforme mostrado nos resultados da simulação de elementos finitos, se a diferença de temperatura entre as paredes interna e externa do tubo vazio for 50 ℃, a diferença de tensão entre as paredes interna e externa chegará a 50MPa, o que aumentará significativamente o risco de rachaduras.

Para verificar a influência do aquecimento desigual na fissuração, dois grupos de experimentos de aquecimento foram realizados: um grupo adotou aquecimento por indução (aquecimento uniforme), e o outro grupo adotou aquecimento por resistência (aquecimento irregular). O tamanho da peça bruta do tubo era φ108×6mm, a temperatura de formação foi de 1100 ℃, a velocidade de empurrão foi de 5 mm/s, e o raio de curvatura era 1,5D. A distribuição de temperatura do tubo vazio foi medida por um termômetro infravermelho. Os resultados mostraram que a diferença de temperatura entre as paredes interna e externa do tubo vazio aquecido por aquecimento por indução era inferior a 10 ℃, e a parede interna do cotovelo formado não apresentava rachaduras. A diferença de temperatura entre as paredes interna e externa do tubo vazio aquecido por aquecimento por resistência foi de 60 ℃, e rachaduras óbvias apareceram na parede interna do cotovelo formado. A análise metalográfica mostrou que o tamanho de grão da peça com maior temperatura foi maior, e o tamanho de grão da peça com temperatura mais baixa foi menor, o que levou à deformação irregular durante a formação e concentração de tensão.

4.2.3 Raio de curvatura irracional

Quanto menor o raio de curvatura, quanto maior a curvatura do cotovelo, e quanto mais grave for a concentração de tensões na parede interna. Quando o raio de curvatura é muito pequeno (menos de 1,5D), a tensão na parede interna do cotovelo excederá a capacidade de carga do material, levando a rachaduras. Para verificar isso, experimentos de formação de dobra a quente foram realizados com raios de curvatura de 1,0D, 1.5D, e 2.0D. A temperatura de formação foi de 1100 ℃, a velocidade de empurrão foi de 5 mm/s, e o tamanho do tubo vazio era φ108×6mm. Os resultados experimentais mostraram que quando o raio de curvatura era 1,0D, macro rachaduras óbvias apareceram na parede interna do cotovelo; quando o raio de curvatura era 1,5D, a parede interna do cotovelo não tinha rachaduras; quando o raio de curvatura era 2,0D, a parede interna do cotovelo também não apresentava rachaduras. Os resultados da simulação de elementos finitos mostraram que a tensão máxima na parede interna do cotovelo com raio de curvatura de 1,0D foi de 250MPa, que foi muito maior do que a resistência ao escoamento do material a 1100 ℃ (30MPa), levando a rachaduras.

4.2.4 Parâmetros de molde irracionais

Parâmetros de molde irracionais (como superfície áspera do molde, folga inadequada entre o mandril e o tubo vazio, e formato de matriz irracional) também levará a rachaduras na parede interna. Se a superfície do molde for áspera, aumentará a resistência ao atrito entre o molde e a peça bruta do tubo, levando à concentração excessiva de tensão na parede interna. Se a folga entre o mandril e o tubo vazio for muito pequena, aumentará a força de atrito e causará arranhões na parede interna, que se tornará a fonte de rachaduras. Se o formato da matriz não for razoável, isso levará a uma distribuição desigual de tensão do tubo vazio durante a formação, levando à concentração de estresse.

Verificar a influência dos parâmetros do molde na fissuração, dois grupos de experimentos com moldes foram realizados: um grupo usou um molde com superfície lisa (rugosidade superficial Ra=0,8μm) e uma lacuna razoável (0.5mm), e o outro grupo utilizou um molde com superfície rugosa (rugosidade superficial Ra = 3,2 μm) e uma lacuna inadequada (0.2mm). A temperatura de formação foi de 1100 ℃, a velocidade de empurrão foi de 5 mm/s, o raio de curvatura era 1,5D, e o tamanho do tubo vazio era φ108×6mm. Os resultados experimentais mostraram que a parede interna do cotovelo formado pelo primeiro grupo de moldes não apresentava fissuras, e a qualidade da superfície era boa. A parede interna do cotovelo formado pelo segundo grupo de moldes apresentava arranhões e rachaduras evidentes. A observação SEM mostrou que as rachaduras se originaram dos arranhões, e os arranhões foram causados pelo atrito entre a superfície áspera do molde e a peça bruta do tubo.

4.3 Fatores Ambientais

Fatores ambientais referem-se principalmente à oxidação e descarbonetação da superfície do material durante o processo de formação por dobra a quente. A altas temperaturas, O aço inoxidável WP304 reagirá com o oxigênio do ar para formar uma película de óxido na superfície. O filme de óxido é quebradiço e tem baixa adesão à matriz. Durante o processo de conformação, o filme de óxido é fácil de descascar, e as partículas de óxido descascadas se tornarão inclusões, o que causará concentração de tensão e levará a rachaduras. além do que, além do mais, a descarbonetação ocorrerá na superfície do material em altas temperaturas, o que reduzirá o teor de carbono da camada superficial, levando a uma diminuição na resistência e dureza da camada superficial, tornando a camada superficial propensa a deformação plástica e rachaduras.

Analisar a influência de fatores ambientais na fissuração, a superfície do tubo vazio foi observada por MEV antes e depois da formação. Os resultados mostraram que antes de formar, a superfície do tubo vazio era lisa, e havia uma fina película de óxido. Depois de formar, a película de óxido na parede interna do cotovelo foi removida, e havia um grande número de partículas de óxido na superfície. A análise EDS mostrou que as partículas de óxido eram principalmente Cr₂O₃ e Fe₃O₄. A análise metalográfica mostrou que o teor de carbono da camada superficial do cotovelo foi 0.03%, que era inferior ao teor de carbono do núcleo (0.06%), indicando que a descarbonetação ocorreu na camada superficial. A camada descarbonetada apresentou menor resistência e dureza, e durante o processo de formação de dobra a quente, a deformação plástica era mais provável de ocorrer sob a ação da tensão de formação, e rachaduras foram iniciadas e propagadas na camada descarbonetada. ocorreu na camada superficial. A camada descarbonetada apresentou menor resistência e dureza, e sob a ação de formar estresse, deformação plástica e rachaduras eram propensas a ocorrer. além do que, além do mais, as partículas de óxido descascadas entrariam no espaço entre o molde e a peça bruta do tubo, aumentando a resistência ao atrito, exacerbando ainda mais a concentração de tensão na parede interna, e promovendo a iniciação e propagação de fissuras.

além do que, além do mais, a umidade e os gases nocivos no ambiente de formação também podem ter um certo impacto na fissuração da parede interna do cotovelo. Por exemplo, se houver vapor de água no ambiente de aquecimento, ele reagirá com a superfície do material em altas temperaturas para gerar hidrogênio, que penetrará no material e causará fragilização por hidrogênio, reduzindo a tenacidade do material e tornando-o propenso a rachaduras. Embora a influência de tais fatores seja relativamente fraca em comparação com a oxidação e a descarbonetação, não pode ser ignorado no processo de produção real, especialmente em ambientes de alta umidade ou ao usar equipamento de aquecimento refrigerado a água.

5. Medidas preventivas e de controle para fissuras em paredes internas

Com base na análise sistemática das causas de fissuras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente (incluindo fatores materiais, fatores de processo, e fatores ambientais), este capítulo propõe medidas preventivas e de controle direcionadas a partir de três aspectos: controle de qualidade de materiais, otimização de parâmetros de processo, e formando a melhoria do ambiente. Estas medidas visam reduzir fundamentalmente o risco de fissuras nas paredes internas, melhorar a qualidade de formação dos cotovelos, e garantir a operação segura e estável dos sistemas de dutos subsequentes.

5.1 Medidas de controle de qualidade de materiais

Fatores materiais são as causas internas da fissuração. O fortalecimento do controle de qualidade do material pode melhorar o desempenho inerente do aço inoxidável WP304 e aumentar sua resistência a rachaduras durante a conformação por dobra a quente. As medidas específicas são as seguintes:

5.1.1 Controle rigorosamente a composição química

Primeiro, é necessário selecionar peças brutas de tubos que atendam aos requisitos das normas relevantes (como ASTM A403/A403M). Antes da produção, detecção de composição química (como análise espectral) deve ser realizada em cada lote de tubos vazios para garantir que o conteúdo de cada elemento esteja dentro da faixa padrão. Para elementos-chave: o teor de carbono deve ser estritamente controlado abaixo 0.08%, o teor de cromo entre 18.00%-20.00%, e o teor de níquel entre 8.00%-12.00%. Ao mesmo tempo, o conteúdo de elementos de impureza prejudiciais, como fósforo e enxofre, deve ser controlado abaixo 0.045% e 0.030% respectivamente. Para tubos vazios com composição química não qualificada, devem ser rejeitados ou reprocessados para evitar entrar no processo de conformação e causar trincas.

5.1.2 Reduza inclusões prejudiciais

Para reduzir o conteúdo de inclusões prejudiciais (como Al₂O₃, MnS) em aço inoxidável WP304, é necessário otimizar o processo de fundição e fundição do material. Durante a fundição, medidas como refino por sopro de argônio e refino em forno panela podem ser adotadas para remover inclusões e gases no aço fundido. Durante o elenco, a temperatura de fundição e a velocidade de fundição devem ser controladas para evitar a oxidação secundária do aço fundido. além do que, além do mais, para os tubos vazios adquiridos, teste não destrutivo (como testes ultrassônicos) pode ser realizado para detectar a distribuição e o tamanho das inclusões. Se as inclusões excederem a faixa permitida, os blanks de tubos não devem ser usados para formar.

5.1.3 Controlar o tamanho do grão

Um processo razoável de tratamento térmico deve ser adotado para controlar o tamanho do grão dos tubos de aço inoxidável WP304. Antes da formação de dobra por pressão a quente, recozimento de alívio de tensão e recozimento de refinamento de grão podem ser realizados nas peças brutas do tubo. A temperatura de recozimento é recomendada entre 950°C e 1050°C, e o tempo de espera é 1-2 horas, seguido de resfriamento a ar. Isto pode não apenas eliminar a tensão residual dos tubos vazios, mas também refinar o tamanho do grão para 6-8 notas (Padrão ASTM E112), melhorando a tenacidade e conformabilidade do material. Durante o processo de formação de dobra a quente, a temperatura de aquecimento e o tempo de espera também devem ser rigorosamente controlados para evitar o crescimento excessivo de grãos. A temperatura de formação não deve exceder 1150°C, e o tempo de espera deve ser ajustado de acordo com a espessura do tubo vazio, geralmente não mais do que 30 minutos.

5.1.4 Elimine o estresse residual

Para peças brutas de tubos com alta tensão residual, o tratamento de alívio do estresse deve ser realizado antes da formação. O método comumente usado é o recozimento de alívio de tensão, que é realizado a 850℃-900℃ para 1-2 horas, seguido de resfriamento lento. Isto pode efetivamente reduzir a tensão residual de tração na parede interna do tubo vazio para menos de 30MPa, evitando a superposição de tensão residual e formando tensão durante a conformação por flexão a quente, o que leva a estresse excessivo e rachaduras. Após o tratamento de alívio do estresse, A difração de raios X pode ser usada para detectar a tensão residual do tubo vazio para garantir que ele atenda aos requisitos de formação.

5.2 Medidas de otimização de parâmetros de processo

Fatores de processo são as causas externas de rachaduras. Otimizar os parâmetros do processo de conformação por dobra a quente e melhorar o nível de operação de conformação pode efetivamente reduzir a concentração de tensão na parede interna do cotovelo e evitar rachaduras. As medidas específicas são as seguintes:

5.2.1 Otimize a correspondência entre temperatura de formação e velocidade de empurrão

Com base nos resultados experimentais na Seção 4.2.1, a combinação ideal de parâmetros para conformação por flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304 é: temperatura de formação 1050℃-1100℃, empurrando velocidade 3-5 mm/s. Para peças brutas de tubos de diferentes espessuras e tamanhos, os parâmetros podem ser ajustados adequadamente. Por exemplo, para tubos vazios de paredes espessas (espessura de parede > 8mm), a temperatura de formação pode ser aumentada para 1100°C-1150°C, e a velocidade de empurrar pode ser reduzida para 2-3 mm/s para garantir deformação plástica suficiente. Durante a produção, um sistema de monitoramento de temperatura deve ser instalado para monitorar em tempo real a temperatura do tubo vazio, e a velocidade de impulso deve ser ajustada em tempo real de acordo com a mudança de temperatura para garantir a correspondência razoável dos dois parâmetros.

5.2.2 Garanta o aquecimento uniforme dos tubos vazios

Primeiro, aquecimento por indução deve ser preferido, que tem as vantagens de velocidade de aquecimento rápida e distribuição uniforme de temperatura. A bobina de indução deve ser projetada de acordo com o tamanho do tubo vazio para garantir que a área de aquecimento cubra toda a seção de formação do tubo vazio. Segundo, antes de aquecer, a superfície do tubo vazio deve ser limpa para remover manchas de óleo, ferrugem, e outras impurezas, o que pode evitar aquecimento desigual causado pela absorção de calor desigual. Terceiro, durante o aquecimento, o tubo vazio pode ser girado em baixa velocidade (5-10rpm) para garantir que as paredes internas e externas do tubo vazio sejam aquecidas uniformemente. A diferença de temperatura entre as paredes interna e externa do tubo vazio deve ser controlada dentro de 10 ℃, que pode ser detectado por um termômetro infravermelho em tempo real. Se o aquecimento por resistência for usado devido a limitações do equipamento, uma cobertura de preservação de calor deve ser adicionada à área de aquecimento para reduzir a perda de calor e melhorar a uniformidade do aquecimento.

5.2.3 Selecione um raio de curvatura razoável

Na premissa de atender aos requisitos de projeto de engenharia, o raio de curvatura do cotovelo deve ser o maior possível. Para cotovelos de aço inoxidável WP304, o raio de curvatura não deve ser inferior a 1,5D (D é o diâmetro externo do tubo vazio). Se a engenharia exigir um raio de curvatura menor (como 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, e otimizando a estrutura do molde (such as adding a lubricating layer on the surface of the mandrel) to reduce the stress concentration on the inner wall. antes de formar, 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

Primeiro, 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) para reduzir a resistência ao atrito entre o molde e a peça bruta do tubo. Segundo, a folga entre o mandril e a peça bruta do tubo deve ser razoavelmente projetada. A lacuna deve ser de 0,3-0,5 mm, o que pode não apenas garantir a estabilidade da peça bruta do tubo durante a formação, mas também reduzir o atrito. Terceiro, a forma da matriz deve ser otimizada. O arco de transição da matriz deve ser suave para evitar cantos vivos, o que pode reduzir a concentração de tensão durante a formação. Depois que o molde é fabricado, deve ser inspecionado quanto à precisão dimensional e qualidade da superfície para garantir que atenda aos requisitos do projeto.

5.3 Formando Medidas de Melhoria Ambiental

Fatores ambientais, como oxidação e descarbonetação, reduzirão a qualidade da superfície do tubo vazio e aumentarão o risco de rachaduras. Melhorar o ambiente de formação pode efetivamente reduzir o impacto dos fatores ambientais na fissuração. As medidas específicas são as seguintes:

5.3.1 Adote a formação de atmosfera protetora

Durante a conformação por dobra a quente, gás protetor (como argônio, azoto) pode ser introduzido na área de aquecimento e na cavidade do molde para isolar o tubo vazio do ar, evitando oxidação e descarbonetação da superfície bruta do tubo em altas temperaturas. A taxa de fluxo do gás protetor deve ser controlada em 5-10L/min, e a pureza do gás deve estar acima 99.99% para garantir o efeito protetor. Para produção em larga escala, uma câmara de formação fechada pode ser construída, e o gás protetor pode ser colocado na câmara para criar uma atmosfera protetora completa, o que pode melhorar ainda mais o efeito anti-oxidação.

5.3.2 Controle a umidade e os gases nocivos no ambiente de formação

A umidade da oficina de formação deve ser controlada abaixo 60% para evitar a fragilização por hidrogênio causada pela reação do vapor de água com a superfície do material em altas temperaturas. Equipamento de desumidificação pode ser instalado na oficina para ajustar a umidade em tempo real. Ao mesmo tempo, a emissão de gases nocivos (como monóxido de carbono, dióxido de enxofre) na oficina deve ser controlada para evitar a reação de gases nocivos com a superfície vazia do tubo, o que afeta a qualidade da superfície do tubo vazio. A oficina deve estar equipada com um sistema de ventilação para garantir a circulação de ar.

5.3.3 Fortalecer o tratamento de superfície pós-formação

Depois que o cotovelo for formado e resfriado, a escala de óxido de superfície deve ser removida a tempo. Os métodos comuns incluem decapagem (usando um ácido misto de ácido nítrico e ácido fluorídrico) e jato de areia. A decapagem pode remover a incrustação de óxido e a camada descarbonetada na superfície do cotovelo, e o jato de areia pode melhorar a rugosidade da superfície do cotovelo e aumentar a adesão do revestimento anticorrosivo subsequente. Após tratamento de superfície, a superfície do cotovelo deve ser inspecionada para garantir que não haja incrustações de óxido residuais, arranhões, ou outros defeitos, o que pode evitar o início de rachaduras devido a defeitos superficiais durante o serviço subsequente.

5.4 Medidas abrangentes de inspeção de qualidade

Além das medidas acima, inspeção de qualidade abrangente deve ser realizada durante todo o processo de produção para encontrar e eliminar oportunamente riscos potenciais de qualidade. As medidas específicas são as seguintes: (1) Inspeção de pré-formação: Verifique a composição química, tamanho de grão, tensões residuais, e qualidade da superfície do tubo vazio para garantir que ele atenda aos requisitos de formação. (2) Inspeção informativa: Monitore em tempo real a temperatura de formação, velocidade de impulso, e estado de tensão-deformação do tubo vazio, e ajuste os parâmetros do processo a tempo se alguma anormalidade for encontrada. (3) Inspeção pós-formação: Use métodos de teste não destrutivos (como testes ultrassônicos, teste de partículas magnéticas) para inspecionar as paredes internas e externas do cotovelo em busca de rachaduras, inclusões, e outros defeitos. Para cotovelos não qualificados, eles devem ser marcados e manuseados de maneira centralizada. Para cotovelos qualificados, a inspeção da amostra deve ser realizada para testar suas propriedades mecânicas (como resistência à tração, resistência ao impacto) para garantir que eles atendam aos requisitos de engenharia.

6. Conclusão e perspectiva

6.1 Conclusão

Este artigo conduz um estudo aprofundado sobre as causas de fissuras na parede interna de cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente e propõe medidas preventivas e de controle correspondentes.. Através da análise teórica, pesquisa experimental, e simulação de elementos finitos, as principais conclusões são as seguintes:

(1) A fissuração da parede interna dos cotovelos de aço inoxidável WP304 durante a conformação por flexão a quente é um resultado abrangente de múltiplos fatores, incluindo fatores materiais (desvio de composição química, inclusões prejudiciais, tamanho excessivo de grão, alta tensão residual), fatores de processo (correspondência irracional de temperatura de formação e velocidade de empurrão, aquecimento irregular, raio de curvatura muito pequeno, parâmetros de molde irracionais), e fatores ambientais (oxidação, descarbonetação, fragilização por hidrogênio causada por vapor de água).

(2) Entre os fatores materiais, a precipitação de carbonetos de cromo causada pelo teor excessivo de carbono, a concentração de estresse causada por inclusões prejudiciais (Al₂O₃, MnS), e a redução da tenacidade causada pelo tamanho excessivo do grão são os principais fatores que levam à fissuração. Entre os fatores do processo, a correspondência irracional entre temperatura de formação e velocidade de empurrão (temperatura muito baixa + velocidade muito rápida, temperatura muito alta + velocidade muito rápida) e aquecimento desigual são os principais fatores que causam rachaduras. Entre os fatores ambientais, oxidação e descarbonetação da superfície do material são os principais fatores que afetam a qualidade da superfície e levam à fissuração.

(3) Medidas preventivas e de controle direcionadas são propostas a partir de três aspectos: controle de qualidade de materiais, otimização de parâmetros de processo, e formando a melhoria do ambiente. As medidas de controle de qualidade do material incluem o controle rigoroso da composição química, reduzindo inclusões prejudiciais, controlando o tamanho do grão, e eliminando o estresse residual. As medidas de otimização dos parâmetros do processo incluem a otimização da correspondência entre a temperatura de formação e a velocidade de empurrão, garantindo aquecimento uniforme, selecionando um raio de curvatura razoável, e otimizando o design do molde. A formação de medidas de melhoria do ambiente inclui a adoção da formação de atmosfera protetora, controlando a umidade ambiental e gases nocivos, e fortalecimento do tratamento de superfície pós-formação. além do que, além do mais, inspeção de qualidade abrangente durante todo o processo de produção pode garantir ainda mais a qualidade de formação do cotovelo.

(4) A combinação ideal de parâmetros de processo para conformação por flexão a quente de cotovelos de aço inoxidável WP304 é obtida através de experimentos: temperatura de formação 1050℃-1100℃, empurrando velocidade 3-5 mm/s, raio de curvatura ≥1,5D, e método de aquecimento por indução. Usar esta combinação de parâmetros e combinar com medidas correspondentes de controle de material e melhoria ambiental pode efetivamente reduzir a ocorrência de rachaduras na parede interna, e a taxa qualificada de cotovelos pode chegar a mais de 98%.

6.2 Cliente em potencial

Embora este artigo tenha alcançado certos resultados de pesquisa, ainda existem algumas deficiências que precisam ser mais estudadas no futuro:

(1) A pesquisa neste artigo visa principalmente cotovelos de aço inoxidável WP304. Para outros tipos de aço inoxidável austenítico (como WP316, WP321) cotovelos, as causas das fissuras e medidas preventivas podem ser diferentes. Pesquisas futuras podem expandir o escopo da pesquisa para outros tipos de cotovelos de aço inoxidável para formar um sistema teórico e método técnico mais universal.

(2) Este artigo estuda principalmente o problema de trincas durante a conformação por flexão a quente.. Para a lei de evolução das microfissuras formadas durante a conformação no processo de serviço subsequente (como sob alta temperatura, alta pressão, e ambiente corrosivo), há falta de pesquisas aprofundadas. Pesquisas futuras podem combinar o ambiente de serviço para estudar o mecanismo de propagação de microfissuras e propor um método de controle de qualidade de ciclo de vida completo para cotovelos de aço inoxidável.

(3) Com o desenvolvimento da tecnologia de fabricação inteligente, pesquisas futuras podem introduzir inteligência artificial e tecnologia de big data no processo de formação de dobra a quente de cotovelos de aço inoxidável. Construindo um sistema inteligente de monitoramento e controle, monitoramento em tempo real e ajuste automático dos parâmetros do processo podem ser realizados, e a qualidade de formação dos cotovelos pode ser prevista e avaliada, o que irá melhorar ainda mais a eficiência da produção e a qualidade do produto.

(4) Em termos de otimização de moldes, pesquisas futuras podem adotar tecnologia de fabricação aditiva para fabricar moldes com estruturas complexas e boa qualidade superficial. Ao mesmo tempo, novos materiais lubrificantes e tecnologias de revestimento podem ser desenvolvidos para reduzir ainda mais a resistência ao atrito entre o molde e a peça bruta do tubo, melhorando a qualidade de formação e a vida útil do molde.