ASTM A709-50W Кортеновская стальная труба, устойчивая к атмосферным воздействиям

январь 16, 2026

ASTM A234 WP5 Фитинги для труб из легированной стали

январь 31, 2026

Анализ горячей гибки колен из нержавеющей стали WP304

Анализ причин растрескивания внутренней стенки отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки

Абстрактные: WP304 нержавеющая сталь, как широко используемый материал из аустенитной нержавеющей стали., широко применяется в локтевых компонентах нефтехимической промышленности., авиакосмическая промышленность, и морской техники благодаря своим превосходным коррозия сопротивление, механические свойства, и высокотемпературная стабильность. Гибка горячим нажатием — основной процесс производства колен из нержавеющей стали., отличается высокой эффективностью производства, хорошее качество формовки, и сильная адаптируемость к сложным формам. тем не мение, Растрескивание внутренней стенки часто происходит в процессе формования колен из нержавеющей стали WP304 методом горячего изгиба., что серьезно влияет на уровень квалификации продукта, увеличивает производственные затраты, и даже представляет потенциальную угрозу безопасности для последующего обслуживания локтей. Чтобы решить эту техническую проблему, В этой статье проводится углубленное исследование причин растрескивания внутренних стенок отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей штамповки..

Во-первых, в статье подробно описаны характеристики материала нержавеющей стали WP304., включая его химический состав, микроструктура, и механические свойства при высоких температурах, заложить теоретическую основу для анализа механизма растрескивания. Во-вторых, он знакомит с основным принципом и ключевыми параметрами процесса формования методом горячей гибки., и уточняет закон распределения напряжений и деформаций локтя в процессе формовки., особенно явление концентрации напряжений на внутренней стенке. Бесшовная труба, через сочетание литературных исследований, экспериментальный анализ, и конечно-элементное моделирование, систематически анализируются основные причины растрескивания внутренних стенок, включая материальные факторы (такие как включения, Размер зерна, и остаточный стресс), факторы процесса (например, температура формования, скорость толкания, дизайн штампа, и равномерность нагрева), и факторы окружающей среды (такие как окисление и обезуглероживание). в заключение, в зависимости от причин растрескивания предлагаются соответствующие профилактические и контрольные меры., например, оптимизация химического состава материала, улучшение процесса термообработки, оптимизация параметров процесса горячей гибки, и улучшение структуры матрицы.

Результаты исследования показывают, что растрескивание внутренней стенки отводов из нержавеющей стали WP304 во время гибки под давлением является комплексным результатом множества факторов.. Из их, необоснованное соответствие температуры формования и скорости толкания, неравномерный нагрев заготовки, необоснованная конструкция матрицы, приводящая к чрезмерной концентрации напряжений на внутренней стенке, и наличие вредных включений в материале являются ключевыми факторами, вызывающими растрескивание.. Профилактические меры, предложенные в этой статье, могут эффективно уменьшить возникновение растрескивания внутренних стенок., улучшить качество продукции колен из нержавеющей стали WP304, и оказывать техническую поддержку для стабильного и эффективного производства предприятий. Данное исследование имеет важное теоретическое значение и практическое прикладное значение для повышения уровня производства колен из нержавеющей стали WP304 и обеспечения безопасной эксплуатации инженерного оборудования..

Ключевые слова: WP304 нержавеющая сталь; локоть; гибка горячим нажатием, формовка; трещины на внутренней стене; анализ причин; профилактические меры

1. Введение

1.1 Предыстория и значение исследования

В былые времена, с быстрым развитием мировой нефтехимической, атомная энергия, авиакосмическая промышленность, и морское машиностроение, спрос на высокопроизводительные трубопровод компонентов увеличивается. В качестве важного соединительного компонента в трубопроводных системах., колена играют решающую роль в изменении направления потока жидкости и обеспечении бесперебойной работы трубопровода.. Нержавеющая сталь WP304 — это аустенитная нержавеющая сталь с системой сплава Cr-Ni., который имеет отличную коррозионную стойкость (особенно против атмосферы, вода, и химические среды), хорошая высокотемпературная прочность и ударная вязкость, отличная формуемость и свариваемость. Следовательно, Отводы из нержавеющей стали WP304 широко используются в суровых рабочих условиях, таких как высокая температура, высокого давления, и сильная коррозия.

Гибка горячим нажатием — это проверенный и эффективный процесс производства колен из нержавеющей стали.. По сравнению с другими процессами формования, такими как штамповка и ковка., Гибка горячим нажатием имеет преимущества простого технологического процесса., высокая производительность, низкая стоимость пресс-формы, и хорошая однородность толщины стенки сформированного колена. Он особенно подходит для массового производства колен различного диаметра и радиуса изгиба.. тем не мение, в реальном производственном процессе, из-за сложных физико-химических изменений и напряженно-деформированного состояния материала при горячей обработке., в сформированных локтях вероятны различные дефекты, среди которых растрескивание внутренних стенок является одним из наиболее распространенных и вредных дефектов..

Растрескивание внутренней стенки колен из нержавеющей стали WP304 не только снижает механические свойства. (например, сила, стойкость, и сопротивление усталости) колен, но также обеспечивают каналы для проникновения агрессивных сред, ускорение коррозионного разрушения колен. В тяжелых случаях, это может даже привести к утечке трубопровода, приводящие к крупным авариям и экономическим потерям. Например, на нефтехимическом заводе в г. 2022, произошла авария с утечкой в трубопроводе из-за растрескивания колена из нержавеющей стали WP304 во время эксплуатации, что приводит к утечке токсичных и вредных сред, что не только привело к прямым экономическим потерям, превышающим 5 миллионов юаней, но также представляет серьезную угрозу окружающей среде и безопасности персонала.. Последующие исследования показали, что основной причиной растрескивания локтя было наличие микротрещин на внутренней стенке, образовавшихся в процессе формования сгибанием под давлением., который постепенно расширялся под действием длительного эксплуатационного стресса и агрессивных сред..

Следовательно, проведение углубленного исследования причин растрескивания внутренних стенок отводов из нержавеющей стали WP304 при горячей гибке методом выталкивания., и предложение целевых профилактических мер, имеет большое практическое значение для повышения качества продукции отводов., сокращение производственных затрат, обеспечение безопасной эксплуатации трубопроводных систем, и содействие здоровому развитию смежных отраслей. В то же время, это исследование может также обогатить теоретическую систему горячей обработки аустенитной нержавеющей стали., предоставление справочной информации для изучения проблем растрескивания в других аналогичных процессах горячей штамповки.

1.2 Статус исследований в стране и за рубежом

В настоящий момент, Многие ученые в стране и за рубежом провели соответствующие исследования процесса горячей штамповки и контроля дефектов колен из нержавеющей стали.. Относительно процесса формования методом горячей гибки, зарубежные учёные провели углубленные исследования по оптимизации механизма формования и параметров процесса.. Например, Смит и др.. (2020) использовал программное обеспечение для моделирования методом конечных элементов для моделирования процесса формования колен из аустенитной нержавеющей стали методом горячего выталкивания., проанализирован закон распределения напряжений и деформаций локтя при формовании., и обнаружили, что внутренняя стенка локтя подвергалась сжимающему напряжению, а внешняя стенка - растягивающему напряжению., и концентрация напряжений была наиболее заметна на внутренней дуге локтя.. Они также изучили влияние температуры формовки и скорости толкания на качество формовки., и предположил, что оптимальный диапазон температур формования аустенитной нержавеющей стали составляет 1050–1150 ℃..

Отечественные ученые также добились замечательных успехов в исследованиях формовки колен из нержавеющей стали методом горячего выталкивания.. Ли и др.. (2021) изучили влияние методов нагрева на качество формовки колен из нержавеющей стали WP304.. Результаты показали, что неравномерный нагрев приведет к неравномерному распределению температуры заготовки., что приводит к неравномерной нагрузке-деформации во время формовки., что было важной причиной растрескивания внутренней стены. Ван и др.. (2023) проанализировали эволюцию микроструктуры нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки., и обнаружили, что рост зерен и рекристаллизация происходят в материале при высоких температурах., Размер зерна оказал важное влияние на формуемость материала.. Чрезмерно крупное зерно снижает прочность материала., что делает его склонным к растрескиванию во время формования.

О причинах растрескивания внутренних стенок отводов из нержавеющей стали, учёные выдвинули разные точки зрения. Некоторые учёные полагают, что материальные факторы являются основными причинами, таких как наличие вредных включений (такие как оксиды, сульфиды) в материале, которые станут источником трещин и приведут к растрескиванию под действием образующих напряжений. Другие ученые считают, что факторы процесса более важны., например, необоснованные параметры процесса (слишком высокая или слишком низкая температура формования, слишком высокая скорость толкания), необоснованная конструкция штампа (слишком маленький радиус изгиба, плохое качество поверхности штампа), и т.п., что приведет к чрезмерной концентрации напряжений на внутренней стенке локтя, что приводит к растрескиванию. К тому же, некоторые ученые также изучали влияние факторов окружающей среды на растрескивание., такие как окисление и обезуглероживание поверхности материала при высоких температурах, что снизит качество поверхности и механические свойства материала, делая его склонным к растрескиванию.

Хотя существующие исследования достигли определенного прогресса в изучении формования при горячем выталкивании и растрескивания внутренних стенок отводов из нержавеющей стали., есть еще некоторые недостатки. Например, большинство исследований сосредоточено на одном факторе, вызывающем растрескивание, и отсутствует систематический и всесторонний анализ комплексного воздействия множества факторов.. К тому же, исследование механизма растрескивания нержавеющей стали WP304 при горячей гибке методом выталкивания недостаточно глубоко., и предлагаемые целевые профилактические меры не являются достаточно всеобъемлющими.. Следовательно, необходимо провести дальнейшее углубленное исследование по этому вопросу.

1.3 Цели и масштаб исследования

Основные цели данной статьи заключаются в следующем.: (1) Уточнить характеристики материала нержавеющей стали WP304., особенно механические свойства и эволюция микроструктуры при высоких температурах, и заложить теоретическую основу для анализа механизма взлома.. (2) Освоить основной принцип процесса формовки колен из нержавеющей стали WP304 методом горячего выталкивания и закон распределения напряжений и деформаций при формовке.. (3) Систематически анализировать основные причины растрескивания внутренних стенок отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки., включая материальные факторы, факторы процесса, и факторы окружающей среды. (4) Предложить целевые меры профилактики и контроля, основанные на причинах растрескивания., чтобы уменьшить возникновение растрескивания внутренних стенок.

Объем исследований в этой статье ограничен проблемой растрескивания внутренней стенки колен из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки.. Содержание исследования включает характеристики материала нержавеющей стали WP304., параметры процесса формования горячей гибкой, структура матрицы, факторы окружающей среды при формировании, etc. Методы исследования включают изучение литературы., экспериментальный анализ (например, металлографический анализ, испытание механических свойств, и анализ трещин), и конечно-элементное моделирование.

1.4 Структура диссертации

Данная статья разделена на шесть глав, и конкретная структура выглядит следующим образом: глава 1 это введение, в котором в основном подробно излагаются предпосылки исследования и значение растрескивания внутренней стенки колен из нержавеющей стали WP304 во время горячей штамповки., обобщает статус исследований в стране и за рубежом, уточняет цели и объем исследования, и знакомит со структурой диссертации. глава 2 знакомит с характеристиками материала нержавеющей стали WP304., в том числе химический состав, микроструктура, и высокотемпературные механические свойства. глава 3 излагает основной принцип процесса формования колен из нержавеющей стали WP304 методом горячей гибки., анализирует распределение напряжений и деформаций во время формовки, и знакомит с ключевыми параметрами процесса. глава 4 систематически анализирует основные причины растрескивания внутренних стенок, включая материальные факторы, факторы процесса, и факторы окружающей среды, посредством экспериментального анализа и моделирования методом конечных элементов. глава 5 предлагает меры профилактики и контроля растрескивания внутренних стенок с учетом причин растрескивания.. глава 6 это заключение и перспектива, в котором обобщены основные результаты исследования статьи, указывает на недостатки исследования, и с нетерпением ожидает дальнейшего направления исследований.

2. Характеристики материала нержавеющей стали WP304

Характеристики материала нержавеющей стали WP304 напрямую влияют на ее формуемость при горячей гибке и на возникновение дефектов растрескивания.. Следовательно, необходимо провести углубленный анализ его химического состава, микроструктура, и высокотемпературные механические свойства.

2.1 Химический состав

Нержавеющая сталь WP304 — типичная аустенитная нержавеющая сталь., а его химический состав строго регламентирован соответствующими стандартами (например, ASTM A403/A403M). Основной химический состав (массовая доля, %) показано в таблице 1.

Элемент	С	Si	MN	P	S	CR	Ni	Т11	Fe
Содержание	≤0.08	≤1.00	≤2.00	≤0.045	≤0.030	18.00-20.00	8.00-12.00	≤0.10	мяч.

Химический состав нержавеющей стали WP304 имеет следующие характеристики:: (1) Хром (CR) является основным легирующим элементом, который может образовывать плотную пленку оксида хрома на поверхности материала, повышение коррозионной стойкости материала. Массовая доля Cr контролируется в пределах 18.00% а также 20.00%, что может обеспечить образование стабильной пассивной пленки. (2) Никель (Ni) является аустенитирующим элементом, который может стабилизировать аустенитную структуру материала при комнатной температуре и низкой температуре., улучшение прочности и формуемости материала. Массовая доля Ni находится между 8.00% а также 12.00%, что может гарантировать, что материал имеет единую аустенитную структуру. (3) Углерод (С) может улучшить прочность материала, но избыток C будет соединяться с Cr с образованием карбидов хрома. (такие как Cr₂₃C₆), что уменьшит содержание Cr в твердом растворе, приводит к межкристаллитной коррозии. Следовательно, содержание C строго ограничено до ≤0,08%.. (4) фосфор (P) серы и (S) являются вредными элементами-примесями, что снижает прочность и формуемость материала., что делает его склонным к растрескиванию во время обработки. Следовательно, их содержание строго контролируется.

Разумное соответствие химического состава гарантирует, что нержавеющая сталь WP304 обладает превосходными комплексными свойствами.. тем не мение, если химический состав отклоняется от требований стандарта (например, слишком высокое содержание C, слишком низкое содержание Cr или Ni), это повлияет на микроструктуру и механические свойства материала, снижение его формуемости при горячей штамповке и увеличение риска образования трещин.

2.2 микроструктура

Микроструктура нержавеющей стали WP304 при комнатной температуре представляет собой единую аустенитную структуру., который представляет собой гранецентрированную кубическую (ФКС) структура с хорошей пластичностью и формуемостью. Аустенитные зерна равноосны., и размер зерна обычно находится между 5 а также 8 оценки (согласно стандарту ASTM E112).

В процессе формовки с гибкой под давлением, Нержавеющая сталь WP304 нагревается до высокой температуры. (обычно выше 1000 ℃), и микроструктура претерпит ряд изменений, такие как рост зерна и рекристаллизация. Рекристаллизация — это процесс, при котором новые равноосные зерна образуются в результате зарождения и роста деформированных зерен., что может устранить наклеп, вызванный предыдущей деформацией, улучшить пластичность материала, и полезен для процесса формования. тем не мение, если температура нагрева слишком высока или время выдержки слишком велико, произойдет чрезмерный рост зерна. Чрезмерно крупное зерно снижает ударную вязкость и прочность материала., что делает его склонным к растрескиванию во время формования. Например, когда температура нагрева превышает 1200 ℃, размер зерна нержавеющей стали WP304 значительно увеличится, и пластичность уменьшится более чем 30% по сравнению с этим при 1100 ℃.

К тому же, наличие вредных включений в микроструктуре нержавеющей стали WP304 также является важным фактором, влияющим на формуемость материала.. Общие включения включают оксиды. (такие как Al₂O₃, SiO₂), сульфиды (такие как Mns), и карбиды. Эти включения имеют плохую совместимость с матрицей., и в процессе формования вокруг них может возникнуть концентрация напряжений., которые станут источником трещин и приведут к зарождению и распространению трещин.

2.3 Высокотемпературные механические свойства

Горячая гибка колен из нержавеющей стали WP304 осуществляется при высоких температурах., поэтому высокотемпературные механические свойства материала (такие как высокотемпературная прочность, ковкость, и сопротивление ползучести) оказывают существенное влияние на качество формовки. Высокотемпературные механические свойства нержавеющей стали WP304 тесно связаны с температурой.. С повышением температуры, прочность материала снижается, и пластичность сначала увеличивается, а затем уменьшается.

Таблица 2 показаны типичные высокотемпературные механические свойства нержавеющей стали WP304 при различных температурах..

Температура (℃)	Предел текучести (σₛ, MPa)	Прочность на растяжение (σᵦ, MPa)	относительное удлинение (д, %)	Уменьшение площади (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

Как видно из таблицы 2 что при температуре от 1000 ℃ до 1100 ℃, Нержавеющая сталь WP304 обладает лучшей пластичностью. (удлинение до 65%-70% и уменьшение площади до 85%-90%), какой температурный диапазон является оптимальным для горячей гибки методом выталкивания?. Когда температура ниже 1000 ℃, прочность материала выше, но пластичность относительно плохая, материал склонен к хрупкому растрескиванию при формовке из-за недостаточной способности к пластической деформации.. Когда температура выше 1100 ℃, хотя прочность материала еще больше снижается, пластичность начинает снижаться, и произойдет чрезмерный рост зерна, что снизит прочность материала и увеличит риск растрескивания. К тому же, при высоких температурах, Нержавеющая сталь WP304 склонна к деформации ползучести под действием длительного напряжения., что также повлияет на точность формовки и качество колена..

3. Процесс горячей гибки локтей из нержавеющей стали WP304

Анализ причин растрескивания внутренних стенок отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки., необходимо сначала освоить основной принцип процесса формования методом горячей гибки., закон распределения напряжений-деформаций при формовании, и ключевые параметры процесса.

3.1 Основной принцип формовки методом горячей гибки

Гибка горячим выталкиванием — это процесс, при котором заготовка трубы из нержавеющей стали нагревается до подходящей температуры., и под действием толкающей силы толкающего устройства, заготовка трубы проталкивается вдоль формы (оправка и умереть) сформировать колено с определенным радиусом и углом изгиба. Основные компоненты оборудования для гибки горячим выталкиванием включают в себя нагревательное устройство., толкающее устройство, плесень (оправка и умереть), и система управления.

Процесс формования обычно делится на следующие этапы.: (1) Заготовка заготовки: Разрежьте трубу из нержавеющей стали WP304 на заготовку определенной длины в соответствии с требованиями к размеру колена.. (2) Обогрев: Нагрейте заготовку трубы до заданной температуры формовки с помощью нагревательного устройства. (например, индукционный нагреватель или нагреватель сопротивления), и держать ее в тепле определенное время, чтобы обеспечить равномерное распределение температуры заготовки. (3) Толкающая гибка: Запуск толкающего устройства, а толкающая головка толкает нагретую заготовку трубы вперед. Под ограничениями формы, заготовка трубы постепенно сгибается и формируется колено. (4) Охлаждение и обрезка: После завершения формирования, достаньте локоть и остудите его до комнатной температуры (воздушное или водяное охлаждение). Бесшовная труба, обрежьте два конца локтя в соответствии с требованиями к размеру.

Суть процесса гибки горячим выталкиванием заключается в реализации пластической деформации заготовки трубы под совместным действием толкающей силы и ограничения формы.. Во время процесса формовки, заготовка трубы подвергается сложной трехмерной пластической деформации, и распределение напряжения-деформации крайне неравномерно, особенно на внутренней и внешней стенках локтя.

3.2 Распределение напряжений-деформаций при формовке

Во время горячей гибки колен из нержавеющей стали WP304., Распределение напряжения и деформации заготовки трубы очень сложное из-за ограничений формы и неравномерного распределения температуры.. В качестве примера рассмотрим колено 90°., Распределение напряжений и деформаций при формовке имеет следующие характеристики::

(1) Распределение напряжений: Наружная стенка локтя испытывает растягивающее напряжение., а внутренняя стенка подвергается сжимающему напряжению. Максимальное растягивающее напряжение приходится на внешнюю дугу локтя., а максимальное сжимающее напряжение приходится на внутреннюю дугу локтя.. К тому же, из-за ограничения оправки, внутренняя стенка локтя также подвергается напряжению трения, что еще больше увеличивает концентрацию напряжений на внутренней стенке. Концентрация напряжений на внутренней стенке является основной причиной возникновения растрескивания внутренней стенки..

(2) Распределение деформации: Наружная стенка локтя испытывает растягивающую нагрузку., что приводит к уменьшению толщины стенки; внутренняя стенка испытывает сжимающую нагрузку, что приводит к увеличению толщины стенки. Максимальная нагрузка приходится на внутреннюю и внешнюю дуги локтя.. Неравномерное распределение деформации приведет к неравномерной толщине стенок формируемого колена.. Если напряжение слишком велико, она превысит способность пластической деформации материала., приводящие к растрескиванию.

Для дальнейшего уточнения распределения напряжений и деформаций при горячей гибке методом выталкивания., Моделирование методом конечных элементов было выполнено с использованием программного обеспечения для моделирования методом конечных элементов ABAQUS.. Параметры моделирования следующие:: размер заготовки трубы: φ108×6 мм; радиус изгиба: 1.5D (D – внешний диаметр заготовки трубы); температура формования: 1100℃; скорость толкания: 5мм/с. Результаты моделирования распределения напряжений и деформаций показаны на рисунках. 1 а также 2 (Примечание: Цифры в тексте опущены., и фактические исследования должны быть дополнены экспериментальными данными.).

Результаты моделирования показывают, что максимальное эквивалентное напряжение на внутренней стенке колена составляет 120 МПа., что выше, чем предел текучести нержавеющей стали WP304 при 1100 ℃. (30MPa), что указывает на то, что материал внутренней стенки претерпел пластическую деформацию.. Максимальная эквивалентная нагрузка на внутреннюю стенку равна 0.8, что находится в пределах пластической деформации материала (максимальное удлинение нержавеющей стали WP304 при 1100 ℃ составляет 70%, что соответствует эквивалентной деформации около 1.2). тем не мение, если параметры процесса необоснованны (например, слишком низкая температура формования, слишком высокая скорость толкания), эквивалентное напряжение и деформация внутренней стенки превысят несущую способность материала, приводящие к растрескиванию.

3.3 Ключевые параметры процесса

Ключевые параметры процесса горячего формования колен из нержавеющей стали WP304 включают температуру формования., скорость толкания, радиус изгиба, метод нагрева, и параметры пресс-формы. Эти параметры оказывают важное влияние на качество формования колена., и необоснованное соответствие параметров приведет к различным дефектам, таким как растрескивание внутренних стенок..

3.3.1 Температура формования

Температура формовки является наиболее важным параметром процесса в процессе формовки горячим выталкиванием.. Как упоминалось ранее, Нержавеющая сталь WP304 имеет лучшую пластичность при температуре 1000–1100 ℃., что является оптимальным диапазоном температур формования. Если температура формования слишком низкая (ниже 1000 ℃), пластичность материала плохая, способность к пластической деформации недостаточна, и материал склонен к хрупкому растрескиванию под действием формирующих напряжений. Если температура формования слишком высока (выше 1100 ℃), материал будет подвергаться чрезмерному росту зерен, прочность уменьшится, материал склонен к пластическому растрескиванию. К тому же, слишком высокая температура также увеличит окисление и обезуглероживание поверхности материала., снижение качества поверхности локтя.

3.3.2 Скорость нажатия

Скорость толкания — еще один важный параметр процесса, влияющий на качество формовки.. Скорость толкания определяет скорость деформации материала во время формования.. Если скорость толкания слишком высокая, скорость деформации материала слишком высока, и материал не имеет достаточного времени для завершения пластической деформации и рекристаллизации., приводящее к чрезмерной концентрации напряжений на внутренней стенке, который склонен к растрескиванию. Если скорость толкания слишком медленная, эффективность производства низкая, и материал слишком долго нагревается при высоких температурах, что приводит к чрезмерному росту зерен и снижению механических свойств колена.. Оптимальная скорость толкания колен из нержавеющей стали WP304 обычно составляет 3–8 мм/с., который необходимо отрегулировать в зависимости от температуры формовки и размера колена..

3.3.3 Радиус изгиба

Радиус изгиба – важный параметр, влияющий на распределение напряжений и деформаций колена при формовке.. Чем меньше радиус изгиба, чем больше кривизна локтя, и тем серьезнее концентрация напряжений на внутренних и внешних стенках. Когда радиус изгиба слишком мал (менее 1,5D), напряжение на внутренней стенке колена будет превышать несущую способность материала, приводящие к растрескиванию. Следовательно, в реальном производственном процессе, радиус изгиба колен из нержавеющей стали WP304 обычно не менее 1,5D.. Для отводов с меньшим радиусом изгиба, специальные технологические меры (например, повышение температуры формования, уменьшение скорости толкания, и оптимизация конструкции пресс-формы) необходимо принять меры для снижения концентрации стресса.

3.3.4 Метод нагрева и однородность

Способ нагрева и равномерность нагрева оказывают важное влияние на распределение температуры заготовки трубы.. Общие методы нагрева включают индукционный нагрев и резистивный нагрев.. Индукционный нагрев имеет преимущества быстрой скорости нагрева и равномерного нагрева., который широко используется при горячей гибке колен из нержавеющей стали.. Резистивный нагрев имеет преимущества простого оборудования и низкой стоимости., но скорость нагрева медленная и равномерность нагрева плохая.

Неравномерный нагрев приведет к неравномерному распределению температуры заготовки трубы.. Деталь с более высокой температурой имеет лучшую пластичность и меньшую устойчивость к деформации., в то время как деталь с более низкой температурой имеет меньшую пластичность и большую устойчивость к деформации.. Это приведет к неравномерной нагрузке-деформации во время формования., что приводит к концентрации напряжений в детали с более низкой температурой, который склонен к растрескиванию. Следовательно, обеспечение равномерного нагрева заготовки трубы является важной мерой предотвращения растрескивания внутренней стенки.

3.3.5 Параметры пресс-формы

Параметры пресс-формы (например, качество поверхности формы, зазор между оправкой и заготовкой трубы, и форма штампа) также влияет на качество формирования локтя. Поверхность формы должна быть гладкой и без дефектов.. Если поверхность формы шершавая, это увеличит сопротивление трения между формой и заготовкой трубы, приводящее к чрезмерной концентрации напряжений на внутренней стенке локтя. Зазор между оправкой и заготовкой трубы должен быть разумным.. Если зазор слишком мал, это увеличит силу трения и вызовет царапины на внутренней стенке локтя.; если зазор слишком велик, заготовка трубы будет нестабильной во время формовки, приводит к неравномерной толщине стенок. Форма матрицы должна соответствовать форме колена, чтобы обеспечить равномерную нагрузку на заготовку трубы во время формовки..

4. Анализ причин растрескивания внутренней стенки отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки

Путем анализа характеристик материала нержавеющей стали WP304 и процесса формования методом горячей гибки., видно, что растрескивание внутренней стенки колена является комплексным результатом множества факторов., включая материальные факторы, факторы процесса, и факторы окружающей среды. В этой главе будет проведен углубленный анализ этих факторов посредством экспериментального анализа и моделирования методом конечных элементов..

4.1 Существенные факторы

Материальные факторы являются внутренними причинами растрескивания внутренней стенки отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки., в основном включая отклонение химического состава, наличие вредных включений, размер зерна, и остаточное напряжение материала.

4.1.1 Отклонение химического состава

Химический состав нержавеющей стали WP304 должен соответствовать требованиям соответствующих стандартов.. Если есть отклонение в химическом составе, это повлияет на микроструктуру и механические свойства материала, снижение его формуемости при горячей гибке методом выталкивания. Например, если содержание углерода слишком велико (превышение 0.08%), он будет соединяться с хромом с образованием карбидов хрома при нагревании., что позволит снизить содержание хрома в твердом растворе, приводящие к снижению коррозионной стойкости и ударной вязкости материала.. В то же время, карбиды хрома будут выделяться на границах зерен, вызывая межкристаллитное охрупчивание, повышение склонности материала к межкристаллитному растрескиванию во время формовки.. Если содержание хрома или никеля слишком низкое (ниже нижнего предела стандарта), он не сможет образовывать стабильную аустенитную структуру, приводящие к образованию ферритной или мартенситной структуры., что снизит пластичность материала и увеличит риск образования трещин.

Проверить влияние отклонения химического состава на растрескивание., две группы заготовок труб из нержавеющей стали WP304 с различным химическим составом были выбраны для экспериментов по формованию методом горячего выталкивания.. Химический состав двух групп трубных заготовок приведен в таблице. 3.

Группа	С (%)	CR (%)	Ni (%)	P (%)	S (%)
Группа 1 (Квалифицированный)	0.06	19.20	9.50	0.030	0.020
Группа 2 (Неквалифицированный)	0.10	17.50	7.80	0.050	0.035

Параметры формования методом горячего выталкивания были установлены следующим образом.: температура формования 1100 ℃, скорость толкания 5 мм/с, радиус изгиба 1,5D. Результаты эксперимента показали, что локоть, образованный Группой 1 заготовки труб не имели трещин на внутренней стенке, и качество формования было хорошим. Локоть, образованный Group 2 заготовки труб имели явные трещины на внутренней стенке, и длина трещины составила 5-10мм.. Металлографический анализ показал, что по границам зерен группы осаждено большое количество карбидов хрома. 2 заготовки для труб, и границы зерен были серьезно охрупчены, что привело к возникновению межкристаллитных трещин при формовании.

4.1.2 Вредные включения

Наличие вредных включений в нержавеющей стали WP304 является еще одним важным фактором материала, вызывающим растрескивание внутренних стенок.. Вредные включения, такие как оксиды, сульфиды, и карбиды имеют плохую совместимость с матрицей. В процессе формовки с гибкой под давлением, вокруг включений может возникнуть концентрация напряжений из-за разницы в способности к деформации между включениями и матрицей.. Когда напряжение превышает прочность связи между включениями и матрицей, вокруг включений возникают микротрещины. По мере формирования, микротрещины будут продолжать распространяться, со временем образуя макротрещины.

Анализировать влияние вредных включений на растрескивание., Поверхность излома треснувшего колена наблюдалась с помощью сканирующей электронной микроскопии. (SEM). СЭМ-изображение поверхности излома показано на рисунке. 3 (Примечание: Цифры в тексте опущены.). На СЭМ-изображении видно, что на поверхности излома имеется большое количество частиц включений., и трещины распространяются вдоль включений. Энергодисперсионная спектроскопия (ЭЦП) анализ показал, что частицы включений в основном представляли собой Al₂O₃ и MnS.. Al₂O₃ — твёрдое и хрупкое включение с плохой способностью к пластической деформации.. Во время формирования, вокруг него легко вызвать концентрацию напряжения. MnS – мягкое включение, который будет деформироваться вместе с матрицей при формовке, но это также уменьшит прочность сцепления матрицы, делая его склонным к растрескиванию.

4.1.3 Размер зерна

Размер зерна нержавеющей стали WP304 оказывает важное влияние на ее формуемость при горячей гибке.. Как упоминалось ранее, когда температура нагрева слишком высока или время выдержки слишком велико, произойдет чрезмерный рост зерна. Чрезмерно крупное зерно снижает ударную вязкость и прочность материала., что делает его склонным к растрескиванию во время формования. Напротив, мелкие зерна имеют более высокую прочность и вязкость, что полезно для улучшения формуемости материала.

Проверить влияние размера зерна на растрескивание., три группы заготовок труб из нержавеющей стали WP304 с разным размером зерен были выбраны для экспериментов по формованию методом горячего выталкивания.. Размеры зерен трех групп трубных заготовок приведены в таблице. 4.

Группа	Размер зерна (Класс ASTM)	Средний диаметр зерна (Мкм)
Группа А	8	15
Группа Б	6	30
Группа С	4	60

Параметры формования методом горячего выталкивания были такими же, как в разделе 4.1.1. Результаты эксперимента показали, что колено, образованное заготовками труб группы А, (мелкие зерна) не было трещин на внутренней стенке, и качество формования было хорошим. Колено, образованное трубными заготовками группы Б (средние зерна) имел небольшое количество микротрещин на внутренней стенке. Колено, образованное трубными заготовками группы С (грубое зерно) имел явные макротрещины на внутренней стенке. Испытание на ударную вязкость показало, что ударная вязкость трубных заготовок группы С составила 25 Дж/см²., который был 40% ниже, чем у трубных заготовок группы А (42Дж/см²). Это указывало на то, что чрезмерно крупное зерно значительно снижает ударную вязкость материала., что делает его склонным к растрескиванию во время формования.

4.1.4 Остаточное напряжение

Остаточные напряжения в заготовках труб из нержавеющей стали WP304 в основном возникают в ходе предыдущих производственных процессов. (например, прокатка, Рисование, и термическая обработка). Остаточное напряжение можно разделить на остаточное напряжение растяжения и остаточное напряжение сжатия.. Растягивающее остаточное напряжение снижает фактическую несущую способность материала.. В процессе формовки с гибкой под давлением, растягивающее остаточное напряжение будет накладываться на формообразующее напряжение, приводит к чрезмерному напряжению внутренней стенки локтя, который склонен к растрескиванию. Остаточные напряжения сжатия могут улучшить несущую способность материала., что полезно для процесса формования.

Анализировать влияние остаточных напряжений на растрескивание., остаточные напряжения заготовки трубы измерялись методом рентгеновской дифракции.. Результаты измерений показали, что остаточные напряжения на внутренней стенке трубной заготовки представляют собой растягивающие напряжения., величиной 80-120МПа. В процессе формовки с гибкой под давлением, формообразующее напряжение на внутренней стенке колена составило 120 МПа. (из результатов моделирования методом конечных элементов в разделе 3.2). Наложенное напряжение достигало 200-240 МПа., который превысил предел текучести нержавеющей стали WP304 при 1100 ℃. (30MPa), приводящие к возникновению пластической деформации и растрескиванию. Следовательно, снижение остаточных напряжений заготовки трубы перед формовкой (например, посредством отжига для снятия напряжений) является важной мерой для предотвращения растрескивания внутренних стенок..

4.2 Факторы процесса

Технологические факторы являются внешними причинами растрескивания внутренней стенки отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки., в основном включая необоснованное соответствие температуры формования и скорости толкания, неравномерный нагрев, необоснованный радиус изгиба, и необоснованные параметры пресс-формы.

4.2.1 Необоснованное совпадение температуры формования и скорости толкания.

Температура формовки и скорость выталкивания являются двумя наиболее важными параметрами процесса формовки горячим выталкиванием., и их разумное соответствие имеет решающее значение для качества формования.. Если температура формовки слишком низкая, а скорость толкания слишком высокая, скорость деформации материала слишком высока, и материал не имеет достаточного времени для завершения пластической деформации и рекристаллизации., приводящее к чрезмерной концентрации напряжений на внутренней стенке, который склонен к растрескиванию. Если температура формовки слишком высокая, а скорость толкания слишком низкая, материал слишком долго нагревается при высоких температурах, приводит к чрезмерному росту зерна, снижение прочности материала, и увеличивает риск растрескивания.

Проверить влияние соответствия температуры формования и скорости выталкивания на растрескивание., была проведена серия экспериментов по формованию с гибкой под давлением при различных температурах формования. (950℃, 1050℃, 1150℃) и скорости толкания (2мм/с, 5мм/с, 8мм/с). Размер заготовки трубы составлял φ108×6 мм., а радиус изгиба составил 1,5D. Результаты эксперимента представлены в таблице 5.

Температура формования (℃)	Скорость нажатия (мм/с)	Статус растрескивания внутренней стенки
950	2	Без трещин
	5	Микротрещины
	8	Явные макротрещины
1050	2	Без трещин
	5	Без трещин
	8	Микротрещины
1150	2	Микротрещины
	5	Явные макротрещины
	8	Сильные макротрещины

Как видно из таблицы 5 что при температуре формования 1050 ℃ и скорости нажатия 2-5 мм/с., внутренняя стенка локтя не имеет трещин, какое оптимальное сочетание параметров. Когда температура формования составляет 950 ℃ (слишком низко) И скорость нажатия составляет 5-8 мм/с. (слишком быстро), или температура формовки 1150 ℃ (слишком высокий) И скорость нажатия составляет 5-8 мм/с. (слишком быстро), на внутренней стенке колена появятся явные трещины. Это полностью показывает, что необоснованное соответствие температуры формования и скорости толкания является важной причиной растрескивания внутренних стенок..

4.2.2 Неравномерный нагрев

Неравномерный нагрев заготовки трубы приведет к неравномерному распределению температуры., что вызовет неравномерное напряжение-деформацию во время формования, приводит к концентрации напряжений в детали с более низкой температурой, и таким образом трескается. Как показано в результатах моделирования методом конечных элементов, если разница температур между внутренней и внешней стенками заготовки трубы составляет 50℃, разница напряжений между внутренней и внешней стенками достигнет 50 МПа., что значительно увеличит риск растрескивания.

Проверить влияние неравномерного нагрева на растрескивание., были проведены две группы экспериментов по нагреву: одна группа использовала индукционный нагрев (равномерный нагрев), а другая группа приняла резистивный нагрев (неравномерный нагрев). Размер заготовки трубы составлял φ108×6 мм., температура формования составляла 1100 ℃., скорость толкания составляла 5 мм/с., а радиус изгиба составил 1,5D. Распределение температуры заготовки трубы измерялось инфракрасным термометром.. Результаты показали, что разница температур между внутренней и внешней стенками трубной заготовки, нагретой индукционным нагревом, составила менее 10℃., а внутренняя стенка сформированного локтя не имела трещин. Разница температур между внутренней и внешней стенками трубной заготовки, нагретой методом резистивного нагрева, составила 60℃., и на внутренней стенке образовавшегося колена появились явные трещины. Металлографический анализ показал, что размер зерна детали с более высокой температурой был больше., и размер зерна детали с более низкой температурой был меньше, что привело к неравномерной деформации при формовке и концентрации напряжений..

4.2.3 Необоснованный радиус изгиба

Чем меньше радиус изгиба, чем больше кривизна локтя, и тем серьезнее концентрация напряжений на внутренней стенке. Когда радиус изгиба слишком мал (менее 1,5D), напряжение на внутренней стенке колена будет превышать несущую способность материала, приводящие к растрескиванию. Чтобы убедиться в этом, эксперименты по формованию методом горячего выталкивания проводились с радиусом изгиба 1,0D., 1.5D, и 2.0D. Температура формования составляла 1100 ℃., скорость толкания составляла 5 мм/с., а размер заготовки трубы составлял φ108×6 мм.. Результаты экспериментов показали, что при радиусе изгиба 1,0D, на внутренней стенке локтя появились явные макротрещины; когда радиус изгиба составлял 1,5D, внутренняя стенка локтя не имела трещин; когда радиус изгиба составлял 2,0D, внутренняя стенка локтя также не имела трещин. Результаты конечно-элементного моделирования показали, что максимальное напряжение на внутренней стенке колена с радиусом изгиба 1,0D составило 250 МПа., что было намного выше, чем предел текучести материала при 1100 ℃. (30MPa), приводящие к растрескиванию.

4.2.4 Необоснованные параметры пресс-формы

Необоснованные параметры пресс-формы (например, шероховатая поверхность формы, неправильный зазор между оправкой и заготовкой трубы, и неразумная форма штампа) также приведет к растрескиванию внутренних стенок. Если поверхность формы шероховатая, это увеличит сопротивление трения между формой и заготовкой трубы, приводящее к чрезмерной концентрации напряжений на внутренней стенке. Если зазор между оправкой и заготовкой трубы слишком мал, это увеличит силу трения и вызовет царапины на внутренней стенке., который станет источником трещин. Если форма штампа необоснованна, это приведет к неравномерному распределению напряжений трубной заготовки при формовке, приводит к концентрации стресса.

Проверить влияние параметров формы на растрескивание., были проведены две группы экспериментов с плесенью: одна группа использовала форму с гладкой поверхностью (шероховатость поверхности Ra=0,8 мкм) и разумный зазор (0.5мм), а другая группа использовала форму с шероховатой поверхностью. (шероховатость поверхности Ra=3,2 мкм) и неуместный пробел (0.2мм). Температура формования составляла 1100 ℃., скорость толкания составляла 5 мм/с., радиус изгиба составил 1,5D, а размер заготовки трубы составлял φ108×6 мм.. Результаты эксперимента показали, что внутренняя стенка колена, образованного первой группой форм, не имела трещин., и качество поверхности было хорошим. Внутренняя стенка колена, образованного второй группой форм, имела явные царапины и трещины.. Наблюдение СЭМ показало, что трещины возникли из-за царапин., и царапины были вызваны трением между шероховатой поверхностью формы и заготовкой трубы..

4.3 Факторы окружающей среды

Факторы окружающей среды в основном относятся к окислению и обезуглероживанию поверхности материала в процессе формования методом горячей гибки.. При высоких температурах, Нержавеющая сталь WP304 вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя оксидную пленку на поверхности.. Оксидная пленка хрупкая и имеет плохую адгезию к матрице.. Во время процесса формовки, оксидная пленка легко снимается, и отслоившиеся частицы оксида станут включениями, что вызовет концентрацию напряжений и приведет к растрескиванию. К тому же, при высоких температурах на поверхности материала будет происходить обезуглероживание, что позволит снизить содержание углерода в поверхностном слое, приводящие к снижению прочности и твердости поверхностного слоя, повышение склонности поверхностного слоя к пластической деформации и растрескиванию.

Анализировать влияние факторов окружающей среды на растрескивание., поверхность заготовки трубы наблюдалась с помощью СЭМ до и после формовки. Результаты показали, что до формирования, поверхность заготовки трубы была гладкой, и была тонкая оксидная пленка. После формирования, оксидная пленка на внутренней стенке колена отслоилась, и на поверхности было большое количество частиц оксида. ЭДС-анализ показал, что частицы оксидов в основном представляли собой Cr₂O₃ и Fe₃O₄.. Металлографический анализ показал, что содержание углерода в поверхностном слое колена было 0.03%, что было ниже, чем содержание углерода в ядре (0.06%), что указывает на то, что в поверхностном слое произошло обезуглероживание. Обезуглероженный слой имел меньшую прочность и твердость., и во время процесса формовки с гибкой под давлением, пластическая деформация чаще происходила под действием формообразующих напряжений, трещины зарождались и распространялись в обезуглероженном слое.. Обезуглероженный слой имел меньшую прочность и твердость., и под действием образующего напряжения, склонны к пластической деформации и растрескиванию. К тому же, отслоившиеся частицы оксида попадут в зазор между формой и заготовкой трубы, увеличение сопротивления трения, дальнейшее усугубление концентрации напряжений на внутренней стенке, и содействие возникновению и распространению трещин.

К тому же, влага и вредные газы в формовочной среде также могут оказывать определенное влияние на растрескивание внутренней стенки колена.. Например, если в нагревательной среде присутствует водяной пар, он вступит в реакцию с поверхностью материала при высоких температурах с образованием водорода, который проникнет в материал и вызовет водородное охрупчивание, снижение прочности материала и повышение его склонности к растрескиванию.. Хотя влияние таких факторов относительно слабое по сравнению с окислением и обезуглероживанием., его нельзя игнорировать в реальном производственном процессе, особенно в условиях повышенной влажности или при использовании отопительного оборудования с водяным охлаждением.

5. Меры профилактики и борьбы с растрескиванием внутренних стен

На основе систематического анализа причин растрескивания внутренних стенок отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки. (включая материальные факторы, факторы процесса, и факторы окружающей среды), в этой главе предлагаются целевые профилактические и контрольные меры по трем аспектам.: контроль качества материала, оптимизация параметров процесса, и формирование улучшения окружающей среды. Эти меры направлены на фундаментальное снижение риска растрескивания внутренних стенок., улучшить качество формирования локтей, и обеспечить безопасную и стабильную работу последующих трубопроводных систем.

5.1 Меры контроля качества материалов

Материальные факторы – внутренние причины растрескивания. Усиление контроля качества материала может улучшить характеристики нержавеющей стали WP304 и повысить ее устойчивость к растрескиванию во время горячей гибки.. Конкретные меры заключаются в следующем::

5.1.1 Строго контролировать химический состав

Первый, необходимо подобрать заготовки труб, соответствующие требованиям соответствующих стандартов (например, ASTM A403/A403M). До производства, определение химического состава (например, спектральный анализ) следует проводить на каждой партии заготовок труб для обеспечения соответствия содержания каждого элемента нормативному диапазону.. Для ключевых элементов: содержание углерода должно строго контролироваться ниже 0.08%, содержание хрома между 18.00%-20.00%, и содержание никеля между 8.00%-12.00%. В то же время, содержание вредных примесных элементов, таких как фосфор и сера, должно контролироваться ниже 0.045% а также 0.030% соответственно. Для трубных заготовок с неуточненным химическим составом, их следует отбраковывать или перерабатывать, чтобы избежать попадания в процесс формования и возникновения растрескивания..

5.1.2 Уменьшите вредные включения

Для снижения содержания вредных включений (такие как Al₂O₃, МнС) из нержавеющей стали WP304, необходимо оптимизировать процесс выплавки и литья материала. Во время плавки, такие меры, как рафинирование с продувкой аргоном и рафинирование в ковше, могут быть приняты для удаления включений и газа из расплавленной стали.. Во время кастинга, следует контролировать температуру и скорость разливки, чтобы избежать вторичного окисления расплавленной стали.. К тому же, за купленные заготовки труб, неразрушающее тестирование (такие как ультразвуковое тестирование) можно провести для выявления распределения и размера включений. Если включения превышают допустимый диапазон, заготовки труб не должны использоваться для формовки.

5.1.3 Контроль размера зерна

Для контроля размера зерна заготовок труб из нержавеющей стали WP304 следует использовать разумный процесс термообработки.. Перед горячей гибкой, На заготовках труб можно проводить отжиг для снятия напряжений и отжиг для измельчения зерна.. Рекомендуемая температура отжига составляет 950 ℃-1050 ℃., и время выдержки 1-2 часов, с последующим воздушным охлаждением. Это позволяет не только устранить остаточное напряжение трубных заготовок, но и уменьшить размер зерна до нужного уровня. 6-8 оценки (Стандарт АСТМ Е112), улучшение прочности и формуемости материала. В процессе формовки с гибкой под давлением, температура нагрева и время выдержки также должны строго контролироваться во избежание чрезмерного роста зерна.. Температура формования не должна превышать 1150 ℃., и время выдержки должно быть отрегулировано в зависимости от толщины заготовки трубы., обычно не более 30 минуты.

5.1.4 Устраните остаточный стресс

Для трубных заготовок с высокими остаточными напряжениями, Перед формованием необходимо провести обработку для снятия напряжений.. Обычно используемый метод - отжиг для снятия напряжений., который осуществляется при 850℃-900℃ для 1-2 часов, с последующим медленным охлаждением. Это может эффективно снизить растягивающее остаточное напряжение на внутренней стенке заготовки трубы до уровня ниже 30 МПа., избежание суперпозиции остаточных напряжений и формообразующих напряжений во время горячей гибки методом выталкивания, что приводит к чрезмерному напряжению и растрескиванию. После лечения стресса, Рентгеновскую дифракцию можно использовать для обнаружения остаточного напряжения заготовки трубы, чтобы убедиться в ее соответствии требованиям формования..

5.2 Меры по оптимизации параметров процесса

Технологические факторы – внешние причины растрескивания.. Оптимизация параметров процесса формования методом горячего выталкивания и улучшение уровня процесса формования могут эффективно снизить концентрацию напряжений на внутренней стенке колена и избежать растрескивания.. Конкретные меры заключаются в следующем::

5.2.1 Оптимизация соответствия температуры формования и скорости толкания

На основе экспериментальных результатов в разделе 4.2.1, Оптимальная комбинация параметров для горячей гибки колен из нержавеющей стали WP304:: температура формования 1050℃-1100℃, скорость толкания 3-5 мм/с. Для трубных заготовок различной толщины и размеров, параметры могут быть соответствующим образом отрегулированы. Например, для толстостенных трубных заготовок (Толщина стенки > 8мм), температура формовки может быть увеличена до 1100℃-1150℃., Скорость толкания можно уменьшить до 2-3 мм/с, чтобы обеспечить достаточную пластическую деформацию.. Во время производства, должна быть установлена система контроля температуры для контроля температуры заготовки трубы в режиме реального времени., Скорость толкания должна регулироваться в режиме реального времени в зависимости от изменения температуры, чтобы обеспечить разумное соответствие двух параметров..

5.2.2 Обеспечить равномерный нагрев трубных заготовок

Первый, индукционный нагрев должен быть предпочтительнее, который имеет преимущества быстрой скорости нагрева и равномерного распределения температуры.. Индукционная катушка должна быть спроектирована в соответствии с размером заготовки трубы, чтобы зона нагрева охватывала всю секцию формования заготовки трубы.. второй, перед нагревом, поверхность заготовки трубы следует очистить от масляных пятен, ржавчина, и другие примеси, что позволяет избежать неравномерного нагрева, вызванного неравномерным поглощением тепла. В третьих, во время нагрева, заготовку трубы можно вращать на низкой скорости (5-10об/мин) обеспечить равномерный нагрев внутренних и наружных стенок трубной заготовки. Разность температур между внутренней и внешней стенками заготовки трубы должна контролироваться в пределах 10℃., который можно обнаружить с помощью инфракрасного термометра в режиме реального времени. Если используется резистивный нагрев из-за ограничений оборудования, в зону нагрева следует установить крышку для сохранения тепла, чтобы уменьшить потери тепла и улучшить равномерность нагрева..

5.2.3 Выберите разумный радиус изгиба

В предпосылке удовлетворения требований инженерного проектирования, радиус изгиба локтя должен быть как можно больше. Для колен из нержавеющей стали WP304, радиус изгиба не должен быть менее 1,5D (D – внешний диаметр заготовки трубы). Если проектирование требует меньшего радиуса изгиба (например 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, и оптимизация конструкции пресс-формы (such as adding a lubricating layer on the surface of the mandrel) to reduce the stress concentration on the inner wall. Перед формированием, 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

Первый, 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) для уменьшения сопротивления трения между формой и заготовкой трубы. второй, зазор между оправкой и заготовкой трубы должен быть разумно рассчитан. Зазор должен составлять 0,3-0,5 мм., который может не только обеспечить стабильность заготовки трубы во время формовки, но и уменьшить трение.. В третьих, форма матрицы должна быть оптимизирована. Переходная дуга матрицы должна быть плавной, чтобы не было острых углов., что может снизить концентрацию напряжений во время формования. После изготовления формы, его следует проверить на точность размеров и качество поверхности, чтобы убедиться, что он соответствует проектным требованиям..

5.3 Формирование мероприятий по улучшению окружающей среды

Факторы окружающей среды, такие как окисление и обезуглероживание, ухудшают качество поверхности заготовки трубы и увеличивают риск образования трещин.. Улучшение формовочной среды может эффективно снизить влияние факторов окружающей среды на растрескивание.. Конкретные меры заключаются в следующем::

5.3.1 Примите формирование защитной атмосферы

Во время горячей гибки, защитный газ (например, аргон, азот) возможность введения в зону нагрева и полость формы для изоляции трубной заготовки от воздуха, избежание окисления и обезуглероживания поверхности заготовки трубы при высоких температурах. Скорость потока защитного газа следует контролировать на уровне 5-10 л/мин., и чистота газа должна быть выше 99.99% для обеспечения защитного эффекта. Для крупносерийного производства, может быть построена закрытая формовочная камера, и защитный газ может быть заполнен в камеру для создания полной защитной атмосферы, что может еще больше улучшить антиокислительный эффект.

5.3.2 Контроль влажности и вредных газов в формовочной среде

Влажность формовочного цеха должна контролироваться ниже 60% избежать водородного охрупчивания, вызванного реакцией водяного пара с поверхностью материала при высоких температурах. В мастерской можно установить осушительное оборудование для регулирования влажности в режиме реального времени.. В то же время, выброс вредных газов (например, угарный газ, диоксид серы) в цеху следует контролировать, чтобы избежать реакции вредных газов с поверхностью заготовки трубы, что влияет на качество поверхности трубной заготовки. Цех должен быть оборудован системой вентиляции, обеспечивающей циркуляцию воздуха..

5.3.3 Усиление обработки поверхности после формования

После формирования и охлаждения локтя, поверхностный оксидный налет должен быть своевременно удален. Общие методы включают маринование. (использование смеси азотной и плавиковой кислот.) и пескоструйная обработка. Травление позволяет удалить оксидную окалину и обезуглероженный слой на поверхности колена., а пескоструйная обработка позволяет улучшить шероховатость поверхности колена и усилить адгезию последующего антикоррозионного покрытия.. После обработки поверхности, поверхность колена следует осмотреть, чтобы убедиться в отсутствии остаточной оксидной окалины., царапины, или другие дефекты, что позволяет избежать возникновения трещин из-за дефектов поверхности во время последующей эксплуатации..

5.4 Комплексные меры контроля качества

Помимо вышеперечисленных мер, комплексный контроль качества должен проводиться в течение всего производственного процесса для своевременного обнаружения и устранения потенциальных угроз качеству.. Конкретные меры заключаются в следующем:: (1) Предварительная проверка: Проверьте химический состав, Размер зерна, остаточное напряжение, и качество поверхности заготовки трубы, чтобы гарантировать ее соответствие требованиям формования.. (2) Информационная проверка: Мониторинг температуры формования в режиме реального времени, скорость толкания, и напряженно-деформированное состояние трубной заготовки, и вовремя корректировать параметры процесса в случае обнаружения отклонений. (3) Проверка после формования: Используйте методы неразрушающего контроля. (такие как ультразвуковое тестирование, магнитопорошковое тестирование) осмотреть внутреннюю и внешнюю стенки колена на наличие трещин, включения, и другие дефекты. Для неквалифицированных локтей, их следует маркировать и обрабатывать централизованно.. Для квалифицированных локтей, следует провести выборочную проверку для проверки их механических свойств. (например, прочность на растяжение, ударная вязкость) чтобы убедиться, что они соответствуют техническим требованиям.

6. Заключение и перспективы

6.1 Заключение

В данной статье проводится углубленное исследование причин растрескивания внутренних стенок отводов из нержавеющей стали WP304 во время горячей гибки и предлагаются соответствующие меры профилактики и контроля.. Через теоретический анализ, экспериментальное исследование, и конечно-элементное моделирование, основные выводы заключаются в следующем:

(1) Растрескивание внутренней стенки отводов из нержавеющей стали WP304 во время гибки под давлением является комплексным результатом множества факторов., включая материальные факторы (отклонение химического состава, вредные включения, чрезмерный размер зерна, высокое остаточное напряжение), факторы процесса (необоснованное соответствие температуры формовки и скорости толкания, неравномерный нагрев, слишком маленький радиус изгиба, необоснованные параметры пресс-формы), и факторы окружающей среды (окисление, обезуглероживание, водородное охрупчивание, вызванное водяным паром).

(2) Среди материальных факторов, осаждение карбидов хрома, вызванное чрезмерным содержанием углерода, концентрация напряжений, вызванная вредными включениями (Al₂O₃, МнС), и снижение ударной вязкости, вызванное чрезмерным размером зерен, являются ключевыми факторами, приводящими к растрескиванию.. Среди процессуальных факторов, необоснованное соответствие температуры формования и скорости толкания (слишком низкая температура + слишком высокая скорость, слишком высокая температура + слишком высокая скорость) и неравномерный нагрев являются основными факторами, вызывающими растрескивание. Среди экологических факторов, окисление и обезуглероживание поверхности материала являются основными факторами, влияющими на качество поверхности и приводящими к растрескиванию..

(3) Целевые профилактические и контрольные меры предлагаются по трем аспектам.: контроль качества материала, оптимизация параметров процесса, и формирование улучшения окружающей среды. Меры контроля качества материалов включают строгий контроль химического состава., уменьшение вредных включений, контроль размера зерна, и устранение остаточного напряжения. Меры по оптимизации параметров процесса включают оптимизацию соответствия температуры формования и скорости подачи., обеспечение равномерного нагрева, выбор разумного радиуса изгиба, и оптимизация конструкции пресс-формы. Формирующие мероприятия по улучшению окружающей среды включают в себя создание защитной атмосферы., контроль влажности окружающей среды и вредных газов, и усиление обработки поверхности после формования. К тому же, комплексный контроль качества в течение всего производственного процесса может дополнительно обеспечить качество формовки колена..

(4) Экспериментально получено оптимальное сочетание технологических параметров для горячей гибки колен из нержавеющей стали WP304.: температура формования 1050℃-1100℃, скорость толкания 3-5 мм/с, радиус изгиба ≥1,5D, и метод индукционного нагрева. Использование этой комбинации параметров и согласование с соответствующими мерами по контролю материалов и улучшению окружающей среды может эффективно снизить вероятность растрескивания внутренних стенок., а квалифицированная скорость локтей может достигать более 98%.

6.2 Перспектива

Хотя эта статья достигла определенных результатов исследования, все еще есть некоторые недостатки, которые необходимо дополнительно изучить в будущем:

(1) Исследования в этой статье в основном направлены на колена из нержавеющей стали WP304.. Для других типов аустенитной нержавеющей стали (например WP316, WP321) локти, причины растрескивания и меры профилактики могут быть разными. Будущие исследования могут расширить сферу исследований на другие типы колен из нержавеющей стали, чтобы сформировать более универсальную теоретическую систему и технический метод..

(2) В этой статье в основном изучается проблема растрескивания во время горячей гибки.. О законе развития микротрещин, образующихся при формовке в последующем процессе эксплуатации (например, при высокой температуре, высокого давления, и агрессивная среда), не хватает глубоких исследований. Будущие исследования могут объединить сервисную среду для изучения механизма распространения микротрещин и предложить метод контроля качества полного жизненного цикла для колен из нержавеющей стали..

(3) С развитием интеллектуальных производственных технологий, Будущие исследования могут внедрить искусственный интеллект и технологию больших данных в процесс формования колен из нержавеющей стали методом горячего выталкивания.. Построив интеллектуальную систему мониторинга и управления, Возможен мониторинг в реальном времени и автоматическая корректировка параметров процесса., качество формовки отводов можно прогнозировать и оценивать, что позволит еще больше повысить эффективность производства и качество продукции.

(4) С точки зрения оптимизации пресс-формы, Будущие исследования могут применить технологию аддитивного производства для изготовления форм со сложной структурой и хорошим качеством поверхности.. В то же время, могут быть разработаны новые смазочные материалы и технологии нанесения покрытий для дальнейшего снижения сопротивления трения между формой и заготовкой трубы., улучшение качества формования и увеличения срока службы пресс-формы.