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Analyse des causes de la fissuration de la paroi intérieure des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud
Abstrait: Acier inoxydable WP304, en tant que matériau en acier inoxydable austénitique largement utilisé, est largement appliqué dans les composants coudés de la pétrochimie, aéronautique et espace, et les domaines du génie maritime en raison de son excellent corrosion la résistance, Propriétés mécaniques, et stabilité à haute température. Le formage par pliage à chaud est un processus de fabrication courant pour les coudes en acier inoxydable., caractérisé par une efficacité de production élevée, bonne qualité de formage, et une forte adaptabilité aux formes complexes. toutefois, la fissuration de la paroi intérieure se produit souvent pendant le processus de formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304, ce qui affecte sérieusement le taux de qualification des produits, augmente les coûts de production, et pose même des risques potentiels pour la sécurité lors de l'entretien ultérieur des coudes. Pour résoudre ce problème technique, cet article mène une étude approfondie sur les causes de fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud.
Premièrement, le document développe les caractéristiques matérielles de l'acier inoxydable WP304, y compris sa composition chimique, microstructure, et propriétés mécaniques à haute température, poser une base théorique pour analyser le mécanisme de fissuration. en deuxième, il présente le principe de base et les paramètres clés du processus de formage par pliage à chaud, et clarifie la loi de répartition contrainte-déformation du coude pendant le processus de formage, notamment le phénomène de concentration des contraintes sur la paroi intérieure. alors, grâce à une combinaison de recherches documentaires, analyse expérimentale, et simulation par éléments finis, les principales causes de fissuration des parois intérieures sont systématiquement analysées, y compris les facteurs matériels (comme les inclusions, taille de grain, et stress résiduel), facteurs de processus (comme la température de formage, vitesse de poussée, conception de matrice, et uniformité du chauffage), et facteurs environnementaux (comme l'oxydation et la décarburation). finalement, des mesures de prévention et de contrôle correspondantes sont proposées en fonction des causes de fissuration, comme l'optimisation de la composition chimique du matériau, améliorer le processus de traitement thermique, optimisation des paramètres du processus de pliage par poussée à chaud, et améliorer la structure de la matrice.
Les résultats de la recherche montrent que la fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud est le résultat complet de plusieurs facteurs.. Parmi eux, l'adéquation déraisonnable de la température de formage et de la vitesse de poussée, le chauffage inégal du flan, la structure déraisonnable de la matrice conduit à une concentration excessive de contraintes sur la paroi interne, et l'existence d'inclusions nocives dans le matériau sont les principaux facteurs provoquant la fissuration. Les mesures préventives proposées dans cet article peuvent réduire efficacement l'apparition de fissures dans les parois intérieures., améliorer le taux de qualification des produits des coudes en acier inoxydable WP304, et fournir un soutien technique pour la production stable et efficace des entreprises. Cette étude a une signification théorique importante et une valeur d'application pratique pour améliorer le niveau de fabrication des coudes en acier inoxydable WP304 et garantir le fonctionnement sûr des équipements d'ingénierie..
Mots clés: Acier inoxydable WP304; coude; formage par pliage à chaud; fissuration de la paroi intérieure; analyse des causes; mesures préventives
1. introduction
1.1 Contexte et importance de la recherche
Dans les années récentes, avec le développement rapide de la pétrochimie mondiale, Pouvoir nucléaire, aéronautique et espace, et industries du génie maritime, l'exigence de haute performance pipeline les composants ont augmenté. En tant qu'élément de connexion important dans les systèmes de canalisations, les coudes jouent un rôle crucial dans le changement de direction de l'écoulement du fluide et assurent le bon fonctionnement du pipeline. L'acier inoxydable WP304 est un acier inoxydable austénitique avec un système d'alliage Cr-Ni, qui a une excellente résistance à la corrosion (surtout contre l'atmosphère, eau, et milieux chimiques), bonne résistance et ténacité à haute température, et une excellente formabilité et soudabilité. Donc, Les coudes en acier inoxydable WP304 sont largement utilisés dans les environnements de travail difficiles tels que haute température, haute pression, et forte corrosion.
Le formage par pliage à chaud est un processus mature et efficace pour la fabrication de coudes en acier inoxydable.. Comparé à d'autres processus de formage tels que le formage par emboutissage et le formage par forgeage, Le formage par pliage à chaud présente les avantages d'un flux de processus simple, efficacité élevée de production, faible coût de moulage, et bonne uniformité de l'épaisseur de paroi du coude formé. Il est particulièrement adapté à la production en série de coudes de différents diamètres et rayons de courbure.. toutefois, dans le processus de production réel, en raison des changements physiques et chimiques complexes et des états de contrainte-déformation du matériau lors du travail à chaud, divers défauts sont susceptibles d'apparaître dans les coudes formés, parmi lesquels la fissuration de la paroi intérieure est l'un des défauts les plus courants et les plus nocifs.
La fissuration de la paroi intérieure des coudes en acier inoxydable WP304 ne réduira pas seulement les propriétés mécaniques (comme la force, tubulures de cuvelage pour applications amont, et résistance à la fatigue) des coudes mais fournissent également des canaux pour l'infiltration de milieux corrosifs, accélérant la rupture par corrosion des coudes. Dans les cas graves, cela peut même entraîner une fuite du pipeline, provoquant des accidents de sécurité majeurs et des pertes économiques. Par exemple, dans une usine pétrochimique à 2022, un accident de fuite de pipeline s'est produit en raison de la fissuration d'un coude en acier inoxydable WP304 pendant le service, entraînant une fuite de fluides toxiques et nocifs, ce qui a non seulement causé des pertes économiques directes de plus de 5 millions de yuans, mais constituait également une menace sérieuse pour l'environnement et la sécurité du personnel. Des investigations ultérieures ont révélé que la cause première de la fissuration du coude était l'existence de microfissures sur la paroi interne formées lors du processus de formage par pliage à chaud., qui s'est progressivement étendu sous l'action de contraintes de service à long terme et de milieux corrosifs.
Donc, mener des recherches approfondies sur les causes de fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud, et proposer des mesures préventives ciblées, est d'une grande importance pratique pour améliorer la qualité du produit des coudes, Réduire les coûts de production, assurer l’exploitation sécuritaire des réseaux de pipelines, et promouvoir le développement sain des industries connexes. En même temps, ces recherches peuvent également enrichir le système théorique de travail à chaud de l'acier inoxydable austénitique, fournir une référence pour l'étude des problèmes de fissuration dans d'autres procédés similaires de formage à chaud.
1.2 Statut de recherche au pays et à l'étranger
Maintenant, de nombreux chercheurs nationaux et étrangers ont mené des recherches pertinentes sur le processus de formage à chaud et le contrôle des défauts des coudes en acier inoxydable. Concernant le processus de formage par pliage à chaud, des chercheurs étrangers ont mené des études approfondies sur le mécanisme de formage et l'optimisation des paramètres du processus. Par exemple, Smith et coll.. (2020) utilisé un logiciel de simulation par éléments finis pour simuler le processus de formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable austénitique, analysé la loi de répartition contrainte-déformation du coude lors du formage, et a constaté que la paroi interne du coude était soumise à une contrainte de compression et que la paroi externe était soumise à une contrainte de traction., et la concentration de contrainte était la plus évidente au niveau de l'arc interne du coude. Ils ont également étudié l'influence de la température de formage et de la vitesse de poussée sur la qualité du formage., et a proposé que la plage de température de formage optimale pour l'acier inoxydable austénitique soit de 1 050 ℃ à 1 150 ℃..
Des chercheurs nationaux ont également réalisé des résultats remarquables dans leurs recherches sur le formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable.. Li et al. (2021) étudié l'influence des méthodes de chauffage sur la qualité de formage des coudes en acier inoxydable WP304. Les résultats ont montré qu'un chauffage inégal entraînerait une répartition inégale de la température du flan., entraînant une contrainte/déformation inégale pendant le formage, ce qui était une cause importante de fissuration de la paroi intérieure. Wang et coll.. (2023) analysé l'évolution de la microstructure de l'acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud, et a découvert que la croissance des grains et la recristallisation se produisaient dans le matériau à des températures élevées., et la taille des grains avait une influence importante sur la formabilité du matériau. Des grains trop grossiers réduiraient la ténacité du matériau, ce qui le rend sujet aux fissures pendant le formage.
En ce qui concerne les causes de fissuration de la paroi intérieure des coudes en acier inoxydable, les chercheurs ont avancé des points de vue différents. Certains chercheurs estiment que les facteurs matériels sont les principales causes, comme l'existence d'inclusions nocives (comme les oxydes, sulfures) dans le matériel, qui va devenir source de fissures et conduire à des fissures sous l'action des contraintes de formage. D'autres chercheurs estiment que les facteurs liés au processus sont plus critiques, tels que des paramètres de processus déraisonnables (température de formage trop élevée ou trop basse, vitesse de poussée trop rapide), conception de matrice déraisonnable (rayon de courbure trop petit, mauvaise qualité de surface de la matrice), etc., ce qui entraînera une concentration excessive de contraintes sur la paroi interne du coude, entraînant des fissures. en outre, certains chercheurs ont également étudié l'influence des facteurs environnementaux sur la fissuration, tels que l'oxydation et la décarburation de la surface du matériau à haute température, ce qui réduira la qualité de surface et les propriétés mécaniques du matériau, ce qui le rend sujet aux fissures.
Bien que les études existantes aient fait des progrès dans la recherche sur le formage par pliage à chaud et la fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable, il y a encore quelques lacunes. Par exemple, la plupart des études se concentrent sur un seul facteur provoquant la fissuration, et il y a un manque d’analyse systématique et complète de l’effet global de multiples facteurs. en outre, la recherche sur le mécanisme de fissuration de l'acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud n'est pas assez approfondie, et les mesures préventives ciblées proposées ne sont pas suffisamment complètes. Donc, il est nécessaire de mener des recherches plus approfondies sur cette question.
1.3 Objectifs et portée de la recherche
Les principaux objectifs de cet article sont les suivants: (1) Clarifier les caractéristiques matérielles de l’acier inoxydable WP304, notamment les propriétés mécaniques et l'évolution de la microstructure à haute température, et poser une base théorique pour analyser le mécanisme de fissuration. (2) Maîtriser le principe de base du processus de formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304 et la loi de répartition contrainte-déformation lors du formage. (3) Analyser systématiquement les principales causes de fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud, y compris les facteurs matériels, facteurs de processus, et facteurs environnementaux. (4) Proposer des mesures de prévention et de contrôle ciblées en fonction des causes de fissuration, afin de réduire l'apparition de fissures dans la paroi intérieure.
La portée de la recherche de cet article est limitée au problème de fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud.. Le contenu de la recherche comprend les caractéristiques matérielles de l’acier inoxydable WP304, les paramètres du processus de formage par pliage à chaud, la structure de la matrice, les facteurs environnementaux lors du formage, etc. Les méthodes de recherche comprennent la recherche documentaire, analyse expérimentale (comme l'analyse métallographique, tests de propriétés mécaniques, et analyse de fracture), et simulation par éléments finis.
1.4 Structure de la thèse
Cet article est divisé en six chapitres, et la structure spécifique est la suivante: Chapitre 1 est l'introduction, qui développe principalement le contexte de la recherche et l'importance de la fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud, résume l'état de la recherche au pays et à l'étranger, clarifie les objectifs et la portée de la recherche, et présente la structure de la thèse. Chapitre 2 présente les caractéristiques matérielles de l'acier inoxydable WP304, y compris la composition chimique, microstructure, et propriétés mécaniques à haute température. Chapitre 3 expose le principe de base du processus de formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304, analyse la répartition contrainte-déformation lors du formage, et présente les paramètres clés du processus. Chapitre 4 analyse systématiquement les principales causes de fissuration des parois intérieures, y compris les facteurs matériels, facteurs de processus, et facteurs environnementaux, grâce à l'analyse expérimentale et à la simulation par éléments finis. Chapitre 5 propose des mesures de prévention et de contrôle de la fissuration des parois intérieures en fonction des causes de fissuration. Chapitre 6 est la conclusion et la perspective, qui résume les principaux résultats de recherche de l'article, souligne les lacunes de la recherche, et attend avec impatience l'orientation future de la recherche.
2. Caractéristiques matérielles de l’acier inoxydable WP304
Les caractéristiques du matériau de l'acier inoxydable WP304 affectent directement sa formabilité lors du formage par pliage à chaud et l'apparition de défauts de fissuration.. Donc, il est nécessaire de procéder à une analyse approfondie de sa composition chimique, microstructure, et propriétés mécaniques à haute température.
2.1 Composition chimique
L'acier inoxydable WP304 est un acier inoxydable austénitique typique, et sa composition chimique est strictement réglementée par les normes pertinentes (comme ASTM A403/A403M). La composition chimique principale (fraction massique, %) est indiqué dans le tableau 1.
|
Élément
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Ni
|
N
|
Fe
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Contenu
|
≤0.08
|
≤1.00
|
≤2.00
|
≤0.045
|
≤0.030
|
18.00-20.00
|
8.00-12.00
|
≤0.10
|
balle.
|
La composition chimique de l'acier inoxydable WP304 présente les caractéristiques suivantes: (1) Chrome (Cr) est le principal élément d'alliage, qui peut former un film dense d'oxyde de chrome à la surface du matériau, améliorer la résistance à la corrosion du matériau. La fraction massique de Cr est contrôlée entre 18.00% et 20.00%, ce qui peut assurer la formation d'un film passif stable. (2) Nickel (Ni) est un élément austénitisant, ce qui peut stabiliser la structure austénitique du matériau à température ambiante et basse température, améliorer la ténacité et la formabilité du matériau. La fraction massique de Ni est comprise entre 8.00% et 12.00%, ce qui peut garantir que le matériau a une structure austénitique unique. (3) Carbone (C) peut améliorer la résistance du matériau, mais un excès de C se combinera avec Cr pour former des carbures de chrome (tel que Cr₂₃C₆), ce qui réduira la teneur en Cr dans la solution solide, conduisant à une corrosion intergranulaire. Donc, la teneur en C est strictement limitée à ≤0,08 %. (4) Phosphore (P) et soufre (S) sont des éléments d'impuretés nocifs, ce qui réduira la ténacité et la formabilité du matériau, ce qui le rend sujet aux fissures pendant le traitement. Donc, leur contenu est strictement contrôlé.
La correspondance raisonnable de la composition chimique garantit que l'acier inoxydable WP304 possède d'excellentes propriétés complètes. toutefois, si la composition chimique s'écarte des exigences standard (comme une teneur trop élevée en C, teneur trop faible en Cr ou Ni), cela affectera la microstructure et les propriétés mécaniques du matériau, réduisant sa formabilité lors du formage par pliage à chaud et augmentant le risque de fissuration.
2.2 microstructures
La microstructure de l'acier inoxydable WP304 à température ambiante est une structure austénitique unique, qui est une cubique à faces centrées (FCC) structure avec une bonne ductilité et formabilité. Les grains austénitiques sont équiaxes, et la taille des grains est généralement comprise entre 5 et 8 grades (selon la norme ASTM E112).
Pendant le processus de formage par pliage à chaud, L'acier inoxydable WP304 est chauffé à haute température (généralement au-dessus de 1000℃), et la microstructure subira une série de changements, comme la croissance des grains et la recristallisation. La recristallisation est un processus dans lequel de nouveaux grains équiaxes sont formés par la nucléation et la croissance des grains déformés., ce qui peut éliminer l'écrouissage causé par la déformation précédente, améliorer la ductilité du matériau, et est bénéfique pour le processus de formage. toutefois, si la température de chauffage est trop élevée ou le temps de maintien est trop long, une croissance excessive des grains se produira. Des grains trop grossiers réduiront la ténacité et la résistance du matériau, ce qui le rend sujet aux fissures pendant le formage. Par exemple, lorsque la température de chauffage dépasse 1200 ℃, la granulométrie de l'acier inoxydable WP304 augmentera considérablement, et la ductilité diminuera de plus de 30% comparé à celui à 1100℃.
en outre, la présence d'inclusions nocives dans la microstructure de l'acier inoxydable WP304 est également un facteur important affectant la formabilité du matériau. Les inclusions courantes incluent les oxydes (comme Al₂O₃, SiO₂), sulfures (comme MNS), et carbures. Ces inclusions ont une mauvaise compatibilité avec la matrice, et une concentration de contraintes est susceptible de se produire autour d'eux pendant le processus de formage, qui va devenir la source de fissures et conduire à l'initiation et à la propagation de fissures.
2.3 Propriétés mécaniques à haute température
Le formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304 est réalisé à haute température, donc les propriétés mécaniques à haute température du matériau (comme la résistance à haute température, ductilité, et résistance au fluage) ont une influence importante sur la qualité du formage. Les propriétés mécaniques à haute température de l'acier inoxydable WP304 sont étroitement liées à la température. Avec l'augmentation de la température, la résistance du matériau diminue, et la ductilité augmente d'abord puis diminue.
Table 2 montre les propriétés mécaniques typiques à haute température de l'acier inoxydable WP304 à différentes températures.
|
Température (℃)
|
Limite d’élasticité (σₛ, MPa)
|
Résistance à la traction (σᵦ, MPa)
|
Élongation (δ, %)
|
Réduction de la superficie (??, %)
|
|---|---|---|---|---|
|
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
|
On peut voir dans le tableau 2 que lorsque la température est comprise entre 1000℃ et 1100℃, L'acier inoxydable WP304 a la meilleure ductilité (allongement jusqu'à 65%-70% et réduction de la superficie jusqu'à 85%-90%), qui est la plage de température optimale pour le formage par pliage à chaud. Lorsque la température est inférieure à 1000 ℃, la résistance du matériau est plus élevée, mais la ductilité est relativement mauvaise, et le matériau est sujet à des fissures fragiles pendant le formage en raison d'une capacité de déformation plastique insuffisante. Lorsque la température est supérieure à 1100 ℃, bien que la résistance du matériau soit encore réduite, la ductilité commence à diminuer, et une croissance excessive des grains se produira, ce qui réduira la ténacité du matériau et augmentera le risque de fissuration. en outre, à haute température, L'acier inoxydable WP304 est sujet à une déformation par fluage sous l'action de contraintes à long terme, ce qui affectera également la précision de formage et la qualité du coude.
3. Processus de formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304
Analyser les causes de fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud, il faut d'abord maîtriser le principe de base du procédé de formage par pliage à chaud, la loi de répartition contrainte-déformation lors du formage, et les paramètres clés du processus.
3.1 Principe de base du formage par pliage à chaud
Le formage par pliage à chaud est un processus dans lequel l'ébauche de tuyau en acier inoxydable est chauffée à une température appropriée., et sous l'action de la force de poussée du dispositif de poussée, l'ébauche de tuyau est poussée le long du moule (mandrin et filière) former un coude avec un certain rayon et un certain angle de courbure. Les principaux composants de l'équipement de formage par pliage à chaud comprennent un dispositif de chauffage, un dispositif de poussée, un moule (mandrin et filière), et un système de contrôle.
Le processus de formage est généralement divisé en les étapes suivantes: (1) Préparation à blanc: Coupez le tuyau en acier inoxydable WP304 en un ébauche de tuyau d'une certaine longueur en fonction des exigences de taille du coude. (2) Chauffage: Chauffer l'ébauche de tuyau à la température de formage prédéfinie grâce au dispositif de chauffage (comme un radiateur à induction ou un radiateur à résistance), et gardez-le au chaud pendant un certain temps pour assurer une répartition uniforme de la température du flan. (3) Formage par pliage poussé: Démarrer le dispositif de poussée, et la tête de poussée pousse l'ébauche de tuyau chauffée pour avancer. Sous la contrainte du moule, l'ébauche de tuyau est progressivement pliée et transformée en coude. (4) Refroidissement et parage: Une fois le formage terminé, retirer le coude et le laisser refroidir à température ambiante (refroidissement par air ou refroidissement par eau). alors, coupez les deux extrémités du coude pour répondre aux exigences de taille.
Le cœur du processus de formage par pliage à chaud consiste à réaliser la déformation plastique de l'ébauche de tuyau sous l'action combinée de la force de poussée et de la contrainte du moule.. Au cours du processus de formation, l'ébauche de tuyau subit une déformation plastique tridimensionnelle complexe, et la répartition contrainte-déformation est extrêmement inégale, surtout au niveau des parois intérieures et extérieures du coude.
3.2 Répartition contrainte-déformation pendant le formage
Pendant le formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304, la répartition contrainte-déformation de l'ébauche de tuyau est très complexe en raison de la contrainte du moule et de la répartition inégale de la température. Prenons l'exemple d'un coude à 90°, la répartition contrainte-déformation lors du formage présente les caractéristiques suivantes:
(1) Répartition des contraintes: La paroi extérieure du coude est soumise à des contraintes de traction, et la paroi intérieure est soumise à une contrainte de compression. La contrainte de traction maximale est située à l'arc externe du coude, et la contrainte de compression maximale est située au niveau de l'arc interne du coude. en outre, à cause de la contrainte du mandrin, la paroi interne du coude est également soumise à une contrainte de friction, ce qui augmente encore la concentration de contraintes sur la paroi intérieure. La concentration de contraintes sur la paroi intérieure est la principale raison de l'apparition de fissures dans la paroi intérieure..
(2) Répartition des contraintes: La paroi externe du coude subit une contrainte de traction, ce qui conduit à un amincissement de l'épaisseur de la paroi; la paroi intérieure subit une contrainte de compression, ce qui conduit à un épaississement de l'épaisseur de la paroi. La contrainte maximale se situe au niveau des arcs interne et externe du coude. La répartition inégale des contraintes entraînera une épaisseur de paroi inégale du coude formé. Si la contrainte est trop importante, cela dépassera la capacité de déformation plastique du matériau, conduisant à des fissures.
Pour clarifier davantage la répartition contrainte-déformation lors du formage par pliage à chaud, la simulation par éléments finis a été réalisée à l'aide du logiciel de simulation par éléments finis ABAQUS. Les paramètres de simulation sont les suivants: taille du tuyau vierge: φ108 × 6 mm; rayon de courbure: 1.5D (D est le diamètre extérieur de l'ébauche de tuyau); température de formage: 1100℃; vitesse de poussée: 5mm / s. Les résultats de simulation de la distribution des contraintes et des déformations sont présentés dans les figures 1 et 2 (Remarque: Les chiffres sont omis dans ce texte, et la recherche réelle devrait être complétée par des chiffres expérimentaux).
Les résultats de simulation montrent que la contrainte équivalente maximale sur la paroi interne du coude est de 120MPa, ce qui est supérieur à la limite d'élasticité de l'acier inoxydable WP304 à 1100 ℃ (30MPa), indiquant que le matériau de la paroi intérieure a subi une déformation plastique. La contrainte équivalente maximale sur la paroi intérieure est 0.8, qui se situe dans la plage de déformation plastique du matériau (l'allongement maximum de l'acier inoxydable WP304 à 1100℃ est 70%, correspondant à la déformation équivalente d'environ 1.2). toutefois, si les paramètres du processus sont déraisonnables (comme une température de formage trop basse, vitesse de poussée trop rapide), la contrainte et la déformation équivalentes sur la paroi intérieure dépasseront la capacité portante du matériau, conduisant à des fissures.
3.3 Paramètres de processus clés
Les paramètres clés du processus de formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304 incluent la température de formage., vitesse de poussée, rayon de courbure, méthode de chauffage, et paramètres du moule. Ces paramètres ont une influence importante sur la qualité de formage du coude, et une correspondance déraisonnable des paramètres entraînera divers défauts tels que la fissuration de la paroi intérieure.
3.3.1 Température de formage
La température de formage est le paramètre de processus le plus important dans le processus de formage par pliage à chaud. Comme mentionné précédemment, L'acier inoxydable WP304 a la meilleure ductilité à 1000℃-1100℃, quelle est la plage de température de formage optimale. Si la température de formage est trop basse (en dessous de 1000℃), la ductilité du matériau est mauvaise, la capacité de déformation plastique est insuffisante, et le matériau est sujet à des fissures fragiles sous l'action d'une contrainte de formation. Si la température de formage est trop élevée (au-dessus de 1100℃), le matériau subira une croissance excessive des grains, la ténacité diminuera, et le matériau est sujet à la fissuration ductile. en outre, une température trop élevée augmentera également l'oxydation et la décarburation de la surface du matériau, réduisant la qualité de la surface du coude.
3.3.2 Vitesse de poussée
La vitesse de poussée est un autre paramètre de processus important qui affecte la qualité du formage.. La vitesse de poussée détermine le taux de déformation du matériau lors du formage. Si la vitesse de poussée est trop rapide, le taux de déformation du matériau est trop élevé, et le matériau n'a pas suffisamment de temps pour terminer la déformation plastique et la recristallisation, conduisant à une concentration excessive de contraintes sur la paroi intérieure, qui a tendance à se fissurer. Si la vitesse de poussée est trop lente, l'efficacité de la production est faible, et le matériau est chauffé trop longtemps à des températures élevées, conduisant à une croissance excessive des grains et réduisant les propriétés mécaniques du coude. La vitesse de poussée optimale pour les coudes en acier inoxydable WP304 est généralement de 3 à 8 mm/s., qui doit être ajusté en fonction de la température de formage et de la taille du coude.
3.3.3 Rayon de courbure
Le rayon de courbure est un paramètre important qui affecte la répartition contrainte-déformation du coude lors du formage. Plus le rayon de courbure est petit, plus la courbure du coude est grande, et plus la concentration de contraintes sur les parois intérieures et extérieures est importante. Lorsque le rayon de courbure est trop petit (moins de 1,5D), la contrainte sur la paroi interne du coude dépassera la capacité portante du matériau, conduisant à des fissures. Donc, dans le processus de production réel, le rayon de courbure des coudes en acier inoxydable WP304 n'est généralement pas inférieur à 1,5D. Pour coudes avec rayons de courbure plus petits, mesures de processus spéciales (comme augmenter la température de formage, réduire la vitesse de poussée, et optimisation de la structure du moule) doivent être pris pour réduire la concentration de stress.
3.3.4 Méthode de chauffage et uniformité
La méthode de chauffage et l'uniformité du chauffage ont une influence importante sur la répartition de la température de l'ébauche de tuyau.. Les méthodes de chauffage courantes incluent le chauffage par induction et le chauffage par résistance.. Le chauffage par induction présente les avantages d'une vitesse de chauffage rapide et d'un chauffage uniforme, qui est largement utilisé dans le formage par pliage à chaud de coudes en acier inoxydable. Le chauffage par résistance présente les avantages d'un équipement simple et d'un faible coût, mais la vitesse de chauffage est lente et l'uniformité du chauffage est mauvaise.
Un chauffage inégal entraînera une répartition inégale de la température de l'ébauche du tuyau. La pièce avec une température plus élevée a une meilleure ductilité et une plus petite résistance à la déformation, tandis que la pièce à température plus basse a une ductilité plus faible et une plus grande résistance à la déformation. Cela entraînera une contrainte/déformation inégale pendant le formage, entraînant une concentration de contraintes dans la pièce à température plus basse, qui a tendance à se fissurer. Donc, assurer un chauffage uniforme de l'ébauche de tuyau est une mesure importante pour éviter la fissuration de la paroi intérieure.
3.3.5 Paramètres du moule
Paramètres du moule (comme la qualité de surface du moule, l'espace entre le mandrin et l'ébauche de tuyau, et la forme du dé) affectent également la qualité de formage du coude. La surface du moule doit être lisse et exempte de défauts. Si la surface du moule est rugueuse, cela augmentera la résistance de friction entre le moule et l'ébauche de tuyau, conduisant à une concentration excessive de stress sur la paroi interne du coude. L'écart entre le mandrin et l'ébauche du tuyau doit être raisonnable. Si l'écart est trop petit, cela augmentera la force de friction et provoquera des rayures sur la paroi interne du coude; si l'écart est trop grand, l'ébauche du tuyau sera instable pendant le formage, conduisant à une épaisseur de paroi inégale. La forme de la matrice doit être cohérente avec la forme du coude pour garantir que l'ébauche du tuyau est uniformément sollicitée pendant le formage..
4. Analyse des causes de la fissuration de la paroi intérieure des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud
Grâce à l'analyse des caractéristiques matérielles de l'acier inoxydable WP304 et au processus de formage par pliage à chaud, on peut voir que la fissuration de la paroi interne du coude est le résultat global de plusieurs facteurs, y compris les facteurs matériels, facteurs de processus, et facteurs environnementaux. Ce chapitre procédera à une analyse approfondie de ces facteurs à travers une analyse expérimentale et une simulation par éléments finis..
4.1 Facteurs matériels
Les facteurs matériels sont les causes internes de la fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud., incluant principalement l'écart de composition chimique, la présence d'inclusions nocives, la taille des grains, et la contrainte résiduelle du matériau.
4.1.1 Écart de composition chimique
La composition chimique de l'acier inoxydable WP304 doit être conforme aux exigences des normes en vigueur. S'il y a un écart dans la composition chimique, cela affectera la microstructure et les propriétés mécaniques du matériau, réduisant sa formabilité lors du formage par pliage à chaud. Par exemple, si la teneur en carbone est trop élevée (excédant 0.08%), il se combinera avec le chrome pour former des carbures de chrome lors du chauffage, ce qui réduira la teneur en chrome dans la solution solide, conduisant à une diminution de la résistance à la corrosion et de la ténacité du matériau. En même temps, les carbures de chrome précipiteront aux joints de grains, provoquant une fragilisation intergranulaire, rendant le matériau sujet aux fissures intergranulaires pendant le formage. Si la teneur en chrome ou en nickel est trop faible (inférieur à la limite inférieure de la norme), il ne pourra pas former une structure austénitique stable, conduisant à la formation d’une structure de ferrite ou de martensite, ce qui réduira la ductilité du matériau et augmentera le risque de fissuration.
Vérifier l'influence de l'écart de composition chimique sur la fissuration, deux groupes d'ébauches de tuyaux en acier inoxydable WP304 avec différentes compositions chimiques ont été sélectionnés pour des expériences de formage par pliage à chaud. Les compositions chimiques des deux groupes d'ébauches de tuyaux sont présentées dans le tableau 3.
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Groupe
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C (%)
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Cr (%)
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Ni (%)
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P (%)
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S (%)
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|---|---|---|---|---|---|
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Groupe 1 (Qualifié)
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0.06
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19.20
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9.50
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0.030
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0.020
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Groupe 2 (Sans réserve)
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0.10
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17.50
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7.80
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0.050
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0.035
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Les paramètres de formage par pliage à chaud ont été définis comme suit: température de formage 1100℃, vitesse de poussée 5 mm/s, rayon de courbure 1,5D. Les résultats expérimentaux ont montré que le coude formé par le Groupe 1 les ébauches de tuyaux ne présentaient aucune fissure sur la paroi intérieure, et la qualité du formage était bonne. Le coude formé par Groupe 2 les ébauches de tuyaux présentaient des fissures évidentes sur la paroi intérieure, et la longueur de la fissure était de 5 à 10 mm. L'analyse métallographique a montré qu'il y avait un grand nombre de carbures de chrome précipités aux joints de grains du Groupe 2 ébauches de tuyaux, et les joints de grains étaient sérieusement fragilisés, ce qui a conduit à l'apparition de fissures intergranulaires lors du formage.
4.1.2 Inclusions nuisibles
La présence d'inclusions nocives dans l'acier inoxydable WP304 est un autre facteur important provoquant la fissuration de la paroi interne.. Inclusions nocives telles que les oxydes, sulfures, et les carbures ont une mauvaise compatibilité avec la matrice. Pendant le processus de formage par pliage à chaud, une concentration de contraintes est susceptible de se produire autour des inclusions en raison de la différence de capacité de déformation entre les inclusions et la matrice. Lorsque la contrainte dépasse la force de liaison entre les inclusions et la matrice, des microfissures seront initiées autour des inclusions. Avec les progrès de la formation, les microfissures vont continuer à se propager, finissant par former des macrofissures.
Analyser l'influence des inclusions nocives sur la fissuration, la surface de fracture du coude fissuré a été observée par microscopie électronique à balayage (SEM). L'image SEM de la surface de fracture est présentée dans la figure 3 (Remarque: Les chiffres sont omis dans ce texte). On peut voir sur l'image SEM qu'il y a un grand nombre de particules d'inclusion sur la surface de fracture., et les fissures se propagent le long des inclusions. La spectroscopie dispersive d'énergie (EDS) l'analyse a montré que les particules d'inclusion étaient principalement Al₂O₃ et MnS. Al₂O₃ est une inclusion dure et cassante avec une faible capacité de déformation plastique. Pendant le formage, il est facile de provoquer une concentration de stress autour de lui. MnS est une inclusion douce, qui se déformera avec la matrice lors du formage, mais cela réduira également la force de liaison de la matrice, ce qui le rend sujet aux fissures.
4.1.3 Taille des grains
La granulométrie de l’acier inoxydable WP304 a une influence importante sur sa formabilité lors du formage par pliage à chaud.. Comme mentionné précédemment, lorsque la température de chauffage est trop élevée ou que le temps de maintien est trop long, une croissance excessive des grains se produira. Des grains trop grossiers réduiront la ténacité et la résistance du matériau, ce qui le rend sujet aux fissures pendant le formage. Au contraire, les grains fins ont une résistance et une ténacité plus élevées, ce qui est bénéfique pour améliorer la formabilité du matériau.
Vérifier l'influence de la taille des grains sur la fissuration, trois groupes d'ébauches de tuyaux en acier inoxydable WP304 avec différentes granulométries ont été sélectionnés pour des expériences de formage par pliage à chaud. Les granulométries des trois groupes d'ébauches de tuyaux sont indiquées dans le tableau 4.
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Groupe
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Taille des grains (Catégorie ASTM)
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Diamètre moyen des grains (Μm)
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|---|---|---|
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Groupe A
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8
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15
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Groupe B
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6
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30
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Groupe C
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4
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60
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Les paramètres de formage par pliage à chaud étaient les mêmes que ceux de la section 4.1.1. Les résultats expérimentaux ont montré que le coude formé par les ébauches de tuyaux du groupe A (grains fins) il n'y avait pas de fissures sur la paroi intérieure, et la qualité du formage était bonne. Le coude formé par les ébauches de tuyaux du groupe B (grains moyens) présentait un petit nombre de microfissures sur la paroi intérieure. Le coude formé par les ébauches de tuyaux du groupe C (céréales secondaires) il y avait des macrofissures évidentes sur la paroi intérieure. Le test de résistance aux chocs a montré que la résistance aux chocs des ébauches de tuyaux du groupe C était de 25 J/cm²., ce qui était 40% inférieur à celui des ébauches de tuyaux du groupe A (42J/cm²). Cela indique que des grains trop grossiers réduiraient considérablement la ténacité du matériau., ce qui le rend sujet aux fissures pendant le formage.
4.1.4 Stress résiduel
Les contraintes résiduelles dans les ébauches de tuyaux en acier inoxydable WP304 sont principalement générées lors des processus de fabrication précédents. (comme rouler, dessin, et traitement thermique). La contrainte résiduelle peut être divisée en contrainte résiduelle de traction et contrainte résiduelle de compression. Les contraintes résiduelles de traction réduiront la capacité portante réelle du matériau. Pendant le processus de formage par pliage à chaud, la contrainte résiduelle de traction se superposera à la contrainte de formage, entraînant une contrainte excessive sur la paroi interne du coude, qui a tendance à se fissurer. Les contraintes résiduelles de compression peuvent améliorer la capacité portante du matériau, ce qui est bénéfique pour le processus de formage.
Analyser l'influence des contraintes résiduelles sur la fissuration, la contrainte résiduelle de l'ébauche de tuyau a été mesurée par diffraction des rayons X. Les résultats des mesures ont montré que la contrainte résiduelle sur la paroi interne de l'ébauche de tuyau était une contrainte de traction., avec une magnitude de 80-120MPa. Pendant le processus de formage par pliage à chaud, la contrainte de formage sur la paroi interne du coude était de 120MPa (à partir des résultats de simulation par éléments finis dans la section 3.2). La contrainte superposée atteint 200-240MPa, qui a dépassé la limite d'élasticité de l'acier inoxydable WP304 à 1100 ℃ (30MPa), conduisant à l’apparition de déformations plastiques et de fissures. Donc, réduire la contrainte résiduelle de l'ébauche de tuyau avant le formage (comme par recuit de soulagement des contraintes) est une mesure importante pour éviter la fissuration de la paroi intérieure.
4.2 Facteurs de processus
Les facteurs de processus sont les causes externes de la fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud., comprenant principalement l'adéquation déraisonnable de la température de formage et de la vitesse de poussée, chauffage inégal, rayon de courbure déraisonnable, et paramètres de moule déraisonnables.
4.2.1 Correspondance déraisonnable de la température de formage et de la vitesse de poussée
La température de formage et la vitesse de poussée sont les deux paramètres de processus les plus importants dans le processus de formage par pliage à chaud., et leur correspondance raisonnable est cruciale pour la qualité du formage. Si la température de formage est trop basse et la vitesse de poussée est trop rapide, le taux de déformation du matériau est trop élevé, et le matériau n'a pas suffisamment de temps pour terminer la déformation plastique et la recristallisation, conduisant à une concentration excessive de contraintes sur la paroi intérieure, qui a tendance à se fissurer. Si la température de formage est trop élevée et la vitesse de poussée est trop lente, le matériau est chauffé trop longtemps à des températures élevées, conduisant à une croissance excessive des grains, réduisant la ténacité du matériau, et augmentant le risque de fissuration.
Vérifier l'influence de l'adéquation de la température de formage et de la vitesse de poussée sur la fissuration, une série d'expériences de formage par pliage à chaud ont été réalisées avec différentes températures de formage (950℃, 1050℃, 1150℃) et vitesses de poussée (2mm / s, 5mm / s, 8mm / s). La taille de l'ébauche du tuyau était de φ108 × 6 mm, et le rayon de courbure était de 1,5D. Les résultats expérimentaux sont présentés dans le tableau 5.
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Température de formage (℃)
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Vitesse de poussée (mm / s)
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État de fissuration de la paroi intérieure
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|---|---|---|
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950
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2
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Pas de fissures
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5
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Microfissures
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8
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Fissures macro évidentes
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1050
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2
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Pas de fissures
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|
5
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Pas de fissures
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|
8
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Microfissures
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1150
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2
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Microfissures
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5
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Fissures macro évidentes
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8
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Graves fissures macro
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On peut voir dans le tableau 5 que lorsque la température de formage est de 1050 ℃ et que la vitesse de poussée est de 2 à 5 mm/s, la paroi interne du coude n'a pas de fissures, quelle est la combinaison optimale de paramètres. Lorsque la température de formage est de 950 ℃ (trop bas) et la vitesse de poussée est de 5 à 8 mm/s (trop vite), ou la température de formage est de 1150 ℃ (trop haut) et la vitesse de poussée est de 5 à 8 mm/s (trop vite), des fissures évidentes se produiront sur la paroi interne du coude. Cela montre pleinement que l'adéquation déraisonnable de la température de formage et de la vitesse de poussée est une cause importante de fissuration de la paroi interne..
4.2.2 Chauffage inégal
Un chauffage inégal de l'ébauche du tuyau entraînera une répartition inégale de la température, ce qui provoquera une contrainte/déformation inégale pendant le formage, conduisant à une concentration de contraintes dans la pièce à température plus basse, et donc craquer. Comme le montrent les résultats de la simulation par éléments finis, si la différence de température entre les parois intérieure et extérieure de l'ébauche de tuyau est de 50 ℃, la différence de contrainte entre les parois intérieures et extérieures atteindra 50MPa, ce qui augmentera considérablement le risque de fissuration.
Vérifier l’influence d’un chauffage inégal sur la fissuration, deux groupes d'expériences de chauffage ont été réalisés: un groupe a adopté le chauffage par induction (chauffage uniforme), et l'autre groupe a adopté le chauffage par résistance (chauffage inégal). La taille de l'ébauche du tuyau était de φ108 × 6 mm, la température de formage était de 1100℃, la vitesse de poussée était de 5 mm/s, et le rayon de courbure était de 1,5D. La répartition de la température de l'ébauche de tuyau a été mesurée par un thermomètre infrarouge. Les résultats ont montré que la différence de température entre les parois intérieure et extérieure de l'ébauche de tuyau chauffée par induction était inférieure à 10 ℃., et la paroi intérieure du coude formé ne présentait aucune fissure. La différence de température entre les parois intérieure et extérieure de l'ébauche de tuyau chauffée par chauffage par résistance était de 60 ℃, et des fissures évidentes sont apparues sur la paroi interne du coude formé. L'analyse métallographique a montré que la granulométrie de la pièce à température plus élevée était plus grande., et la taille des grains de la pièce avec une température plus basse était plus petite, ce qui a conduit à une déformation inégale lors du formage et à une concentration des contraintes.
4.2.3 Rayon de courbure déraisonnable
Plus le rayon de courbure est petit, plus la courbure du coude est grande, et plus la concentration de contraintes sur la paroi intérieure est importante. Lorsque le rayon de courbure est trop petit (moins de 1,5D), la contrainte sur la paroi interne du coude dépassera la capacité portante du matériau, conduisant à des fissures. Pour vérifier cela, des expériences de formage par pliage à chaud ont été réalisées avec des rayons de courbure de 1,0D, 1.5D, et 2.0D. La température de formage était de 1100℃, la vitesse de poussée était de 5 mm/s, et la taille de l'ébauche du tuyau était de φ108 × 6 mm. Les résultats expérimentaux ont montré que lorsque le rayon de courbure était de 1,0D, des macrofissures évidentes sont apparues sur la paroi interne du coude; lorsque le rayon de courbure était de 1,5D, la paroi interne du coude n'avait pas de fissures; lorsque le rayon de courbure était de 2,0D, la paroi interne du coude ne présentait pas non plus de fissures. Les résultats de la simulation par éléments finis ont montré que la contrainte maximale sur la paroi interne du coude avec un rayon de courbure de 1,0D était de 250 MPa., ce qui était bien supérieur à la limite d'élasticité du matériau à 1 100 ℃ (30MPa), conduisant à des fissures.
4.2.4 Paramètres de moule déraisonnables
Paramètres de moule déraisonnables (comme une surface de moule rugueuse, écart inapproprié entre le mandrin et l'ébauche de tuyau, et forme de matrice déraisonnable) entraînera également des fissures dans la paroi intérieure. Si la surface du moule est rugueuse, cela augmentera la résistance de friction entre le moule et l'ébauche de tuyau, conduisant à une concentration excessive de contraintes sur la paroi intérieure. Si l'écart entre le mandrin et l'ébauche de tuyau est trop petit, cela augmentera la force de friction et provoquera des rayures sur la paroi intérieure, qui deviendra la source de fissures. Si la forme du dé est déraisonnable, cela entraînera une répartition inégale des contraintes de l'ébauche de tuyau pendant le formage, conduisant à une concentration de stress.
Vérifier l'influence des paramètres du moule sur la fissuration, deux groupes d'expériences sur les moisissures ont été réalisés: un groupe a utilisé un moule avec une surface lisse (rugosité de surface Ra = 0,8 μm) et un écart raisonnable (0.5mm), et l'autre groupe a utilisé un moule avec une surface rugueuse (rugosité de surface Ra = 3,2 μm) et un écart inapproprié (0.2mm). La température de formage était de 1100℃, la vitesse de poussée était de 5 mm/s, le rayon de courbure était de 1,5D, et la taille de l'ébauche du tuyau était de φ108 × 6 mm. Les résultats expérimentaux ont montré que la paroi interne du coude formé par le premier groupe de moules ne présentait aucune fissure., et la qualité de la surface était bonne. La paroi interne du coude formé par le deuxième groupe de moules présentait des rayures et des fissures évidentes.. L'observation au MEB a montré que les fissures provenaient des rayures, et les rayures ont été causées par le frottement entre la surface rugueuse du moule et l'ébauche du tuyau.
4.3 Facteurs environnementaux
Les facteurs environnementaux se réfèrent principalement à l'oxydation et à la décarburation de la surface du matériau pendant le processus de formage par pliage à chaud.. A des températures élevées, L'acier inoxydable WP304 réagira avec l'oxygène de l'air pour former un film d'oxyde à la surface.. Le film d'oxyde est fragile et a une mauvaise adhérence à la matrice. Au cours du processus de formation, le film d'oxyde est facile à décoller, et les particules d'oxyde pelées deviendront des inclusions, ce qui provoquera une concentration de contraintes et conduira à des fissures. en outre, la décarburation se produira à la surface du matériau à des températures élevées, ce qui réduira la teneur en carbone de la couche superficielle, conduisant à une diminution de la résistance et de la dureté de la couche superficielle, rendant la couche de surface sujette à la déformation plastique et à la fissuration.
Analyser l'influence des facteurs environnementaux sur la fissuration, la surface de l'ébauche de tuyau a été observée par SEM avant et après le formage. Les résultats ont montré qu'avant de former, la surface de l'ébauche du tuyau était lisse, et il y avait une fine pellicule d'oxyde. Après avoir formé, le film d'oxyde sur la paroi interne du coude a été décollé, et il y avait un grand nombre de particules d'oxyde à la surface. L'analyse EDS a montré que les particules d'oxyde étaient principalement du Cr₂O₃ et du Fe₃O₄.. L'analyse métallographique a montré que la teneur en carbone de la couche superficielle du coude était 0.03%, qui était inférieure à la teneur en carbone du noyau (0.06%), indiquant qu'une décarburation s'est produite sur la couche superficielle. La couche décarburée avait une résistance et une dureté inférieures, et pendant le processus de formage par pliage à chaud, la déformation plastique était plus susceptible de se produire sous l'action d'une contrainte de formage, et des fissures ont été initiées et propagées dans la couche décarburée. Une transformation s'est produite sur la couche superficielle. La couche décarburée avait une résistance et une dureté inférieures, et sous l'action du stress formant, des déformations plastiques et des fissures étaient susceptibles de se produire. en outre, les particules d'oxyde pelées pénétreraient dans l'espace entre le moule et l'ébauche du tuyau, augmenter la résistance au frottement, exacerbant encore la concentration de contraintes sur la paroi interne, et favorisant l'initiation et la propagation des fissures.
en outre, l'humidité et les gaz nocifs dans l'environnement de formage peuvent également avoir un certain impact sur la fissuration de la paroi interne du coude. Par exemple, s'il y a de la vapeur d'eau dans l'environnement de chauffage, il réagira avec la surface du matériau à haute température pour générer de l'hydrogène, qui va pénétrer dans le matériau et provoquer une fragilisation par l'hydrogène, réduisant la ténacité du matériau et le rendant sujet aux fissures. Bien que l'influence de ces facteurs soit relativement faible par rapport à l'oxydation et à la décarburation, il ne peut être ignoré dans le processus de production réel, en particulier dans les environnements très humides ou lors de l'utilisation d'équipements de chauffage refroidis par eau.
5. Mesures de prévention et de contrôle de la fissuration des parois intérieures
Basé sur l'analyse systématique des causes de fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud (y compris les facteurs matériels, facteurs de processus, et facteurs environnementaux), ce chapitre propose des mesures de prévention et de contrôle ciblées sous trois aspects: contrôle de la qualité des matériaux, optimisation des paramètres de processus, et former l'amélioration de l'environnement. Ces mesures visent à réduire fondamentalement le risque de fissuration des parois intérieures., améliorer la qualité de formage des coudes, et assurer le fonctionnement sûr et stable des systèmes de pipelines ultérieurs.
5.1 Mesures de contrôle de la qualité des matériaux
Les facteurs matériels sont les causes internes de la fissuration. Le renforcement du contrôle qualité des matériaux peut améliorer les performances inhérentes de l'acier inoxydable WP304 et améliorer sa résistance à la fissuration lors du formage par pliage à chaud.. Les mesures spécifiques sont les suivantes:
5.1.1 Contrôler strictement la composition chimique
Premier, il est nécessaire de sélectionner des ébauches de tuyaux qui répondent aux exigences des normes en vigueur (comme ASTM A403/A403M). Avant la production, détection de la composition chimique (comme l'analyse spectrale) doit être effectué sur chaque lot d'ébauches de tuyaux pour garantir que le contenu de chaque élément se situe dans la plage standard. Pour les éléments clés: la teneur en carbone doit être strictement contrôlée ci-dessous 0.08%, la teneur en chrome entre 18.00%-20.00%, et la teneur en nickel entre 8.00%-12.00%. En même temps, la teneur en éléments d'impuretés nocifs tels que le phosphore et le soufre doit être contrôlée ci-dessous 0.045% et 0.030% respectivement. Pour les ébauches de tuyaux avec une composition chimique non qualifiée, ils doivent être rejetés ou retraités pour éviter d'entrer dans le processus de formage et de provoquer des fissures.
5.1.2 Réduire les inclusions nuisibles
Pour réduire le contenu des inclusions nocives (comme Al₂O₃, MNS) en acier inoxydable WP304, il est nécessaire d'optimiser le processus de fusion et de coulée du matériau. Pendant la fusion, des mesures telles que l'affinage par soufflage d'argon et l'affinage au four en poche peuvent être adoptées pour éliminer les inclusions et les gaz dans l'acier en fusion. Pendant le casting, la température de coulée et la vitesse de coulée doivent être contrôlées pour éviter une oxydation secondaire de l'acier en fusion. en outre, pour les ébauches de tuyaux achetées, contrôle non destructif (comme les tests à ultrasons) peut être effectué pour détecter la distribution et la taille des inclusions. Si les inclusions dépassent la plage autorisée, les ébauches de tuyaux ne doivent pas être utilisées pour le formage.
5.1.3 Contrôler la taille des grains
Un processus de traitement thermique raisonnable doit être adopté pour contrôler la granulométrie des ébauches de tuyaux en acier inoxydable WP304. Avant le formage par pliage à chaud, un recuit de détente et un recuit d'affinement du grain peuvent être effectués sur les ébauches de tuyaux. Il est recommandé que la température de recuit soit de 950 ℃ à 1 050 ℃., et le temps de maintien est 1-2 heures, suivi d'un refroidissement à l'air. Cela peut non seulement éliminer les contraintes résiduelles des ébauches de tuyaux, mais également affiner la granulométrie pour obtenir 6-8 grades (Norme ASTM E112), améliorer la ténacité et la formabilité du matériau. Pendant le processus de formage par pliage à chaud, la température de chauffage et le temps de maintien doivent également être strictement contrôlés pour éviter une croissance excessive des grains. La température de formage ne doit pas dépasser 1150℃, et le temps de maintien doit être ajusté en fonction de l'épaisseur de l'ébauche de tuyau, généralement pas plus de 30 minutes.
5.1.4 Éliminer le stress résiduel
Pour les ébauches de tubes présentant des contraintes résiduelles élevées, un traitement anti-stress doit être effectué avant le formage. La méthode couramment utilisée est le recuit de détente, qui est effectuée à 850℃-900℃ pendant 1-2 heures, suivi d'un refroidissement lent. Cela peut réduire efficacement la contrainte résiduelle de traction sur la paroi interne de l'ébauche de tuyau à moins de 30 MPa., éviter la superposition de contraintes résiduelles et de contraintes de formage lors du formage par pliage à chaud, ce qui entraîne des contraintes excessives et des fissures. Après un traitement anti-stress, La diffraction des rayons X peut être utilisée pour détecter la contrainte résiduelle de l'ébauche de tuyau afin de garantir qu'elle répond aux exigences de formage.
5.2 Mesures d'optimisation des paramètres de processus
Les facteurs de processus sont les causes externes de la fissuration. L'optimisation des paramètres du processus de formage par pliage à chaud et l'amélioration du niveau d'opération de formage peuvent réduire efficacement la concentration de contraintes sur la paroi interne du coude et éviter les fissures.. Les mesures spécifiques sont les suivantes:
5.2.1 Optimiser l'adéquation de la température de formage et de la vitesse de poussée
Sur la base des résultats expérimentaux de la section 4.2.1, la combinaison optimale de paramètres pour le formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304 est: température de formage 1050℃-1100℃, vitesse de poussée 3-5 mm/s. Pour ébauches de tuyaux de différentes épaisseurs et tailles, les paramètres peuvent être ajustés de manière appropriée. Par exemple, pour ébauches de tuyaux à parois épaisses (épaisseur de paroi > 8mm), la température de formage peut être augmentée jusqu'à 1100℃-1150℃, et la vitesse de poussée peut être réduite à 2-3 mm/s pour assurer une déformation plastique suffisante. Pendant la production, un système de surveillance de la température doit être installé pour surveiller en temps réel la température de l'ébauche du tuyau, et la vitesse de poussée doit être ajustée en temps réel en fonction du changement de température pour assurer une correspondance raisonnable des deux paramètres.
5.2.2 Assurer un chauffage uniforme des ébauches de tuyaux
Premier, le chauffage par induction est à privilégier, qui présente les avantages d'une vitesse de chauffage rapide et d'une répartition uniforme de la température. La bobine d'induction doit être conçue en fonction de la taille de l'ébauche de tuyau pour garantir que la zone de chauffage couvre toute la section de formage de l'ébauche de tuyau.. Seconde, avant de chauffer, la surface de l'ébauche du tuyau doit être nettoyée pour éliminer les taches d'huile, rouiller, et autres impuretés, ce qui peut éviter un chauffage inégal causé par une absorption de chaleur inégale. Troisième, pendant le chauffage, l'ébauche de tuyau peut tourner à faible vitesse (5-10tr/min) pour garantir que les parois intérieures et extérieures de l'ébauche de tuyau sont chauffées uniformément. La différence de température entre les parois intérieure et extérieure de l'ébauche de tuyau doit être contrôlée à moins de 10 ℃, qui peut être détecté par un thermomètre infrarouge en temps réel. Si un chauffage par résistance est utilisé en raison des limitations de l'équipement, un couvercle de conservation de la chaleur doit être ajouté à la zone de chauffage pour réduire les pertes de chaleur et améliorer l'uniformité du chauffage.
5.2.3 Sélectionnez un rayon de courbure raisonnable
Dans le but de répondre aux exigences de conception technique, le rayon de courbure du coude doit être le plus grand possible. Pour coudes en acier inoxydable WP304, le rayon de courbure ne doit pas être inférieur à 1,5D (D est le diamètre extérieur de l'ébauche de tuyau). Si l'ingénierie nécessite un rayon de courbure plus petit (tel que 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, et optimisation de la structure du moule (such as adding a lubricating layer on the surface of the mandrel) to reduce the stress concentration on the inner wall. avant la formation, 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
Premier, 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) pour réduire la résistance de friction entre le moule et l'ébauche de tuyau. Seconde, l'espace entre le mandrin et l'ébauche du tuyau doit être raisonnablement conçu. L'écart doit être de 0,3 à 0,5 mm, ce qui peut non seulement assurer la stabilité de l'ébauche de tuyau pendant le formage, mais également réduire la friction. Troisième, la forme de la matrice doit être optimisée. L'arc de transition de la matrice doit être lisse pour éviter les angles vifs, ce qui peut réduire la concentration de contraintes pendant le formage. Après la fabrication du moule, il doit être inspecté pour la précision dimensionnelle et la qualité de la surface afin de garantir qu'il répond aux exigences de conception.
5.3 Élaborer des mesures d'amélioration de l'environnement
Les facteurs environnementaux tels que l'oxydation et la décarburation réduiront la qualité de surface de l'ébauche du tuyau et augmenteront le risque de fissuration.. L'amélioration de l'environnement de formage peut réduire efficacement l'impact des facteurs environnementaux sur la fissuration. Les mesures spécifiques sont les suivantes:
5.3.1 Adopter la formation d’une atmosphère protectrice
Pendant le formage par pliage à chaud, gaz de protection (comme l'argon, azote) peut être introduit dans la zone de chauffage et dans la cavité du moule pour isoler l'ébauche de tuyau de l'air, éviter l'oxydation et la décarburation de la surface de l'ébauche du tuyau à haute température. Le débit du gaz protecteur doit être contrôlé à 5-10L/min, et la pureté du gaz doit être supérieure 99.99% pour garantir l'effet protecteur. Pour une production à grande échelle, une chambre de formage fermée peut être construite, et le gaz protecteur peut être rempli dans la chambre pour créer une atmosphère protectrice complète, ce qui peut encore améliorer l'effet anti-oxydant.
5.3.2 Contrôler l'humidité et les gaz nocifs dans l'environnement de formage
L'humidité de l'atelier de formage doit être contrôlée ci-dessous 60% pour éviter la fragilisation par l'hydrogène causée par la réaction de la vapeur d'eau avec la surface du matériau à haute température. Des équipements de déshumidification peuvent être installés dans l'atelier pour ajuster l'humidité en temps réel. En même temps, l'émission de gaz nocifs (comme le monoxyde de carbone, dioxyde de soufre) dans l'atelier doit être contrôlé pour éviter la réaction des gaz nocifs avec la surface de l'ébauche du tuyau, ce qui affecte la qualité de surface de l'ébauche de tuyau. L'atelier doit être équipé d'un système de ventilation pour assurer la circulation de l'air.
5.3.3 Renforcer le traitement de surface post-formage
Une fois le coude formé et refroidi, le tartre d'oxyde de surface doit être éliminé à temps. Les méthodes courantes incluent le décapage (utilisant un acide mixte d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique) et sablage. Le décapage peut éliminer le tartre d'oxyde et la couche décarburée à la surface du coude, et le sablage peut améliorer la rugosité de la surface du coude et améliorer l'adhérence du revêtement anticorrosion ultérieur. Après traitement de surface, la surface du coude doit être inspectée pour s'assurer qu'il n'y a pas de tartre d'oxyde résiduel, rayures, ou d'autres défauts, ce qui peut éviter l'apparition de fissures dues à des défauts de surface lors d'un service ultérieur.
5.4 Mesures complètes d’inspection de la qualité
En plus des mesures ci-dessus, une inspection de qualité complète doit être effectuée pendant tout le processus de production pour détecter et éliminer en temps opportun les risques potentiels pour la qualité. Les mesures spécifiques sont les suivantes: (1) Inspection avant formage: Vérifier la composition chimique, taille de grain, contrainte résiduelle, et la qualité de surface de l'ébauche de tuyau pour garantir qu'elle répond aux exigences de formage. (2) Inspection informative: Surveiller en temps réel la température de formage, vitesse de poussée, et état contrainte-déformation de l'ébauche de tuyau, et ajuster les paramètres du processus à temps si des anomalies sont détectées. (3) Contrôle post-formage: Utiliser des méthodes de contrôle non destructifs (comme les tests à ultrasons, test de particules magnétiques) pour inspecter les parois intérieures et extérieures du coude à la recherche de fissures, inclusions, et autres défauts. Pour les coudes non qualifiés, ils doivent être marqués et traités de manière centralisée. Pour les coudes qualifiés, une inspection par échantillons doit être effectuée pour tester leurs propriétés mécaniques (comme la résistance à la traction, résistance aux chocs) pour s'assurer qu'ils répondent aux exigences techniques.
6. Conclusion et perspectives
6.1 Conclusion
Cet article mène une étude approfondie sur les causes de fissuration de la paroi interne des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud et propose des mesures de prévention et de contrôle correspondantes.. Par l'analyse théorique, recherche expérimentale, et simulation par éléments finis, les principales conclusions sont les suivantes:
(1) La fissuration de la paroi intérieure des coudes en acier inoxydable WP304 lors du formage par pliage à chaud est le résultat complet de plusieurs facteurs., y compris les facteurs matériels (écart de composition chimique, inclusions nocives, granulométrie excessive, contrainte résiduelle élevée), facteurs de processus (correspondance déraisonnable de la température de formage et de la vitesse de poussée, chauffage inégal, rayon de courbure trop petit, paramètres de moule déraisonnables), et facteurs environnementaux (oxydation, décarburation, fragilisation par l'hydrogène causée par la vapeur d'eau).
(2) Parmi les facteurs matériels, la précipitation des carbures de chrome causée par une teneur excessive en carbone, la concentration de stress provoquée par des inclusions nocives (Al₂O₃, MNS), et la réduction de la ténacité causée par une taille de grain excessive sont les facteurs clés conduisant à la fissuration. Parmi les facteurs de processus, l'adéquation déraisonnable de la température de formage et de la vitesse de poussée (température trop basse + vitesse trop rapide, température trop élevée + vitesse trop rapide) et un chauffage inégal sont les principaux facteurs provoquant des fissures. Parmi les facteurs environnementaux, l'oxydation et la décarburation de la surface du matériau sont les principaux facteurs affectant la qualité de la surface et conduisant à des fissures.
(3) Des mesures ciblées de prévention et de contrôle sont proposées sous trois aspects: contrôle de la qualité des matériaux, optimisation des paramètres de processus, et former l'amélioration de l'environnement. Les mesures de contrôle de la qualité des matériaux comprennent un contrôle strict de la composition chimique, réduire les inclusions nocives, contrôler la taille des grains, et éliminer le stress résiduel. Les mesures d'optimisation des paramètres de processus incluent l'optimisation de la correspondance entre la température de formage et la vitesse de poussée., assurer un chauffage uniforme, sélectionner un rayon de courbure raisonnable, et optimisation de la conception des moules. Les mesures d'amélioration de l'environnement de formation comprennent l'adoption d'une atmosphère protectrice, contrôler l’humidité de l’environnement et les gaz nocifs, et renforcement du traitement de surface post-formage. en outre, une inspection de qualité complète pendant tout le processus de production peut garantir en outre la qualité de formage du coude.
(4) La combinaison optimale de paramètres de processus pour le formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable WP304 est obtenue grâce à des expériences: température de formage 1050℃-1100℃, vitesse de poussée 3-5 mm/s, rayon de courbure ≥1,5D, et méthode de chauffage par induction. L'utilisation de cette combinaison de paramètres et la correspondance avec les mesures correspondantes de contrôle des matériaux et d'amélioration de l'environnement peuvent réduire efficacement l'apparition de fissures dans les parois intérieures., et le taux de coudes qualifié peut atteindre plus de 98%.
6.2 Perspective
Bien que cet article ait obtenu certains résultats de recherche, il existe encore certaines lacunes qui nécessiteront une étude plus approfondie à l'avenir:
(1) La recherche dans cet article vise principalement les coudes en acier inoxydable WP304. Pour d'autres types d'acier inoxydable austénitique (comme WP316, WP321) coudes, les causes des fissures et les mesures préventives peuvent être différentes. Les recherches futures pourraient étendre la portée de la recherche à d'autres types de coudes en acier inoxydable pour former un système théorique et une méthode technique plus universels..
(2) Cet article étudie principalement le problème de fissuration lors du formage par pliage à chaud.. Pour la loi d'évolution des microfissures formées lors du formage lors du processus de service ultérieur (comme à haute température, haute pression, et environnement corrosif), il y a un manque de recherche approfondie. Les recherches futures pourront combiner l'environnement de service pour étudier le mécanisme de propagation des microfissures et proposer une méthode de contrôle qualité du cycle de vie complet pour les coudes en acier inoxydable..
(3) Avec le développement de la technologie de fabrication intelligente, les recherches futures pourraient introduire l'intelligence artificielle et la technologie du Big Data dans le processus de formage par pliage à chaud des coudes en acier inoxydable. En construisant un système de surveillance et de contrôle intelligent, une surveillance en temps réel et un ajustement automatique des paramètres du processus peuvent être réalisés, et la qualité de formage des coudes peut être prédite et évaluée, ce qui améliorera encore l'efficacité de la production et la qualité du produit.
(4) En termes d’optimisation des moules, les recherches futures pourraient adopter la technologie de fabrication additive pour fabriquer des moules présentant des structures complexes et une bonne qualité de surface. En même temps, de nouveaux matériaux lubrifiants et technologies de revêtement peuvent être développés pour réduire davantage la résistance de frottement entre le moule et l'ébauche de tuyau, améliorer la qualité du formage et la durée de vie du moule.
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