Тимур Зуфарович Абдуллин
Методика модернизации сварочных технологий: от теории к практике
© Тимур Зуфарович Абдуллин, 2025
ISBN 978-5-0065-2622-8
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
О монографии
Монография представляет собой исследование современных методов оптимизации сварочных процессов, акцентируя внимание на теплоустойчивых сталях. Автор, подчёркивает важность разработки эффективных технологий, что делает его работу особенно ценной для специалистов в этой области.
Эта монография станет надёжным источником для профессионалов, работающих в области машиностроения и технологий сварки.
Введение
Экономическое развитие страны напрямую зависит от рационального использования материальных, энергетических и трудовых ресурсов. Одним из перспективных направлений в этой области является повышение эффективности сборки заготовок и конструктивных элементов машин и агрегатов, а также создание менее энергоёмких технологических процессов, основанных на широком применении различных методов обработки металлов.
В нефтеперерабатывающей промышленности существует значительная потребность в оборудовании, изготавливаемом из теплоустойчивых сталей, таких как 12МХ. Эти стали предназначены для длительной эксплуатации при температурах до 550—570ºС и находят широкое применение в машиностроении для производства труб паронагревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления, а также для поковок паровых котлов и паронагревателей.
Также имеется необходимость в использовании теплоустойчивых сталей типа 12МХ для изготовления крупногабаритных сварных сосудов и аппаратов в нефтегазохимическом аппаратостроении. Эти стали обладают высокими прочностными и антикоррозионными свойствами при высоких температурах, особенно при наличии бейнитной или сорбитной структуры с равномерно распределенными мелкодисперсными карбидами.
Однако в легированных сталях типа 12МХ (включая 15ХМ и 12Х1МФ), содержащих стойкие карбидосодержащие элементы, такие как молибден, хром и ванадий, при огневой резке и сварке могут возникать участки с закалочными структурами. Это происходит на околошовных участках зоны термического влияния (ЗТВ), где температура превышает Ас3, а также на участках, подвергнутых нагреву до температуры Ас1, что приводит к снижению прочностных свойств.
Процесс изготовления оборудования из теплоустойчивых сталей типа 12МХ с применением сварки требует предварительного подогрева до температуры 150—200ºС и незамедлительной термической обработки при температуре 670—690ºС для снятия остаточных сварочных напряжений и предотвращения образования холодных трещин. Однако такая термическая обработка является сложным и энергоёмким процессом, который трудно осуществить в полевых условиях.
Исследование возможности снятия остаточных напряжений в конструкциях аппаратов с помощью циклического нагружения (вибрационной обработки) представляет собой актуальную задачу. Важно найти способы управления характером и уровнем остаточных напряжений, что позволит повысить технологическую прочность и качество аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. На основе работ таких учёных, как В. М. Сагалевич, А. М. Ким-Хенкин, К. М. Рагульскис, О. Г. Чикалиди, А. М. Велбель и других, выдвинуто предположение о возможности изменения характера и снижения уровня остаточных сварочных напряжений в различных конструкциях с помощью пластического деформирования или вибрационной обработки. Проведённые исследования подтвердили возможность управления остаточными напряжениями в металлических конструкциях и в ряде случаев замены дорогостоящей термической обработки на вибрационную.
Предварительный подогрев свариваемых конструкций снижает производительность и является сложным энергоёмким процессом. Небольшие отклонения от нормируемой технологии подогрева и режимов сварки могут привести к снижению прочности сварного соединения. В то же время, вибрационная обработка свариваемых элементов, проводимая в процессе сварки, является альтернативным методом снижения остаточных напряжений и повышения прочности сварных соединений.
В данной задачей совершенствования технологического процесса изготовления нефтегазохимического оборудования с использованием менее энергоёмких методов, в частности, применения вибрационной обработки в процессе сварки. Для достижения этой цели необходимо провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований, которые включают следующие задачи:
• Установить характер распределения остаточных напряжений и деформаций, возникающих в процессе вибрационной обработки сварного соединения из стали 12МХ, для оценки её влияния на эффективность процесса.
• Оценить влияние вибрационного воздействия в процессе сварки на технологическую прочность и механические свойства сварного соединения из стали 12МХ.
• Разработать практические рекомендации для совершенствования технологии изготовления сварного нефтеперерабатывающего оборудования оболочкового типа из теплоустойчивых сталей типа 12МХ с использованием вибрационной обработки свариваемых деталей в процессе сварки.
Автор выражает благодарность заведующему кафедрой, профессору и научному руководителю И. Г. Ибрагимову за поддержку в проведении исследований, а также к. т. н. А.М. Файрушину за постоянную помощь в работе.
Глава 1. Анализ технологии изготовления сварного оборудования из стали 12МХ
1.1. Применение стали 12МХ в нефтегазовом оборудовании
Теплоустойчивыми называют стали, предназначенные для длительной эксплуатации при температурах до 600° C. Эти стали находят широкое применение в энергетических и нефтехимических установках. В условиях длительной работы под напряжением при высоких температурах теплоустойчивые стали должны обладать высокой стойкостью к ползучести, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и жаростойкостью. Достижение перечисленных свойств при экономичном легировании возможно благодаря использованию хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей перлитного класса.
Хромомолибденовые стали, такие как 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ и 15Х5М, с ферритно-перлитной структурой, применяются для работы при температурах 500—550° C. Хромомолибденованадиевые стали, например, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ и 12Х2МФСР, предназначены для эксплуатации при температурах 550—580° C. Более высокие жаропрочные свойства хромомолибденованадиевых сталей обусловлены не только стабилизацией карбидной фазы ванадием, но и применением упрочняющей термической обработки, обеспечивающей образование бейнитной структуры.
Сварка теплоустойчивых сталей сопровождается изменением свойств свариваемого металла, связанным с расплавлением и кристаллизацией при образовании шва, а также структурными изменениями и упругопластическими деформациями в околошовной зоне. Это приводит к физико-химической неоднородности сварных соединений и образованию местного сложнонапряженного состояния, что может ухудшить работоспособность и снизить эксплуатационную надёжность конструкций.
Металлургическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая их поведением при плавлении, металлургической обработке и последующей кристаллизации шва, не вызывает значительных осложнений. Современные технологии сварки и сварочные материалы обеспечивают необходимую стойкость швов к образованию горячих трещин и высокие характеристики их работоспособности, соответствующие требованиям, предъявляемым к основному металлу. Однако тепловая свариваемость может осложняться охрупчиванием металла из-за образования метастабильных структур в околошовной зоне, нагретой выше температуры Ас3, и разупрочнением в участках, нагретых в интервале температур Ас3 – температура отпуска стали. Образование хрупких структур (троостита, мартенсита) и суммирование напряжений, вызванных неравномерным нагревом и структурными превращениями, могут привести к потере пластичности металла и вызвать разрушение конструкций в процессе их изготовления. Для предотвращения образования холодных трещин необходимо использовать сопутствующий нагрев во время сварки, а в некоторых случаях – выдержку сварных соединений при определённой температуре после окончания сварки.
Эксплуатационная надёжность конструкций из металла повышенной толщины может быть обеспечена после стабилизации структуры и снятия напряжений путём отпуска сварных соединений. При этом температура отпуска сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей должна быть не ниже 700° C, поскольку выпадение дисперсных карбидов ванадия из твёрдого раствора при низких температурах отпуска может привести к охрупчиванию металла околошовной зоны и возникновению локальных разрушений сварных соединений как в процессе отпуска, так и в ходе эксплуатации конструкций.
Учитывая все положительные технологические и эксплуатационные свойства стали 12МХ, очевидна необходимость ее применения. Эта сталь может использоваться для изготовления труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления, поковок для паровых котлов и паропроводов, деталей цилиндров газовых турбин, а также в качестве основного слоя при производстве горячекатаных двухсловных коррозионностойких листов. Рекомендуемая температура применения стали 12МХ составляет до 510° C, температура интенсивного окалинообразования – 570° C, а срок службы – более 10 000 часов.
1.2. Химический состав и физические свойства стали 12МХ
Сталь 12МХ относится к группе теплоустойчивых низколегированных сталей перлитного класса, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенных температур и давления. Данная сталь обладает оптимальным сочетанием механических свойств и термостойкости, что делает её подходящей для изготовления оборудования, используемого в нефтегазовой отрасли.
Химический состав стали 12МХ представлен в таблице 1.1.:
Таблица 1.1. Химический состав в % стали 12МХ
Механические свойства стали 12МХ при температуре 20° C приведены в таблице 1.2.:
Таблица 1.2. Механические свойства стали 12МХ
при t=20° C
Твёрдость материала после отжига не должна превышать 217 HB, что подтверждает его способность сохранять необходимые механические свойства после термической обработки.
Таким образом, сталь 12МХ, обладая сбалансированным химическим составом и соответствующими механическими свойствами, является оптимальным выбором для применения в нефтегазовом оборудовании, где требуется высокая прочность, термостойкость и надёжность в эксплуатации.
1.2.1. Технология сварки конструкций из стали 12МХ
Теплоустойчивость сварных соединений оценивают отношением длительной прочности металла соединения и основного металла – коэффициентом теплоустойчивости.
Теплоустойчивые стали должны обладать жаростойкостью, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и сопротивлением ползучести: их пластическая деформация при постоянной нагрузке с течением времени должна возрастать незначительно, чтобы работать при высоких температурах,. Все это достигается введением в состав сталей 0,5…2,0% хрома, 0,2…1,0% молибдена, 0,1 …0,3% ванадия и иногда небольших добавок редкоземельных элементов. Сочетание механических свойств изделий из теплоустойчивых сталей достигается термообработкой: нормализацией или закалкой с последующим высокотемпературным отпуском. Это обеспечивает мелкозернистую структуру, состоящую из дисперсной ферритокарбидной смеси.
Физическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая отношением металла к плавлению, металлургической обработке и к последующей кристаллизации шва не вызывает затруднений. Современные сварочные материалы и технология сварки обеспечивают требуемые свойства и стойкость металла шва против горячих трещин, но в тоже время сварные соединения обладают склонностью к холодным трещинам и к разупрочнению металла в зоне термического влияния (ЗТВ). Поэтому требуется использовать сопутствующий сварке местный или предварительный общий подогрев изделия. Это уменьшит разницу температур в зоне сварки и на периферийных участках, что снижает возникающие напряжения в металле. Уменьшается скорость охлаждения металла после сварки больше аустенита превращается в мартенсит при высокой температуре, когда металл пластичен. Напряжения, возникающие из-за разницы объемов этих фаз, будут меньше, при этом вероятность образования холодных трещин снизится. В свою очередь применяя подогрев, нужно учитывать, что излишне высокая температура приводит к образованию грубой ферритно-перлитной структуры, не обеспечивающей необходимую длительную прочность и ударную вязкость сварных соединений. С целью снизить опасность возникновения холодных трещин можно, произвести отпуск деталей, выдерживая их при температуре 150…200 °С сразу после сварки в течение нескольких часов. За это время завершится превращение остаточного аустенита в мартенсит и удалится из металла большая часть растворённого в нем водорода. Разупрочнение теплоустойчивых сталей в ЗТВ зависит также от параметров режима сварки. Повышение погонной энергии сварки увеличивает мягкую разупрочняющую прослойку в ЗТВ, которая может быть причиной разрушения жёстких сварных соединений при эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках. Основные способы сварки конструкций из теплоустойчивых сталей – это дуговая и контактная стыковая. Последнюю используют для сварки стыковых соединений труб нагревательных котлов в условиях завода изготовителя.
Дуговую сварку производят электродами с покрытием, в защитных газах и под флюсом. Подготовку кромок деталей при всех способах дуговой сварки производят механической обработкой. Допускается применение кислородной или плазменной резки с последующим удалением слоя повреждённого металла толщиной не менее 2 мм.
Дуговую сварку производят при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С с предварительным и сопутствующим сварке местным или общим подогревом. Температура подогрева зависит от марки стали и толщины свариваемых кромок. Хромомолибденовые стали при толщине кромок до 10 мм, а хромомолибденованадиевые – до 6 мм можно сваривать без подогрева. Сталь 12МХ, например, толщиной 10…30 мм надо подогревать до температуры 150…200 °С, а больше 30 мм – до температуры 200…250 °С. При многопроходной автоматической сварке под флюсом минимальную температуру подогрева можно снижать на 50 °С. Аргонодуговую сварку корневого шва стыков труб выполняют без подогрева.
После сварки производят местный отпуск сварных соединений или общий отпуск всей сварной конструкции. Хромомолибденовые стали нагревают при отпуске до температуры 670…700 °С с выдержкой при этой температуре от одного до трех часов в зависимости от толщины сваренных кромок, хромомолибденованадиевые – до температуры 740…760 °С с выдержкой от двух до десяти часов. Чем больше в стали хрома, молибдена, ванадия, тем больше должны быть температура и время отпуска. Отпуск стабилизирует структуру и механические свойства соединений, снижает остаточные напряжения, однако он не позволяет полностью выровнять структуру и устранить разупрочненную прослойку в зоне термического влияния. [124, 126. 127, 129].
Ручную дуговую сварку теплоустойчивых сталей ведут электродами из малоуглеродистой сварочной проволоки с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, через которое вводят в шов легирующие элементы. Этот тип покрытия хорошо расчисляет металл шва, обеспечивает малое содержание в нем водорода и неметаллических включений, надёжно защищает от азота воздуха. Это позволяет получать высокую прочность и пластичность шва. Однако для электродов с таким покрытием характерна повышенная склонность к образованию пор при удлинении дуги, наличии ржавчины на поверхности свариваемых кромок и при небольшом увлажнении покрытия. Поэтому нужно сваривать предельно короткой дугой, тщательно очищать кромки и сушить электроды перед их применением при температуре 80… 100 °С. Хромомолибденовые стали сваривают электродами типа Э-09МХ (ГОСТ 9467—75) марки ЦУ-2ХМ диаметром 3 мм и более, а также ЦЛ-38 диаметром 2,5 мм, хромомолибденованадиевые – электродами типа Э-09Х1МФ марок ЦЛ-39 диаметром 2,5 мм, ЦЛ-20, ЦЛ-45 диаметром 3 мм и более. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности узкими валиками без поперечных колебаний электрода с тщательной заваркой кратера перед обрывом дуги. Когда подогрев свариваемых изделий и их термообработка после сварки невозможны или если необходимо сваривать перлитные теплоустойчивые стали с аустенитными, допускается использование электродов на никелевой основе марки ЦТ 36 или проволоки Св 08Н60Г8М7Т при аргонодуговой сварке.
Теплоустойчивые стали сваривают дуговой сваркой плавящимся электродом в углекислом газе и вольфрамовым электродом в аргоне. Сварку в С02 из-за опасности шлаковых включений между слоями используют обычно для однопроходных швов и для заварки дефектов литья. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности с присадочной проволокой (ГОСТ 2246—70) Св 08ХГСМА для хромомолибденовых сталей или Св 08ХГСМФА для хромомолибденованадиевых сталей. Для проволоки диаметром 1,6 мм сила сварочного тока 140…200 А при напряжении дуги 20…22 В, а диаметром 2 мм 280… 340 А при 26…28 В.
Ручная аргонодуговая сварка используется для выполнения корневого шва при многопроходной сварке стыков труб. Автоматической сваркой в аргоне сваривают неповоротные стыки паропроводов в условиях монтажа. При аргонодуговой сварке хромомолибденовых сталей.
Автоматическую дуговую сварку под флюсом используют на поворотных стыках трубопроводов, коллекторов котлов, корпусов аппаратов химической промышленности и других изделиях с толщиной стенки 20 мм и более. Применяют низкоактивные по кремнию и марганцу флюсы ФЦ-11, АН-22. Этим достигается стабильность содержания Si и Мп в многослойных швах и низкое содержание в них оксидных включений – продуктов процесса восстановления марганца. Сварку под флюсом ведут со скоростью 40…50 м/ч на постоянном токе обратной полярности силой 350…400 А при напряжении дуги 30…32 В. Высокая скорость сварки уменьшает погонную энергию, что снижает разупрочнение хромомолибденованадиевых сталей в околошовной зоне. Применяют проволоку диаметром 3 мм Св 08МХ и Св 08ХМ для хромомолибденовых сталей и Св 08ХМФА для хромомолибденованадиевых сталей. Можно применять проволоку диаметром 4 и 5 мм, увеличив соответственно силу тока до 520…600 А и 620…650 А при напряжении дуги 30…34 В. [135]