автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности сварного нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей мартенситного класса

РГБ ОД

2 О МАИ 19Я7 На правах рукописи

ХАЛИМОВ АНДАЛИСЬ ГАРИФОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СВАРНОГО НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ИЗ ХРОМОМОЛИБДЕНОВЫХ СТАЛЕЙ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА

05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих

и химических производств 05.03.06 - Технология и малншы сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа 1997

Работа выполнена на кафедре "Технология нефтяного аппара-тостроения " Уфимского государственного нефтяного технического университета

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузсев И.Р. доктор технических наук, профессор Ефименко Л. А. доктор технических наук Яматеев K.M.

Ведущее предприятие - АООТ ВНИИнефтемаш (г. Москва)

Защита состоится " 23 " мая 1997 г. в К) часов на заседашш диссертационного совета Д 063.09.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ.

Автореферат разослан " 24 " СИПР&ЛЯ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических паук, профессор

Ольков П.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Многообразие технологических процессов и их интенсификации за счет использования высоких давления и температуры, новых физических процессов, повышение агрессивности рабочих сред значительно усложняют условия работы нефтехимического оборудования. Расширяется номенклатура применяемых материалов, обновляются виды неразъемных соединений, изменяется строение зоны термического влияния сварных соединений, появяя-%

ются факторы, ранее не учтенные при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования. Все это обусловливает необходимость совершенствования процессов разработки и производства сварных конструкций, направленных на реализацию преимуществ прогрессивных конструкционных материалов и создания сварных аппаратов с максимальной надежностью во все более усложняющихся условиях эксплуатации, высокой технологичностью, минимальной материалоемкостью и уменьшенной массой наплавленного металла.

Значительное количество такого оборудования и прежде всего для переработки горячих сероводородных и окислительных серусодержащих сред, а также работающих в среде водорода и растворов хлоридов изготавливается пз жаропрочных хромомолибденовых сталей.

Эти стали характеризуются достаточно высокими теплопроводностью и релаксационной способностью, сравнительно низким относительным коэффициентом линейного расширения и возможностью изменения механических свойств в широких пределах с помощью термической обработки. Однако, в настоящее время применение их для изготовления сварных конструкций в нефтяном и химическом аппаратостроении ограничено.

Небольшая скорость распада хромистого аустенита, вызывающая склонность к закалке на воздухе, и фазовые превращения мартенситного ха-

рактера снижают стойкость сталей к образованию трещин при сварке. С позиции технологической и эксплуатационной прочности наиболее слабым звеном таких сварных соединений являются околошовные твердые участки.

Механическая неоднородность, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является следствием, с одной стороны, неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно-неравновесных сталей, с друг ой - применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности. Все это приводит к возникновению сложного напряженного состояния. В сварных соединениях имеет место существенная концентрация напряжений, которая в конечном счете существенно влияет на прочность, запас пластичности, энергоемкости соединений, место и характер разрушения оборудования при эксплуатации. Поэтому анализ нове-дешш соединений при нагружении необходимо вести с учетом влияния их механической неоднородности. Учет этого влияния и регулирование механической неоднородности позволяет по-новому подойти к оптимизации конструкций и технологии их изготовления, а также более объективно оценивать 1« работоспособность.

В связи с отсутствием приемлемых технологических решений изготовления надежного в эксплуатации сварного нефтехимического оборудования из жаропрочных хромомолибденовых сталей, связанным с образованием неравновесных закалочных структур, актуальны исследование влияния струк-турно-мехашческой неоднородности на склонность сварных соединений этих сталей к хрупкому разрушению и на этой основе разработка научно обоснованных конструктивно-технологических мероприятий по ограничению отрицательного влияния факторов неоднородностей для обеспечения работоспособности сварного нефтехимтгческого оборудования.

Цель работы

Разработка теоретических и практических основ конструктивно-технологического обеспечения работоспособности сварного нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей мартенситного класса.

Для решения этой проблемы были сформулированы следующие задачи:

- исследование особенностей структурно-механической неоднородности сварных соединений при различных технологических способах сварки и их взаимосвязи с механическими характеристиками;

- исследование особенностей кинетики фазовых и структурных превращений металла околошовной зоны сварных соединений в зависимости от параметров термического цикла сварки;

- изучение закономерности напряженно-деформированного состояния, прочности и долговечности конструктивных элементов оборудования с твердыми прослойками при стационарном и нестационарном нагружениях;

- выбор регулируемых параметров термических циклов и разработка высокопроизводительных технологических процессов ручной и механизированной сварки, обеспечивающих высокий уровень сопротивления сварных соединений разрушению. В конечном итоге - разработать комплекс нормативно-технологических материалов по технологическому обеспечению работоспособности сварных элементов оборудования.

Научная новизна работы

1. На основе исследования закономерности напряженно-деформировашюго состояния твердых прослоек в условиях плоского напряженного состояния разработаны теоретические зависимости для определения предельно допустимых параметров хрупких твердых прослоек в сварных элементах нефтехимического оборудования во взаимосвязи с геометрическими параметрами и степенью их механической неоднородности.

Показано, что с уменьшением размеров и при достижении критическо! толщины поперечных твердых прослоек увеличение деформационных харакге ристик и снижение хрупкости сварных соединений достигаются смягчением и> напряженно! о состояния; для продольных твердых прослоек - повышение\ трещиностойкости за счет улучшения структу ры металла при изменении технологи! сварки и устойчивости к пластическим деформациям при совместнол: растяжении с более пластичными металлами.

2. Выявлены закономерности формировагаю структуры сварных соединений из жаропрочных хромомолибденовых сталей типа 15Х5М, изучена кинетика фазовых и структурных превращений в ОШУ ЗТВ, фазового состава и морфолологхш структуры характерных зон сварных соединений при регулирова-шш термических циклов сварки.

Регулируемое воздействие на высокотемпературную область термического цикла сварки малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартенсит-ного класса позволяет достигать перераспределения углерода и основных кар-б идо о б р а;уI о щи х компонентов хрома и молибдена между твердым раствором и фазами выделения. В условиях термических циклов сварки с интенсивным отводом тепла достигается формирование мелкозернистой, более равновесной структуры бейшпного характера с равномерно распределенными частицами исходных карбидов.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны научные основы технологических процессов электродуговой сварки с регулированием термического цикла (РТЦ) за счет сопутствующего принудительного охлаждения малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартен-ситного класса. Установлено, что интенсивный отвод тепла из зоны теплового воздействия дуги значительно влияет на геометрические размеры твердых прослоек в ЗТВ. Происходит уменьшение объема металла, претерпевающего закалочные превращения, и требуемое высокое качество сварных соединений

достигается за счет формирования специфической структуры металла околошовных участков (ОШУ) ЗТВ с-минимальной чувствительностью к образова-шпо трещин. Это обеспечивает при сварке однородными перлитными электродами повышение стойкости к замедленному и хрупкому разрушению и, соот-ветствешю, увеличение времени вылеживания изделий до последующей термической обработки без образования трещин. При сварке лустенитными электродами происходит улучшение структурного состояния и свойств металла шва, размеры хрупких прослоек в ЗТВ получаются меньше критических величин, при которых их наличие не сказывается на несущей способности сварных соединений.

4. Установлено, что с уменьшением относительной толщины твердой прослойки за счет уменьшения ее ширины в разнородных сварных соединениях закаливающихся малоуглеродистых хромолибденовых сталей с аустенит-ными швами при использовашщ сварки с сопутствующим принудительным охлаждением повышается стойкость к развитию термодиффузионной структурной неоднородности, термоциклической усталости, длительной коррозион-но-механической прочности. Это объясняется уменьшением суммарных внутренних напряжений (свободной энергии) структурно-неравновесного состояния в этих участках, уменьшением термодинамической активности углерода в твердых растворах разнородных металлов вдоль зоны сплавления и снижением электрохимической гетерогенности сварного соединения.

Практическая ценность работы

На основе проведенных исследований разработаны новые конструктивно-технологические решения по обеспечению работоспособности аппаратов и конструктивных элементов технологических трубопроводов по агрегатирова-шпо технологических установок нефтеперерабатывающих и химических производств го малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартенситного класса.

Результаты исследования напряженного состояния, прочности и долговечности конструктивных элементов с твердыми прослойками использованы при разработке руководящих документов: "Временная инструкция по ручной дуговой сварке изделий из малоуглеродистых закаливающихся сталей типа 15Х5М перлитными электродами с сопутствующим охлаждением", 1978 г., "Технологическая инструкция по ручной электродуговой сварке изделий из малоуглеродистых закаливающихся сталей типа 15Х5М перлитными электродами с сопутствующим охлаждением без термической обработки", 1982 г., "Ручная электродуговая сварка с регулированием термических циклов конструктивных элементов нефтехимического оборудования из закаливающихся сталей типа 15Х5М" РТМ 26-17-076-87, "Методика расчета на прочность и долговечность сварных соединений трубопроводов и нефтепромысловой аппаратуры с технологическими дефектами" РД 39-0147103-305-88, "Инструкция по безопасному ведению сварочных работ при ремонте нефте- и продуктопро-водов под давлением" РД 39-0147103-360-89, "Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа стали типа 15Х5М (временная инструкция), 1992 г., "Технологическая инструкция по автоматической сварке элементов нефтехимической аппаратуры и трубопроводов из жаропрочных сталей типа 15Х5М", 1992, 1997 гг., "Методика определения трещиностойкости сварных соединений из закаливающихся сталей", 1996 г.

Использование методик и технологий сварки позволяет обеспечить технологическую и эксплуатационную прочность сварных соединений, исключить операции термической обработки; становится возможным ведение сварки на более высоких режимах, улучшаются условия труда при выполнении сварочных работ.

Апробация и публикация результатов

Научные положения обоснованы и сформулированы на основании выполненных под руководством автора научно-исследовательских работ в рам-

ках научно-технической программы ГКНТ 072.01 "Создание и внедрение ресурсосберегающих технологий производства сварных конструкций с целью повышения качества, надежности и долговечности машин, механизмов и сооружений" на 1986-90 годы, утвержденной 10.11.85 г. №537/137 (приложение 7); координационных планов Миихиммаша по проблеме ''Обеспечение принципов взаимозаменяемости на заготовительно-сборочных операциях при изго-товлегпш сварной и химической аппаратуры" и "Технологическое обеспечение качества изготовления нефтегазохимической аппаратуры" на 1983-90 гг.; сводного координационного плана НИР и ОКТР в области сварочной науки и техники по проблеме ГКНТ "Новые процессы сварки и сварные конструкции" (раздел 5.04.10 ''Исследование и разработка технологий механизированной сварки нефтехимического оборудовать из жаропрочтагх сталей типа 15Х5М" на 1990-92 гг).

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах, научно-практических совещаниях и симпозиумах по вопросам прочности, надежности, технологии нефтяного и химического машино- и аппаратостроения, технологии сварки и термической обработки соединений нефтехимической аппаратуры и трубопроводов, проведенных в период с 1973 по 1996 гг. в городах Москве, Санкт-Петербурге, Волгограде, Екатеринбурге, Сумы, Тюмени, Кургане, Челябинске, Уфе, Салавате и Стерлитамаке.

По результатам работы опубликовано 45 печатных трудов; 33 статьи в научно-технических журналах и сборниках, 8 руководящих документов и 4 монографии.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений. Объем диссертации - 377 с. машинописного текста; приводятся 41 таблица, 113 иллюстраций и приложений. Список литературы содержит 254 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даны общая характеристика и аннотированное изложение основного содержания диссертации, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе на основе известных литературных и анализа произ-■ водственных данных рассматриваются вопросы состояния проблемы обеспечения работоспособности оборудования из хромомолибденовых сталей мартен-ситного класса, содержащих 2-12% хрома.

Анализ разрушений нефтехимического оборудования показывает, что повреждения, как правило, инициируются в перенапряженных областях конструктивных элементов. Одной из основных причин преждевременных хрупких разрушений конструкций из сталей типа 15Х5М в эксплуатационных условиях является наличие развитых закаленных участков (твердых прослоек) сварных соединений.

Применительно к рассматриваемым закаливающимся жаропрочным хромомолибденовым сталям эта тенденция усугубляется:

а) неблагоприятной реакцией металла на термодеформационный цикл сварки, выражающейся в особенностях структурных и фазовых превращений при сварочном нагреве, приводящих к образованию зон с энергетически неравновесным состоянием;

б) снижением трещшюстощсости и сопротивляемости замедленному разрушению при сварке (трещины "холодные", повторного нагрева, замедленные);

в) снижением эксплуатационных показателей прочности и пластичности, сопротивляемости хрупком)' разрушению и стойкости воздействию эксплуатационных сред.

Получение качественных однородных соединений требует применения

дорогостоящей технологии предварительной и последующей термической обработки со строгим соблюдением температурно-временных параметров операций термической обработки.

Применение технологии сварки аустенитными сварочными материалами без последующей термической обработки не всегда обеспешгвает эксплуатационную надежность сварных конструкций.

На основании вышеизложенного необходимо всестороннее изучение влияния твердых прослоек на напряженно-деформированное состояние и прочность сварных соединений и разработка технологических мероприятий, направленных на регулирование структурно-механической неоднородности с целыо повышения качества и надежности сварных изделий из малоуглеродистых хромолибденовых закаливающихся сталей. Сущность проблемы, решаемой в диссертационной работе, заключается в конструктивно-технологическом обеспечении работоспособности сварного нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей мартенситного класса с учетом свойственной им структурно-механической и химической неоднородности.

Влияние фактора неоднородности на эксплуатационные показатели оборудования изучается в соответствии с системой управления качеством продукции на основе методологии системного подхода. Вначале выполняется анализ напряженно-деформированного состояния и изучается комплекс механических свойств неоднородного соединения, устанавливаются зависимости между параметрами факторов неоднородности и показателями прочности, грещиностойкости, сопротивляемости хрупкому разрушению, коррозионно-механической прочности, длительной тсрм1гческой прочности и других свойств, определяются условия достижения оптимального уровня показателей свойств сварного соединения с твердыми хрупкими участками. Затем разрабатываются технологические приемы сварки по достижению необходимого ре1у-лирования и ограничения отрицательного влияния факторов структурно-

механической неоднородности на способность оборудования сопротивляться действию нагрузок вплоть до достижения работоспособного состояния. Комплекс этих теоретических и практических разработок по совершенствованию существующих и созданию новых методов технологий сварки составляет содержание понятия "конструктивно-технологическое обеспечение".

При выборе и разработке рациональной технологии изготовления сварных изделий из рассматриваемого структурного класса жаропрочных сталей первостепенное значение имеют:

- обоснованный выбор вида, параметров режима сварки и сварочных материалов;

- улучшение свойств соединения путем рационального, обоснованного выбора параметров термических циклов сварки с учетом того, что чем меньше перегрев, выше температура маргенситного превращения и меньше скорость охлаждения, тем выше трещиностойкость и меньше вероятность образования холодных трещин;

- исключение основных конструктивно-технологических факторов концентрации напряжений и устранение их вредного влияния с учетом конкретных параметров структурно-механической неоднородности и условий нагружения.

Вторая глава посвящена вопросам нормирования характеристик работоспособности сварных соединений из хромолибденовых сталей мартен-ситного класса.

Наличие в сварных соединениях из сталей типа 15Х5М зон с повышенной твердостью и хрупкостью заметно ухудшает технологические и эксплуатационные характеристики.

В связи с этим для сварных соединений из сталей мартенситного класса недостаточно нормирование показателей качества по стандартным свойствам. Наличие мягких и твердых прослоек требует ограничения свойств и объе-

ма таких участков, их местоположения и др. Сварным соединениям из мартен-ситных сталей свойственна повышенная вероятность трещинообразования, что вызывает необходимость нормирования характеристик работоспособности по показателям трещиностойкости. Нормировать характеристик работоспособности по геометрическим параметрам выполнено на базе теории механической неоднородности O.A. Бакши и его учеников.

Для более глубокой оценки влияния механической неоднородности сварных соединений на напряжетю-деформированное состояние и несущую способность конструкций нами проведены дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.

На основе метода муаровых полос изучено напряженно-деформированное состояние твердых прослоек сварных соединений. Подтверждено, что при дефор.мащт сварных соединений с поперечной твердой прослойкой вследствие смягчения напряженного состояния металл твердой прослойки переходит в пластическую стадию работы при величине интенсивности напряжений, меньшей значения ее предела текучести. Чем меньше относительная толщина твердой прослойки, тем в большей мере проявляется этот эффект смягчення.

Показано, что напряженно-деформировашюе состояние образца с твердой прослойкой на контактных плоскостях носит неравномерный характер. Максимальные деформации в твердой прослойке имеют место в ее центральной области и в угловых точках, расположенных в местах выхода контактных плоскостей на боковые поверхности.

Установлено, что линейные деформации, нормальные продольные <зу

и касательные напряжения хху являются непрерывными функциями координат. Нормальные поперечные напряжения ох на границе раздела твердого и мягкого металлов претерпевают разрыв.

На базе основных положений теории пластичности неоднородных тел и установленной закономерности напряженно-деформированного состояния твердых прослоек получены аналитические зависимости для определения компонент напряжений и уточнены критические параметры механической неоднородности, при которых металл твердой прослойки переходит в полное пластическое состояние. Область значений критической толщины твердой прослойки, при которых реализуется эффект контактного разупрочнения, зависит ог ее геометрических размеров и механических свойств. Чем меньше протяженность твердых участков, соотношение пределов текучести разнородных участков и больше отношение временного сопротивления мягкого металла к пределу текучести твердого, тем больше значение критической толщины твердой прослойки. На основе установленных закономерностей изменения касательных напряжений на контактной плоскости твердой прослойки для расчетной оценки критической толщины твердой прослойки Хт*р> при которой ее

металл полностью перейдет в пластическое состояние, получены уточненные формулы, в частности,

= 1

где Кь - коэффициент механической неоднородности.

Разработана методика и предложены образцы для определения трещн-ностойкосги сварных соединений закаливающихся сталей, позволяющие существенно снизить трудоемкость изготовления и их испытания.

Определены коэффициенты интенсивности напряжений в предложенных образцах с трещиноподобными дефектами. Предложен новый метод определения поправочных функций по предельной нагрузке образцов их хрупких материалов.

В третьей главе на основании результатов исследования процессов

формирования структурно-механической неоднородности при сварке жаропрочной закаливающейся стали 15Х5М и теоретических предпосылок для прогнозирования допустимых параметров хрупких твердых прослоек в сварном соединении разработаны способы положительного регулирования структурно-механической неоднородности сварных соединений, выполненных однородными и аустенитными сварочными материалами.

Термический цикл регулировали изменением сварочного тока, количества слоев, а также предварительным нагревом, послойным охлаждением и сопутствующим принудительным охлаждением. Образцы свариватись ручной электродуговой, полуавтоматической в среде защитного газа и автоматической сваркой под флюсом.

Задача повышения качества сварного шва при разработке технологических способов сварки решалась за счет выбора сварочных материалов (сварочной проволоки, защитного газа или флюса), типа разделки и режима сварки (диаметра электрода, атотностл тока и скорости сварки). Выбор режимов сварки производился исходя из условий обеспечения требуемого формирования и качества, стабильного процесса сварки, отсутствия в металле шва дефектов и оптимальных свойств ЗТВ.

Сварка era лей типа 15Х5М однородными электродами обеспечивает получение металла шва, по физико-химическим свойствам близкого к основному металлу. При этом твердость металла шва и околошовной зоны значительно выше. В центральных слоях металла шва, которые подвергаются тепловому воздействию при наложении последующих слоев, твердость несколько снижается. Наибольшую твердость имеет металл околошовных зон по линии сплавления с крупноигольчатой тростлтомартенситной структурой.

При сварке с предварительным нагревом толщина твердых участков с низкой пластичностью достигает до 30 мм в поперечном сечении соединения. Наличие таких широких участков с высокой твердостью и возникающих оста-

точных сварочных напряжений в локальных микрообъемах свежезакаленной структуры вызывает необходимость проведения незамедлительной термической обработки.

Последующая местная или общая термическая обработка позволяй значительно снизить степень механической неоднородности сварных соединений. Однако, полная структурно-механическая однородность соединения не достигается.

Таким образом, сварка с подогревом не обеспечивает достаточно высокой технологической и эксплуатационной прочности сварных соединений го стали 15Х5М. Снижение скорости нагрева при сварке с подогревом способствует увеличению степени закаливаемости металла, склонности к росту зерна и размеров твердых участков (прослоек) ЗТВ.

Эффективное ограничение размеров твердых прослоек обеспечивается при воздействии на металл "сжатого" термического цикла (с малой протяженностью области распространения закалочных температур), что достигается применением механизированных способов сварки и принудительного сопутствующего охлаждения взамен предварительного и сопутствующего подогрева при сварке.

Для более эффективного воздействия на околошовные зоны подкалки охлаждение производится двумя потоками водовоздушной смеси, направленными на высокотемпературные области ЗТВ, примыкающей к линии сплавления.

Расчетную ширину зоны охлаждения определяли из условия ограничения распространения закалочных температур в околошовных зонах, включая нижнюю критическую точку Аа .

При расчете эффективной длины охлаждающего устройства нижний предел температуры сопутствующего охлаждения устанавливали исходя из задачи подавления выделения карбидов в металле аустснитного шва и созда-

ния благоприятных условий для замедленного охлаждения во время закалочных превращений в околошовных зонах. Для аустенитного шва необходимо обеспечить быстрое охлаждение до температуры 450-550 °С при прохождении опасного тггервала температур, провоцирующего образование межкристал-литной коррозии.

Интенсивный отвод тепла от высокотемпературных ЗТВ позволяет ограничивать область распространения критических (закалочных) температур, что приводит к уменьшению объема металла, претерпевающего сдвиговые мартенентпые превращения.

При многослойной ручной электродуговой сварке на пониженных режимах с принудительным охлаждением по сравнению с вариантом сварки с подогревом ширина прослойки уменьшилась в 4-5 раз и составила 1-2 мм. Сварка на повышенных режимах с наложением двухслойного шва обеспечивает уменьшение ширины участков подкатки в тех же пределах, что и при многослойной сварке.

Установлено, что применение сопутствующего охлаждения в сочетании с охлаждающим воздействием защитного газа при полуавтоматической сварке позволяет существенно уменьшить размеры участков подкалки ЗТВ до таких значений, при которых твердые прослойки не оказывают отрицательного влияния на работоспособность соединения. Ширина участков подкалки колеблется в пределах 1,0-1,5 мм, твердость - 355-365 HV.

Сопутствующее охлаждение сварных соединений при автоматической сварке позволяет уменьшить протяженность участка ЗТВ, нагреваемого выше температуры Aci = 805 °С, в 2-2,5 раза по сравнению с соединениями, охлажденными на воздухе. Ширина прослоек при этом уменьшилась с 4,4 до 1,9 мм.

Важный положительный эффект сопутствующего охлаждения при сварке - благоприятные структурные превращения в металле твердой прослойки и прилегающих к ней областей. При всех рассмотренных способах

сварки наблюдалось определенное снижение твердости металла околошовных зон, получивших закалку, по сравнению с твердостью сварных соединен™, выполненных с подогревом.

Исследования основных параметров термических циклов при рассмотренных вариантах сварки показали, что термический цикл сварки с сопутствующим охлаждением характеризуется значительно большей скоростью нагрева, меньшей длительностью пребывания металла при температуре выше точки Ас3 и сравнительно медленным охлаждением в области температур маргенсит-ного превращения. Очевидно, что сопутствующее охлаждение позволяет регулировать параметры термических циклов как на ветвн нагрева, так и охлаждения. Разность скоростей нагрева становится особенно значительной в сравнении с технологией сварки с подогревом при высоких максимальных температурах нагрева. Например, скорость нагрева \У„ возрастает при сварке с охлаждением в 2,5-3 раза, чем при сварке без охлаждения. В случае предварительного подогрева при сварке цикл нагрева до максимальных температур еще более замедлен и скорость нагрева примерно в 7 раз ниже, чем при сварке с охлаждением.

Сопутствующее охлаждение положительно влияет также на время пребывания'металла при температурах нагрева выше температуры Ас3. Общая длительность пребывания металла при этих температурах сократилась более чем в 4 раза по сравнению со сваркой с охлаждением на воздухе и более чем в 17 раз - со сваркой с сопутствующим подогревом. Скорость охлаждения в интервале температур от максимальной до точки Ас3 увеличилась соответственно с 5,2 до 125 град/с.

При принятых технологических параметрах охлаждения скорость охлаждения в верхнем интервате температур мартенсигных превращений (500200 °С) сопоставима с вариантами сварки без принудительного охлаждения.

Из-за ускоренного охлаждения сварных соединении закаливающихся сталей с надкритических температур можно было ожидать увеличения твердости и образования более хрупких закалочных структур. Однако, при сварке стали 15Х5М и ей подобных этого не происходит, так как максимальная твердость мартенсита в основном определяется содержанием углерода и остается постоянной при всех значениях скорости охлаждения выше критических. Для этих статей характерно низкое содержание углерода (не более 0,15%) и значительное содержание карбидообразуюгцих элементов - хрома и молибдена, обеспечивающих жаропрочность стали. Отношение содержания карби-дообразующих элементов и углерода в стати 15Х5М промышленных плавок составляет 35-70, что при температуре 700 °С превышает их критическое отношение более чем в 6 раз.

Для выявления особенностей кинетики фазовых превращений в околошовных участках ЗТВ соединений из стали 15Х5М проведены исследования в условиях различных термических циклов сварки.

Результаты исследования реакции стати на термический цикл сварки с использованием пробы на свариваемость, проведенного в МИНГ им. И.М. Губкина, показали, что различие параметров термического цикла в условиях нагрева оказывает заметное влияние на взаимодействие карбидной фазы с аустенитом.

Установлено, что твердость закаленного металла при скорости нагрева 110 град/с в интервате температур 900-1350 °С ниже, чем при скорости нагрева 9 град/с. Это объясняется недостатком времени для полного распада стойких карбидов хрома, молибдена и др.

Исследование кинетики структурно-фазовых превращений стати 15Х5М в условиях термических циклов сварки (ТЦС) проводили методами дилатометрии, термическим анализом и анализом микроструктуры. При этом использовали

быстродействующий дилатометр ИМЕТ-ДВ, снабженный специально разработанным вычислительным комплексом на базе микро-ЭВМ. Изменение основных параметров термического цикла сварки при сопутствующем охлаждении способствует формированию более равновесных и менее склонных к образованию трещин структур. При скорости охлаждения 15-25 град/с и сжатых термических циклах в условиях принудительного охлаждения вследствие малой длительности пребывания металла при температуре выше точки Ас3 (7,5-15 с) наблюдается сдвиг температуры начала бейнитного превращения (Т,г6) на 45100 °С, начала мартенситного превращеши (Т,п) на 30-80 °С.

Данные рентгеноструюурного анализа показали, что в металле околошовной зоны сварных соединений из стали 15Х5М присутствуют карбиды Ме2зСб. Кубический карбид Сг2зСб может растворять в себе Бе и Мо в широком интервале концентраций и имеет переменный состав, зависящий от режи-• мов термической обработки.

Нерастворившиеся при нагреве с сопутствующим охлаждением частицы карбида хрома содержат большее количество железа и хрома. Эти данные подтверждают образование в металле околошовных зон высокотемпературных продуктов распада аустенита. Сварка с подогревом создает более благоприятные условия для взаимодействия карбидов с аустенитом. Увеличение времени пребывания при температурах выше критической точки Ас3, соответствующие изменения скоростей нагрева и охлаждения приводят к растворению хромистых карбидов в аусгените при сварке с подогревом. Это вызывает изменения состава карбидов в металле закаленных околошовных участков с соответствующим уменьшением в них концентрации Ре и Сг. Таким образом, сопутствующее охлаждение положительно влияет на кинетику аустенитного превращения в ■ металле околошовной зоны сварных соединений из стали 15Х5М. Образованием структур бейнитного характера (рис.1 и 2) и уменьшением размеров твердых прослоек объясняется улучшение комплекса свойств сварных соединений.

выполненных ручной дуговой, полуавтоматической в среде С02 и автоматической сваркой под флюсом.

Рентгеноструктурным анализом установлено, что относительная микродеформация кристаллической решетки металла околошовных зон при сварке с предварительным подогревом составляет около двух. При сварке с отводом тепла 1,6 уровень микроискажешш кристаллической решетки в сварном шве -соответственно 1,8 и 1. При этом микродеформация основного металла - около 0,8. Таким образом, уровень напряжении второго рода при сварке с интенсивным охлаждением на 25-40% ниже, чем при сварке с предварительным нагревом. Одновременно обеспечивается естественная закалка на однородный аусте-Hirr металла наплавленного шва, что обеспечивает его более однородную и мелкодисперсную структуру (см. рис.2, в), лучшие его свойства. Так, предел текучести металла шва повышается на 15%, относительное удлинение - до 60%. При сварке с сопутствующим охлаждением интервал значений микротвердости составляет всего 30-40 ед., в том числе как при сварке с предварительным подогревом - 110-120 ед.

Проведены электронно-микроскопические и микрорентгено-структурные анализы металла околошовных зон сварных соединений. При сварке с регламентируемым предварительным подогревом (300-350 °С) структура вдоль линий сплавления характеризуется наличием игольчатого мартенсита (микрогвердость 410-450 единиц) с видимым сдвигом.

Ширина околошовных зон с подобной крупнозернистой структурой (рис.2, б) составляет более 1,5 мм. При сварке с сопутствующим охлаждением структура металла непосредственно вдоль траншу.! сплавления - бейнитная, более равновесная и мелкозернистая (рис.1, б и 2, г). Мелкодисперсные карбидные выделения глобулярной вытянутой формы на этих у частках распределены равномерно.

Рис. 1. Микроструктура металла шва (а) и околошовных зон термического влияния (б, в) сварных соединений стали 15Х5М, выполненных однородными электродами с I]ршгудител ыилм сопутствующим охлаждением в состоянии до термообработки (Х200)

в) г)

Рис 2. Микроструктура характерных участков сварных соединений стали 15Х5М. выполненных аустешгпшми электрод ами с подогревом (а, 6) и с сопутствующим охлажденном (в. г)' а, в) - металла игра; б. г) - юны сплавления (X200)

По мере удаления от границы сплавления увеличивается количество нерастворившихся частиц карбидов. На участках перегрева при сварке с сопутствующим охлаждением практически находятся в равновесии относительно равномерно распределенные мелкодисперсные частицы карбидов и соответственно менее пересыщенный та их счет твердый раствор. Выделения карбидной фазы на участках перегрева сопоставимы с количеством карбидных составляющих в основном металле.

Микротвердость металла вдоль линий сплавления закономерно на 30-60 единиц меньше, чем нри сварке с предварительным подогревом. Менее легированная и мелкозернистая структура (матрица) закаленных участков при реализации критических размеров толщины твердой прослойки ЗТВ приобретает более высокие вязкопластичные свойства с повышенной сопротивляемостью к образованию холодных трещин.

Исследования, включающие испытания на замедленное разрушение при образовании холодных трещин сварных соединений из жаропрочной стали 15Х5М, выполненных однородными электродами типа Э-10Х5МФ показали, что использование сварки с интенсивным отводом тепла способствует повышению технологической трещиностойкости. При этом ширина твердых участков ЗТВ уменьшилась в 1,5-3 раза. Отмечается снижение общего уровня твердости металла околошовных зон на 20-30 единиц по Виккерсу по сравнению с максимальным уровнем твердости при сварке с подогревом. Интенсивный отвод сварочного тепла приводит к образованию более равновесной структуры измельченного строения. В большей мере сказанное относится к участкам околошовных зон сплавления и перегрева (см. рис. 1, б и в). Сварка с охлаждением позволяет получить удовлетворительные пластические свойства соединения даже в нетермообработанном состоянии.

Установлено, что сварные соединения из стали 15Х5М, выполненные с интенсивным отводом тепла, характеризуются более высокой сопротивляемостью замедленному разрушению. Разрушение в большинстве случаев происходило в центре шва или, начавшись в металле шва, распространялось через ЗТВ на основной металл.

Таким образом, принудительное сопутствующее охлаждение позволяет в широких пределах регулировать структурно-механическую неоднородность сварных соединений. При определенных режимах сварки получаются твердые

прослойки, размеры которых меньше критических. Одновременно с уменьшением объемов металла, претерпевающих сдвиговые закаточные превращения, происходит значительное измельчение структурного состояния различных зон сварного соединения. В околошовных участках образуются промежуточные структуры закатки более равновесного бейнитного характера при уменьшении их закаливаемости. При сварке аустенитными электродами происходит естественная закалка на аустенит металла шва.

Выполнен выбор регулируемых параметров термических циклов и отработаны новые технологические процессы элекгродуговой сварки с регулированием термического цикла (РТЦ) за счет сопутствующего принудительного охлаждения малоуглеродистых хромомолибденовых статей мартенсктного класса перлитными и аустенитными электродами, основанные на ограничении размеров твердых прослоек и рационального выбора сварочных материалов.

Установленная взаимосвязь термического цикла сварки с геометрическими размерами и структурным состоянием характерных зон сварного соединения при различных технологических способах сварки однородными перлит-пыми и аустенитными электродами позволила разработать новую технологию сварки хромолибденовых статей мартенситного класса, позволяющую обеспечивать технологическую прочность и работоспособность элементов нефтехимического оборудования.

Четвертая глава посвящена исследованию работоспособности сварньгх соединении из сталей типа 15Х5М, выполненных по разработанным технологиям сварки применительно к элементам нефтехимического оборудования.

Как известно, металл конструктивных элементов нефтехимического оборудования в виде оболочек вращения (обечайки, сферы, конические переходы к днищам, трубы и др.), нагруженные внутренним (внешним) давлением, испытывает двухосное напряженное состояние. Оценка их прочности путем натурных испытаний сопряжена с большими трудностями и материальными затратами.

Поэтому механические характеристики сварных соединений и конструктивную прочность сосудов оценивали по трехэтапной системе испытаний (С.А. Куркин):

- испытание стандартными методами на одноосное растяжение, угол загиба и др. согласно требованиям ОСТ-26-291 и ГОСТ 6696;

- испытание в условиях двухосного растяжения методом гидростатиче-окого выпучивания;

- выборочные испытания макетов сосуда внутренним давлением до разрушения.

Применительно к работоспособности сварных элементов оборудования из жаропрочных хромомодибденовых сталей мартенситного класса актуализируются также вопросы оценки трещиностойкости при замедлешюм разрушешш, прочности и долговечности при различных схемах деформиро-вання и температурных условиях, в частности, для разнородных сварных соединений длительной термической стойкости и коррозионной усталости. В разделе основное внимание уделено установлению взаимосвязи между основными механическими характеристиками сопротивления разрушению и параметрами структурно-механической неоднородности.

Кроме стандартных образцов для оценки работоспособности сварных соединений использовали схемы и элементы , наиболее отвечающие условиям работы нефтехимического оборудования (рис.3).

Комплексные испытания образцов на статическое и циклическое растяжения, угол загиба, сопротивляемость к холодным трещинам, ударную вязкость и длительные пироциклические испытания показали, что сварка стали 15Х5М с регулированием термического цикла сопутствующим принудительным охлаждением обеспечивает существенное повышение механических характеристик сварных соединений по сравнению с технологией сварки с подогревом (табл. 1 -3).

Ри-.З- Образцы для исследования несущей способности сварных соединений: а) - широкие илоские образцы на одноосное растяжение: б) - схема испытания и образец па двухосное растяжение методом гидростатического выпучивания; в) - схема испытания С-образных образцов в коррозионной среде; г) - цилиндрические сосуды для испытании под внугрепним давлением

Установлено, что с уменьшением относительной толщины твердых прослоек отмечается увеличение прочности и деформационной способности сварных соединений как при одноосном, так и двухосном растяжении. Наряду с этим происходит увеличение угла загиба образцов до уровня пластичности основного металла.

В у словиях продольной деформации твердых прослоек и при дву ос-

ном растяжении повышение деформационной способности сварных соединений возможно как за счет действия контактного разупрочнения, так и повышения устойчивости образованию шейки металла твердых участков при их совместном растяжении с более пластичным основным (мягким) металлом (рис.4).

Сопутствующее принудительное охлаждение приводит к повышению показателей сопротивляемости на замедленное разрушение при образовании холодных трещин и к хрупкому разрушению (рис.5). Достигнутые положительные структурно-мехашгческие изменения способствуют повышению технологической трещиностойкости сварных соединений, что обеспечивает при сварке однородными перлитными электродами возможность увеличения времени между сваркой и последующей термической обработкой.

В конструктивных элементах аппаратов, работающих в условиях двухосного растяжения с равными компонентами напряжений, наличие в сварных соединениях развитых твердых и мягких прослоек приводит к более резкому снижению их прочности и деформационной способности по сравнению со сварными соединениями обечаек аппаратов, работающих под действием внуг-ре1шего давления.

Результаты испытаний до разрушения натурных сварных сосудов и дисковых образцов с диаметральным швом методом гидравлического выпучивания показали, что в случае применения предлагаемой технологи! сварит аустенитными электродами их прочность и деформативность не ниже таковых, выполненных по существующей технологии сварки перлитными электродами, регламентирующей предварительный подогрев и последующую термическую обработку в стационарной печи.

Установлены значения предела трещиностойкости характерных зон сварных соединений из сталей типа 15Х5М, выполненных аустенитными электродами.

Таблица 1

Механические свойства основного металла и сварных соединений стали 15Х5М при кратковременных испытаниях

Характеристика образца Температура 1т О, 5, 1 у .

испытания. С МПа

1 2 3 4 5 6 7

Основной металл 20 420 650 22 52

400 - 510 16.8 61

450 380 430 16.3 62

JJ0 320 400 23 70

Сварка электродами ЦЛ-17 с 20 2.4-2.8 420 650 15.7 48

подогревом без отпуска 450 400 445 12.1 53

(вариант РП.1) 550 300 360 14.3 61

Сварка электродами ОЗЛ-6 с 30 0.6-0,9 390 640 16 48

подогревом (вариант РА.1) 400 - 490 14.5 53

450 380 420 12.9 54

Сварка электродами ОЗЛ-4 с 20 0,25- 390 650 17 50

послойным охлаждением 450 -0.35 375 420 13,9 57

(вариант РА.7) 550 290 350 17.6 66

Сварка электродами ОЗЛ-6 с 20 0,15- 410 640 19 52

принудительным 400 -0,22 - 490 16 57

охлаждением (вариант 550 300 385 18 62

РА.5.0)

Полуавтоматическая сварка 20 0.16- - 600 19.5 52

в среде углекислого газа 400 0.21 480 16.2 61

проволокой Св-0ВХ20Н9Г7Т 550 320 350 18.4 67

с послойным охлаждением

(вариант УЗ)

Полуавтоматическая сварка 20 0.14- 420 644 21 50

в среде углекислого газа 550 0,17 303 423 19 69

проволокой Св-08Х20Н9Г7Т

с принудительным

охлаждением (вариант УЗ)

Таблица 2

Результаты гидростатических испытаний цилиндрических сосудов

с различным расположением швов

Серия Место контрольного шва Хтз Число « циклов Кол-во образцов МПа _ тах 0/ Ед , /о Место разрушения

при Ь/2 при 1/2

I >- 1 100 3 2 451-520 496 10,8-17 12-12,3 -

Ьг- *—=4 (ей рмпппа*»

ОбииОиш цепов трувм (1--610 -<1—юл

II ] ь 0,15-0,2 0,55-0,7 1 1 3 3 480-510 441-511 7-12,5 6-13 -

1 рОДОПЫ 1Ы* им« В «ж

III у- 0,15-0,2 1 100 3 2 492-520 462-471 3,2-4 3,4-4 12-14 10-12 —ЕЙ у— +—-#-(011111

е. 1 0,25-0,3 1 3 461-518 1,9-2,9 10-10,4

к, -«--1——IV- ягм

КогъцеаоД то* 0,55-0,7 1 2 456-466 0,6-1,2 6-7,7

100 2 . 465 1,4-2,0 5-15 -4-4~11 Ю»

IV п ко & \ С 0,15-0,2 100 з • 441-481 2,7-4,2 10-13

родапьныЯ И льцввой шов 0,55-0,7 1 100 2 2 450-453 353-392 0,7-1,5 0,5-1,0 2-3,3 1,9-5,2

Таблица 3

Результаты испытаний сварных сосудов из стали 15Х5М с врезкой штуцера

внутренним статическим и пульсирующим давлением

Маркировка Хт3 Число циклов нагруже-ния Амплитуда давления (Р). МПа Разрушающее давление (р), МПа МПа Разрушающее напряжение сг„ , И ' МПа Место разрушения

1 2 3 4 5 6 7 8

П-1 П-2 0,6...0,9 0,6...0,9 1 1 - 49,5 50,5 483-506 3!9 326 —ф^ ш

В-1 В-2 0,15. „0,2 0,15...0,2 1 I „ 51 52 483-506 332 339 * (саз поперек) >

П-3 П-4 0,6...0,9 0,6...0,9 11.ю3 1 11.10' 1 19,6 19,6 50 42,5 483-506 322 326 (ЦдСсплавл вниз) )-

В-3 В-4 0,15...0,2 0,15...0.2 11.10' 1 1 ¡.10' 1 19,6 19,6 55,9 56,9 483-506 384 390 * пет - 23. рбк) >-

* Предел прочности обратной на одноосное растяжение, вырезанных из трубы в продольном направлении

е\ -'Л

\ \

Л ос к*-- 1 О-О—&

о 0.2 ОА О.Б О.Ь Вт

Рис.4. Пластичность сварных соединений с продольным швом от доли участков подкалки бт

Наименьшей трещиностойкостью обладает металл ЗТВ. Вследствие реализации эффекта контактного разупрочнения тонких твердых прослоек они имеют большую трещиностойкость, чем трещиностойкость образцов, из металла со свойствами ЗТВ (рис.5).

Применение сварки с регулированием термических циклов сопутствующим охлаждением повышает длительную прочность сварных соединений (рис.6), стойкость к развитию термодиффуционной структурной неоднородности. термической усталости и прочность в коррозионных средах (рис.7). Чем шире зона мартенсигных превращений, тем больше и объем металла, подверженного термодеформации при сварке. Следовательно, можно допустить. что тем выше и суммарные напряжения структурно-неравновесного состояния в этих участках. Очевидно, сопутствующее принудительное охлаждение, способствуя образованию более равновесных промежуточных структур закалки бейнитного характера и сужению закалочных участков, должно приводить к уменьшению суммарных внутренних напряжений (свободной энергии)

металла околошовных зон. Формирование более благоприятной структурно-механической неоднородности при сварке с РТЦ обусловливает повышение показателей сопротивляемости хрупким разрушениям при высоких температурах эксплуатации и снижение степени электрохимической гетерогенности сварного соединения.

, МПа>/м

150

100

50

1

- ^

**

-60 -40 -20 0 +20 С

Рис.5. Зависимость показателей транш юстойкости от температуры: I - основной металл; 2 - сварка с охлаждением; 3- сварка с подогревом

200 540 "НО «ИМОШ W000

Время до разрушения, ч

100ВИ

Рис.6. Длительная прочность при 550 °С основного металла и сварных соединений стали 15Х5М: 1 - основной металл (•); 2 - швы Св-08Х20Н9Г7Т полуавтоматической сваркой с сопутствующим охлаждением (Д); 3 - швы электродов марки АНЖР-2 (-х-); 4 - швы электродов марки 03J1-6 (— А—)

1400 1200

0

|«оо

1 600

5 .

I 600

« 400 200

I 1Г 1 2

Рис 7. Долговечность сварных соединении стали 15Х5М при вариантах сь: ки: I - аустештгыи с подогревом; П - перлипшй с охлаждением; Ш - аусл нитный с охлаждением; IV - перлитный с термообработкой

-испытания на воздухе; - испытания в 3%-ном растворе ЫаС1

В частности, установлено, что сварка с принудительным охлаждение приводит к снижению разности электродных потенциалов металла шва и ок( лошовной зоны примерно в 2-3 раза, что повышает в 2-3 раза коррозионнс механическую прочность такого сварного соединения по сравнению с соедини ниями. выполненными с предварительным подогревом.

В пятой главе приведены результаты практической реализации раз работанных конструктивно-технологических решений.

Основываясь на результатах комплексных теоретических и экспери ментальных исследований, разработаны и внедрены технологические процессь изготовления сварных аппаратов и трубных узлов из сталей типа 15Х5М Отличительной особенностью этой технологии является то обстоятельство, чтс

►ТАЛА «Ж*,

•¿«к<

предложен новый подход к обеспечению качества и надежности сварных соединений, позволивший совершенствовать технологический процесс изготовления нефтехимического оборудования из хромомол Моденовых жаропрочных сталей.

Изготовление основных конструктивных элементов корпуса аппаратов (обечаек и днищ) и трубопроводов по агрегатированию аппаратов технологических установок нефтеперерабатывающих и химических производств осуществляется с применением механизированных способов сварки взамен ручной электродуговой, занимающей сегодня ведущее место при изготовлении нефтехимического оборудования и трубопроводов из рассматриваемых сталей. Для повышения технологической и эксплуатационной прочности сварных соединений предусматривается возможность ведения сварки с РТЦ за счет сопутствующего принудительного охлаждения.

Сварка продольных швов обечаек элементов оборудования, как наиболее нагруженных, выполняется однородными сварочными материалами, близкими по химическому составу к свариваемому металлу. Применением при этом сварки с РТЦ с исключением подогрева достигается возможность вылеживания изделий после сварки без опасности образования в нем трещин до последующей термической обработки. Кроме того, за счет получения на участках перегрева вдоль линий сплавления мелкозернистой равновесной бейнитной структу ры создаются условия исключения операщш промежуточного высокого отпуска и последующей высокотемпературной нормализации толстостенных сварных узлов. Улучшение структу ры и свойств металла шва и околошовных зон, а также снятие остаточных сварочных напряжений вполне реализуется за счет проведения высокого отпуска соединений.

После выполнения термообработки обечаек производится их калибровка и сварка кольцевых швов аустешгтными хромоникелевыми сварочными проволоками. При сварке с сопутствующим охлаждением аустенитными элек-

тродами происходит естественная закалка на аустенит металла игеа с более высокими свойствами и размеры твердых прослоек в ЗТВ получаются меньше критических величин, при которых их наличие не сказывается отрицательно на работоспособности сварных соединен™.

Для практической реализации предлагаемой технологии изготовления нефтехимической аппаратуры из жаропрочных сталей типа 15Х5М разработаны технологические оснастки и подобрано соответствующее типовое или специально изготовленное сборочно-сварочное оборудование. Разработана схема автоматического управления системой принудительного охлаждения при сварке.

На основе проведенных исследований и результатов опытно-промышленного опробования подготовлены нормативные технологические инструкции, регламентирующие применение разработанных технологий сварки. В этих руководящих документах регламентированы конструктивные формы и размеры элементов подготовки кромок, последовательность и требования к сборке, допустимые параметры твердых прослоек во взаимосвязи с геометрическими размерами и степенью их механической неоднородности, порядок выполнения сварки, выбор сварочных материалов и рекомендуемые режимы сварки, параметры сопутствующего охлаждения с учетом толщины металла свариваемых элементов и рабочих условий эксплуатации.

По разработанным технологиям на Салаватском машиностроительном заводе изготовлены змее пики трубчатых печей: 1Эу = 100-200 мм, Б = 8-10 мм; штампосварные отводы: Эу = 400-500 мм, Б = 12-32 мм; технологические трубные перекидки: Бу = 300-1220 мм, 5 = 10-25 мм из сталей 10Х2М1, 15Х5М, 15Х5М-У и 12Х8ВФ по заказам ряда нефтеперерабатывающих и .химических предприятий. Разработанные способы ручной электродуговой и полуавтоматической сварки в среде углекислого газа плавящимися аустешгг-

ными электродами нашли применение при монтаже и ремонте технологических трубопроводов и аппаратов технологических установок нефтехимических производств, магистральных нефтегтродуктопроводов и нефтепромыслового оборудования.

Внедрение полученных результатов позволило повысить технологическую прочность сварных соединений, исключить трудоемкую операцию подогрева и выполнять сварку на форсированных режимах, повысить производительность и улучшить условия труда, расширить область применения технологии сварки закаливающихся сталей без термической обработки при производстве нефтехимической аппаратуры и трубопроводов. При этом себестоимость выполнения сварочных работ 1 ног. м сварочного шва по изменяющимся основным расходам от применения ручной электродуговой сварки с РТЦ снижается в 1,5...2,4 раза, автоматической сварки под флюсом с РТЦ - в 3...3,3 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Жаропрочные малоуглеродистые хромолибдеповые стали мартен-сетного класса благодаря высокой коррозионно-механической стойкости являются наиболее приемлемыми для использования в конструктивных элементах аппаратуры основных технологических установок нефтепереработки и нефтехимии.

Анализ работоспособности нефтехимического оборудования показывает, что одной из основных причин преждевременного разрушения сварных соединений из данных сталей является наличие развитых малопластичных участков (твердых прослоек). Неблагоприятная реакция на термодеформационный цикл сварки, выражающаяся в образовании закалочных неравновесных структур в этих прослойках, влияет на технологическую прочность и

эксплуатационную надежность сварных конструкций, снижая

трещиностойкость, ограничивая их деформационную способность и повышая склонность к хрупким разрушениям.

2. Обобщены и получены новые сведения о напряженно-деформированном состоянии сварных соединений с твердыми хрупкими прослойками.

Изучен механизм контактных эффектов совместной деформации металлов с различными показателями сопротивлешш деформированию и установлены уточненные зависимости распределения касательных напряжений вдоль контактных поверхностей твердой прослойки.

На основе изучения напряженно-деформированного состояния твердой прослойки, с использованием положений теории пластичности неоднородных тел и механики разрушения установлены предельно допустимые параметры хрупких твердых прослоек во взаимосвязи с геометрическими размерами и степенью механической неоднородности, которые положены в основу нормирования работоспособности оборудования оболочкового типа из хромомолиб-деновых сталей мартенситного класса. Получены зависимости по оценке компонент деформаций, напряжений и критических параметров механической неоднородности прослоек, обеспечивающих высокую работоспособность сварных соединений. При достижении критической толщины твердой прослойки за счет уменьшения ее ширины реализуется эффект контактного разупрочнешш, заключающийся в возникновении благоприятной схемы напряженного состояния и приводящий к улучшению деформационных характеристик соединения.

3. Разработана методика для определения характеристик трещиностойко-стн сварных соединений из закаливающихся сталей. Определены коэффициенты интенсивности напряжений образцов из хрупких материалов с трещинопо-добными дефектами. Установлены значения предела трещиностойкости характерных зон соединений, выполненных перлитными аустенитными электрода-

ми. Благодаря реализации эффекта контактного разупрочнения тонких твердых прослоек и благоприятных структурных превращений они имеют большую трещшгостопкость. чем при наличии широких закаленных хрупких прослоек.

4. Исследованием свариваемости .хромомолибденовых сталей мар-тенсчитного класса установлено, чго применением подогрева невозможно обеспечить достаточно высокую технологическую и эксплуатационную прочность сварных соединений. По сравнению с другими рассмотренными технологическими вариантами сварки при этом показатели механических характеристик прочности и вязкости находятся на минимально допустимом уровне или ниже нормативных- требований. Подогрев приводит к заметному увеличению ширины закаленных участков в околошовной зоне и общему перегреву структуры зон нагрева.

5. На основе результатов всестороннего исследования структурно-механической неоднородности при различных вариантах сварки впервые предложен технологический способ реализации регламентированных параметров структурно-механической неоднородности, основанный на принудительном регулировании термических циклов при электродуговой сварке закаливающихся малоуглеродистых хромомолибденовых сталей. Сварочный процесс реализуется при повышенной погонной энергии сварки, а обеспечение задашюй структурно-механической неоднородности достигается РТЦ за счет •сопутствующего охлаждения по определенной программе. Основная цель применения сопутствующего охлаждения - уменьшение объема металла в ЗТВ, претерпевающего закалочные прекращения, ограничение перегрева и улучшение структуры металла характерных зон соединения.

6. Комплексным исследованием кинетики структурно-фазовых превращений статей типа 15Х5М установлено, что воздействие на термические циклы сварки позволяет регулировать перераспределение углерода и основных леги-

рующих карбидообразующих компонентов (хрома и молибдена)

между твердым раствором и фазами выделения, чем достигается формирование структуры металла с минимальной чувствительностью к образованию трещин. В условиях термических циклов сварки с интенсивным отводом тепла за счет сокращения времени пребывания выше температуры Ас3 происходит подавление растворения исходных карбидных фаз и высокотемпературный распад аустенита преимущественно в бейшгпюй области, наблюдается торможение роста зерна и повышение дисперсности внутризерешюй структуры, снюкение микроискажений кристаллической решетки и закаливаемости на 1560 НУ. Быстротечное высокотемпературное состояние при сварке с РТЦ сопутствующим охлаждением способствует образованию в ЗТВ промежуточной более равновесной мелкодисперсной бейнитной структуры с равномерно распределенными частицами исходных карбидов.

7. Исследования технологической прочности и механических свойств сварных соединений с однородными перлитными швами, включая испытания на замедленное разрушение, определение зонального сопротивления зарождению и распространешно трещин, а также исследования термических циклов сварки, показали, что сварка с интенсивным теплоотводом (принудительным сопутствующим охлаждением) позволяет повысить работоспособность сварных соединений. Регулируемое охлаждение способствует улучшению структуры характерных зон сварных соединений и приводит к повышению стойкости против образования холодных трещин. Применение данной технологии позволяет увеличить интервал времени между окончанием сварки и началом последующей термической обработки сварного стыка без образования трещин.

8. Получены новые сведения о деформированном состоянии, прочности и долговечности сварных соединений жаропрочных хромомолибденовых сталей с аустенитными швами. За счет уменьшения относительной толщины твердой прослойки в ЗТВ разнородных сварных соединений достигается полу-

чение более высокого уровня комплекса свойств сварных соединений по сопротивлению замедленному и хрупкому разрушенгпо, прочности при одно- и двухосном растяжении, при загибе, длительной прочности, сгснгкости против развития термодиффузионной структурной неоднородности и термоциклической усталости, коррозионно-механической прочности, чем у сварных соединений, выполненных с применением подогрева. Работоспособность сварных соедашегатй, выполненных аустенитными электродами с сопутствующим охлаждением, по значениям показателей прочности и деформационной способности не шоке характеристик сварных соединений, выполненных перлитными электродами с последующим высоким отпуском в печи. Это указывает на возможность расширения области применения технологии сварки закаливающихся сталей без термической обработки при производстве нефтехимического оборудования.

9. Определение конструктивной прочности натурных образцов при статической и циклической нагрузках также показало преимущество предлагаемой технологии сварки аустенитными электродами по сравнению с технологией сварки аустенитными электродами с подогревом.

Установлено, что для цилиндрических сосудов, работающих под внутренним давлением, наиболее опасными являются развитые твердые прослойки кольцевых швов. Кольцевые швы, выполненные с применением подогрева, как правило, разрушаются поперек по твердым прослойкам, не исчерпав несущую способность сосуда. При малоцикловом нагружении несущую способность сосудов предопределяют продольные аустенитные швы, металл которых обладает меньшим пределом текучести, чем основной металл.

Применение сопутствующего принудительного охлаждения при сварке сосудов позволило обеспечить перенос места разрушения из металла шва на основной металл кате при однократном, так и при малоцикловом нагружениях внутренним давлением.

10. Показано, что переход на механизированные способы сварки способствует ограничению размеров твердых прослоек в околошовной зоне. Исследована возможность сварки малоуглеродистых хромомолибденовых закаливающихся сталей в среде защитных газов, которую можно рассматривать как разновидность сварки с регулированием термических циклов. Высокая степень сосредоточения тепла по сравнению с ручной дуговой сваркой в небольшом объеме и охлаждение зоны сварки струей защитного газа способствуют улучшению структуры и механических характеристик сварного соединения. Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа с послойным охлаждением аустенитньши сварочными проволоками Св-08Х20Н9Г7Т и Св-05Х5Н40Г7М8Т с повышенным содержанием марганца обеспечивает получение достаточно качественных сварных соединений, в которых размеры твердых прослоек близки к критическим.

Для повышения технологической и эксплуатационной прочности тол-стостешшх сварных соединений предусматривается возможность ведения сварки стыковых соединении с РТЦ сопутствующим охлаждением. Последнее обеспечивает закалку на ау стеши металла аустенитного шва и уменьшение ширины участков подкалки в ЗТВ до критических величии, при которой их наличие практически не сказывается отрицательно на работоспособности сварных соединений.

11. Разработаны и внедрены технологические процессы автоматической сварки под флюсом с РТЦ применением сопутствующего охлаждения перлитными и аустенитньши электродами, обеспечивающие возможность изготовления нефтехимических аппаратов и толстостенных пггампосварных отводов из жаропрочных хромомолибденовых сталей мартенситного класса.

12. На основе проведенных исследований и результатов опытно-промышленного опробования подготовлены и внедрены соответствующие технологические инструкции и руководящие технические материалы, регла-

ментпрукицие технологии ручной электродуговой сварки, полуавтоматической сварки в среде С02 и автоматической сварки под флюсом с РТЦ сопутствующим охлаждением.

Результаты исследований обеспечивают повышение качества и технологичности изготовления нефтехимического оборудования из малоуглеродистых жаропрочных хромолибденовых сталей мартенситного класса. Они также позволяют расширить номенклатуру и снизить себестоимость сварных изделий из сталей данного класса.

Некоторые результаты исследований отражены в руководящих доку-Meirrax по расчету на прочность и долговечность конструктивных элементов с технологическими дефектами и определению трещиностойкости сварных элементов закаливающихся сталей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Зайнуллин P.C., Халимов А.Г., Шарафутдинов P.M. Экспериментальные нсследовагам деформации и напряжений в твердой прослойке сварного соединения // Геометрические методы исследования деформаций и напряжений,-4.1. - Челябинск, 1975. - С. 50-51.

2. Зайнуллин P.C., Бакпев A.B., Халимов А.Г., Ямов А.К. Влияние размеров участков подкалки сварных соединений из стали 15Х5М на их несущую способность // Внедрение прогрессивных методов сборки и сварки в химическом и нефтяном машиностроении: Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. совещ. ЦИНТИхимнефтемаш. - М., 1977. - С. 45-46.

3. Бакпев A.B., Зайнуллин A.C., Халимов А.Г. Повышение прочности закаливающихся сталей // Интенсификация нефтехимических процессов как фактор повышения эффективности средств производства: Тез. докл. межот-расл. научно-практич. конф. -4.4. - Уфа, 1977. - С. 166-174.

4. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Механически свойства сварных соединений жаропрочной термоупрочненной стали Х5М-У / Наука и технический прогресс нефтехимической промьппленности Баптафии Тез. докл. республ. конф. - Уфа, 1977. - С. 137-139.

5. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C., Ямов А.К. Сварк стали 15Х5М без последующей термической обработки // Внедрение прогрес сивных методов сборки и сварки в химическом и нефтяном машиностроении Тез. докл. Всесоюзн. научно-технич. совещ. (Свердловск). - М.: ЦИНТИхим нефтемаш, 1977. - С. 46 -47.

6. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Усовершенствованна; технология автоматической сварки стали 15Х5М // Интенсификация нефгехи мических процессов как фактор повышения эффективное™ средств произвол ства: Тез. докл. республ. межотрасл. иаучно-практ конф. - 4.4. - Уфа, 1977. - С 159-164.

7. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Исследование свари ваемости жаропрочных малоуглеродистых сталей типа 15Х5М // Нефть и газ 1978. -№ 4. - С. 81-84.

8. Зайнуллин P.C., Бакиев A.B., Халимов А.Г. Несущая способност] сварных соединешш из стали 15Х5М // Нефть и газ, 1978. -№ 6. - С. 84-88.

9. Време1шая инструкция по ручной электродуговой сварке изделий и: малоуглеродистых закаливающихся сталей типа 15Х5М перлитными элекгро дами с сопутствующим охлаждением / A.B. Бакиев, P.C. Зайнуллин, А.Г. Ха шшов и др. - Уфа: ВНИИГГГхимнефтеаппаратуры, 1978. - 19 с.

10. Халимов А.Г., Бакиев A.B., Зайнуллин P.C., Кукин А.Г., Таюр с кий Ю.А. К вопросу о технологии сварки стали 15Х5М аустенитными элек тродами // Вопросы сварочного производства / Тр. ЧПИ. - Челябинск, 1978. № 203. - С. 77-82.

11. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Хубрнх М.А. Надежность сварных стыков трубопроводов нз стали 15Х5М и пути ее повышения // Проблемы выявления п использования резервов в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности: Тез. докл. респ. межотрасл. научно-практич. конф. - Уфа, 1979. - С. 197- 201.

12. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Повышение надежности сварных соединений нефтехимических аппаратов и труб из стали 15Х5М // Пути совершенствования и интенсификации и повышения надежности аппаратов основной химии: Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. совещ. - Сумы, 1980. -С. 14-15.

13. Бакиев A.B., Халимов А.Г. Повышение стойкости к термической усталости свариых соединений из стали 15Х5М // Надежность и прочность сварных соединений и конструкций: Материалы краткосрочного семинара. -Ленинград, 1980. -С. 79-82.

14. Халимов А.Г. Автоматическая сварка стали 15Х5М с регулирова-нисм термических циклов // Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии / Тр. II Всесоюзного научно-техн. совещ. - Сумы, 1982. - С. 9.

15. Технологическая инструкция по ручной электродуговой сварке изделий из малоуглеродистых закаливающихся сталей типа 15Х5М с сопутствующим охлаждением без термической обработки / A.B. Бакиев, А.Г. Халимов, P.C. Зайнуллин и др. - Уфа: ВНИИПТхимнефтеаппарлтуры, 1982. - С. 26.

16. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Повышение коррози-онно-мехаш1ческой прочности сварных соединений закаливающихся сталей типа 15Х5М . - Уфа: БашЦИНТИиП, 1984. - 3 с.

17. Евдокимов Г.И., Халимов А.Г. Исследование коррозионной стойкости разнородных сварных соединений из стали 15Х5М // Актуальные про-

блемы современной химии: Тез. докл. 4-й межвуз. научно-техн. конф. -Куйбышев, 1985. - С. 14-15.

18. Халимов А.Г., Абдесв Р.Г., Кутлуев И.М. Рациональная улучшающая технология изготовления нефтехимической аппаратуры // Вузовская наука - научно-техническому прогрессу: Тез. докл. респ. научно-техн. конф. - Уфа, 1986. - С. 33-34.

19. Бакиев A.B., Зайнуллхш P.C., Халимов А.Г. Повышение коррози-ошю-мехаш1ческой прочности сварных соединении закаливающихся сталей Tiuia 15Х5М // Экономика материальных, энергетических и трудовых ресурсов в сварочном производстве : Тез. докл. Всесоюзн. конф. - Челябинск, 1986. - С. 256-266.

20. РТМ 26-17-076-87, Ручная электродуговая сварка с регулированием термических циклов конструктивных элементов нефтехимического оборудования из закаливающихся сталей типа 15Х5М / A.B. Бакиев, А.Г. Халимов, P.C. Зайнуллин и др. - М.: Минхиммаш, 1987. - 26 с.

21. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C., Афанасенко Е.А. Пути повышения качества и надежности нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей: Обзорная информация. Сер. ХМ-9. - М.: ЦИНТИ-хммиефтемаш, 1987. -32 с.

22. Халимов А.Г. Повышение стойкости против образования трещин при сварке хромомолибденовых сталей // Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем . - Уфа, 1987. - С. 112 -113.

23. Халимов А.Г., Абдеев Р.Г. Пути снижения металлоемкости штампованных днищ И Экспресс-инф. ЦИНТИхимнефтема. Сер. XIII-9. - М., 1987. -№8. - С. 3 - 4.

24. Халимов А.Г., Кутлуев И.М. Влияние пониженных температур на свариваемость закаливающейся стали 15Х5М // Надежность оборудования.

производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности. - Уфа, 1987. - С. 145.

25. Методика расчета на прочность и долговечность сварных соединений аппаратуры с технологическими дефектами. РД 39-01447103-305-88 / P.C. Зайнуллин, А.П. Гусенков, А.Г. Халимов и др. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1988. -42 с.

26. Халимов А.Г. Повышение прочности и долговечности сварных со-единешш нефтехимической аппаратуры с твердыми прослойками // Ресурс и прочность оборудования нефтеперерабатывающих заводов. - Уфа, 1989. - С. 86-101.

27. Халимов А.Г., Ахмеров С.М., Кутлуев И.М. Повышение трещино-стойкостн сварных соединений закаливающих сталей пластическим деформированием // Повышение качества деталей машин и аппаратов методами пластического деформирования. - Курган: ЦИНТИхимнефтемаш, 1989. - С. 48-49.

28. Зайнуллин P.C., Халимов А.Г. Работоспособность механически неоднородных сварных соединений: Учебное пособие. - Уфа: Изд. УНИ, 1989. -55 с.

29. Инструкция по безопасному ведению сварочных работ при ремонте нефте- и продуктопроводов под давлением. РД 39-0147103-36-89 / А.Г. Гуме-ров, P.C. Зайнуллин, А.Г. Халимов и др. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1989. - 59 с.

30.Кутлуев И.М., Халимов А.Г. Влияние механической неоднородности сварных соединений из стали 15Х5М на малоцикловую прочность // Наука - производству: Тез. докл. республ. 12-й научно-техн. конф. - Уфа, 1990. - С. 63-64.

31. Халимов А.Г., Давлетшина Ф.А., Галлямов Э.Р., Сиразетдинов Р.Ш. Работоспособность нефтепродукта провода после сварки без останови! перекачки // Диагностика, надежность, техническое обслуживание и ремонт нефтепроводов - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1990. - С. 33-46.

32. Халимов А.Г., Бакисв A.B., Зайнуллин P.C. Работоспосбност: сварных соединений из стали 15Х5М. - М.: IЩНТИхимнсфтсмаш, 1991. - 84 с

33. Зайнуллин P.C., Сабиров У.Н., Халимов А.Г., Давлетшина Ф.А Особенности выполнения сварочных работ при ремонте действующих продук топроводов под давлением // Обеспечение работоспособности действующи; нефте- и продуктопроводов. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1992. - С. 33-49.

34. Халимов А.Г., Королев Н.М., Тишкин А.Ф., Кутлуев И.М. Полуав тематическая сварка стали 15Х5М в среде диоксида углерода без термически обработки сварных соединений // Химическое и нефтяное машиностроение. 1992. -№9.-С. 28-31.

35. Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа стали тип; 15Х5М (временная инстру кция) / Ю.С. Медведев, Н.М. Королев, А.Г. Халимш и др. -М: ЦИНТИхимнефтемаш, 1992. - 8 с.

36. Халимов А.Г., Королев Н.М., Галямов Э.Р. Технология сварки изделий из стали 15Х5М с регулированием термических циклов // Химическое i нефтяное машиностроение, 1993. - №9. - С. 31-34.

37. Технологическая инструкция по автоматической сварке элементе! нефтехимической аппаратуры и трубопроводов из жаропрочных сталей 15X5V // Ю.С. Медведев, Н.М. Королев, А.Г. Халимов, A.B. Бакиев и др. - М. ВНИИнефтемаш, 1992. - 16 с.

38. Халимов А.Г. Технологическое обеспечение работоспособности нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей мартенсигногс класса. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1995. - 35 с.

39. Халимов А.Г. Влияние структурно-механической неоднородности на работоспособность сварных соединений стали 15Х5М // Проблемы технической диагностики и определения остаточного ресурса оборудования: Материалы Всероссийской научно-техн. конф. - Уфа, 1995. - С. 10-22.

40. ХалимовЛ.Г., Зайнуллин P.C. Технология свари! хромомолиб-деновых сталей в среде углекислого газа // Каталог научн.-техн. разработок. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 1995. - С. 81-82.

41.3айнуллин P.C., Халимов А.Г. Повышение трещиностойкости и на-дсжносги сварного нефтехимического оборудования из хромомолибденовых жаропрочных сталей. - Уфа: Баштехинформ, 1996. - 4 с.

42. Методика определения трещиностойкости сварных соединений из закаливающихся сталей / P.C. Зайнуллин, А.Г. Халимов., A.A. Халимов. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996. -27 с.

43. Халимов А.Г. Теоретические основы ресурсосберегающей техно-лопш сварки сталей 15Х5М с регулированием термических циклов. - Уфа: Изд-во МНТЦ "БЭСТС", 1996. - 54 с.

44. Халимов А.Г. Ресурсосберегающая технология изготовления элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М // Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности. - Уфа: Изд-во МНТЦ "БЭСТС", 1996. - 57 с.

45. Халимов А.Г. Обеспечение качества нефтехимических аппаратов из хромомолибденовых жаропрочных сталей на стадии их изготовления // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997. - С. 30-42.