+7 (342) 205-50-37, +7 (342) 202-50-40
614000, г. Пермь, ул. Промышленная, 87
info@ucsperm.ru
Проведение работ по термической обработке сварных соединений
Назначение термической обработки
Сварные соединения непосредственно после сварки характеризуются неоднородностью структуры и свойств, а также наличием в них остаточных сварочных напряжений. Неоднородность структуры сварного соединения вызывается главным образом неравномерностью нагрева металла в процессе сварки. Металл шва в процессе сварки в расплавленном состоянии нагревается до температуры выше 1500 °С и более, в то время как соседние со швом участки металла, называемые зоной термического влияния, нагреваются в меньшей степени и находятся в твердом состоянии.
Чем дальше участок металла расположен от сварного шва, тем ниже температура его нагрева в процессе сварки (рис. 1). Непосредственно после сварки металл зоны сварных соединений характеризуется неравномерным распределением механических свойств. Например, прочность и твердость металла шва обычно в 1,2-1,6 раза превышают уровень этих характеристик околошовной зоны и основного металла. В околошовной зоне неблагоприятными свойствами обладают участок перегрева (для низкоуглеродистых сталей), который при сварке нагревается на 300-400 °С выше точки Ас3) участок закалки (для низколегированных сталей), находящийся в процессе сварки при температуре выше точки Ас3 (900-1.300 °С), и участок разупрочнения - в интервале температур Ас1-Ас3 (760-850 °С).
Участок перегрева характеризуется крупнозернистой структурой, которая определяет низкую пластичность металла, участок закалки - наличием структурных составляющих, обладающих высокой твердостью, низкой пластичностью и ударной вязкостью. Участок разупрочнения имеет пониженную прочность при высокой пластичности.
Такое неудовлетворительное состояние металла усугубляется действием остаточных сварочных напряжений, величина которых может достигать значений предела текучести стали 250-350 МПа. Появление сварочных напряжений обусловлено усадкой металла шва в процессе охлаждения, неравномерностью нагрева различных зон сварного соединения в процессе сварки, структурными изменениями и жесткостью свариваемого изделия.
Высокие остаточные сварочные напряжения могут вызвать нежелательные деформации сварного соединения, приводящие к трещинообразованию, что особенно часто имеет место в сварных соединениях труб из хромомолибденованадиевых сталей. Эти напряжения приводят также к снижению коррозионной стойкости, хладостойкости, циклической прочности и других служебных характеристик сварных соединений, что в конечном счете приводит к ухудшению эксплуатационной надежности трубопроводов и аппаратов, работающих под давлением.
Одна из наиболее радикальных мер повышения надежности сварочных соединений - термическая обработка, в результате которой снижаются остаточные сварочные напряжения, улучшаются структура и свойства металла сварного соединения.
В монтажных условиях обычно выполняют местную термическую обработку сварного соединения трубопроводов и аппаратов, работающих под давлением, когда нагреву подвергаются сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла на ограниченной длине. В некоторых случаях для аппаратов, работающих под давлением, в монтажных условиях применяют полную термическую обработку, которая заключается в нагреве всего корпуса аппарата вместе со сварными соединениями.
Виды и режимы термической обработки
Процесс термической обработки состоит из трех последовательных этапов: нагреве сварного соединения до определенной температуры, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и последующего охлаждения. На монтаже трубопроводов и аппаратов, работающих под давлением, применяют следующие виды термической обработки: термический отдых, высокий отпуск, нормализацию, стабилизирующий отжиг и аустенизацию (рис. 2).
Термический отдых. Сварное соединение нагревают до 250-300 °С с последующей выдержкой в течение нескольких часов. Назначение термического отдыха уменьшение содержания водорода в сварных швах, а также некоторое снижение уровня остаточных сварочных напряжений. Отдых обычно назначают для сварных соединений толстостенных конструкций, для которых трудно выполнить термическую обработку по режиму высокого отпуска.
Высокий отпуск. При термической обработке сварное соединение нагревают до температуры на 20-30 °С ниже критической точки Ас1, выдерживают в течение 1-5 ч и затем медленно охлаждают. При этом уровень остаточных сварочных напряжений снижается на 70-90%, происходят структурные изменения в сварном шве и зоне термического влияния. Для низколегированных сталей эти изменения заключаются в распаде закалочных структур, укрупнении карбидов и т. п., что в конечном итоге приводит к заметному снижению твердости, а также к повышению пластических свойств и ударной вязкости металла. Высокому отпуску подвергают сварные соединения из сталей перлитного класса
Нормализация. Сварное соединение нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 20-30 °С, выдерживают в течение непродолжительного времени при данной температуре и охлаждают на спокойном воздухе. Цель нормализации - получение однородной мелкозернистой структуры металла и улучшение механических свойств зон сварного соединения, а также снижение уровня остаточных сварочных напряжений. Нормализации чаще всего подвергаются сварные стыки тонкостенных труб малого диаметра из низколегированной стали перлитного класса, выполненные газовой сваркой.
Аустенизация. Сварное соединение нагревают до 1080-1130 °С, выдерживают в течение 1-2 ч и охлаждают на воздухе. В результате этой термической обработки удается получить однородную аустенитную структуру, улучшить механические свойства стали и снизить уровень остаточных сварочных напряжений. Аустенизации подвергают сварные соединения трубопроводов из высоколегированных сталей аустенитного класса марок 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т и др. Проведение аустенизации способствует снижению остаточных сварочных напряжений на 70-90% и повышению пластичности металла сварного соединения. При этом выравнивается структура металла шва и околошовной зоны.
Стабилизирующий отжиг. Сварное соединение нагревают до 950-970 °С, выдерживают в течение 2-3 ч и охлаждают на воздухе. Эта термическая обработка приводит к снижению остаточных сварочных напряжений на 70-80% и обеспечивает стабильную структуру, хорошо противодействующую возникновению межкристаллитной коррозии. Стабилизирующий отжиг применяется для сварных соединений трубопроводов из высоколегированных сталей аустенитного класса марок 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т.
Необходимость проведения термической обработки, ее режим (температура и скорость нагрева, время выдержки, характер охлаждения) определяются требованиями нормативной документации по термической обработке сварных соединений, действующей на данном монтируемом объекте. Отклонение от режимов термической обработки, назначенных нормативной документацией (несоблюдение требуемых величин температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения), может привести к снижению качества термической обработки (недостаточному уменьшению остаточных сварочных напряжений, повышенной твердости металла шва и т.п.), а в некоторых случаях - к снижению трещиностойкости сварных соединений, что влечет за собой преждевременный выход из строя трубопроводов и аппаратов, работающих под давлением.
При проведении высокого отпуска отклонение от заданного режима может привести к значительному ухудшению механических и служебных характеристик сварного соединения. Так, снижение температуры отпуска до 600-700 °С вместо 710-740 °С приводит к охрупчиванию хромомолибденованадиевой стали и к образованию трещин в сварных соединениях, а повышение температуры отпуска до 760-800 °С сопряжено с опасностью разупрочнения (снижение длительной прочности) сварных соединений из этой стали. В обоих случаях это приводит к сокращению срока службы сварных соединений трубопроводов.
Скорость нагрева при высоком отпуске также влияет на работоспособность сварного соединения. Высокая скорость подъема температуры из-за неравномерного прогрева трубы по толщине стенки приводит к появлению значительных термических напряжений. Это считается опасным в начальной стадии нагрева в диапазоне температур 20-550 °С и особенно в интервале 20-300 °С, когда металл находится в упругопластичном состоянии. Оптимальная скорость нагрева в этом диапазоне температур может составлять 100-400 °С/ч (и выше при нагреве тонкостенных труб) и зависит от способа нагрева и толщины стенки нагреваемого изделия. При более высоких температурах, т. е. 550-750 °С (до температуры высокого отпуска), скорость нагрева может быть любой, но не менее )100 °С/ч. В этом случае медленный нагрев нежелателен, поскольку он способствует появлению трещин в сварных соединениях из хромомолибденовых сталей, обусловленных его структурными изменениями.
Необходимо точно соблюдать время выдержки. Сокращение его не позволяет снизить остаточные сварочные напряжения до минимального уровня, а увеличение выдержки способствует разупрочнению металла.
Характер охлаждения сварных соединений после выдержки также оказывает большое влияние на качество термической обработки. Повышение скорости охлаждения для сварных соединений труб из сталей перлитного класса может привести к возникновению высокого уровня температурных (временных) напряжений. Чтобы предотвратить их появление, скорость охлаждения должна быть умеренной (300-400 °С/ч).
При аустенизации, когда термическая обработка проводится при температурах ниже регламентируемых, получить однородную аустенитную структуру невозможно, а превышение заданных температур может вызвать рост зерна в металле шва и околошовной зоны и тем самым повысить склонность металла к растрескиванию.
Скорость нагрева также имеет большое значение. До температуры 650 °С нагрев следует проводить с малой скоростью, что исключает появление значительных термических напряжений. В диапазоне 550-1100 °С (главным образом 650-850 °С) скорость нагрева должна быть высокой, чтобы предотвратить вероятность появления трещин в околошовной зоне, обусловленных структурными изменениями.
Охлаждение сварного соединения, как правило, должно проводиться на спокойном воздухе. Замедленное охлаждение вредно, поскольку оно способствует распаду аустенита, влекущему за собой снижение пластичности и жаропрочности металла.
Для труб из низкоуглеродистых и низколегированных сталей перлитного класса, особенно в зимнее время, применяют подогрев до (100-300 °С для снижения величины остаточных сварочных напряжений, улучшения свойств металла сварного соединения и предохранения сварного соединения при сварке от быстрого охлаждения, приводящего к возникновению трещин в сварном шве. Различают подогрев предварительный (до начала сварки) и сопутствующий (непосредственно в процессе сварки или во время перерывов в процессе сварки).
Способы нагрева и область их применения
При проведении термической обработки сварных соединений трубопроводов на монтаже объектов Минмонтажспецстроя СССР применяют следующие способы нагрева: электронагревателями сопротивления, индукционный, электронагревателями комбинированного действия, газопламенный и термохимический. Основной критерий оценки этих способов нагрева - величина перепада температур по толщине стенки трубы в процессе термической обработки.
Нагрев электрическими нагревателями сопротивления относится к радиационному методу нагрева. В этом случае теплоносителем является нагретый воздух. Тепло (по закону Джоуля - Ленца) выделяется из нагревательного элемента (нихромовой ленты, проволоки и др.) в момент прохождения по ней электрического тока. Преимущества этого способа нагрева: небольшой расход электроэнергии (в цепи нагревателя почти отсутствует реативная мощность, так как нагревательные элементы обладают в основном только омическим сопротивлением), возможность нагрева малогабаритными устройствами труднодоступных стыков труб, дистанционного управления и автоматизации процесса термообработки, проведение одновременного группового нагрева сварных стыков труб от одного источника питания и возможность нагрева сварных стыков до температуры нормализации или аустенизации (более 900 °С).
К недостаткам этого способа относится неравномерность нагрева трубы как по толщине стенки, так и по периметру сварного соединения. Величина перепада температуры по толщине стенки обычно составляет 1 °С/мм. толщины. Разница температуры, по периметру нагреваемого вертикального стыка труб может достигать 50-80 °С. Снижение перепада температуры по толщине стенки и равномерность нагрева по периметру сварного соединения достигаются применением специальных технологических приемов.
Индукционный способ термообработки заключается в нагреве сварного соединения электрическим током, индуктируемым в металле переменным электромагнитным полем. Величина перепада температуры по толщине стенки незначительна, так как тепло образуется непосредственно в самом металле. Достоинствами индукционного способа являются также простота управления процессом нагрева, возможность применения дистанционного ручного или автоматического способа регулирования электрическими режимами, возможность проведения групповой термообработки и др.
К недостаткам индукционного способа можно отнести громоздкость электрооборудования, .возникновение магнитных наводок, затрудняющих проведение контроля температуры электронными потенциометрами.
Индукционный нагрев выполняется токами 50 Гц и средней частоты 400-8000 Гц. Нагрев током 50 Гц целесообразно применять для термообработки по режиму высокого отпуска сварных соединений труб с толщиной стенки более 40 мм, поскольку при такой частоте ток индуктируется на большую глубину металла (до 70 мм) и тем самым обеспечивается равномерный нагрев трубы по всему сечению. Однако при этом, как правило, применяется ток до 1600 А, что требует использования электрических проводов и индукторов большого сечения (до 240 мм2). Такой метод нагрева характеризуется высоким расходом электроэнергии и большой трудоемкостью работ.
Нагрев токами средней частоты проводится на небольшом токе (100-250 А). Благодаря этому можно применять рабочий кабель и индукторы, сечением в несколько раз меньшим. В настоящее время чаще всего применяется индукционный нагрев токами частотой 2500 Гц. К преимуществу этого метода относится также высокий коэффициент мощности индукционных установок (cos φ=0,9-1). Все это делает такой метод нагрева наиболее экономичным, позволяет снизить по сравнению с предыдущим методом установленную мощность индукционных установок, уменьшить трудоемкость операций и более успешно применять групповой метод нагрева.
В настоящее время на объектах Минмонтажспецстроя СССР этот метод не получил применение в связи с отсутствием серийно выпускаемых установок для термической обработки (изготовление таких установок будет организовано в Минэлектротехпроме СССР в ближайшие годы).
При использовании электронагревателей комбинированного действия, работающих на принципе нагрева методами сопротивления и индукционного токами 50 Гц, нагрев сварного соединения производится главным образом за счет метода сопротивления. Индукционная составляющая оказывает меньшее тепловое воздействие, однако в некоторых случаях (при использовании тока силой 250-300 А) за ее счет можно достичь снижения перепада температуры до 0,75 °С на 1 мм толщины стенки трубы (по сравнению с нагревом электронагревателями сопротивления), что позволяет повысить качество термической обработки. Электронагреватели комбинированного действия просты в изготовлении, каждый их типоразмер может применяться для нескольких диаметров труб. Достоинствами комбинированного метода нагрева являются также простота управления процессом нагрева, возможность применения дистанционного ручного или автоматического способа регулирования электрическими режимами, возможность проведения групповой термообработки и др.
Газопламенный способ нагрева, также относящийся к радиационному методу, заключается в подводе тепла, выделяющегося при сгорании газовой смеси с внешней стороны трубы. В качестве горючего газа применяют ацетилен, пропан-бутановую смесь, природный газ и др., к которым добавляется кислород или воздух.
Трубопроводы нагреваются однопламенными универсальными ацетилено-кислородными (сварочными) горелками или кольцевыми многопламенными.
Основным достоинством этого способа являются маневренность, т. е. возможность термообработки труднодоступных сварных соединений, а также проведение термообработки при отсутствии электроэнергии.
Однако недостатки этого способа более существенны, что препятствует его широкому применению. В связи с односторонним подводом тепла с внешней стороны трубы перепад температур по толщине стенки может быть значительным и превышать 1 °С на 1 мм толщины стенки трубы. Кроме того, при нагреве вертикальных сварных стыков возникает большая разница температуры между верхним и нижним участками сварного стыка. К недостаткам этого метода также относится соприкосновение газового пламени с трубой, что приводит к окислению ее поверхности и к частому выходу из строя термоэлектрических термометров, применяемых для контроля температуры термической обработки.
В монтажных условиях процесс газопламенной термической обработки трудно поддается автоматизации и дистанционному управлению и, кроме того, нежелателен с точки зрения техники безопасности.
При термохимическом способе нагрева тепло, необходимое для термической обработки, образуется при сгорании пакетов из экзотермических смесей, устанавливаемых на сварное соединение. Эти смеси, в состав которых входят окислы алюминия, соединения серы и фосфора, дают при сгорании большое количество тепла. Основные преимущества термохимического способа нагрева - возможность проведения термической обработки без применения электроэнергии и горючих газов и простота процесса. Однако этот метод имеет значительные недостатки: невозможность проведения контроля температуры нагрева и применения ручного или автоматического регулирования процесса нагрева, значительный перепад температуры по толщине стенки трубы, величина которого такая же, как при использовании радиационных методов нагрева.
Пакеты из экзотермических смесей поставляются в нашу страну фирмами иностранных государств для выполнения термической обработки сварных соединений на предприятиях, оборудование которых также поставляется этими фирмами.
Область применения нагревательных устройств для термической обработки сварных соединений трубопроводов, выполненных из отечественных марок стали, на объектах Минмонтажспецстроя СССР определяется ОСТ 36-50-81 «Трубопроводы стальные технологические. Термическая обработка сварных соединений. Типовой технологический процесс» (табл. 1).
Область применения нагревательных устройств для термической обработки сварных соединений аппаратов, работающих под давлением, определяется нормативной документацией на эти аппараты, в частности технологическими картами на проведение термической обработки сварных соединений этих аппаратов.
1. Область применения нагревательных устройств
|
|
Размеры трубопровода, мм |
|||
|
Нагревательные устройства |
диаметр |
толщина стенки |
||
|
Гибкие пальцевые электронагреватели сопротивления ГЭН |
108-1020 |
До 70 |
||
|
Электронагреватели комбинированного действия КЭН-З |
219-720 |
До 70 |
||
|
Гибкие индукторы из голого медного провода М и МГ, работающие на токе 50 Гц |
108-630 |
11-70
|
||
|
Однопламенная универсальная |
До 89 |
До 10 |
||
|
Кольцевая многопламенная горелка |
До 325
|
До 25 |
||
В развитых зарубежных странах применяются те же методы нагрева, что и в нашей стране, за исключением индукционного нагрева токами частотой 50 Гц, который считается неэкономичным в связи с большим расходом электроэнергии.