Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное освоение месторождений газа и нефти в районах с суровыми климатическими условиями происходит с применением большого количества сварных конструкций, особенно магистральных трубопроводов, в которых обычно используются низколегированные стали. Для безопасной эксплуатации таких металлоконструкций прежде всего необходимо обеспечение высокой сопротивляемости разрушению сварных соединений, а также соответствие их нормативным требованиям по конструкционной прочности.
Конструкционная прочность сварных соединений зависит в основном от свойств зоны термического влияния шва и определяется главным образом свойствами зоны перегрева. В этой зоне наблюдается снижение пластичности и ударной вязкости за счет значительного роста аустенитного зерна, образования закалочных структур, а также наличия высоких внутренних остаточных напряжений, возникающих в результате локального высокотемпературного воздействия термодинамического цикла сварки. Особенно чувствительны к термическому воздействию хладостойкие стали, вследствие чего ухудшение их механических свойств в зоне сварного шва может быть весьма значительным. Поэтому наряду с оптимальным тепловложением при сварке требуется проведение дополнительной послесварочной обработки, сближающей характеристики основного металла и металла сварного соединения.
Традиционно для этих целей используется термообработка. Наиболее распространенными видами термообработки сварных соединений металлоконструкций являются высокий отпуск и нормализация. Однако отпуск и нормализация, снижая остаточные напряжения в шве и околошовной зоне, практически не исправляют микроструктуру материала. Также охрупчивание металла сварных соединений можно заметно снизить, если предупредить укрупнение зерен, образование закалочных структур и насыщение околошовной зоны водородом, используя предварительный и сопутствующий подогревы. Все эти виды термообработок сварных соединений, улучшая свойства шва и закаленного участка, не обеспечивают равнопрочности сварного соединения. В связи с этим разработка научных основ и совершенствование технологий, направленных на оптимизацию механических свойств сварных соединений, представляет собой актуальную научную задачу, решение которой имеет важное практическое значение.
Одним из перспективных путей улучшения механических свойств и повышения ударной вязкости околошовной зоны сварных соединений хладостойких низколегированных сталей является метод термоциклической обработки (ТЦО), позволяющий целенаправленно изменять структуру и уровень остаточных напряжений в металле. Вместе с тем, несмотря на весьма значительный объем имеющейся информации о сущности явлений, протекающих при ТЦО, ее режимы не могут быть универсальными для различных типов сталей. Выбор режима ТЦО следует вести с учетом исходной структуры, т.е. для каждой конкретной стали или ее сварного соединения.
Цель работы. Цель настоящей работы заключается в исследовании и обосновании технологических параметров ТЦО, направленной на восстановление механических характеристик хладостойких низколегированных сталей после воздействия термического цикла сварки.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
1. Исследование структурных состояний и комплекса исходных механи
ческих свойств низколегированных сталей.
2. Исследование структурных превращений и свойств низколегирован
ных сталей при различных режимах ТЦО после воздействия по термическому
циклу сварки ("имитированные" образцы) для выбора параметров термоцикли-
рования реальных сварных соединений.
3. Исследование структурных превращений при ТЦО сварных соединений
низколегированных сталей во взаимосвязи с механическими свойствами и про
ведение сравнительного анализа с результатами термоциклирования "имитиро
ванных" образцов.
4. Выбор режимов ТЦО, обеспечивающих приближение структуры и
свойств металла сварных соединений к основному металлу.
Научная новизна и практическая значимость.
Впервые проведены систематические исследования влияния ТЦО на структурное состояние и определяемые им механические свойства (прочность, пластичность, сопротивление разрушению) промышленных хладостойких сталей 10ХСНД, 14Х2ГМР, 20НГМФ и их сварных соединений.
Полученные данные дают более полное представление о процессах, происходящих при многократном нагреве-охлаждении низколегированных сталей с различной исходной структурой в области температур фазовых превращений.
Показано, что при использовании метода ТЦО возможно восстановление исходных качеств исследуемых сталей: метод весьма эффективно устраняет гетерогенность структуры (присутствие крупных кристаллов) и ухудшение свойств материала, обусловленных технологической наследственностью процесса сварки.
На основании полученных результатов обоснованы режимы ТЦО для каждой из исследованных низколегированных сталей, позволяющие удовлетворить условию сближения прочности основного металла и металла сварного соединения.
Методология исследования. Методология работы состоит в сопоставлении результатов исследований влияния электро- и печного термоциклирования (в последнем случае была собрана лабораторная установка на базе стандартных приборов и аппаратуры) на структуру и свойства модельных "имитированных" образцов, а также реальных сварных соединений. Основным критерием при этом был уровень соответствия получаемых структур и их характеристик исходным (для материала в состоянии поставки).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Совокупность экспериментальных данных по строению и свойствам низколегированных сталей с различной исходной дисперсностью структуры во взаимосвязи с процессами при сварке и последующей ТЦО.
-
Положение о том, что при ТЦО возможно эффективное восстановление структуры и свойств ЗТВ сварных соединений низколегированных сталей.
-
Предложенные режимы ТЦО сварных соединений исследованных низколегированных сталей, направленные на достижение равнопрочности металла сварных соединений и основного металла.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Ш Всесоюзной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (Запорожье, 1986г.), XIV Уральской школе металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (г. Ижевск, 1998 г.); международной конференции "Сварка и родственные технологии - в XXI век" (г. Киев, 1998 г.); международной конференции "Физико-технические проблемы Севера" (г. Якутск, 2000 г.).
Публикации. По теме диссертации имеется 6 публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Она содержит 111 страниц, включая 38 рисунков, 11 таблиц, библиографию из 84 наименований.
