Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих способов получения труб с внутренним покрытием 8
1.1. Способы получения труб с покрытиями 8
1.2. Технологические основы нанесения металлических покрытий газотермическим способом 22
1.3. Анализ существующих способов подготовки поверхности под нанесение покрытия 27
1.4. Цель и задачи исследования 29
2. Исследование процесса нанесения газотермических покрытий на полосу и их последующего деформирования 32
2.1. Влияние режимов подготовки поверхности на прочность сцепления полосы с покрытием 32
2.2. Методика экспериментальных исследований процесса напыления покрытий и прокатки полос с покрытиями 37
2.3. Исследование совместной пластической деформации полосы из малоуглеродистой стали и покрытий при прокатке 39
2.4. Влияние технологических параметров напыления на толщину и разнотолщинность алюминиевого покрытия 43
2.5. Влияние прокатки на толщину и разнотолщинность алюминиевого покрытия 46
2.6. Управление распределением толщины алюминиевого покрытия, наносимого на стальные полосы, для последующей формовки труб
в трубоэлектросварочных агрегатах (ТЭСА) 47
2.7. Выводы по главе 50
3. Математическое моделирование процесса прокатки полосы с газотермическим покрытием 51
3.1. Разработка математической модели прокатки полосы с покрытием 51
3.2. Оценка адекватности математической модели прокатки полосы с газотермическим покрытием 61
3.3. Полный факторный эксперимент на основе расчета параметров прокатки трубной заготовки с алюминиевым газотермическим покрытием 63
3.4. Выводы по главе 71
4. Исследование коррозионной стойкости стальных труб с газотермическими покрытиями и физико-механических свойств покрытий 74
4.1. Исследование коррозионной стойкости стальных труб с газотермическими покрытиями 74
4.2. Влияние прокатки на шероховатость и твердость покрытий 83
4.3. Влияние прокатки и термической обработки на пористость покрытий 85
4.4. Получение алюминиевого покрытия с высокими пластическими свойствами 88
4.5. Повышение качества сварного соединения 90
4.6. Выводы по главе 92
5. Рекомендации по технологии получения полос с газотермическим покрытием, предназначенных для производства электросварных труб 95
5.1. Технологические схемы получения электросварных труб с внутренним алюминиевым газотермическим покрытием 95
5.2. Технология получения полос для формовки водогазопроводных труб с внутренним покрытием 96
5.3. Алгоритм расчета режимов получения полосы с требуемым распределением покрытия по ее ширине 98
5.4. Получение полос с двухслойным покрытием 102
5.5. Оценка экономической эффективности производства
водогазопроводных труб с внутренним покрытием 105
5.6 Получение нефтегазопроводных труб с внутренним алюминиевым покрытием на ОАО «ВМЗ» ПО
5.7. Выводы по главе 112
Выводы 113
Библиографический список
- Технологические основы нанесения металлических покрытий газотермическим способом
- Методика экспериментальных исследований процесса напыления покрытий и прокатки полос с покрытиями
- Оценка адекватности математической модели прокатки полосы с газотермическим покрытием
- Влияние прокатки и термической обработки на пористость покрытий
Введение к работе
Потери труб от коррозии очень велики и на замену выходящих из строя участков и ремонт трубопроводов ежегодно тратятся огромные силы и средства. До 10% годового производства труб идет на ликвидацию этого вредного фактора. Кроме того, существует проблема качества воды, используемой в коммунальном водоснабжении, содержащей продукты коррозии.
В настоящее время износ внутренних коммунальных сетей холодного и горячего водоснабжения Российской Федерации, а так же сетей отопления составляет 60%, причем в основном из-за внутренней коррозии.
С целью нейтрализации разрушающего действия коррозии в мировой практике применяются различные защитные меры и способы от использования защитных покрытий до изготовления труб из дорогих коррозионностойких материалов. Перспективным направлением, особенно для России с ее протяженными трубопроводными сетями, является использование защитных покрытий.
Наиболее распространенным антикоррозионным металлическим покрытием является цинковое покрытие, полученное методом погружения в расплав. Однако трубы с цинковым покрытием не удовлетворяют гигиеническим требованиям, предъявляемых к трубам, применяемых в коммунальном водоснабжении, а так же мало пригодно для использования в горячем водоснабжении и отопительных системах. На Западе широкое распространение получили медные и пластмассовые трубы. С целью повышения качества жизни и из экономических соображений Госстрой РФ в 1998 году ввел изменение в СНиП «Водоснабжение и канализация. Внутренние сети», в котором предпочтение отдается трубам из пластмассовых материалов, а стальные допускается применять при наличии антикоррозионного покрытия, в основном цинкового. Однако за прошедшие 5 лет произошло незначительное увеличение производства труб из пластмасс, т.к. они требуют скрытой прокладки, специальных методов монта-
жа, дороги и поэтому применяются в основном в строительстве «полуэлитного» жилья (в элитном используются, главным образом, медные трубы).
Таким образом, в коммунальном хозяйстве по-прежнему, несмотря на запреты, применяются стальные трубы без покрытия. Во многом это вызвано дотационностью ЖКХ, тем, что нет лиц, заинтересованных в получении прибыли от снабжения населения холодной и горячей водой и теплом, и поэтому потребление труб носит характер «латания дар», без учета перспективы.
Программой Правительства предусмотрено в 2004 году акционировать предприятия ЖКХ, как это было сделано с «Водоканалами», после чего резко сократилось применение труб нефтепроводного сортамента без внутреннего покрытия и резко возросло применение труб из полиэтилена низкого давления. Примерно такая же тенденция ожидается и в отношении внутренних сетей.
Полная замена на пластмассовые трубы нереальна, т.к. необходима их скрытая прокладка, причем в основном в бетонные стены, предварительно их теплоизолировав. Учитывая, что общая протяженность внутренних сетей оценивается в 3 млн. км, общая стоимость работ приблизится к триллиону рублей, чего экономика РФ выдержать не сможет. Применение оцинкованных труб нежелательно как по технологическим, так и по экологическим причинам.
Таким образом, перед металлургией РФ стоит задача по обеспечению потребителей трубами с покрытиями, отвечающими коррозионным и экологическим требованиям при относительно невысокой цене.
В качестве способа нанесения антикоррозионного покрытия использован газотермический, который является экологически безопасным процессом, позволяющим наносить одностороннее или двухстороннее покрытие из различных металлов как по составу, так и по различным механическим свойствам. Однако газотермические покрытия (ГТП) обладают невысокими физико-механическими свойствами. Поэтому получение коррозионностойких труб с требуемыми физико-механическими свойствами ГТП является важной научно-технической задачей.
7 В ходе работы получены результаты, научная новизна которых заключается в следующем:
разработана математическая модель прокатки полос с ГТП, включающая условие пластичности Грина для пористых тел, учитывающая изменение физико-механических свойств слоев в процессе деформирования, адекватность которой подтверждается экспериментально;
получены зависимости усилия прокатки, напряжения сдвига на границе раздела полосы и покрытия, величины обжатия полосы с покрытием, соответствующего началу их совместного деформирования, от основных факторов очага деформации;
установлен характер распределения толщины алюминиевого ГТП по ширине полосы, позволяющий получить минимальную неоднородность свойств покрытия по внутреннему контуру трубы за счет уменьшения неравномерности изменения этой толщины в процессе формовки электросварных труб на ТЭСА;
показано, что в случае деформационного воздействия на покрытие без деформирования основы уменьшается время термообработки, необходимое для получения высоких пластических свойств покрытия (ГОСТ 14019-90), что связано с активизацией диффузионных процессов из-за уменьшения пористости покрытия.
Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории процессов пластической деформации и упрочнения Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).
Результаты работы были использованы при разработке технологии получения полос с ГТП, предназначенных для производства водогазопроводных электросварных труб с внутренним покрытием.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность всем сотрудникам МИСиС, специалистам заводов, принявшим участие в подготовке, проведении и обсуждении совместных исследований.
Технологические основы нанесения металлических покрытий газотермическим способом
Процесс металлизации напылением разделяется на три основные последовательные стадии: 1. подготовка поверхности; 2. нанесение покрытия; 3. обработка покрытия.
Поверхность необходимо подготовить потому, что соединение напыленного покрытия с основой осуществляется в основном за счет механического сцепления напыляемых частиц с выступами и впадинами на поверхности основы. Кроме того, соединение осуществляется за счет физических связей, проявляющихся в виде молекулярных в случае, когда напыляемый материал и материал основы имеют решетки приблизительно одинакового размера. На участках основы, поверхность которых имеет повышенную активность, характер соединения определяется диффузионными процессами /102/.
Рассмотрим некоторые способы нанесения газотермических покрытий: газопламенный, детонационный, электродуговой и плазменный /102, 104/. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, но принцип получения покрытия один. Материал покрытия, который может быть как в виде проволоки так и порошка, струей транспортирующего газа в расплавленном виде нано сится на подготовленную поверхность. Отсюда и название способа - газотермический.
Сущность газопламенного напыления заключается в следующем. Напыляемый материал, имеющий форму прутка или проволоки с заданной скоростью подают через центральное отверстие горелки и расплавляют пламенем горючей смеси. Расплавленные частицы металла подхватываются струей сжатого воздуха и в мелко распыленном виде транспортируются на поверхность изделия. При напылении порошком последний поступает из бункера через отверстие, разгоняется потоком транспортирующего газа (смесью кислорода с горючим газом) и на выходе из сопла попадает в пламя, где происходит его нагрев. К преимуществам данного способа можно отнести простоту технологии напыления; низкую стоимость оборудования и низкую стоимость нанесения покрытия. К недостаткам этого способа можно отнести невозможность напыления тугоплавких материалов, высокую пористость покрытия и низкую прочность его сцепления с основным металлом.
Другой способ газотермического напыления - детонационный, отличается очень высокой прочностью сцепления и низкой пористостью, достигаемых за счет напыления покрытия энергией взрыва газовой смеси. Принцип работы выглядит следующим образом. В камеру водоохлаждаемого ствола установки подается кислород и ацетилен в строго определенных количествах, а ствол направляется на обрабатываемую деталь. Затем азотом подается порошок напыляемого материала. Газовую смесь с порошком, находящимся во взвешенном состоянии, поджигают электрической искрой. В результате взрыва смеси образуется ударная волна, которая разогревает и разгоняет частицы порошка. Однако такой способ нанесения покрытий обладает определенными недостатками. Это опасность возникновения остаточной деформации от действия взрывной волны, большой (до 140 ДБ) уровень шума, и высокая стоимость оборудования.
Одним из наиболее распространенных и простых способов газотермического напыления является электродуговая металлизация. Способ обладает высокой производительностью и низкой стоимостью нанесения покрытий, позволяет получать смеси покрытий из различных материалов, удобен в реализации. Стоит отметить, что способом электродуговой металлизации можно напылять только металлические материалы в виде проволоки.
Принцип электродуговой металлизации следующий. Через два канала в металлизаторе непрерывно с заданной скоростью подают две проволоки (диаметром 1,5-3,2 мм), между концами которых возбуждается дуга и происходит расплавление проволоки. Расплавленный металл подхватывается струей сжатого газа, чаще всего воздуха, истекающего из центрального сопла электрометал-лизатора, и в мелкодисперсном виде переносится на поверхность основного металла (рис. 1.4). К недостаткам этого способа можно отнести опасность перегрева и окисления напыляемого материала при малых скоростях подачи проволоки, значительное выгорание легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав и достаточно высокую пористость покрытия. Кроме того, как и в случае газопламенного напыления, покрытие получается с высокой шероховатостью поверхности.
С целью усовершенствования и ликвидации ряда недостатков электродугового способа нанесения покрытий был разработан способ активированной электродуговой металлизации. Отличительной особенностью данного способа от основного является использование в качестве транспортирующего газа продуктов сгорания углеводородных топлив (ацетилена, пропана). Использование активированной дуговой металлизации позволяет на 30 - 50% увеличить скорость полета частиц, снизить уровень окисления материала покрытия и увеличить прочность сцепления ГТП и основного металла на 50%.
Методика экспериментальных исследований процесса напыления покрытий и прокатки полос с покрытиями
В экспериментальных исследованиях для уточнения зависимости между разнотолщинностью покрытия и поперечным перемещением металлизатора одностороннее алюминиевое покрытие со средней толщиной 50-200 мкм было нанесено на полосы из малоуглеродистой стали (стальЗ, стальЮ, 08ю) размером 1,5-2,5x50-250x100-500 мм при помощи стационарного металлизатора ЭМ-12М. Ширину полосы напыления (2Ь) изменяли от 40 мм до 80 мм. Смещение металлизатора в поперечном направлении изменяли от 0,05 до 1 от ширины полосы напыления с шагом 0,05. Толщину покрытия измеряли в точках в направлении поперечного перемещения металлизатора при помощи магнитного толщиномера МТ-41НЦ (рис.2.1).
С целью получения покрытия определенной средней толщины, в качестве параметра, с помощью которого можно ею управлять, была принята амплитуда полосы напыления, которую изменяли от 0,05 мм до 0,2 мм за счет изменения скорости перемещения металлизатора в направлении напыления.
Для исследования влияния режимов прокатки на изменение относительной толщины ГТП и основы и разнотолщинность покрытия стальные полосы с напыленным покрытием были прокатаны на стане с диаметром валков 130 мм с обжатием до 30% за 3-6 проходов по различным режимам деформирования. После прохода измеряли толщину покрытия по ширине полос в точках, показанных на рис.2.1, с помощью магнитного толщиномера и общую толщину с помощью микрометра. Толщину полосы после каждого прохода определяли
Схема расположения линий и узлов сетки, в которых проводилось измерение толщины полосы и покрытия в процессе деформирования по разности толщины образцов с покрытием и толщины покрытия. Далее определяли обжатие образцов с покрытием и каждого слоя в отдельности.
Для установление характера изменения относительной толщины полосы и покрытий в качестве покрытий исследовали материалы: нержавеющую сталь 12Х18Н10Т, алюминий АД1, медь Ml, а также для сравнения - цинк ЦІ, широко используемый в промышленности для защиты стальных труб от коррозии. В качестве основы использовали стальЮ. Прокатку проводили по различным режимам деформирования. Значения логарифмических деформаций представлены в табл.2.3. Было установлено, что изменение относительной толщины слоев практически не зависит от дробности и режима деформирования для любого покрытия. Из рис.2.2 видно, что в начале деформирования из-за значительной пористости ГТП, а также из-за различия механических свойств компонентов происходит уплотнение покрытия (Єп) без пластической деформации основы (бо)- На этой стадии происходит интенсивное уменьшение шероховатости поверхности покрытия, а также дополнительное заполнение впадин микрорельефа, который создается на поверхности основы при подготовке поверхности под ГТН. В процессе совместного деформирования полосы и ГТП в начале наблюдается большая неравномерность изменения относительной толщины слоев, а именно, имеет место преимущественное изменение толщины слоя алюминия. С увеличением обжатия полосы с покрытием возрастает влияние на усилие прокатки сил трения и уменьшается различие в изменении относительной толщины компонентов.
Для выявления влияния материала ГТП на изменение относительной толщины покрытий были проведены дополнительные эксперименты по определению шероховатости, твердости и пористости покрытий до и после прокатки, результаты которых будут представлены в главе 4. Было показано, что при прокатке полос с ГТП толщиной 0,1-0,2 мм, составляющей не более 0,1 основы, изменение толщины покрытий в процессе деформирования определяется в основном их исходной толщиной и в меньшей степени - физико-механическим свойствами, что подтверждается результатами работы /109/ для алюминиевого покрытия. Полученные результаты также подтверждаются изменением относительной толщины покрытий, в т.ч. и цинкового (рис.2.3), исходная толщина которых отличается от значений, используемых на рис.2.2. Поэтому дальнейшие исследования, связанные с пластической деформацией покрытия, проводили с использованием алюминиевого покрытия, как материала, обеспечивающего протекторную защиту стальной полосы от коррозии. При этом отношение толщины полосы с покрытием к диаметру рабочих валков составляло 0,015-0,022.
Оценка адекватности математической модели прокатки полосы с газотермическим покрытием
Планирование численного эксперимента проводили с целью формализации связи между параметрами прокатки полосы с алюминиевым газотермическим покрытием (ГТП), предназначенной для формовки электросварных труб с внутренним покрытием, и факторами очага деформации. Параметры прокатки рассчитывали по разработанной математической модели прокатки полосы с ГТП/121/.
Основными параметрами, рассчитываемыми по модели, являются: обжатие полосы с покрытием, соответствующее началу их совместного деформирования, усилие прокатки и напряжение сдвига на границе раздела полосы и покрытия. Основными независимыми факторами, влияющими на данные параметры, являются: обжатие полосы с покрытием на выходе из очага деформации (є), толщина покрытия (Нп) и основного металла (Но), диаметр валков прокатного стана D. Их использовали для получения факторов в относительном виде -H0/D,Hn/H0.
Исходя из технологических условий прокатки полосы с покрытием для последующей формовки труб, выбрали следующие интервалы изменения факторов: є, =0,1-1% или є2 =5 - 10%; Нп =0,1-0,3 мм; Н0 =2-4 мм; D=100 - 250 мм. В случае получения полосы с покрытием без деформирования основы, исследования проводили в интервале \ =0,1-1%, в котором начинается их совместная пластическая деформация /123/. При обжатии в интервале 5-10%) происходит наиболее интенсивное уменьшение шероховатости и пористости покрытия, влияющих на пропускную способность и коррозионные свойства трубы. При этом имеет место совместная пластическая деформация покрытия и основы.
Следует отметить, что расчеты проводились поочередно для обоих интервалов изменения є, представленных в табл.3.1.
Связь между нормированным и действительным выражением каждого фактора задается формулой: где jt; - действительное значение фактора; Х\о - значение і - го фактора на нулевом уровне; 5; - интервал варьирования і - го фактора.
При исследовании процесса прокатки полосы с покрытием в интервале є, =0,1-1% практический интерес представляет определение обжатия полосы с покрытием, соответствующего началу совместной пластической деформации (єСпд) и усилия прокатки, отнесенного к ширине полосы (Р/В). В случае исследования процесса прокатки в интервале є2 =5 - 10% , практический интерес представляет определение усилия прокатки, отнесенного к ширине полосы и напряжения сдвига на границе раздела слоев, отнесенного к пределу пропор , где ап=86 МПа циональности алюминиевого покрытия на сжатие
При этом коэффициенты трения между алюминиевым покрытием и валком принимали равным 0,2, а между стальной основой и валком -0,14 /125, 126/.
Для Si=0,l-1% и заданных интервалов изменения факторов H0/D, Нп/Н0 (см. табл.1) Еспд находится в интервале 0,15-0,25% (рис.3.5). При с меньше 0,15-0,25% происходит только уплотнение покрытия без пластической деформации основы. При этом, как следует из расчетов по математической модели прокатки полосы с ГТП, усилие прокатки на единицу ширины полосы составляет 130-150 Н/мм. В этом случае для уплотнения покрытия целесообразно использовать приспособления для обкатки /127/.
Влияние прокатки и термической обработки на пористость покрытий
Это можно объяснить тем, что покрытие не сплошное, но в нем отсутствуют сквозные поры, заваренные вследствие сварки. Открытые участки (разрывы в покрытии) достаточно велики и на их «залечивание» требуется более длительное время. В то же время потенциал железа и диффузионного слоя оказывает существенное влияние на результирующий электродный потенциал. Тем не менее, потенциал постепенно падает вследствие образования продуктов коррозии алюминия, которые постепенно закрывают разрывы на поверхности сварного шва. Минимум его соответствует времени образования не сплошной защитной пленки, когда складывается ситуация, схожая с ситуацией в начале испытаний образца с покрытием, после чего по описанной ранее схеме происходит его рост. В итоге потенциалы покрытия и сварного соединения останавливаются примерно на одном уровне. Это указывает на обоснованность описанного выше механизма коррозии.
Исходными образцами для изучения влияния характера пластической деформации на электрохимическое поведение служили образцы из малоуглеродистой стали с алюминиевым покрытием после термообработки на воздухе при 650 С в течение 30 мин. На рис. 4.4 представлены результаты измерений электродных потенциалов в зависимости от режимов деформирования образцов и времени их выдержки в электролите.
Для исходного образца (кривая 1 на рис. 4.4) имеет место устойчивое (почти линейное) смещение потенциала в положительную сторону в течение всего периода экспозиции (96 ч) в растворе без видимых признаков установления его стационарного значения. Как отмечалось выше, алюминий является анодом по отношению к стали, и наблюдаемый ход зависимости обусловлен проникновением электролита через покрытие и коррозией алюминия с образованием нерастворимых продуктов, постепенно «залечивающих» поры в покрытии и ограничивающих доступ коррозионной среды в его объем. Однако выбранная продолжительность испытаний оказывается недостаточной для полного «залечивания» пор в покрытии продуктами коррозии, о чем свидетельствует характер изменения потенциала во времени (кривая 1, рис.4.4). Прокатка образцов (обжатие є от 3 до 12%) приводит к некоторому смещению значений исходных потенциалов (т=0) в отрицательную сторону при s =3% и положительную - при є=12- 30%.
При малом обжатии покрытия его пористость (П) уменьшается незначительно (АП 1,6%) и смещение электродных потенциалов (Е) в область отрицательных значений обусловлено в основном влиянием наклепа покрытия.
При более высоком обжатии (є=12%) имеет место сдвиг исходного потенциала в положительную сторону, что указывает на определяющую роль уплотнения покрытия. После 24 ч испытаний в водном растворе хлорида натрия все прокатанные образцы анодно поляризуются, причем значения потенциалов оказываются тем более положительными, чем выше степень деформации покрытия. Дальнейшая выдержка вызывает незначительное монотонное увеличение Е.
Измерение твердости образцов свидетельствует о наличии на границе покрытия и основы в области сварного шва диффузионного слоя (рис.4.5), повышающего его коррозионную стойкость, твердость которого выше как твердости покрытия, так и твердости стали.
Таким образом, несмотря на образование мелкого равномерного грата вдоль сварного шва, получение диффузионного слоя позволило обеспечить коррозионную стойкость в этой области на уровне стойкости трубы. При этом покрытие не препятствует процессу сварки, но имеет разрыв по шву на 100-200 мкм.
Для выявления влияния материала ГТП на изменение его относительной толщины были проведены дополнительные эксперименты по определению шероховатости и твердости покрытий до и после прокатки. Шероховатость поверхности покрытий определяли на профилометре модели «Alpha-step 200». В качестве показателя шероховатости использовали Ra— среднее арифметическое отклонение профиля (ГОСТ 2789-80). Значения шероховатости покрытий представлены на рис.4.6. Видно, что в результате прокатки происходит значительное уменьшение шероховатости покрытий, причем продольная шероховатость меньше поперечной. Наиболее существенное уменьшение шероховатости было получено у покрытий из алюминия и меди. В то же время наиболее интенсивное изменение относительной толщины было отмечено у покрытия из нержавеющей стали (см. рис.2.2). Поэтому изменение относительной толщины покрытий нельзя объяснить характером изменения их шероховатости при прокатке.
Твердость покрытий до и после прокатки определяли на поперечных шлифах с помощью микротвердомера ПМТ-3 /134/. Измерения проводили не менее чем по 10 точкам по ширине образцов. Из рис.4.7 видно, что в результате прокатки происходит увеличение твердости покрытий. Максимальные значения твердости отмечены у покрытия из нержавеющей стали. В то же время у него было отмечено наиболее интенсивное изменение относительной толщины (см. рис.2.2). Следовательно, изменение относительной толщины покрытий нельзя объяснить характером изменения их твердости.
