Содержание к диссертации
Введение
Конструктивно-технологические основы для снижения тепловложения при сварке металлоконструкций 10
1.1. О разрушениях сварных соединений металлоконструкций и трубопроводных систем 10
1.2. Особенности тепловложения при различных способах сварки.. 17
1.3. Тепловложения при сварке по узкому зазору 23
1.4. Термокинетические процессы формирования структуры в сталях при сварке трубных сталей 31
1.5. Формирование структуры в металле ЗТВ при сварке котельных сталей 38
1.6. Формирование остаточных напряжений при технологических вариантах сварки 42
1.7. Цели и задачи исследования 49
Особенности нормирования расхода сварочных материалов при электродуговой сварке и его совершенствование 54
2.1. Сварные швы и количество наплавленного металла в рамках ГОСТа 54
2.2. Размеры сварных швов в реальных металлоконструкциях 57
2.3. Оценка формирования сварочных остаточных напряжений 60
2.4. Связь скорости охлаждения металла зоны термического влияния с погонной энергией сварки 70
2.5. Связь количества наплавленного металла в шов со скоростью охлаждения металла ЗТВ 73
Выводы 78
Возможности регулирования расхода сварочных материалов при сварке трубных сталей 79
3.1. Структура и хладостойкость металла ЗТВ в диапазоне допустимых скоростей охлаждения сварных соединений трубных сталей 82
3.2. Определение площади наплавленного металла в шов для сварки трубных сталей 88
3.3. Влияние толщины металла на расход сварочных материалов при сварке низколегированных трубных сталей 96
3.4. Влияние начальной температуры свариваемого изделия на количество наплавленного металла в шов 101
Выводы 108
Регулирование расхода сварочных материалов при сварке котельных сталей 109
4.1. Об эксплуатации котлов КСВ-1,1 и КСВ-1,8 в улусах Республики Саха (Якутия) 109
4.2. Влияние показателя тепло физических свойств на расход сварочных материалов при сварке котельных сталей 113
4.3. Возможности регулирования расхода сварочных материалов в зависимости от толщины металла котельных сталей 120
Выводы 124
Регулирование расхода сварочных материалов по структурному составу металла ЗТВ 125
5.1. Основные подходы в определении расхода сварочных материалов при сварке 126
5.2. Регулирование расхода сварочных материалов при сварке за один проход 128
5.3. Регулирование расхода сварочных материалов при многопроходной сварке 132
Выводы 144
Заключение 146
Литература 148
Приложения 164
- О разрушениях сварных соединений металлоконструкций и трубопроводных систем
- Сварные швы и количество наплавленного металла в рамках ГОСТа
- Структура и хладостойкость металла ЗТВ в диапазоне допустимых скоростей охлаждения сварных соединений трубных сталей
Введение к работе
Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления, ремонта многообразных конструкций различных отраслей промышленно сти.
Конечная цель сварочного производства - выпуск экономичных сварных конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим и физическим свойствам, эксплуатационному назначению, для которого они создаются.
В связи с ростом промышленного производства в Сибири, Дальнем Востоке, Республике Саха (Якутия) наблюдается резкое увеличение отказов вследствие разрушения сварных соединений элементов горнодобывающей техники и металлоконструкций, магистральных нефтегазопроводов, трубопроводов подземной, наземной и надземной прокладок, высотных сооружений и т. д. под влиянием пониженных температур.
Ежегодно наблюдаются случаи разрушения промышленных и жилых зданий, анкерных гаражей, цехов, сварных элементов карьерных и шагающих экскаваторов, систем водоснабжения, емкостей для хранения нефтепродуктов, сжиженных газов и т. д.
В большинстве случаев разрушения происходят по шву или зоне термического влияния (ЗТВ), где имеются технологические и конструктивные концентраторы напряжений, из-за низкой хладостойкости материала и возникновения усталостных трещин в сварных соединениях, имеющих различные дефекты.
В свою очередь, основными процессами, определяющими высокую эксплуатационную прочность и хладостойкость сварных соединений металлоконструкций, магистральных трубопроводных систем являются структурные (полиморфные) превращения в ЗТВ, формирование механических свойств, напряженно-деформированного состояния, т. е. сварочных напряжений и деформаций.
Расход сварочных материалов при автоматической, полуавтоматической и ручной электродуговой сварках несколько отличается, но непосредственно определяется разницей формы разделок, в соответствии с требованиями ГОСТов. А количество наплавленного металла на единицу длины шва определяется обобщающей характеристикой режимов сварки - погонной энергией сварки (ПЭС). ПЭС непосредственно связана с термодеформационным и термокинетическим процессами в сталях при сварке. Следовательно, повышение хладостоикости и эксплуатационной прочности сварных соединений должно быть непосредственно связано с нормированием расхода сварочных материалов.
Таким образом, нормирование сварочных материалов должно производиться на основе термокинетических процессов в сталях при сварке, определяющих формирование структуры в металле ЗТВ и напряженно-деформированного состояния, хладостойкость и эксплуатационную прочность сварных соединений различных сварных металлоконструкций и элементов изделий.
В связи с этим диссертационная работа посвящена актуальной проблеме повышения хладостоикости и эксплуатационной прочности сварных соединений на основе регулирования расхода сварочных материалов с учетом термокинетических процессов в сталях при сварке.
Исходя из вышеизложенного целью данной работы явилось: Разработка технологических основ регулирования расхода сварочных материалов, направленных на улучшение структуры и свойств сварных соединений сталей массового назначения, с учетом термокинетических процессов в сталях при сварке.
Для достижения поставленной цели:
Обоснована необходимость регулирования расхода сварочных материалов при сварке сталей массового назначения с позиции конструктивно-технологических факторов формирования сварных швов;
Установлена связь количества наплавленного металла в шов за один проход со скоростью охлаждения металла зоны термического влияния сварных соединений;
Оценено необходимое количество наплавленного металла в шов, обеспечивающего благоприятную структуру в металле ЗТВ при сварке трубных сталей, в зависимости от толщины металла и начальной температуры изделия на основе общепринятых представлений определения скорости охлаждения металла ЗТВ;
Определена степень влияния показателей тепло физических свойств сталей на количество наплавленного металла в шов на примере сварки изделий из котельных сталей;
Предложен алгоритм регулирования расхода сварочных материалов, улучшающий структурный состав металла ЗТВ сварных соединений сталей массового назначения, в зависимости от тепловложения, толщины металла, скорости охлаждения и количества проходов.
Работа состоит из пяти глав, где описаны разрушения сварных соединений металлоконструкций и трубопроводных систем, особенности тепловложения в свариваемое изделие при различных способах сварки, термокинетические процессы формирования структуры в сталях при сварке, особенности формирования сварочных остаточных напряжений при технологических вариантах сварки с учетом структурных превращений; рассмотрены особенности нормирования расхода сварочных материалов при электродуговой сварке и его совершенствование на основе полученных результатов натурных обследований размеров сварных швов различных металлических сооружений и расчетных соотношений связи количества наплавленного металла в шов со скоростью охлаждения металла зоны термического влияния и погонной энергией сварки; раскрыты принципиальные возможности регулирования расхода сварочных материалов с учетом термокинетических процессов в трубных низколегированных и котельных сталях при сварке в зависимости от коэффициента наплавки, начальной температуры и толщины свариваемого изделия, погонной энергии сварки при различных скоростях охлаждения металла ЗТВ сварных соединений, обеспечивающих высокую хладостойкость и прочностные свойства; обобщены основные подходы в определении расхода сварочных материалов при сварке на основе расчетного анализа количества наплавленного металла в шов исходя из конструктивных оформлений сварных швов по существующим нормативным требованиям, а также по предлагаемому подходу. На основе полученных обобщающих результатов предложена возможность регулирования расхода сварочных материалов при однопроходной и многопроходной сварке изделий толщиной листов от 3,0 до 20 мм, изготавливаемых из сталей массового назначения.
Научная новизна работы:
Выявлены основные конструктивно-технологические отклонения сварных швов, приводящие к многочисленным разрушениям сварных конструкций, магистральных трубопроводных систем подземной, наземной и надземной прокладок, сварных элементов горнодобывающей техники, систем тепловодо снабжения и объектов специального назначения;
На основе обобщения физико-химических и технологических процессов наплавки, особенностей формирования структуры в металле ЗТВ сварных соединений при электродуговой сварке углеродистых и низколегированных сталей предложены расчетные зависимости, позволяющие установить связь количества наплавленного металла в шов за проход со скоростью охлаждения металла ЗТВ сварных соединений;
Разработан основной принцип регулирования расхода сварочных материалов, направленный на повышение хладостоикости и эксплуатационной прочности металла ЗТВ сварных соединений углеродистых и низколегированных сталей массового назначения, в зависимости от скорости охлаждения металла ЗТВ, изменения начальной температуры, толщины листов, погонной энергии сварки и теплофизических свойств свариваемых сталей.
Практическая значимость работы:
Определено количество наплавленного металла в шов, обеспечивающего повышение хладостойкости и эксплуатационной прочности металла ЗТВ сварных соединений, при сварке сталей 09Г2С, 13ГІСУ, 09Г2ФБ, использованных при строительстве третьей нитки магистрального газопровода "Мастах-Берге-Якутск", а также подводного перехода газопровода через р. Лена;
Предложено регулирование расхода сварочных материалов (электродов) при сварке сборных секций металлических промежуточных опор П220-3 высоковольтных линий электропередач, изготавливаемых из стали 09Г2С, а также при ремонтно-восстановительных работах сваркой резервуаров, предназначенных для хранения нефтепродуктов и изготовленных из сталей 09Г2С и СтЗсп, а также котельных сталей 12Х1МФ, 15кп, 12МХ, 25, 08кп, 15Г.
Результаты работы использованы и внедрены на предприятиях Республики Саха (Якутия).
Основные положения, выносимые на защиту:
Совокупность статистических данных мониторинга по разрушениям сварных металлоконструкций из-за несоответствия размера сварных швов, низкой хладостойкости металла ЗТВ сварных соединений по структурному фактору и формированию остаточных напряжений с учетом структурных превращений, направленные для обоснования необходимости регулирования расхода сварочных материалов при сварке сталей массового назначения;
Расчетные зависимости определения количества наплавленного металла в шов на основе обобщения экспериментальных и расчетных данных по тепловым, физико-химическим процессам наплавки при электродуговой сварке;
Расчетные данные по регулированию расхода сварочных материалов с целью повышения эксплуатационных свойств металла зоны термического влияния при сварке низколегированных трубных и котельных сталей;
Разработанная методология регулирования расхода сварочных материалов, улучшающего структурный состав металла ЗТВ сварных соединений сталей массового назначения, в зависимости от тепловложения, толщины и начальной температуры, скорости охлаждения и количества проходов.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на региональном семинаре "Технология и качество сварки в условиях низких температур" (1997 г., Якутск), на 5-й международной конференции "Трубопроводы природного газа Северо-Восточной Азии: многостороннее сотрудничество" (1999 г., Якутск), на международной конференции "Физико-технические проблемы Севера", посвященной 30-летию ИФТПС (2000 г., Якутск), на VI научно-технической конференции "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" (2000 г., СПбГУНиПТ, Санкт-Петербург), на научно-технической конференции "Конструктивно-технологическое проектирование и производство сварных конструкций" (2000 г., СПбГТУ, Санкт-Петербург),на международной конференции "Сварка и родственные технологии 2002" (2002 г., Киев), на 1-м Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (16-20 июля 2002 г., Якутск), на научно-технической конференции сварщиков "Сварочные чтения. Теория и практика", посвященной 300-летию Санкт-Петербурга и 50-летию Института сварки России (ВНИИЭСО) (июнь 2003 г., Санкт-Петербург), на П-м Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (16-20 августа 2004 г., Якутск).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 публикациях.
О разрушениях сварных соединений металлоконструкций и трубопроводных систем
Проблема хрупкого разрушения возникла в начале сороковых-пятидесятых годов двадцатого века. О первых серьезных авариях судов, напорных труб, емкостей и резервуаров для хранения нефти и газа, сосудов высокого давления, трубопроводов и мостов описано в работах [1-5]. Это явилось основанием для начала широкого и систематического изучения хлад о стойкости сварных соединений (СС) и выбора материалов в лаборатории Пеллини (США). Там же была разработана методика определения температуры нулевой пластичности (ТНП или 1МДТ), позволяющая поставить исследуемые стали с учетом определенного воздействия сварочного цикла в ряд по пригодности для работы в условиях низких температур. Разработан соответствующий стандарт ASME.
С шестидесятых годов в Якутском научном центре проводится анализ хрупких разрушений сварных металлоконструкций и техники, работающих в экстремальных условиях Севера. Основные сведения об особенностях многочисленных случаев хрупких разрушений сварных элементов техники приведены в работах [6-11].
Исследованиями Григорьева Р.С, Ларионова В.П., Уржумцева Ю.С. установлено, что многочисленные случаи отказов и разрушений рам самосвалов, сварных конструкций бульдозеров, элементов строительных и карьерных экскаваторов связаны с низкой сопротивляемостью СС к хрупкому разрушению.
Аварийные отказы экскаваторов ЭКГ-12,5 за 1982 г. в карьере "Удачный" производственного объединения "Якуталмаз" описаны в работах [8, -11 -12, 13]. Наибольший ущерб причиняют отказы балки рукояти, двуногой стойки, натяжной оси ходовой тележки, нижней секции стрелы, ковша экскаватора ЭКГ-12,5 на которые приходится более 60% ущерба вследствие отказов всего механического оборудования. У экскаватора ЭКГ-12,5 до 40% отказов от общего количества разрушений происходит при температурах ниже -35С.
Балка рукояти представляет собой сварную конструкцию, состоящую из обечаек и головки отливки, подвергаемую действию ударных и циклических нагрузок. Разрушения передней обечайки как правило происходили около СС головной отливки с обечайкой и корпуса блока на обечайке.
Аварийные отказы балки рукояти наблюдались при низких температурах эксплуатации (с -15С). Летом не было ни одного случая отказа балки рукояти, а в межсезонье регистрировались отказы только в апреле; разрушения начинались с ноября, что свидетельствует о накоплении трещин лишь при низких температурах [8, 12].
Двуногая стойка экскаватора ЭКГ-12,5 изготавливается из стали 20. Характерные места появления трещин и разрушений двуногой стойки -сварные швы у головки стоек, а также зона термического влияния (ЗТВ) сварного соединения при приварке поперечной трубы к стойке.
28 августа 1987 г. произошла авария стрелы экскаватора ЭШ-10/70 А № 26 (рис. 1.1). Разрушение произошло из-за возникновения усталостных трещин в заводских СС, имеющих непровары, сплошные газовые раковины с удлиненной формой, нижнего пояса стрелы. Аналогичные дефекты имели место в СС фланцев. Как правило, шагающие экскаваторы ЭШ-10/70 А интенсивно работают с конца марта до начало ноября, т.е. при температурах среды от -25 л- -30 до плюс 30 - 35С. В период сезонных работ экскаваторы ЭШ-10/70 А работают круглосуточно. При этом суточное колебание температуры воздуха достигает от 20 до 30С.
Сварные швы и количество наплавленного металла в рамках ГОСТа
При различных видах сварки, резки, пайки и наплавки металлов нормируются электроды, сварочная проволока, припои, твердые сплавы, флюсы, защитные газы, кислород, горючие газы (ацетон, пропанобутановые смеси, природный газ) и другие материалы. А удельный расход материалов, приведенный в [154], определен расчетным методом в соответствии с государственными стандартами на основные типы и конструктивные элементы швов сварных соединений (ГОСТ 14771-69, ГОСТ 8713-70, ГОСТ 5264-69, ГОСТ 14776-69) для видов сварки. При этом, удельные расходы материалов рассчитаны для сварки в нижнем положении. При расчете норм расхода для швов в других положениях в пространстве согласно ГОСТ 11969-66 (вертикальном, потолочном и др.) для всех видов сварки пользуются поправочными коэффициентами (табл. 2.1) [154].
Одним из основных параметров, определяющих расход сварочных материалов для электродуговой сварки, является сечение сварных швов. Площадь поперечного сечения шва сварного соединения определяется по конструктивным размерам шва с учетом средних допусков, установленных государственными стандартами и отраслевыми нормами.
Площади поперечных сечений наплавленного металла в шов при полуавтоматической сварке (ПАС) в углекислом газе, автоматической сварке под флюсом (АСФ) стальной проволокой сплошного сечения и ручной электродуговой сварке (РДС) при разных типах сварных швов представлены в таблицах 2.2, 2.3 и 2,4. В рассмотренных толщинах металла от 4 до 20 мм при полуавтоматической сварке в среде углекислого газа стальной проволокой сплошного сечения число проходов достигает от одного до четырех. При автоматической сварке под флюсом - от одного до двух [154], а при РДС от одного до пяти-шести.
С другой стороны, сравнение нормативных требований к площади поперечного сечения наплавленного металла в шов в рассмотренных толщинах металла при односторонних сварных швах минимально при сварке в углекислом газе и максимально при автоматической сварке под флюсом (табл. 2.2-2.4).
Структура и хладостойкость металла ЗТВ в диапазоне допустимых скоростей охлаждения сварных соединений трубных сталей
Наиболее распространенным подходом оценки соответствия структуры металла ЗТВ по термокинетическим диаграммам к реальной хлад о стойкости сварных соединений являются динамические испытания на ударный изгиб стандартных образцов с полукруглым и острым надрезом. Концентраторы наносятся по шву и по границе сплавления в соответствии ГОСТ 9454-78. Обычно испытания проводят в диапазоне температур +20...-70С [8, 93, 101].
По данным работ [177-179], для низколегированных низкоуглеродистых сталей при определении интервала оптимальных скоростей охлаждения, обеспечивающих получение качественного сварного соединения, рекомендуется принять за основу следующие критерии: твердость ЗТВ - не более HV350, содержание мартенсита - не более 50%, температура окончания превращения аустенита - не ниже 300...290С, количество структурно свободного феррита должно быть таким, чтобы не происходило уменьшение твердости ниже показателя основного металла. При этом считается, что по данным [178, 179] наиболее существенным критерием является температура окончания превращения [93].
Из анализа полученных термокинетической и структурной диаграмм авторы работы [93] считают, что эти критерии могут быть выдержаны для стали 09Г2С при условии, если будет обеспечено охлаждение сварного соединения после сварки со скоростями в диапазоне Ю0...3,5С/с.
По результатам динамических испытаний на ударный изгиб имитированных образцов и длительную прочность в зависимости от процентного соотношения структурных составляющих в таких же образцах рекомендовано [150, 173, 180] для ответственных сварных конструкций снизить содержание мартенсита до 35% в металле ЗТВ сварных соединений.
Для уточнения оптимальных скоростей охлаждения, определяемых по термокинетическим диаграммам и критериям работ [177-179] авторами работ [93, 94] выполнены механические испытания непосредственно сварных соединений, выполненных в режимах, при которых скорость охлаждения металла ЗТВ составляет 3,3...45С/с, т. е. диапазон значений W6/5 соответствовал тепловложению qn - 628...2305 КДж/м. Соединения сваркой пластин из стали 09Г2С толщиной 20 мм с Х-образной разделкой кромок выполнялись многопроходной сваркой в углекислом газе проволокой СЕ-08Г2С диаметром 2 мм.
Результаты механических испытаний (таблица 3.3) свидетельствуют о том, что сварка в режимах, при которых скорость охлаждения металла ЗТВ находится в диапазоне 3,3...45С/с, обеспечивает получение равнопрочных соединений, т. е. в диапазоне погонных энергий сварки qn = 628...2305 КДж/м, обеспечивающих данные скорости охлаждения в металле ЗТВ, значение KCU (концентратор - на границе сплавления) при температуре -70С почти в три раза меньше, чем при положительной температуре, но не опускается ниже 52 Дж/см2(рис. 3.1) [93, 94].
