Термическая обработка сварных швов и 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.

→ Индукционные Установки ТВЧ для термообработки сварных соединений

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). 

Рис. 1. Структура и свойства сварного соединения из хромомолиб­денованадиевой стали

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).

 Рис. 2. Графики термической обработки сварных соединений

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).

1. Область применения нагревательных устройств

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.

Источник: "Термическая обработка сварных соединений трубопроводов и аппаратов, работающих под давлением" Корольков П. М.

Назад