ООО ЭЛИСИТ
Лидер России 2015 - Продукция отмечена золотой медалью конкурса качества - Установки индукционного нагрева "TESLINE"

Индукционный нагрев ТВЧ :: Статьи


Термическая обработка сварных швов и соединений

Дата публикации: 16.06.2014

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). 

 

Структурные свойства сварного соединения

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

 а - сварной шов I, зона термического влияния (участки неполного расплав­ления II, закалки III, неполной закалки IV, отпуска V) и основной металл VI вне зоны термического влияния с графиком распределения температуры при сварке; б - твердость металла до высокого отпуска 1 и после высокого отпуска 2; в - остаточные сварочные напряжения, направленные вдоль шва, в сварном соединении до высокого отпуска 1 и после высокого отпуска 2

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).

  Термическая обработка сварных соединений

 Рис. 2. Графики термической обработки сварных соединений

 а - хромомолибденованадиевые стали перлитного класса; б - хромоникелевые стали аустенитного класса; 1- термический отдых; 2 - высокий отпуск; 3 - нормализация; 4 - стабилизирующий отжиг; 5 - аустенизация

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
ацетилено-кислородная горелка

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.


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

Назад

Поиск

RSS ЭЛИСИТ 

Последние новости

23.05.2017
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Лучшая компания России
Компания "ТЕСЛАЙН ИНДАКТИВ" награждена почетной медалью «Национальный знак качества. Выбор России» в рейтинге "ЛУЧШАЯ КОМПАНИЯ РОССИИ — 2016" ...
Подробнее...

09.01.2017
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Модернизированная китайская установка
Инженерами ТЕСЛАЙН выполнен ремонт и модернизация установки индукционного нагрева мощностью 60кВт в двухблочном исполнении производства КНР (Китай)
Подробнее...

20.07.2016
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Услуга закалки ТВЧ
Услуги закалки ТВЧ деталей в новом цехе на производственной площадке ООО "ТЕСЛАЙН ИНДАКТИВ", г.Томск. Выполнение срочных заказов.
Подробнее...

Фотостена

Индукционный нагрев, установки ТВЧ индукционного нагрева, печи ТВЧ, индукционный нагреватель

Индукционная пайка ТВЧ установка

ТВЧ закалка трубы индуктор