Оглавление

О монографии

Монография представляет собой исследование современных методов оптимизации сварочных процессов, акцентируя внимание на теплоустойчивых сталях. Автор, подчёркивает важность разработки эффективных технологий, что делает его работу особенно ценной для специалистов в этой области.

Эта монография станет надёжным источником для профессионалов, работающих в области машиностроения и технологий сварки.

Введение

Экономическое развитие страны напрямую зависит от рационального использования материальных, энергетических и трудовых ресурсов. Одним из перспективных направлений в этой области является повышение эффективности сборки заготовок и конструктивных элементов машин и агрегатов, а также создание менее энергоёмких технологических процессов, основанных на широком применении различных методов обработки металлов.

В нефтеперерабатывающей промышленности существует значительная потребность в оборудовании, изготавливаемом из теплоустойчивых сталей, таких как 12МХ. Эти стали предназначены для длительной эксплуатации при температурах до 550—570ºС и находят широкое применение в машиностроении для производства труб паронагревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления, а также для поковок паровых котлов и паронагревателей.

Также имеется необходимость в использовании теплоустойчивых сталей типа 12МХ для изготовления крупногабаритных сварных сосудов и аппаратов в нефтегазохимическом аппаратостроении. Эти стали обладают высокими прочностными и антикоррозионными свойствами при высоких температурах, особенно при наличии бейнитной или сорбитной структуры с равномерно распределенными мелкодисперсными карбидами.

Однако в легированных сталях типа 12МХ (включая 15ХМ и 12Х1МФ), содержащих стойкие карбидосодержащие элементы, такие как молибден, хром и ванадий, при огневой резке и сварке могут возникать участки с закалочными структурами. Это происходит на околошовных участках зоны термического влияния (ЗТВ), где температура превышает Ас3, а также на участках, подвергнутых нагреву до температуры Ас1, что приводит к снижению прочностных свойств.

Процесс изготовления оборудования из теплоустойчивых сталей типа 12МХ с применением сварки требует предварительного подогрева до температуры 150—200ºС и незамедлительной термической обработки при температуре 670—690ºС для снятия остаточных сварочных напряжений и предотвращения образования холодных трещин. Однако такая термическая обработка является сложным и энергоёмким процессом, который трудно осуществить в полевых условиях.

Исследование возможности снятия остаточных напряжений в конструкциях аппаратов с помощью циклического нагружения (вибрационной обработки) представляет собой актуальную задачу. Важно найти способы управления характером и уровнем остаточных напряжений, что позволит повысить технологическую прочность и качество аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. На основе работ таких учёных, как В. М. Сагалевич, А. М. Ким-Хенкин, К. М. Рагульскис, О. Г. Чикалиди, А. М. Велбель и других, выдвинуто предположение о возможности изменения характера и снижения уровня остаточных сварочных напряжений в различных конструкциях с помощью пластического деформирования или вибрационной обработки. Проведённые исследования подтвердили возможность управления остаточными напряжениями в металлических конструкциях и в ряде случаев замены дорогостоящей термической обработки на вибрационную.

Предварительный подогрев свариваемых конструкций снижает производительность и является сложным энергоёмким процессом. Небольшие отклонения от нормируемой технологии подогрева и режимов сварки могут привести к снижению прочности сварного соединения. В то же время, вибрационная обработка свариваемых элементов, проводимая в процессе сварки, является альтернативным методом снижения остаточных напряжений и повышения прочности сварных соединений.

В данной задачей совершенствования технологического процесса изготовления нефтегазохимического оборудования с использованием менее энергоёмких методов, в частности, применения вибрационной обработки в процессе сварки. Для достижения этой цели необходимо провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований, которые включают следующие задачи:

• Установить характер распределения остаточных напряжений и деформаций, возникающих в процессе вибрационной обработки сварного соединения из стали 12МХ, для оценки её влияния на эффективность процесса.

• Оценить влияние вибрационного воздействия в процессе сварки на технологическую прочность и механические свойства сварного соединения из стали 12МХ.

• Разработать практические рекомендации для совершенствования технологии изготовления сварного нефтеперерабатывающего оборудования оболочкового типа из теплоустойчивых сталей типа 12МХ с использованием вибрационной обработки свариваемых деталей в процессе сварки.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой, профессору и научному руководителю И. Г. Ибрагимову за поддержку в проведении исследований, а также к. т. н. А.М. Файрушину за постоянную помощь в работе.

Глава 1. Анализ технологии изготовления сварного оборудования из стали 12МХ

1.1. Применение стали 12МХ в нефтегазовом оборудовании

Теплоустойчивыми называют стали, предназначенные для длительной эксплуатации при температурах до 600° C. Эти стали находят широкое применение в энергетических и нефтехимических установках. В условиях длительной работы под напряжением при высоких температурах теплоустойчивые стали должны обладать высокой стойкостью к ползучести, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и жаростойкостью. Достижение перечисленных свойств при экономичном легировании возможно благодаря использованию хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей перлитного класса.

Хромомолибденовые стали, такие как 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ и 15Х5М, с ферритно-перлитной структурой, применяются для работы при температурах 500—550° C. Хромомолибденованадиевые стали, например, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ и 12Х2МФСР, предназначены для эксплуатации при температурах 550—580° C. Более высокие жаропрочные свойства хромомолибденованадиевых сталей обусловлены не только стабилизацией карбидной фазы ванадием, но и применением упрочняющей термической обработки, обеспечивающей образование бейнитной структуры.

Сварка теплоустойчивых сталей сопровождается изменением свойств свариваемого металла, связанным с расплавлением и кристаллизацией при образовании шва, а также структурными изменениями и упругопластическими деформациями в околошовной зоне. Это приводит к физико-химической неоднородности сварных соединений и образованию местного сложнонапряженного состояния, что может ухудшить работоспособность и снизить эксплуатационную надёжность конструкций.

Металлургическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая их поведением при плавлении, металлургической обработке и последующей кристаллизации шва, не вызывает значительных осложнений. Современные технологии сварки и сварочные материалы обеспечивают необходимую стойкость швов к образованию горячих трещин и высокие характеристики их работоспособности, соответствующие требованиям, предъявляемым к основному металлу. Однако тепловая свариваемость может осложняться охрупчиванием металла из-за образования метастабильных структур в околошовной зоне, нагретой выше температуры Ас3, и разупрочнением в участках, нагретых в интервале температур Ас3 — температура отпуска стали. Образование хрупких структур (троостита, мартенсита) и суммирование напряжений, вызванных неравномерным нагревом и структурными превращениями, могут привести к потере пластичности металла и вызвать разрушение конструкций в процессе их изготовления. Для предотвращения образования холодных трещин необходимо использовать сопутствующий нагрев во время сварки, а в некоторых случаях — выдержку сварных соединений при определённой температуре после окончания сварки.

Эксплуатационная надёжность конструкций из металла повышенной толщины может быть обеспечена после стабилизации структуры и снятия напряжений путём отпуска сварных соединений. При этом температура отпуска сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей должна быть не ниже 700° C, поскольку выпадение дисперсных карбидов ванадия из твёрдого раствора при низких температурах отпуска может привести к охрупчиванию металла околошовной зоны и возникновению локальных разрушений сварных соединений как в процессе отпуска, так и в ходе эксплуатации конструкций.

Учитывая все положительные технологические и эксплуатационные свойства стали 12МХ, очевидна необходимость ее применения. Эта сталь может использоваться для изготовления труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления, поковок для паровых котлов и паропроводов, деталей цилиндров газовых турбин, а также в качестве основного слоя при производстве горячекатаных двухсловных коррозионностойких листов. Рекомендуемая температура применения стали 12МХ составляет до 510° C, температура интенсивного окалинообразования — 570° C, а срок службы — более 10 000 часов.

1.2. Химический состав и физические свойства стали 12МХ

Сталь 12МХ относится к группе теплоустойчивых низколегированных сталей перлитного класса, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенных температур и давления. Данная сталь обладает оптимальным сочетанием механических свойств и термостойкости, что делает её подходящей для изготовления оборудования, используемого в нефтегазовой отрасли.

Химический состав стали 12МХ представлен в таблице 1.1.:

Таблица 1.1. Химический состав в % стали 12МХ

Механические свойства стали 12МХ при температуре 20° C приведены в таблице 1.2.:

Таблица 1.2. Механические свойства стали 12МХ

при t=20° C

Твёрдость материала после отжига не должна превышать 217 HB, что подтверждает его способность сохранять необходимые механические свойства после термической обработки.

Таким образом, сталь 12МХ, обладая сбалансированным химическим составом и соответствующими механическими свойствами, является оптимальным выбором для применения в нефтегазовом оборудовании, где требуется высокая прочность, термостойкость и надёжность в эксплуатации.

1.2.1. Технология сварки конструкций из стали 12МХ

Теплоустойчивость сварных соединений оценивают отношением длительной прочности металла соединения и основного металла — коэффициентом теплоустойчивости.

Теплоустойчивые стали должны обладать жаростойкостью, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и сопротивлением ползучести: их пластическая деформация при постоянной нагрузке с течением времени должна возрастать незначительно, чтобы работать при высоких температурах,. Все это достигается введением в состав сталей 0,5…2,0% хрома, 0,2…1,0% молибдена, 0,1 …0,3% ванадия и иногда небольших добавок редкоземельных элементов. Сочетание механических свойств изделий из теплоустойчивых сталей достигается термообработкой: нормализацией или закалкой с последующим высокотемпературным отпуском. Это обеспечивает мелкозернистую ст