Технология термической обработки сварных соединений с сопутствующим наложением вибрационных колебаний | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 21 декабря, печатный экземпляр отправим 25 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №24 (262) июнь 2019 г.

Дата публикации: 17.06.2019

Статья просмотрена: 17 раз

Библиографическое описание:

Габидуллин А. З. Технология термической обработки сварных соединений с сопутствующим наложением вибрационных колебаний // Молодой ученый. — 2019. — №24. — С. 128-132. — URL https://moluch.ru/archive/262/60757/ (дата обращения: 13.12.2019).



Сварка является основным способом получения неразъемных соединений. В нефтегазовой промышленности она применяется не только во время изготовления аппаратов и сосудов, но и во время монтажа, а также ремонте данных аппаратов. Сварной шов является концентратором напряжений, основной причиной возникновения которых является неравномерность нагрева и усадки сварного шва, структурные изменения металла и зоны термического влияния. Кроме напряжений в сварном шве могут возникнуть различные дефекты, такие как несплавления, газовые поры, подрезы, холодные и горячие трещины и др., способные разрушить конструкцию [1, с. 337].

В настоящее время для снятия остаточных напряжений и предотвращения возникновения дефектов предлагается применение сопутствующей виброобработки сварного шва в процессе сварки. Для создания вибрации применяют специальные вибровозбудители. В данном случае вибрационные колебания воздействуют не только на затвердевший металл сварного соединения, но и на сварочную ванну в процессе её кристаллизации. Этот метод дает возможность получить наибольший диапазон положительных результатов от вибрационной обработки. При этом, в процессе обработки возможно протекание микропластических деформаций, которые дают положительный эффект в снижении сварочных напряжений и деформаций [2, с. 22].

Сварочные напряжения приводят к образованию дефектов в сварном соединении металла, снижают сопротивляемость сварных конструкций разрушению. Остаточные сварочные напряжения накладываются на рабочие напряжения, которые возникают в металле при эксплуатации сварного изделия. Образующиеся общие напряжения далее могут превысить допустимые для конкретного металла значения, что приведет в конечном счете к разрушению сварного изделия [3, с. 23].

Низкочастотные колебания оказывают положительное воздействие на процесс кристаллизации металла сварного шва, измельчая и упорядочивая его структуру. Вибрационное колебание сварочной ванны устанавливает тепловое равновесие в кристаллической решетке, а также снижает количество пор. Эти явления приводят к снятию остаточных напряжений в сварных соединениях. Наиболее эффективно на снятие напряжений влияют колебания, прикладываемые в поперечном направлении в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси сварного шва. В таком случае остаточные напряжения снимаются в среднем на 38…43 % [1, с. 340].

Подогрев в аппаратостроении носит, как правило, характер местной термической обработки. Подогреву подвергают непосредственно сварной шов и прилегающую к нему область. Следует учесть, что при местной термической обработке необходимо обеспечить равномерный нагрев и охлаждение по всей длине шва и прилегающей к нему зоны основного металла на ширину, составляющую две-три ширины шва в месте наибольшего его раскрытия. Местная послесварочная термическая обработка производится для уменьшения химической и структурной неоднородности металла шва и зоны термического влияния и для снижения остаточных напряжений до безопасного уровня [4, с. 67].

Техническим результатом применения местной термической обработки и наложения вибрационных колебаний после сварочных работ является повышение эффективности снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов. Кроме этого, достигается снижение затрат различных видов технологической энергии, расходуемых для производственных нужд определенного предприятия за счет сокращения продолжительностей этапов термической обработки.

На рисунке 1 представлена схема термической обработки с наложением сопутствующих вибрационных колебаний на сварное соединение заготовки. На металлическую конструкцию в виде платформы (рельсы) 1 с помощью коротких сварочных швов (прихватки) по установленным нормам и правилам фиксируется ручной дуговой сваркой заготовка 2 в форме трубы из жаропрочной хромомолибденовой стали марки 15Х5М. Также с помощью прихваток фиксируется на заготовке вибратор 3 площадочный электромеханический ВИ-9–9, который осуществляет наложение низкочастотных колебаний в поперечном направлении в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси сварного шва. Данный вибратор работает на частотах от 50 до 300 Гц с амплитудой до 0,5–0,7 мм. На зону сварного соединения устанавливается и фиксируется нагревательный коврик, поверх которого обматывается вязанная теплоизоляционная ткань 4, плотно обтягивающаяся проволокой.

Схема - вид сверху

Рис. 1. Схема термической обработки с наложением сопутствующих вибрационных колебаний на сварное соединение заготовки

Образцы из труб стали марки 15Х5М толщиной 8 мм и диаметром 108 мм после центровки и прихватки сваривали между собой. Сварочные работы были выполнены ручной дуговой сваркой за 70 минут в 3 прохода электродами марки ЦЛ-17 диаметром 3 мм. Данные электроды подвергались сушению в печи при температуре 300 градусов Цельсия в течение 1 часа. К полученной заготовке после сварки без промедления применялась технология термической обработки сварных соединений с сопутствующим наложением вибрационных колебаний с частотой 148 Гц и амплитудой 0,51 мм. Продолжительность процесса обработки металла составила 4,5 часа. Затем из заготовки были вырезаны и отфрезерованы образцы. После проведения контроля твёрдости образцов без разрушения её структуры, был проведен анализ результатов.

На рисунке 2 представлен подготовительный этап перед вибрационной и термической обработками сварного соединения: фиксация нагревательных ковриков и теплоизоляционных матов, прихват площадочного вибратора к заготовке в форме трубы.

Рис. 2. Подготовительный этап перед вибрационной и термической обработками сварного соединения

На рисунке 3 представлен график термической обработки сварных соединений из стали марки 15Х5М в печи ВН-314, который применяется в ООО «УМФ № 1 ВНЗМ».

Вид термической обработки стали: высокий отпуск согласно отраслевому стандарту ОСТ 36–50–86 [5, с. 14].

Перед тем, как поместить сварное изделие в печь, производится предварительный подогрев в течение 0,8 ч (48 минут) до 300 ºС со скоростью 6,25 ºС/мин, далее — высокий отпуск в печи в течение 2,2 ч (132 минуты) до 750 ºС со скоростью 3,41 ºС/мин с дальнейшей выдержкой в течение 2 часов. После следует процесс остывания до 300 ºС под слоем теплоизоляции в течение 3 ч (180 минут) со скоростью 2,5 ºС/мин. Далее дают изделию остыть самостоятельно на спокойном воздухе. Итого весь процесс термической обработки длится 8 часов.

Рис. 3. Термическая обработка сварных соединений из стали марки 15Х5М печи ВН-314

На рисунке 4 представлен график местной термической обработки сварных соединений из стали марки 15Х5М с сопутствующим наложением вибрационных колебаний.

После процесса сварки применялась обработка сварного соединения металла трубы по исследуемой технологии. Нагревание происходило в течение 1,5 ч (90 минут) ковриком с теплоизоляционной тканью до 750 oC со скоростью 5 oC/мин. Далее изделие выдерживалось в течение 1,5 ч при температуре 750 oC. Продолжительность процесса остывания составила 1,5 ч (90 минут) со скоростью 8,3 oC/мин. При этом оборудования были обесточены, т. е. колебания не воздействовали, и коврик не выделял тепло (металл остывал под ковриком с теплоизоляционной тканью, по истечению 1,5 ч нагревательный коврик был снят. Параллельно со всем процессом термической обработки на металл воздействовали низкочастотные колебания частотой 148 Гц и амплитудой 0,51 мм (вплоть до момента снятия нагревательного коврика). Итого весь процесс длился 4,5 часов.

Рис. 4. График технологии термической обработки сварных соединений из стали марки 15Х5М с сопутствующим наложением вибрационных колебаний.

Методом неразрушающей проверки твёрдости материалов были получены показания твердости заготовок. Измерения твердости проводились в лаборатории на стационарном твердомере Роквелла, работа которого основана на измерении глубины проникновения твёрдого наконечника индентора в исследуемый материал при приложении одинаковой для каждой шкалы твердости нагрузки, в зависимости от шкалы — обычно 60, 100 и 150 кгс. Шкала твердости по Роквеллу — HRB. Далее показания сконвертированы по шкале твердости HB — Бринеллю.

На рисунке 5 представлен вырезанный образец заготовки, результаты твердометрии которого взяты за основу при подведении итогов исследовательской работы.

Рис. 5. Исследуемый образец после твердометрии

Рис. 6. Показания твердости исследуемого образца

Всего было проведено 3 исследования, в данном случае на рисунке 8 представлены результаты последнего исследования.

Отметим, допустимая твердость металла шва и зоны термического влияния для жаропрочной хромомолибденовой стали марки 15Х5М не более 240 единиц по методу измерения Бринелля согласно требованиям нормативно-технической документации по сварочным технологиям сварки СТО-СА-03–004–2009 [6, с. 9]. При сварке одноименными электродами марки ЦЛ-17 сварные соединения из сталей 15Х5М по результатам испытания на твердость подлежат отбраковке при выявлении превышения твердости более 270 ед. по шкале HB [6, с. 10].

Из показаний значения твердости исследуемого образца (отражены на рисунке 7) следует, что твердость металла сварного шва и околошовной зоны находится на регламентируемом уровне и соответствует требованиям нормативно-технической документации.

Таблица 1

Сопоставление продолжительностей режимов обработки

Режимы обработки

Термическая обработка впечи

Местная термическая обработка сналожением вибрационных колебаний

Предварительный подогрев

0,8 ч

Нагревание

2,2 ч

1,5 ч

Выдержка

2 ч

1,5 ч

Остывание под слоем теплоизоляции

3 ч

1,5 ч

Общее время обработки

8 ч

4,5 ч

Применение предложенной технологии позволяет одновременно с эффективным снятием остаточных напряжений в сварных соединениях металлов из жаропрочной хромомолибденовой стали марки 15Х5М сократить практически в 2 раза продолжительность этапов термической обработки (таблица 1), что приведет к положительному экономическому эффекту, т. к. послесварочная обработка требует значительных затрат времени, энергии, материальных и трудовых ресурсов для предприятий.

Литература:

  1. Р. Г. Ризванов, А. М. Файрушин, Д. В. Каретников. Влияние параметров вибрационной обработки в процессе сварки на свойства сварных соединений // Литье и металлургия. — 2012. — № 3.–с.337–342.
  2. Сутырин, Г. В. Снижение остаточных напряжений сварных соединений низкочастотной вибрационной обработкой // Сварочное производство. — 1983. –№ 2. — С. 22–24.
  3. Каретников Д. В., Ризванов Р. Г., Файрушин А. М., Колохов К. С. Повышение надежности нефтегазового оборудования, работающего в условиях значительного перепада температур // Сварочное производство. — 2012. — № 6. — С. 21–25.
  4. Ефимов В. А., Эльдарханов А. С. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов. М.: Металлургия, 1995–272 с
  5. ОСТ 36–50–86. Трубопроводы стальные технологические. Термическая обработка сварных соединений. Типовой технологический процесс.
  6. СТО-СА-03–004–2009. Трубчатые печи, резервуары, сосуды и аппараты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Требования к техническому надзору, ревизии и отбраковке.
Основные термины (генерируются автоматически): термическая обработка, сварной шов, местная термическая обработка, колебание, сварное соединение, напряжение, термическое влияние, сварное изделие, нагревательный коврик, исследуемый образец.


Похожие статьи

Вибрационная обработка сварных конструкций

Разработаны методы эффективной виброобработки сварных соединений, изготовленных из простых малоуглеродистых сталей. Приведено влияние вибро- и термообработки на критическую температуру хрупкости сварных соединений.

Особенность коррозионной стойкости сварных соединений при...

Сварные соединения второй группы сталей также не могут быть склонны к межкристаллитной коррозии, а для исключения коррозионного растрескивания под напряжением здесь также служит термическая обработка сварных соединений, которая для этой группы сталей...

Особенности диагностирования сварных соединений...

Сварные соединения сталей типа 15Х5М, 12Х2М1 с аустенитным швом часто выполняются с дефектами, которые дополняют и видоизменяют концентраторы напряжений

Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М, Машиностроение, 1989.

Влияние сопутствующей низкочастотной вибрационной...

Также в статье «Влияние параметров вибрационной обработки в процессе сварки на свойства сварных соединений» отмечается тот, факт, что вибрационные воздействия вызывают перемешивание жидкой фазы за счет создания разности давлений упругими волнами [3].

Вопросы совершенствования конструкции трубосварочного...

Технология производства ферритовых изделий.

отрасли нагревательных устройств для термической обработки сварных соединений трубных элементов позволило выполнять

Проведен анализ методов повышения качества сварного соединения плавящимся электродом.

Изучение сварных соединений в швейном производстве

Охлажденные поверхности сварного шва не прилипают к нагревательному инструменту

Ультразвуковая сварка осуществляется за счет воздействия ультразвуковых колебаний и

Концы сварных соединений дополнительно не закрепляются. Исходя из этого можно прийти к...

Особенность коррозионной стойкости сварных соединений при...

Особо большой расход электроэнергии необходим на термическую обработку сварных соединений при варке штуцеров (рис.8). Это обусловлено тем, что термическая обработка в данном случае проводится с нагревом не только сварного соединения в зоне приварки...

Виды сварных соединений и их применение в швейном...

Развитие производства одежды, улучшение ее ассортимента и увеличение объемов выпуска тесно связано с увеличением доли синтетических волокон в сырьевом балансе. Химические волокна в общем балансе мирового производства волокон всех видов составляют 48,2...

Влияние покрытий, содержащих функциональные компоненты, на...

Модификаторы вводились в сварной шов через электродное покрытие.

Эти же образцы использовали для определения химического состава металла шва и изготовления шлифов для выявления первичной структуры.

Термическая обработка и свойства сварных соединений.

Похожие статьи

Вибрационная обработка сварных конструкций

Разработаны методы эффективной виброобработки сварных соединений, изготовленных из простых малоуглеродистых сталей. Приведено влияние вибро- и термообработки на критическую температуру хрупкости сварных соединений.

Особенность коррозионной стойкости сварных соединений при...

Сварные соединения второй группы сталей также не могут быть склонны к межкристаллитной коррозии, а для исключения коррозионного растрескивания под напряжением здесь также служит термическая обработка сварных соединений, которая для этой группы сталей...

Особенности диагностирования сварных соединений...

Сварные соединения сталей типа 15Х5М, 12Х2М1 с аустенитным швом часто выполняются с дефектами, которые дополняют и видоизменяют концентраторы напряжений

Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М, Машиностроение, 1989.

Влияние сопутствующей низкочастотной вибрационной...

Также в статье «Влияние параметров вибрационной обработки в процессе сварки на свойства сварных соединений» отмечается тот, факт, что вибрационные воздействия вызывают перемешивание жидкой фазы за счет создания разности давлений упругими волнами [3].

Вопросы совершенствования конструкции трубосварочного...

Технология производства ферритовых изделий.

отрасли нагревательных устройств для термической обработки сварных соединений трубных элементов позволило выполнять

Проведен анализ методов повышения качества сварного соединения плавящимся электродом.

Изучение сварных соединений в швейном производстве

Охлажденные поверхности сварного шва не прилипают к нагревательному инструменту

Ультразвуковая сварка осуществляется за счет воздействия ультразвуковых колебаний и

Концы сварных соединений дополнительно не закрепляются. Исходя из этого можно прийти к...

Особенность коррозионной стойкости сварных соединений при...

Особо большой расход электроэнергии необходим на термическую обработку сварных соединений при варке штуцеров (рис.8). Это обусловлено тем, что термическая обработка в данном случае проводится с нагревом не только сварного соединения в зоне приварки...

Виды сварных соединений и их применение в швейном...

Развитие производства одежды, улучшение ее ассортимента и увеличение объемов выпуска тесно связано с увеличением доли синтетических волокон в сырьевом балансе. Химические волокна в общем балансе мирового производства волокон всех видов составляют 48,2...

Влияние покрытий, содержащих функциональные компоненты, на...

Модификаторы вводились в сварной шов через электродное покрытие.

Эти же образцы использовали для определения химического состава металла шва и изготовления шлифов для выявления первичной структуры.

Термическая обработка и свойства сварных соединений.

Задать вопрос