СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ ПЕРЛИТНЫЕ СТАЛИ (Хакимов А. Н.)

8.1. Назначение сталей

Низкоуглеродистые низколегированные стали перлитного класса применя­ются в различных конструкциях взамен углеродистых, обеспечивая снижение металлоемкости на 20—50 %. Оии широко используются в строительстве трубопроводов, конструкций газонефтехимических производств, судов, мостов и других сооружений, эксплуатируемых в температурном интервале от —70 до +475°С в зависимости от химического состава и структурного со­стояния, обеспеченного термообработкой.

8.2. Состав сталей

Одним из наиболее эффективных средств повышения качества низкоуглеро­дистых сталей является их упрочнение за счет легирования такими элемен­тами, как Si, Мп, и повышения дисперсности структуры посредством тер­мической или термомеханической обработки.

Содержание С в низколегированных сталях ие превышает 0,23 %. В за­висимости от легирующих элементов, суммарное содержание которых в со­ставе стали не превышает 5%, различают марганцовистые, кремнемарганцо­вистые, хромокремнемарганцовистые и другие стали, представленные в табл. 8.1. По содержанию S и Р эти стали можно отнести к качественным

сталям В последние годы расширяется производство и применение рафини­рованных посредством электрошлакового, вакуумного переплава сталей, об­работанных в ковше синтетическими шлаками с целью снижения содержания серы в их составе для повышения сопротивляемости образованию слоистых (ламинарных) трещин. .

8.3. Механические свойства сталей

Введение в состав низкоуглеродистых сталей легирующих элементов (до 2 % каждого и до 5 % суммарно) способствует повышению прочности и сопротивления хрупкому разрушению, не ухудшая их свариваемости

Прочность сталей Показатели механических свойств сталей представ­лены в табл 8 1

Они характерны для проката в горячекатаном либо в нормализованном состояниях Термическое упрочнение позволяет дополнительно на 20—50 % увеличить уровень показателей прочности

Ударная вязкость. По ударной вязкости, в особенности при отрицатель­ных температурах, низколегированные стали превосходят низкоуглеристые стали Термическое упрочнение позволяет повысить уровень ударной вязко­сти в 1,5—2 раза и обеспечить высокую сопротивляемость хрупкому разру­шению низколегированных сталей

8.4. Свариваемость сталей

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на показатели свариваемости сталей. Увеличение содержания эле­ментов, повышающих закаливаемость, сопровождается сниже­нием сопротивления сварных соединений образованию холод­ных трещин [1]. Элементы, упрочняющие твердый раствор, спо­собствуют, как правило, снижению ударной вязкости металла в околошовной участке ЗТВ сварных соединений.

8.4.1. Типы структур в зоне термического влияния

Наиболее распространенные в металлургической практике ле­гирующие элементы Мп, Сг, Мо снижают диффузионную под­вижность С и, как следствие, увеличивают уровень значений характеристических длительностей Тф, тп, те, понижают темпе­ратурный интервал y-v a-превращения. Поэтому при общепри­нятых режимах сварки в околошовном участке возрастает ве­роятность образования мартенсита и понижается сопротивляе­мость сварных соединений образованию холодных трещин.

8.4.2. Влияние легирующих элементов

Мп упрочняет феррит, снижает температуру начала у-э-а-пре - вращения, способствует процессу карбидообразования. Сг и Мо существенно снижают критическую скорость охлаждения, по­давляют перлитное превращение, расширяют область проме­жуточных превращений на диаграмме.

Такие элементы, как Al, Ті, Nb, интенсифицируют процесс у-*- ос-превращения при высоких температурах, способствуя уве­личению числа центров кристаллизации и получению мелко­зернистой структуры.

8.4.3. Выбор тепловых режимов сварки

Одним из технологических средств, снижающих вероятность по­явления холодных трещин, является предварительный и сопут­ствующий подогрев [1].

Для определения температуры подогрева стали с целью предотвращения образования холодных трещин в зависимости от содержания в ней химических элементов и толщины проката можно воспользоваться графи­ками, приведенными на рис. 8.1

[3] . Значения Сэкв, отложенные по оси абсцисс, определяют как:

Сэкв = с + Мп/6 + Si/5 + Сг/6 +

+ Ni/12+Mo/4 + V/5 + Cu/7+ Р/2.

Здесь символы обозначают со­держание соответствующих хи­мических элементов в процентах.

Предельное их содержание не должно превышать 0,5 % С;

1,6% Мп; 1 % Сг; 3,5 % N1;

0,6 % Мо; 1 % Си. Как видно, не­обходимая температура подо­грева возрастает с увеличением степени легированности стали и толщины свариваемого проката.

Другая методическая последовательность, рассмотренная в работе [3], позволяет дифференцированно определять условия подогрева для корневых и заполняющих швов в соответствии с номограммой, представленной на рис. 8.2.

Методика пользования номограммой на примере сварки кор­невого шва стали толщиной 30 мм при значении тока 250 А, напряжении дуги 25 В, скорости сварки 25 см/мин представ­лена ниже:

Восстанавливаем перпендикуляр из точки а, соответствующей /=250 А, до пересечения с прямой, соответствующей напряжению 25 В, и получаем точку б в квадранте I. Затем проводим горизонталь б — в до пересечения с прямой, соответствующей скорости сварки 25 см/мин, в квадранте //. После этого опускаем перпендикуляр из точки в до пересечения с кривой, соответствующей толщине проката 30 мм, и получаем точку г; затем про­водим горизонталь г — д до пересечения с прямой 1, соответствующей усло­виям сварки корневого шва в квадранте IV, восстанавливаем перпендикуляр из точки бив точке е определяем температуру подогрева, соответствую­щую 150 °С

8.5. Технология сварки и свойства сварных соединений

Технология сварки низколегированных сталей должна проек­тироваться с учетом того обстоятельства, что при уменьшении погонной энергии и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоны термического влияния возрастает веро­ятность распада аустенита с образованием закалочных струк­тур. При атоіуі будет отмечаться снижение сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин и хруп­кому разрушению. При повышенных погонных энергиях наблю­дается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая фер - рито-перлитная структура видманштеттового типа с понижен­ной ударной вязкостью.

8.5.1. Ручная сварка

Технология рунной дуговой сварки низколегированных сталей практически не отличается от соответствующей технологии сварки низкоуглеродистых сталей.

Сварку низколегированных сталей осуществляют электро­дами типа Э46А и Э50А с фтористо-кальциевым покрытием, ко­торые позволяют достигать более высокую стойкость против образования кристаллизационных трещин и повышенную пла­стичность по сравнению с электродами других типов. Для ста­лей марок 09Г2, 09Г2С, 16ГС, 17ГС, 10Г2, 10Г2С1 рекомендуют применять электроды УОНИ 13/55, К-5А, АНО-11 (тип Э50А).

Для сварки кольцевых швов трубопроводов, работающих при температурах до —70 °С, например из стали 09Г2С, при­меняют электроды ВСН-3 (тип Э50АФ) с фтористо-кальциевым покрытием.

8.5.2. Сварка под флюсом

Технология сварки под флюсом низколегированных сталей практически такая же, как и для низкоуглеродистых сталей. В качестве флюсов при однодуговой сварке применяют флюсы марок АН-348А и ОСЦ-45, а при многодуговой на повышенной скорости — АН-60.

Для сталей марок 16ГС, 09Г2С, 10Г2С1 при эксплуатации не ниже —40 °С рекомендуется использовать сварочные про­волоки Св-08ГА, Св-ЮГА, а при температурах эксплуатации до ■—70 °С (сталь 09Г2С в нормализованном состоянии) —сва­рочные проволоки Св-ЮНМА, Св-ЮНЮ, Св-08МХ с целью обеспечения достаточного уровня ударной вязкости.

8.5.3. Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка по общепринятой технологии сталей толщиной свыше 30 мм осуществляется, как правило, с после­дующей или сопутствующей нормализацией с целью повышения ударной вязкости металла шва и ЗТВ до регламентируемого уровня. Сварку сталей 16ГС, 09Г2С, 14Г2 осуществляют

с применением флюса АН-8 и сварочных проволок Св-08ГС, Св-10Г2. Режимы термообработки аналогичны указанным в гл. 7 для низкоуглеродистых сталей.

Сварка с регулированием термических циклов. Для кольце­вых швов аппаратов газонефтехймических производств с тол­щиной стенки до 100 мм при температуре эксплуатации не ниже —40 °С (сталь 16ГС) и не ниже —55 °С (сталь 09Г2С) в соответствии с ОСТ 291—81 допускается применять электро - шлаковую сварку с регулированием термических циклов в сочетании с последующим отпуском [4]. При этом удается не только обеспечить равнопрочность, но н достаточно высокий уровень сопротивления сварных соединений хрупкому разруше­нию без применения последующей высокотемпературной тер­мообработки.

Например, значения KCU~40 металла шва и околошовного участка составляют от 0,6 до 0,7 МДж/м2, а основного ме­талла— стали 16ГС толщиной 60 мм — 0,8 МДж/м2.

Соответствующие данные для сварных соединений стали 09Г2С толщиной 60 мм при температуре испытаний —60 °С равны 0,66 и 0,75 МДж/м2, а для основного металла 0,58МДж/м2.

По уровню параметров трещиностойкости металл шва и зоны термического влияния не уступают основному металлу — норма­лизованной стали 09Г2С, имеющей следующие показатели: os = 550 МПа; ат = 370 МПа; Аю = 67,5 МПа-м1/2; С = 6,32х 10~14; п = 3,82; dl/dN при А/Сіс = /Сіс/1,5 составляет 0,68-10~3 мм/цикл.

Увеличение интенсивности охлаждения при электрошлаковой сварке с регулированием термических циклов предотвращает образование структурно-свободного феррита при у-*- а-превра - щении. Отмеченное препятствует протеканию коррозионных процессов, а уменьшение размеров карбидных частиц, играю­щих роль коллекторов водорода, тормозит катодную реакцию при эксплуатации сварных соединений в коррозионно-активных средах.

Особенностью термоупрочненных сталей является их склон­ность к разупрочнению при сварке.

Применение сопутствующего охлаждения позволяет обеспе­чить равнопрочность сварных соединений с основным термоуп­рочненным металлом и повысить их сопротивление хрупкому разрушению. Например, при механизированной дуговой сварке под флюсом по общепринятой технологии коэффициент прочно­сти сварных соединений сталей 14ГН, 16ГС, 09Г2С толщиной 12 мм составил 0,75—0,77, а при сварке с сопутствующим ох­лаждением— не менее 0,98. Значения критических температур перехода в хрупкое состояние металла околошовного участка сварных соединений при переходе от общепринятой технологии к технологии сварки с сопутствующим охлаждением снизились на 40—50 °С и достигли уровня Ткр основного термоупрочнен­ного металла.

При переходе от общепринятой технологии электрошлаковой сварки к технологии электрошлаковой сварки с регулирова­нием термических циклов термоупрочненной стали 09Г2С (сва­рочная проволока Св-10НМ, флюс АН-8, последующий отпуск при 640 °С) коэффициент прочности сварных соединений по­вышается с 0,89 до 0,99, значения KCU~40 металла шва — с 0,12 до 0,72, а металла околошовного участка — с 0,08 до 0,42 МДж/м2.

9.1. Назначение сталей

Широкое применение при изготовлении конструкций ответственного иазна - значения — таких, как сосуды высокого давления, танкеры, суда, ледоколы, береговые и морские нефтегазовые сооружения, находят микролегирован - иые стали. Наряду с экономией легирующих элементов при их использова­нии особенно в термо - и термомеханически обработанном состояниях обес­печиваются высокая прочность и сопротивляемость хрупкому разрушению металла.

9.2. Состав сталей

В микролегированных сталях содержание углерода, как правило, не пре­вышает 0,20 %. Микролегирующие элементы, входящие в состав сталей, находятся в следующих пределах, %: Al<0,06; Cr<0,25; Zr<0,15;

V<0,15; Ті 0,1—0,2; Nb<0,06; Mo<0,20; B<0,05.

Суммарное содержание Zr и Ті ие превышает 0,2%, a Nb, Ті и W — 0,16 %. В качестве микролегирующих элементов используют редкоземельные (Се, La, Y), а также N

Микролегирующие элементы вводят в состав стали как в процессе ее выплавки, так и в ходе виепечной обработки. Они могут присутствовать в металле в составе включений вторых фаз или непосредственно в матрице Например, в сталях, микролегированных V и Nb (иногда дополнительно А1 и Ті) в сочетании с повышенным до 0,03 % содержанием N, образуются дисперсные карбонитридные фазы, существенно повышающие их прочность.

Для повышения ударной вязкости и снижения анизотропии свойств ог­раничивают содержание S в составе стали до 0,005-—0,012 %.

Химический состав ряда марок микролегированных сталей приведен в табл. 9.1. Аналогами этих марок сталей в зарубежной практике являются стали типов Х55—Х80.

Известно, что С относительно слабо влияет на предел текучести сталей с феррито-перлитиой структурой. Однако с увеличением содержания С в составе стали существенно снижаются вязкопластические свойства и ухуд­шается свариваемость. Поэтому в последние годы получают распростране­ние малоперлитные стали с ограниченным содержанием С (доі0,12%). Для компенсации понижения прочности их легируют марганцем до 1,7 % микро - легируют V, Сг, Мо. К отечественным малоперлитным сталям относятся стали марок 07Г2ФБ, 08Г2СФБ, 09Г2ФБ.

Из микролегированных сталей с бейнитиой структурой нашли примене­ние марки 12Г2СМФ и 12ГН2МФАЮ.