МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

СВАРКА КОЛЬЦЕВЫХ ШВОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ТРУБ В ЗАЩИТНОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Аг + 02 + С02

В настоящей статье приводятся данные о разработке технологии механизированной сварки многослойных труб в защитной окисли­тельной смеси Аг + 02 + С02.

К сварным соединениям этих труб, как известно, предъявляются высокие требования в отношении их герметичности, прочности, плас­тичности и хладостойкости. Уровень этих характеристик зависит от способа сварки. При этом последовательность выполнения техноло­гических операций сборки и сварки должна сочетаться с высокой производительностью процесса — обязательным условием поточно­массового производства труб. Удовлетворить эти требования может только такая технология сварки, которая предусматривает исполь­зование сравнительно простой аппаратуры и приемов, доступных сварщикам средней квалификации.

Одним из перспективных вариантов такой технологии является сварка плавящимся электродом в защитных окислительных смесях на основе аргона.

Как показали многочисленные опыты, оптимальное сочетание сварочно-технологических свойств и экономических показателей процесса сварки обеспечивает смесь 70 % Аг + 5 % 02 + 25 % С02.

Механизированная сварка в этой смеси по сравнению с процес­сами сварки под флюсом или в углекислом газе имеет следующие осо­бенности и преимущества:

металл сварных швов, выполненных стандартными кремнемар­ганцевыми проволоками без дополнительного легирования дефицит­ными и дорогостоящими элементами (молибденом, никелем, ниобием и др.), имеет высокую хладостойкость;

процесс сварки отличается пониженным уровнем разбрызгивания и набрызгивания электродного металла, имеет хорошие гигиенические характеристики;

сварочная аппаратура упрощается, поскольку она не включает устройства для подачи и уборки флюса;

толстая шлаковая корка на поверхности швов отсутствует, что об­легчает выполнение многопроходных швов.

Для трубного производства сварка в смесях на основе аргона — процесс новый. В связи с этим отработка практических рекоменда­ций по ее применению потребовала большого объема предваритель­ных экспериментальных работ в условиях Института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, а эатем промышленной проверки и дора­ботки технологии при изготовлении партии многослойных газопровод-

Рис. 1. Макрошлифы двусторонних кольцевых швов, выполненных в смеси Аг'+ + 02 + С02 на трубе с четырехслойной стенкой:

а — без смещения наружного прохода относительно внутреннего; б — со смещением.

ных труб из стали 09Г2СФ в условиях опытного участка Харцызского трубного завода [13].

Лабораторная отработка технологии и техники сварки в смеси Аг + 02 + С02 проводилась на плоских образцах, имеющих 4—9 сло­ев толщиной 4,1 мм, а также на кольцевых стыковых соединениях многослойных обечаек, которые в процессе сварки вращались на роликовом стенде с заданной скоростью. Использовалось серийное сварочное оборудование (трактор ТС-17м и аппарат АБС), оснащен­ное специализированными мундштуками для сварки в защитных га­зах. Источниками питания сварочной дуги служили выпрямители ВДУ-1000-1 и ВСЖ-1600. Тройную смесь Аг + 02 + С02 получали из чистых газов, поставляемых в баллонах с помощью постового сме­сителя АКУП—1.

На опытном участке ХТЗ работы выполнялись на установках У-901, У-882 и У-883.

Установлено, что наиболее стабильное высокое качество сварных соединений и отсутствие в них дефектов обеспечивается при двусто­ронней сварке кольцевых швов с использованием несимметричной Х-образной разделки кромок многослойных обечаек. Порядок на­ложения швов при этом следующий:

выполнение на повышенной скорости технологического шва, соединяющего между собой обечайки;

сварка внутреннего шва на режиме с погонной энергией 18— 20 кДж/см;

заполнение разделки снаружи на режиме, обеспечивающем пол­ное переплавление технологического шва и надежное сплавление с внутренним проходом. Число проходов снаружи зависит от толщины стенки (количества слоев).

На рис. 1 показаны макрошлифы сварных соединений, выполнен­ных в смеси Аг + 02 + С02. Как видно, швы хорошо сформированы, в них отсутствуют несплавления, трещины, шлаковые включения и другие дефекты. На рис. 1, б показан шов, выполненный при случай­ном смещении наружного прохода относительно внутреннего прибли­зительно на 3 мм. Несмотря на столь заметное смещение, в шве от­сутствуют непровар, несплавления и другие недопустимые дефекты.

На всех этапах работы при исследовании механических свойств подтвердились ранее полученные данные о высоких показателях проч­ности, пластичности и особенно ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах [1—3].

Из плоских образцов, полученных различными методами, а также из сварных соединений готовых труб вырезались образцы для меха­нических испытаний. Характеристики прочности и пластичности металла шва определялись при испытании круглых пятислойных об­разцов (тип II по ГОСТ 6996—66), ударная вязкость — на образцах с круглым надрезом (тип VI по ГОСТ 6996—66), который наносился в поперечном сечении шва от корня к вершине. Прочность сварных соединений оценивалась на образцах типа XII по ГОСТ 6996—66.

В таблице приведены результаты механических испытаний ме­талла стыковых швов, выполненных в смеси Аг + 02 + С02 проволо­кой Св-08Г2С при толщине свариваемого пакета 16,4 (4,1 X 4) мм.

На рис. 2 показано частотное распределение значений ударной вязкости по данным испытаний при температурах —40 и —60 °С,

10 30 50 70 30 110

аи„Аж/см*

а д

Рис. 2. Гистограммы значений ударной вязкости металла сварных швов: a — t = —40 °С; б — f » —60 °С,

Рис. 3. Зависимость величины критического раскрытия трещины 8а от темпера­туры для сварных швов, выполненных в смеси Аг + 02 + С02 на многослойных плоских образцах с толщиной слоя 4,1 мм: а — четырех-; б — пяти-; в — свмислойное сварное соединение.

более ста образцов с круглым надрезом, вырезанных из сварных соединений многослойных труб промышленного изготовления. При испытаниях плоских образцов разрушение, как правило, происхо­дило по основному металлу вдали от линии сплавления.

Полученные данные свидетельствуют о том, что отработанный вариант технологии сварки в смеси Аг + 02 + С02 при использова­нии проволоки Св-08Г2С надежно обеспечивает значения механи­ческих характеристик металла шва на уровне требований технических условий на газопроводные многослойные трубы.

Кроме оценки механических свойств сварных соединений тра­диционными методами на стандартных образцах в программу механи­ческих испытаний входила также оценка стойкости металла шва про­тив хрупкого разрушения по критериям механики разрушения. В ка­честве оценочного критерия использовалась величина критического раскрытия вершины трещины 6С, учитывающая развитое пластическоз течение в области дефекта [4—6]. ИспользОйались стандартные об­разцы, вырезанные из плоских сварных стыковых соединений, а также из сварных соединений натурных труб.

Результаты этих испытаний показаны на рис. 3 [14]. Температура, при которой достигается критическое значение бс, принятое равным 0,22 мм, для сварных соединений многослойных труб (четыре — семь слоев), находится в пределах от —20 до —50 °С, что свидетельствует о высокой стойкости металла против хрупкого разрушения в пред­полагаемом диапазоне температур эксплуатации трубопроводов из многослойных труб.

Высокие значения механических характеристик металла сварных швов на многослойных трубах и хорошие показатели его стойкости
против хрупкого разрушения, которые обеспечиваются при сварке в смеси Аг + 02 + С02, можно объяснить особенностями микро­структуры этого металла. Изучение металлографических образцов с помощью оптического микроскопа показало, что основной структур­ной составляющей (70—75 %) является игольчатый феррит, который, как известно [7], отличается высокой вязкостью разрушения. Участ­ки доэвтектоидного феррита и других структурных составляющих, охрупчивающих металл при низких температурах, разобщены и не образуют сплошной сетки по границам первичных аустенитных зерен. Существенным фактором, влияющим на вязкость и пластичность ме­талла, является также количество и распределение в нем неметалли­ческих включений. В швах, выполненных в смеси Аг + 02 + С02, содержание кислорода и связанное с ним общее количество неметал­лических включений приблизительно в 1,5 раза ниже, чем при сварке в С02 или под флюсом марганце-силикатного типа.

Кроме включений, видимых в оптический микроскоп, существуют особенности в распределении и количестве субмикроскопических включений, обнаруживаемых на экстракционных угольных репли­ках с помощью электронного микроскопа. Эти включения размером 5—50 нм распределены в металле равномерно и, как правило, не об­разуют больших скоплений вокруг крупных оксидных включений размером 1—2 мкм [8]. Такое равномерное распределение включений не препятствует движению дислокаций при пластической деформации и, в конечном итоге, повышает показатели вязкости разрушения ме­талла при положительных и отрицательных температурах. Кроме того, равномерно распределенные субмикроскопические оксидные час­тицы могут оказаться зародышами феррита в аустенитной матрице в процессе ее охлаждения. В результате этого при у -*■ а превращении получается дезориентированная мелкодисперсная структура иголь­чатого феррита, отличающаяся высокой пластичностью и хладостой - костью.

В процессе освоения сварки многослойных труб на опытном участ­ке Харцызского трубного завода потребовалось организовать цент­рализованное снабжение сварочных постов защитным газом. Система газоснабжения состоит из криогенной аппаратуры для доставки, хранения и газофикации сжиженной аргонокислородной смеси, до­ставляемой со станции разделения воздуха близлежащего металлур­гического завода, аппаратуры для хранения, доставки и газификации углекислого газа, а также многопостового смесителя газов. Для снаб­жения завода аргонокислородной смесью использованы транспортная установка АГУ-2М на базе автомобиля ЗИЛ-130 и холодный крио­генный газификатор ГХК-3/16—200. Для переработки сжиженной двуокиси углерода также применялось серийное оборудование: авто­мобильная цистерна ЦЖУ-6, емкость-хранилище НЖУ-25 и газифи­катор УГ-200. После газификации поступающие по трубопроводу газы смешивались в необходимом соотношении с помощью рампового смесителя УСД-ІБ. Состав готовой тройной смеси контролировали, проводя периодически химические анализы на газоанализаторе ВТИ-2. Производственная эксплуатация этой системы газоснабжения, оснащенной отечественным оборудованием, доказала, что она надежно обеспечивает состав защитной смеси Аг + 02 + СОа в требуемых пределах.

Таким образом, процесс механизированной сварки в аргоновой смеси может быть рекомендован для широкого производственного применения при изготовлении многослойных труб и других ответст­венных изделий. Впервые в СССР в условиях Харцызского трубного завода была изготовлена промышленная партия многослойных труб с кольцевыми швами, выполненными в смеси Аг + 02 + С02. Отра­ботанные технологические решения послужили основой для выдачи рекомендаций по широкому использованию сварки в аргоновых сме­сях при изготовлении металлоконструкций.