МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

О ВЫБОРЕ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ РУЛОНИРОВАННОГО КОРПУСА РЕАКТОРА ГИДРОКРЕКИНГА

В последние десятилетия в СССР и за рубежом для создания раз­личных металлоконструкций все большее применение находят низко­легированные стали повышенной и высокой прочности, которые яв­ляются наиболее эффективным средством значительного снижения веса конструкций, их стоимости и расхода стали. Металлургическими заводами совместно с Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, ИркутскимНИИхиммашем, ПО Уралхиммаш разра­ботана и освоена выплавка, прокат и термообработка теплоустойчи­вой низколегированной рулонной стали 12ХГНМ повышенной проч­ности для сосудов высокого давления химической и нефтехимической промышленности. Положительные результаты исследования механи­ческих свойств рулонной стали в области рабочих температур послу­жили основанием для проектирования сварного многослойного кор­пуса установки реактора гидрокрекинга нефти производительностью 1 млн. т продукта в год.

Корпус реактора гидрокрекинга собирается из многослойных рулонированных обечаек и монолитных концевых частей — днища фланца и крышки. Многослойные обечайки изготавливаются из сле­дующих материалов: центральная обечайка — из биметалла марки 20К + 0Х18Н10Т толщиной 24 мм; слои (рулонная лента) — сталь 12ХГНМ толщиной 4 мм. Для концевых частей корпуса применена сталь 22ХЗМ. Многослойные обечайки свариваются между собой с днищем и фланцем кольцевыми швами. Таким образом, при изготов­лении корпуса реактора имеется два типа кольцевых сварных соеди­нений: многослойных рулонированных обечаек с монолитными кон­цевыми частицами и обечаек между собой.

Выбор сварных материалов и разработка технологии автомати­ческой сварки под флюсом указанных многослойных соединений из теплоустойчивой рулонной стали 12ХГНМ проводилась в три этапа.

1. Определение оптимального химического состава металла шва при применении стандартных марок сварочной проволоки и флюсов, рекомендуемых для сварки теплоустойчивой стали. 2. Сварка образ­цов многослойных соединений и изучение механических свойств

металла шва в интервале рабочих температур. 3. Оценка технологии и выбранных сварочных материалов при механизированной свар­ке экспериментальных кольцевых многослойных соединений.

Получение качественных сварных соединений со свойствами, рав­ноценными свойствам основного металла, связано со значительными трудностями, основными из которых являются: обеспечение требуемой прочности и пластичности сварного соединения; склонность к образо­ванию холодных и горячих трещин; чувствительность к скорости охлаждения и перегреву; выбор оптимального термического воздейст­вия на основной металл (погонной энергии сварки).

Эти трудности преодолеваются применением разных технологи­ческих приемов, соответствующих сварочных материалов, способов, ре­жимов сварки, выбор которых производится в зависимости от свари­ваемого материала и особенностей изготавливаемой конструкции.

В настоящей статье приводятся результаты исследований по вы­бору сварочных материалов для механизированной сварки под флю­сом кольцевых соединений реактора гидрокрекинга, из стали 12ХГНМ с учетом рекомендаций, основных положений и характерных особенностей, присущих способу изготовления многослойных конст­рукций. Например, наплавка торцов монолитных и многослойных эле­ментов конструкции; технологию сварки центральной обечайки из биметалла и др.

В работах Института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР опубликованы сравнительные данные и рекомендации по сварке низ­колегированных сталей повышенной и высокой прочности типа

12Х1МФ, 14Х2ГМР, 14ХМНДФР, 12ГН2МФАЮ, ЗОХГСА и др., выполненных сварочными проволоками Св-10ХМ, Св-10НМ, Св - 08ХН2М, Св-10ХГН2МЮ и др., в сочетании с флюсами АН-348А, АН-22, АН-26, АН-17, АН-17М и др. [1—3].

Исследованиями установлено, что сварка теплоустойчивых ста­лей больших толщин должна производиться с применением предва­рительного и сопутствующего подогрева. Для уменьшения величины остаточных напряжений сварное соединение после сварки должно подвергаться отпуску при температуре, не превышающей температу­ру отпуска стали до сварки. Во избежание значительного укрупнения зерен и падения ударной вязкости по линии сплавления, сварка должна осуществляться на режимах с ограниченными тепловложе - ниями. Для предотвращения развития диффузионных процессов не­обходимо стремиться максимально приблизить химический состав шва к составу основного металла. Наилучшие результаты по получе­нию заданного (требуемого) химического состава металла шва опре­делены при легировании через сварную проволоку.

Известно, что требуемая прочность и пластичность металла шва при сварке сталей повышенной прочности определяются химическим составом. На основании изучения, анализа и сопоставления хими­ческого состава и механических свойств металла швов, полученных при сварке низколегированных сталей как в нашей стране, так и за рубежом, а также рекомендаций по процентному содержанию леги­рующих элементов в сварных швах, был выбран следующий предва­рительный химический состав металла шва, который необходимо

получить при сварке рулонной стали 12ХГНМ: С — 0,08—0,1 %; Si — 0,3—0,5; Мп - 1,1—1,3; Сг-0,4-0,6; Ni-0,8-1,2; Мо - 0,4—0,6; S и Р не более 0,03 %.

Обеспечение требуемых свойств сварных соединений из сталей повышенной прочности в большинстве случаев связано с необходи­мостью получения металла шва оптимального химического состава при ограниченном содержании серы, фосфора, неметаллических включений, водорода. При сварке это условие во многом определяется составом и свойствами применяемого флюса. Предварительные иссле­дования по выбору флюса для сварки стали 12ХГНМ показали, что флюс АН-26 в сочетании со сварочными проволоками Св-08ХНМ, Св-08ХН2М, Св-08ХГ2СМ и Св-10НМ не обеспечивает необходимого химического состава шва и имеет неудовлетворительные технологи­ческие свойства; флюс АН-42 в сочетании со сварочными проволока­ми Св-08ХНМ, Св-08ХН2М и Св-10НМ приводит к повышенному со­держанию в металле шва фосфора (до 0,05 %).

На основании предварительных исследований для выполнения первого этапа работ выбраны флюсы АН-22 и АН-17М. Химический состав флюсов приведен в табл. 1.

При механизированной сварке под слоем флюса низколегирован­ных сталей повышенной прочности необходимо обеспечить комплекс-

ное легирование шва такими элементами как марганец, кремний, хром, никель, молибден.

Для определения оптимального процентного содержания леги­рующих элементов в металле шва с требуемыми прочностными свойст­вами выбраны сварочные проволоки Св-08ХНМ, Св-08ХН2М, Св - 10ХГСН2МТ и Св-10ХГСН2МЮ. Химический состав указанных проволок приведен в табл. 2.

Сварка выбранными сочетаниями проволоки и флюса осуществля­лась с ограниченным тепловложением на режимах с погонной энергией до 8000 кал/см.

Исследования химического состава (табл. 3), прочностных, пласти­ческих свойств и ударной вязкости (табл. 4) металла, получаемого при автоматической многопроходной наплавке на сталь 12ХГНМ, различными сочетаниями сварочных материалов, позволили устано­вить те сварочные материалы, которые удовлетворяют требовани­ям по комплексному легированию металла шва соответствующими элементами; обладают прочностными и пластическими свойст­вами не ниже свойств свариваемого металла по техническим ус­ловиям.

Сравнительный анализ химических составов, прочностных и плас­тических свойств металла наплавок показывает, что процентное со­держание легирующих элементов при сварке под флюсом АН-17М зависит от состава применяемой сварочной проволоки; при сварке под флюсом АН-22 наблюдается восстановление марганца из флюса; прочностные свойства зависят от процентного содержания марганца и никеля.

Для проведения работ второго этапа были предложены следующие сочетания сварочных материалов: сварочная проволока

Св-10ХГСН2МТ, флюс АН-17М; сварочная проволока Cb-08XH2Mj флюс АН-22.

Ввиду неудовлетворительных технологических качеств флюса АН-22 (трудная отделимость шлаковой корки из разделки) он при­менен не был.

Изучение свойств металла швов ограничилось применением соче­таний сварочных проволок Св-08ХН2М и Св-10ХГСН2МТ с флюсом АН-17М.

Для определения механических свойств металла шва производи­лась сварка многослойных пакетов толщиной 48—52 мм (размер пластин 4x210x500 мм).

Принятая толщина (48—52 мм) плоских стыковых многослойных соединений обусловлена технической, практической и экономической целесообразностью, так как получаемый состав и механический свойства металла шва при многопроходной сварке с дальнейшим уве­личением толщины многослойного соединения существенно не изме­няется.

Зависимости прочностных и пластических свойств металла швов, полученных при сварке многослойных соединений из стали 12ХГНМ указанными сочетаниями сварочных материалов от температуры ис­пытаний, представлены на рис. 1.

Прочностные и пластические свойства металла шва, выполненного сварочной проволокой Св-10ХГСН2МТ в сочетании с флюсом АН-17М при сварке многослойных пакетов, удовлетворяет свойствам сварного соединения в требуемом интервале температур.

Для окончательного выбора технологии и сварочных материалов, рекомендуемых для сварки многослойных соединений, применитель­но к изготовлению проектируемого рулонированного корпуса реак­тора гидрокрекинга, в ИркутскНИИхиммаше и на ПО Уралхиммаш была осуществлена сварка экспериментальных кольцевых соединений внутренним диаметром 800 мм с толщиной стенки 136—150 мм.

Кольцевые швы выполнены проволокой Св-10ХГСН2МТ диамет­ром 3 мм под флюсом АН-17М на режиме: /св = 400—450 А, иа = = 36—38 В, исв = 18 м/ч, ток постоянный, полярность — обратная. Предварительный подогрев сварных соединений 150—200 °С.

Сварка кольцевых швов осуществлялась на стенде путем непре­рывного наложения слоев. Флюс обеспечивал хорошее формирова­ние металла шва, легкую отделимость шлаковой корки из разделки.

Некоторые данные механических свойств металла швов, ударной вязкости и твердости показаны на рис. 2 и 3.

Анализ результатов, полученных при различных температурах испытаний, показывает, что выбранные сварочные материалы обеспе­чивают получение швов с требуемыми прочностными и пластическими свойствами.

На основании анализа результатов проведенных исследований свойств многослойных соединений из теплоустойчивой рулонной ста­ли 12ХГНМ, выполненных сварочной проволокой Св-І0ХГСН2МТ в сочетании с флюсом АН-17М, сделаны следующие выводы.

Применение сварочной проволоки Св-10ХГСН2МТ и флюса

АН-17М обеспечивает получение выбранного химического состава металла шва, легированного Si, Мп, Сг, Ni и Мо, и его постоянство при заданных режимах.

Применение сварочной проволоки Св-10ХГСН2МТ и флюса АН-17М может быть рекомендовано при сварке низколегированных сталей с пределом текучести 450 МПа.

Для сохранения прочностных свойств свариваемой стали, темпе­ратура отпуска для снятия остаточных напряжений в шве и околошов - ной зоне не должна превышать 600—620 °С.

Полученные положительные результаты исследований позволили определить сварочные материалы для сварки экспериментальных кор­пусов из новой теплоустойчивой рулонной стали 12ХГНМ с пределом текучести 450 МПа.

На ПО Уралхиммаш был изготовлен экспериментальный сварной рулонированный сосуд диаметром 800 мм, длиной 6580 мм и толщи­ной стенки 48 мм на рабочее давление 2000 МПа весом 10,5 т.

Выполненные прочностные исследования и испытания до разру­шения экспериментального сосуда из стали 12ХГНМ показали удов­летворительную работоспособность и надежность конструкции.

Выбранные и опробованные на опытном сосуде материалы, техно­логические схемы изготовления рулонированных обечаек, технология и режимы наплавки и сварки, послужили основой для изготовления первого отечественного корпуса реактора гидрокрекинга нефти для Омского нефтеперерабатывающего комбината.