МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ТРУБ С МНОГОСЛОЙНОЙ СТЕНКОЙ

В настоящей работе рассмотрены результаты проведенных в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР исследований и разработки технологии сварки труб большого диаметра с много­слойной стенкой применительно к их изготовлению на опытном участке Харцызского трубного и в промышленном цехе Выксун­ского металлургического заводов [12]

Вопросы технологии сварки труб большого диаметра, занимаю­щих, как известно, одно из ведущих мест по объему применения вы­сокопроизводительных автоматических сварочных процессов, при­влекают внимание исследователей и широко освещаются в научно - технической литературе Однако особенности конструкции много­
слойных труб определили необхо­димость решения ряда новых за­дач, в том числе с точки зрения их сварки, ранее не встречавших­ся при разработке технологии из­готовления труб из металла сплош­ного сечения. Имеющийся опыт сварки многослойных сосудов для нефтехимической промышленнос­ти не мог быть использован в пол­ной мере, поскольку требовалось создание промышленной техноло­гии применительно к поточному производству изделий с обеспече­нием высокой производительности выполняемых операций.

При изготовлении труб из отдельных многослойных обечаек [11 необходимо выполнить следующие основные сварочные операции: соединить в ленту требуемой длины немерные ее отрезки, образую­щиеся при окончании размотки рулонов или при наличии недопусти­мых дефектов в участках полосы, соответствующих внутреннему витку обечайки; сварить внутренние и наружные продольные (нахле - сточные) швы обечаек, а также соединить обечайки кольцевыми шва­ми для образования трубы необходимой длины (рис. 1). В отличие от сварки стыковых швов — процесса, который достаточно широко используется, например при изготовлении спиральношовных труб, выполнение нахлесточных и кольцевых швов многослойных труб - имезт ряд особенностей, обусловленных, прежде всего наличием в свариваемом сечении межслойных зазоров. Влияние этих зазоров проявляется, главным образом, в увеличении опасности образования в швах свищей, пор и шлаковых включений. В работах [2, 3] указы­вается также на возможность возникновения в швах у межслойных зазоров характерных дефектов — трещин-надрывов.

При производстве многослойных сосудов устранение отрицатель­ного влияния межслойных зазоров достигается «облицовкой» кромок перед сваркой [3, 41. Этот и другие малопроизводительные способы, например сварка без облпцовки кромок с заполнением слоев под ост-

рым углом к зазорам [5], непри­емлемы для производства труб.

Разработке более эффективных способов сварки труб с много­слойной стенкой предшествовали детальные исследования особен­ностей и механизма образования дефектов в швах у межслойных за­зоров. Исследования в этом на­правлении представляют собой са­мостоятельную тему и их результа­ты будут более подробно рассмотре­ны в наших дальнейших работах.

С целью изучения опасности об­разования в швах трещин-надрывов сваривали специальные образцы различной жесткости из многослой­ной стали, в том числе, с более высоким уровнем легирования по сравнению с рекомендованной для труб сталью 09Г2СФ, или с до­полнительным введением в металл шва углерода. Детально исследо­ваны также более 800 макрошли­фов и ударных образцов сварных соединений многослойных трубг изготовленных на опытном участке Харцызского трубного завода. Во всех случаях трещины-надрывы отсутствовали, что свидетельствует о достаточно высокой стойкости швов исследуемых труб против образования дефектов указанного типа. Для швов, свариваемых на многослойном металле, более харак­терны свищи, поры и шлаковые включения (рис. 2). При этом чаще встречаются узкие продолговатые поры, ориентированные или не­посредственно примыкающие к межслойным зазорам, мелкие сфери­ческие поры и шлаковые включения, образующиеся в местах сопря­жения швов с зазорами. Реже наблюдаются крупные поры и свищи,; которые в большинстве случаев также начинаются у межслойных за­зоров. Появление таких дефектов наиболее вероятно в связи с нали­чием окалины и других загрязнений на прилегающих к свариваемым кромкам поверхностях рулонного металла, а также воздуха в меж­слойных зазорах.

Отрицательное влияние окалины достаточно ярко иллюстрируют результаты опытов, приведенные в табл. 1. В этих опытах сваривали двухсторонние стыковые швы длиной 600 мм на негерметизированных многослойных пакетах. Поверхности пластин, образующих один из двух стыкуемых пакетов, очищали от окалины. После сварки швы кон­тролировали рентгенографическим методом. Установлено, что поры и шлаковые включения располагались исключительно в участках швов, примыкающих к пакету с незачищенными поверхностями металла.

Под воздействием выделяющегося при PUJj, Mna-tO'J сварке тепла смежные к сварному соедине - 6 нию участки многослойного металла и, сле­довательно, воздух в межслойных зазорах нагреваются. Данные расчетов и прямых эк­спериментов, выполненных на предваритель­но герметизированных образцах небольших размеров, т. е. в более жестких условиях, по­казали, что возникающее при этом избыточ­ное давление воздуха (РИзб) в зазорах невели­ко (рис. 3). Однако даже при незначительном Ризб опасность образования пор и свищей резко возрастает. В наших опытах, когда за­данное давление воздуха в зазорах обеспечи­вали с помощью постороннего пневмоисточ­ника, поры в швах возникали призначеннях ^изб, равных 3—4 • 10-3 МПа. Отметим, что сверление вблизи шва на небольшом расстоя­нии друг от друга так называемых перфорационных отверстий, со­единяющих межслойные зазоры с атмосферой, устраняло поры.

Как следует из рис. 3, в процессе сварки предварительно герме­тизированных многослойных образцов имеет место сброс избыточного давления воздуха. Характерно, что при сварке под флюсом такой сброс происходит периодически после достижения некоторой крити­ческой величины Ртй (рис. 3, кривые 1, 2) и сопровождается возникно­вением в швах пор или свищей. В случае сварки в защитном газе стравливание избыточного давления осуществляется непрерывно, причем при более низких критических значениях Ртб (рис. 3, кри­вая <?). Это явление, на наш взгляд, следует рассматривать как один из основных факторов, объясняющих установленную в наших опытах меньшую опасность образования пор в швах, свариваемых на много­слойном металле в защитных газах.

Результаты исследований причин и механизма образования де­фектов в швах у межслойных зазоров использованы в дальнейшем для разработки достаточно производительной технологии сварки многослойных труб без облицовки кромок. При этом учитывалась необходимость применения процессов сварки с минимально возмож­ными тепловложениями и сечениями швов, при которых объем пере­плавляемого рулонного металла и нагрев воздуха в зазорах незначи­телен; оптимальных сочетаний процессов сварки в защитных газах и под флюсом, обеспечивающих, наряду с достаточной стойкостью против пор, выполнение комплекса других требований к сварным соединениям труб; предварительной очистки поверхности рулонного металла у свариваемых кромок от окалины.

Исследованиями, выполненными в лабораторных условиях и в процессе изготовления многослойных труб, не выявлено связи между величиной зазора и образованием пор или шлаковых включений. Увеличение межслойного зазора до 2,5 мм практически не влияет на механические свойства сварных соединений (табл. 2). Однако

при зазоре между слоями более 0,7 мм жидкий металл сварочной ванны затекает в зазор и кристаллизуется в нем с образованием «рваной» поверхности. С увеличением зазоров до 1 мм и более объем затекающего в них металла возрастает настолько, что может повлечь 8а собой необходимость корректировки режимов сварки для обеспе­чения требуемой формы и размеров швов. Кроме того, увеличение межслойных зазоров приводит к изменению суммарной толщины свариваемого металла и сечения разделки кромок, требующей запол­нения. Колебания площади этого сечения обуславливаются также чрезмерно низкими требованиями к допускам на толщину рулонного металла и изменением линейных и угловых размеров скоса кромок при механической обработке.

Названные колебания разделки кромок резко усложняют технику автоматической сварки кольцевых швов многослойных труб. Поэтому ограничение величины межслойных зазоров, повышение точности ме­ханической обработки кромок и, возможно, селекция рулонного ме­талла по толщине являются обязательными условиями для обеспече­ния требуемого качества швов труб.

Ниже рассмотрены рекомендуемые способы сварки в углекислом газе и под флюсом стыковых, нахлесточных и кольцевых швов мно­гослойных труб. Вопросы технологии сварки труб этого тина в сме­сях на основе аргона изложены в работе [6].

Для повышения надежности многослойных труб соединение сты­ковыми швами отдельных отрезков рулонной полосы будет осуществ­ляться так, чтобы исключить их расположение на первом (внутреннем) витке обечаек. Поэтому требования, предъявляемые к таким швам, ограничиваются необходимостью обеспечения достаточной прочности соединения и отсутствия дефектов, которые могли бы привести к их разрушению в процессе навивки обечаек. Для выполнения указанных соединений рекомендована односторонняя однодуговая сварка под флюсом, при которой достигается достаточная производительность процесса в сочетании с наименее жесткими требованиями к допусти­мым колебаниям зазора между кромками. При толщине рулонной полосы 4,1 мм стыковые швы можно сваривать со скоростью 65— 70 м/ч (проволока Св-10Г2 диаметром 4 мм, флюс АН-60). Основным условием обеспечения качественных сварных соединений является плотное прилегание свариваемых кромок к медной подкладке.

При сварке продольных нахлесточных швов многослойных обе­чаек, помимо необходимости обеспечения герметичности таких швов, выполняемых внутри обечаек, предъявляются также сравнительно жесткие требования к форме и размерам соединения. Так, нахле - сточные швы должны иметь плавный переход к основному ме­таллу, а высота их усиления не должна превышать 1 мм над поверх­ностью замыкающего (нахлесточного) витка обечайки. Исходя из требований конструктивной прочности соединений такими швами необходимо проплавлять не менее двух витков обечайки, не считая нахлесточного. Для обеспечения минимального изменения формы обечаек и уменьшения числа используемого оборудования следует применять сварку с небольшими тепловложениями в сочетании с до­статочно высокой скоростью процесса.

Комплекс перечисленных, часто противоречивых, требований предопределил разработку принципиально нового способа двух­дуговой сварки нахлесточных швов в раздельные ванны с комбини­рованной защитой дуг, при котором первая дуга, проплавляющая необходимое число слоев, горит в СОа, а вторая, обеспечивающая требуемую форму усиления,— под флюсом. Дуги расположены на расстоянии 140—170 мм, скорость сварки 60—65 м/ч. При сопоста­вимой глубине проплавления швов удельные тепловложения такого процесса сварки на 30—40 % ниже по сравнению, например, с одно - или двухдуговой сваркой под флюсом. Высокая стойкость швов про­тив образования пор достигается конструкцией соединения.

Весьма сложной задачей при сварке нахлесточных швов является обеспечение качественных соединений у торцов обечаек. Телескопич - ность витков обечаек не позволяет использовать выводные планки. Малоэффективны также известные технологические приемы, при ко­торых начало и окончание процесса сварки осуществляют в кокилях, заполненных металлической крошкой, железным порошком или дру­гими материалами. Поэтому начинать и заканчивать сварку нахлес­точных швов необходимо непосредственно у торцов обечаек с исполь­зованием автоматических систем введения в процесс дуг, а также программного изменения режима их горения и скорости сварки. При этом величина требуемой обрезки обечаек определяется, прежде все­го, надежностью работы датчиков сварочной аппаратуры, контроли­рующих очередность выполнения отдельных операций.

Для выполнения нахлесточных соединений обечаек из рулонной стали 09Г2СФ толщиной 4,1 мм оптимальным является использование

сварочной проволоки Св-08Г2С диаметром 3 мм (первая дуга) ~и Св-10Г2 диаметром 4 мм (вторая дуга), а также флюса АН-65 или АН-60. Прочностные свойства таких соединений не уступают основно­му металлу, а угол их загиба превышает 120°. Микроструктура метал­ла шва и околошовной зоны типична для сварных соединений стали аналогичного класса. Твердость металла шва и участка перегрева лишь незначительно превышает твердость основного металла. В целом нахлесточные соединения обечаек, сваренные с применением указан­ных материалов, обладают достаточно благоприятным сочетанием прочностных и пластических свойств.

Кольцевые швы многослойных труб предложено сваривать в сле­дующей последовательности: вначале обечайки соединяют так назы-

ваемым сборочным швом, затем сваривают внутренний рабочий шов и, наконец, завершают выполнение соединения снаружи трубы в один или несколько проходов.

Способ сварки с предварительным соединением кромок в С02 сборочным швом широко используется при изготовлении прямошов­ных труб на Харцызском трубном заводе и ряде зарубежных пред­приятий [7, 8]. Сборочные швы сваривают одной дугой проволокой Св-08Г? С диаметром 4 мм. Такой процесс сварки отличается доста­точной надежностью в сочетании с высокой скоростью выполнения швов. Так, в лабораторных условиях скорость сварки сборочных швов достигает 300—360 м/ч. При большой скорости процесса, одна­ко, возрастают требования к точности направления электрода по стыку кромок и к динамическим характеристикам источника питания. Поэтому применительно к сборочным кольцевым швам, соединяющим обечайки, скорость сварки ограничена и составляет 180 м/ч. Испы­тания показали, что выполнение сборочных швов на многослойном металле не имеет каких-либо существенных особенностей по сравне­нию с металлом сплошного сечения. Как видно (табл. 3), соединения со сборочными швами многослойных образцов из стали 09Г2СФ (че­тыре слоя по 4,1 мм) обладают более высокой деформационной способ­ностью, причем в отличие от стали сплошного сечения величина до­пустимых углов их изгиба определяется в большей мере конструк­цией соединения, чем скоростью сварки. Внутренние и замыкающие (облицовочные) наружные кольцевые швы наиболее рационально сваривать одной дугой под флюсом^ а промежуточные кольцевые
швы — в защитном газе. Необходимое число проходов зависит от •суммарной толщины стенки трубы, причем при толщине стенки до 17 мм кольцевые швы могут выполняться без промежуточного или с одним промежуточным слоем, до 24 мм — с одним или двумя проме­жуточными слоями и более 24 мм — с двумя или тремя промежуточ­ными слоями. С учетом результатов исследования особенностей обра­зования пор у межслойных зазоров при сварке многослойных труб во всех случаях выбираются режимы с минимально необходимой по­гонной энергией. Для повышения качества соединений скорость сварки ограничена и составляет 30—35 м/ч. Питание дуг при сварке кольцевых швов, как и в случае выполнения продольных нахлесточ­ных и стыковых соединений, осуществляется от источников постоян­ного тока.

Результаты испытаний ударной вязкости металла шва стыковых многослойных образцов из рулонной стали 09Г2СФ, показаны на рис. 4. Швы сваривались по технологии и на режимах близких к рекомендованным для выполнения кольцевых швов труб. Приведен­ные данные позволяют выбрать оптимальные сочетания сварочных материалов, исходя из предъявляемых требований. Прочность свар­ных соединений, выполненных указанными сварочными материалами, не уступает основному металлу.

Разработанная на основе проведенных исследований технология сварки швов труб с многослойной стенкой проверена в промышлен­ных условиях на опытном участке Харцызского трубного завода. Результаты опытно-промышленной проверки рассмотрены в рабо­те [9].