РЕМОНТ ОБОРУДОВАНИЯ СВАРКОЙ

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ И СПОСОБОВ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Сварка и наплавка являются технологическими процессами, широко применяемыми в настоящее время при ремонтных рабо­тах.

Современный уровень технологии сварки и наплавки позволя­ет надежно, быстро и дешево восстанавливать сложные и доро­гостоящие изделия, узлы и части машин, вышедшие в процессе эксплуатации из строя вследствие износов и поломок.

Методами сварки и наплавки надежно восстанавливаются даже такие сложные и точно обрабатываемые детали, как колен­чатые валы, станины и цилиндры дизелей, компрессоров, насо­сов; станины и цилиндры гидравлических прессов; валы и ста­нины различных смесителей, а также другое сложное оборудова­ние, работающее в тяжелых условиях динамических, вибрацион­ных, тепловых и других нагрузок. Восстановленные детали, как правило, могут работать не хуже новой детали. В ряде случаев при восстановительных работах удается даже улучшить эксплуа­тационные свойства деталей и повысить надежность их работы. Это достигается как конструктивными изменениями узлов при за­варке различных изломов и трещин, так и наплавкой поверхно­стного слоя металлом, обладающим лучшими эксплуатационны­ми свойствами, чем основной металл.

Все ремонтные сварочные и наплавочные работы можно клас­сифицировать по характеру повреждений деталей, которые раз­делим на два основных вида:

I. Повреждения рабочих поверхностей деталей и изменение первоначальных размеров вследствие износа от истирания со­прягаемых поверхностей, соприкосновения с абразивными мате­риалами, поверхностных ударов, воздействия потоков газов, па­ров, жидкостей и других неблагоприятных условий эксплуатации.

Повреждения рабочих поверхностей исправляются наплавкой и металлизацией.

II. Повреждения, связанные с разрушениями деталей вслед­ствие образования изломов, трещин, отколов. Такие повреждения исправляются сваркой.

Для облегчения выбора способа восстановления, присадочно­го металла и других технологических условий ниже предлагает­ся разбивка деталей по группам в зависимости от характера из­носа или повреждения. Эта классификация позволяет правиль - нее определить причину повреждения и выбрать способ восста­новления, обеспечивающий высокие эксплуатационные качества детали после ремонта при наименьших затратах на восстановле­ние, а также оценить возможность механизации сварочных работ.

I. Износ рабочих поверхностей можно разделить на следую­щие группы:

Группа I н [1]. Износ поверхностей сопрягаемых деталей вследствие трения (скольжения или качения) и смятия. Сюда относятся, например, износы деталей железнодорожного подвиж­ного состава — бандажи и центра колес, оси; проушины траков гусеничных тракторов; коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания; валы турбин, насосов и детали другого разнообразно­го Машиностроительного, транспортного, сельскохозяйственного и химического оборудования. Поскольку большинство таких де талей работает при постоянных или периодических соприкосно­вениях пары металл — металл, вновь наплавленный слой должен иметь твердость, требуемую техническими условиями, превыше­ние которой недопустимо.

Восстановление большей части деталей этой группы произво­дится по строго разработанной технологии, зафиксированной в специальных технологических картах. Такие карты обеспечи­вают однотипность технологии восстановительных работ, возмож­ность применения автоматических способов сварки, высокое ка­чество и требуемую работоспособность восстановленых деталей. Разработка технологических карт для сварки и наплавки деталей широко применяется в различных отраслях народного хозяйства. Типовые карты являются обязательными для организаций, вы­полняющих ремонт. Рекомендуемые способы восстановительных работ для деталей этой группы приведены в табл. 1.

Группа Пн. Износ рабочих поверхностей штампов, прокат­ных валов, ножей для резки холодного и горячего металла и дру­гих деталей штамповочного и прокатного производства. Подоб­ные разрушения возникают вследствие трения, ударных нагрузок, действия температуры, газов и давления. Сварка и наплавка при ремонте таких изделий в последнее время получили весьма широкое применение. Созданы и с успехом применяются способы наплавки рабочих поверхностей деталей из специальных легиро­ванных сталей сложной композиции. Применение этих способов позволяет в ряде случаев получить рабочие поверхности, превос­ходящие по своим эксплуатационным свойствам основной металл.

Следует отметить, что экономическое значение этих работ для народного хозяйства чрезвычайно велико. Штампы или прокат­ные валки из высоколегированной стали весом в несколько тонн, сложные в изготовлении и требующие большой точности, часто выходят из строя вследствие недопустимого износа какой-либо незначительной грани их профиля. При отсутствии надежного способа наплавки деталь или бракуется, или перетачивается на другой размер. Наплавка же позволяет быстро и надежно вос­станавливать эти изделия (табл. 2). Разработан ряд способов наплавки, позволяющих автоматизировать процесс.

Группа 111н. Износ деталей, соприкасающихся с различ­ными твердыми породами и грунтами и подверженных значитель­ному абразивному истиранию и ударным нагрузкам. К этой груп­пе относятся детали машин и механизмов, работающих на пере­работке минерального сырья, обработке почвы, бурении сква­жин, добыче руды, угля, сланцев, различных сельскохозяйствен­ных машин, оборудования цементных мельниц, драг и другого оборудования.

Наплавка таких деталей должна обеспечить получение твер­дого износоустойчивого слоя. В большинстве случаев наплавлен­ный слой может быть в последующем обработан только твердым абразивным инструментом. Эти работы носят массовый харак­тер, поэтому в данном случае вопросы низкой стоимости наплав­ки, применения дешевых и недефицитных материалов имеют большое значение. Например, наплавка лемехов тракторных плу­гов дешевым хромистым отбеленным чугуном позволяет вдвое уменьшить расход стали на 1 га пашни, улучшить эксплуатацию тракторного парка и значительно сократить расход горючего. Рекомендуемые способы наплавки деталей этой группы приведе­ны в табл. 3.

Г руппа I V н. Эрозионные и кавитационные разрушения по­верхностей деталей, работающих под действием жидкостных или газовых струй, обладающих большими скоростями, высоким дав­лением и в некоторых случаях — высокой температурой.

Современные тепловые электростанции работают на высоких избыточных давлениях пара (150—250 кГ/см2) при 475—575° С. Рабочие поверхности регулирующей и запорной арматуры в этом случае должны обладать высокой стойкостью, хорошо сопротив­ляться эрозии, образованию окалины и межкристаллитной кор­розии, обеспечивая длительную работу.

Изготовление и ремонт такой арматуры осуществляются при помощи дуговой наплавки специальными электродами, которые обеспечивают высокие эксплуатационные свойства и длительную работу рабочих поверхностей этой арматуры. Уплотняющие по­верхности наплавляются при точном соблюдении режимов предварительного подогрева и последующей термической об­работки.

В машиностроении этими способами восстанавливают рабо­чие поверхности детален запорной и регулирующей арматуры гидравлических прессов, химического оборудования и т. п.

Для уплотнения газовых задвижек рекомендуется произво­дить наплавку в них латунных колец, заменяющих кольца типа «ласточкин хвост». Способы наплавки даны в табл. 4.

II. Разрушение деталей в процессе эксплуатации с образова­нием изломов, отколов, трещин по причинам возникновения, можно разделить на следующие группы.

Группа 1с. Разрушения в виде трещин, изломов, надрывов, отколов, возникающих вследствие нарушения нормальной экс­плуатации оборудования. Такие аварийные разрушения происхо­дят по многим причинам: попадание инородных тел в механизмы; превышение нормальных расчетных нагрузок и давлений; воз­никновение ударов в кривошипных механизмах; нарушения тех­нологии при ковке, штамповке, прокате; падение деталей во вре­мя монтажа и т. д. Возможность разрушения деталей в этих случаях не может быть определена заранее. Часто, особенно при сложном и тяжелом оборудовании, в результате аварий детали разрушаются на несколько частей или в них образуются трещи­ны, при которых дальнейшая эксплуатация оборудования ста­новится невозможной. Такие поломки вызывают длительные про­стои оборудования, а в ряде случаев и нарушение процесса про­изводства смежных участков и цехов, особенно, если это обору­дование находится в составе технологической линии. Для изго­товления новой крупной детали в большинстве случаев требуется значительное время на разработку чертежей, изготовление моде­лей и самого изделия.

Так, например, для изготовления новых цилиндров к мощным гидравлическим прессам взамен цилиндров, вышедших из строя вследствие образования трещин, требуется от 1 до 2 лет при достаточно напряженном графике работы. В этих усло­виях применение сварки для ремонта цилиндров дает большой экономический эффект, так как даже самые сложные ремонты, требующие значительных работ по демонтажу и монтажу обору­дования, могут быть выполнены в значительно более короткий срок, чем изготовление новой детали. В ряде случаев сварочные ремонтные работы удается выполнить без демонтажа оборудова­ния, и тогда продолжительность ремонта резко сокращается, а экономический эффект от применения сварки соответственно воз­растает.

К технологии сварочных работ в таких случаях предъявля­ются следующие требования:

I. Получение сварного соединения, равнопрочного основному металлу. Для этого в большинстве случаев не требуется конст­руктивного изменения детали в месте сварки.

2. Определение возможности и условий выполнения свароч­ных работ без демонтажа или с частичным демонтажем изделия.

3. Выбор способа подготовки изделия к сварке, при котором количество наплавленного металла будет минимальным.

4. Создание условий, обеспечивающих полное отсутствие ко­роблений детали при сварке или возникновение их в пределах, допустимых для данной детали.

5. Минимальная последующая механическая обработка де­тали после сварки или полное отсутствие таковой.

Более подробно эти вопросы рассматриваются в гл. II и III.

Группа II с. Разрушение деталей от длительного воздей­ствия знакопеременных или цикличных нагрузок (разрушения вследствие усталости металла). Вероятность этих разрушений резко возрастает при высоком уровне напряжений в изделии, на­личии в нем конструктивных недостатков или дефектов в металле.

В процессе эксплуатации оборудования, работающего при знакопеременных или цикличных нагрузках, в наиболее нагру­женных участках концентрируются напряжения, которые иногда могут достигать предела текучести. Эти напряжения после зна­чительного количества циклов могут вызвать разрушения ме­талла в данном месте, сначала в виде незначительного надрыва. •С увеличением продолжительности работы и числа циклов нагруз­ки размеры трещины постепенно увеличиваются. В таком состоя­нии деталь может работать до тех пор, пока величина напряже­ний в оставшемся сечении не достигнет предела прочности. В этом случае наступает хрупкое разрушение металла и деталь выхо­дит из строя. Усталостные разрушения имеют характерный из­лом, на котором можно отчетливо проследить постепенное разру­шение металла в данном сечении. Обычно излом имеет волно­образную форму с плавными переходами у отдельных волн; по­верхность волн сглажена, отдельные выступы при взаимном тре­нии смяты и зернистый характер металла в изломе уничтожен. При сухом трении поверхность излома покрыта красноватым на - .летом ржавчины, а при наличии смазки — забита и замаслена. Участок же хрупкого разрушения четко выделяется своим зерни­стым строением и свежим металлическим изломом. Характерный усталостный излом вала показан на рис. 1.

Возникновение усталостных разрушений зависит от величины расчетных напряжений, принятых при проектировании, наличия внутренних или поверхностных дефектов металла и обработки, а также от конструктивных недостатков — наличия резких перехо­дов от более массивного сечения к менее массивному, отсутствия закруглений в угловых переходах.

Назначая технологию восстановительных работ, необходимо предусмотреть мероприятия, обеспечивающие снятие полученных металлом усталостных напряжений. Наиболее рациональным способом для этого является общий высокотемпературный отпуск стальных изделий при 650 °С. Такая термообработка полностью ■снимает все напряжения (как сварочные, так и полученные деталью в процессе эксплуатации) и обеспечивает возможность длительной нормальной работы детали после проведенного ре­монта. Технология восстанозления таких деталей более подробно рассматривается в гл. II.

Рекомендуемые способы сварки для деталей групп 1с и Пс даны в табл. 5.

Группа III с. Разрушение деталей вследствие дефектов кон­струкции или дефектов, возникших при изготовлении и обработ­ке. К таким дефектам следует отнести: смещение стенок в чугун­ных и стальных литых деталях; резкие переходы сечений от боль­шой толщины стенки к малой; отсутствие нужных радиусов за­круглений в галтелях коленчатых и других валов; наличие отвер­стий на участках, где действуют значительные растягивающие усилия; внутренние раковины, шлаковые включения и несплавле - ния металла в литье; подрезы резцом при механической обработ­ке или в швах сварных соединений в напряженных участках; на­личие других местных концентраторов напряжений, расположен­ных в наиболее нагруженных частях детали.

Детали с указанными дефектами могут длительное время на­ходиться в эксплуатации и работать с полной нагрузкой. В то же время следует помнить, что в дефектном месте величина напря­жений может существенно возрасти и тогда незначительная пере­грузка или вибрации вызовут разрушение перегруженного

участка, вследствие чего деталь выйдет из строя. На рис. 2 по­казана схема расположения внутреннего дефекта в виде круп­ной раковины в верхней крышке паровой турбины фирмы Бро - ун-Бовери. Дефект в виде свища появился после 16 лет эксплуа­тации, хотя толщина стенок в дефектном месте составляла толь­ко 8—10 мм вместо 100 мм в целом месте.

Технология сварки деталей этой группы должна предусмат­ривать: полную заварку обнаруженных дефектов; возможность

усиления конструкции ремонти­руемого узла путем приварки уси­ливающих элементов; исправле­ние конструктивного недостатка путем наплавки и изменения кон­струкции узла. Повышение на­дежности сварного соединения может обеспечиваться также при­менением присадочного металла, обладающего большей прочно­стью и вязкостью, чем основной металл.

Группа IVc. Разрушения, происходящие при длительном воздействии теплоты, передавае­мой металлу через газы, жидко­сти и пары. Такие разрушения встречаются;

а) в энергетических тепловых установках, паропроводах, пароперегревателях, барабанах кот­лов и в другом оборудовании паросилового хозяйства;

б) в нефтеперегонной и химической аппаратуре;

в) в двигателях внутреннего сгорания.

Тепловое разрушение металлов в большинстве случаев вызы­вается изменением их механических и физических свойств и свя­зано с явлением окисления основных элементов сплава. Свари­ваемость таких сплавов резко ухудшается. Ремонтировать изде­лия с тепловыми разрушениями очень сложно. В ряде случаев приходится удалять значительные объемы пораженного металла и даже целые узлы агрегатов, заменяя их новыми. Такой ремонт требует тщательно разработанной технологии. Для деталей, изго­товленных из углеродистых и легированных сталей, а также из чугуна, приходится для улучшения структуры и снятия напряже­ний в большинстве случаев применять сварку с предварительным подогревом изделия и последующую термическую обработку.

Группа Vс. Коррозионные (химические), кавитационные и эрозионные разрушения.

Коррозионные разрушения наблюдаются в различных ап­паратах для химических, нефтеперерабатывающих, лакокрасоч­
ных и других процессов, где происходит соприкосновение метал­ла с агрессивной средой. Интенсивность коррозии резко возра­стает при высоких температурах и давлениях.

Коррозионые разрушения в химической аппаратуре могут быть общими, когда наблюдается растворение поверхностных участ­ков металла в рабочей среде, или местными (межкристалличе - скнми), когда разрушение происходит между отдельными кри­сталлами. Изделия, изготовленные из аустенитной нержавеющей стали, не стабилизированной специальными присадками (тита­ном, ниобием), особенно подвержены таким разрушениям. В этом случае в участках, где структурные изменения вызвали выпаде­ние карбидов хрома, происходит интенсивная местная так на­зываемая «ножевая» коррозия, и изделие в месте сварного со­единения разрушается. Ремонт таких изделий выполняется или наплавкой специальными электродами, стабилизированными от выпадения карбидов хрома при сварке, или вваркой вставок вместо удаленной части основного металла.

В паросиловом энергетическом оборудовании (барабаны кот­лов, грязевики, пароперегреватели и т. д.) встречаются разру­шения в виде отдельных «разъедин» и свищей. Исправление их производится путем заварки дефектных мест электродами, обес­печивающими состав наплавленного металла, близкий к основ­ному.

Наиболее опасны для этих установок явления так называемой каустической хрупкости, которые проявляются в виде местных трещин в зоне заклепочных соединений и в зоне трубных реше­ток.

Следует отметить, что в Советском Союзе различными орга­низациями и предприятиями проделана значительная работа по замене клепаных соединений в барабанах котлов действующих котельных установок на сварные. Работа была организована так, что всю сварку выполняли без демонтажа котлов, не затрагивая их трубной системы и без нарушения целостности обмуровки кот­ла. Тщательно разработанная технология и высокая квалифика­ция сварщиков позволили провести работы на большом количе­стве парокотельных установок низкого (12—15 кГ/см2) и сред­него (50—60 кГ/слі2) давления пара. Эти мероприятия, осуществ­ленные в широких масштабах, существенно повысили безопас­ность работы котельных установок промышленных предпри­ятий.

Кавитационные разрушения деталей камер и рабочих колес гидротурбин и насосов вызываются действием струй жидкости, протекающей с критической скоростью. Этот вид разрушения ха­рактеризуется образованием в месте повреждения губчатого ме­талла. В некоторых случаях глубина пораженного слоя может достигать нескольких десятков миллиметров. Детали с разруше­ниями подобного типа восстанавливаются наплавкой сплавами,

дающими устойчивый нержавеющий слой, или вваркой заплаты из нового металла.

Эрозионные разрушения наблюдаются в арматуре тепловых энергетических установок и химических агрегатов, работающих при высоких давлениях и высоких температурах. Запорная и ре­гулирующая арматура должна иметь уплотнительные поверхно­сти, хорошо сопротивляющиеся эрозионным разрушениям.

В ряде случаев коррозионные (химические) повреждения соче­таются с тепловыми. Некоторые способы исправления типовых повреждений деталей этой группы приведены в табл. 6.

Группа Vic. Разрушения деталей, изготовленных из мате­риалов, не соответствующих техническим условиям, в частности материалов с повышенным содержанием вредных примесей, на­пример, литые углеродистые стали с повышенным содержанием фосфора и серы, кипящие стали, содержащие большое количе­ство газов, специальные сплавы, содержащие повышенное коли­чество вредных примесей или газов (водорода, кислорода, азота).

Сплавы с повышенным содержанием вредных примесей (на­пример, для стали — серы, фосфора, водорода, азота и кислоро­да), а также других примесей, случайных для сплава данной мар­ки, плохо свариваются. В большинстве случаев для сварки таких сталей требуются специальные условия и тщательная разработка технологического процесса. Особенно трудно ремонтировать де­тали, изготовленные из кипящих сталей, если их приходится сва­ривать при температурах ниже 0°С. Например, стальные литые опорные бандажи (диаметр 3,6—4,8 м, сечение 800x250 мм) им­портных цементных вращающихся печей в ряде случаев имели повышенное (до 0,08%) содержание фосфора. Аварийные разры­вы таких бандажей удавалось заваривать только с местным подо­гревом стыка до 350—400°С, выполнением сварки за один тепло­вой цикл, применением высококачественных электродов и прове­дением местной термообработки при 650° С для снятия внутрен­них напряжений после сварки.

Такая технология сварки при высокой квалификации сварщи­ков обеспечивала длительную работу бандажа при сложных ди­намических нагрузках.

Прежде чем назначать технологию сварочно-восстановитель­ных работ, необходимо тщательно проанализировать причину вы­хода детали из строя; при этом нужно учитывать, что в ряде слу­чаев может иметь место сочетание нескольких причин. Так, на­пример, при ударе, вызвавшем разрушение детали, в изломе был обнаружен существенный литейный дефект. В этом случае, если дефект полностью исправить наплавкой, заваренный участок бу­дет более работоспособен, чем до разрушения.