РЕМОНТ ОБОРУДОВАНИЯ СВАРКОЙ

РАЗРУШЕНИЯ, ВЫЗВАННЫЕ КАУСТИЧЕСКОЙ ХРУПКОСТЬЮ

Каустической хрупкостью называются межкристаллитные разрушения, появляющиеся в стальных изделиях, изготовленных из углеродистых сталей. Разрушение по границам зерен проис­ходит в случае общей или местной концентрации щелочи при наличии значительных напряжений и температуры свыше 100 °С. Такие разрушения обычно встречаются:

а) в барабанах котлов, изготовленных клепкой, когда вслед­ствие длительной эксплуатации имеет место нарушение герме тичности заклепочного соединения и в его полость попадает котловая вода, содержащая некоторое количество щелочи. В этих условиях создается местная концентрация щелочи, дости­гающая 10—12% (т. е. 100—120 мг/л).

Трещины возникают в заклепках и перемычках между закле­почными отверстиями. Подобные разрушения опасны, так как нарушают прочность всего клепаного соединения. Когда коли­чество их достигнет критического, то неизбежна авария котла, в большинстве случаев имеющая характер разрушения всего котельного агрегата. Такие аварии имели место в котельных установках и трубопроводах тепловых электростанций. Каусти­ческие разрушения клепаного соединения очень трудно обнару­жить; обычно приходится удалять несколько заклепок и прово­дить ультразвуковой и магнитографический контроль поверхно­стей заклепок и их отверстий. Каустические трещины совершенно не обнаруживаются просвечиванием рентгеновскими и гамма- лучами;

б) в трубных решетках барабанов котлов среднего и высокого давления, когда основными причинами разрушения является местная концентрация щелочи в неплотностях вальцовочных соединений;

в) в различной химической аппаратуре, где возможна мест­ная или общая концентрация щелочи в клепаных, вальцовочных или фланцевых соединениях.

Разрушения клепаных соединений барабанов паровых кот­лов. Применение смягченной воды с избытком щелочи полностью устраняет в котле образова­ние накипи, которая наибо­лее интенсивно откладывает­ся в местах, где движение жидкости замедлено. При отсутствии накипи любое не-

значительное расстройство клепаных соединений вызывает на* рушение их герметичности и проникновение жидкости во вну* треннюю полость клепаного шва. Попавшая в эту полость во­да испаряется, а пар по микроканалам выходит наружу, и остав­шаяся в полости жидкость обогащается щелочью. С течением времени в этом своеобразном «сборнике» концентрация щелочи может достигнуть опасных пределов.

Как показывает практика, первоначальное образование тре­щин вследствие каустической хрупкости всегда начинается на внутренних поверхностях клепаного соединения (рнс. 50). Такое расположение трещин является крайне опасным, так как тре­щины совершенно недоступны для наблюдения и их можно обнаружить только после вскрытия клепаного соединения.

Трещины от каустической хрупкости чрезвычайно тонки и часто не могут быть обнаружены даже с помощью лупы. Наибо­лее часто эти трещины выявляются при подмагничіївании (рис. 51) с применением магнитной эмульсии (магнитный поро­
шок железной окалины, разведенный в воде). Такие хрупкие разрушения могут привести к разрывам клепаных барабанов и другого котельного оборудования. Единственным (косвенным) способом выявления этих трещин является тщательное наблюде­ние за плотностью клепаных швов. Самый незначительный про­пуск пара в них должен явиться уже предостережением. В этом случае необходимо вскрыть шов на протяжении 200—500 мм и проверить посредством подмагничивания наличие трещин в накладке и в теле котла около заклепочных отверстий.

Клепаные барабаны котлов, поврежденные каустическими трещинами, нельзя допускать к эксплуатации. Заваривать эти трещины невозможно, так как обычно поражен большой участок заклепочных соединений, а трещины распространяются между заклепками и проникают в толщу металла. Наиболее рациональ­ным способом восстановления поврежденных барабанов является замена всех клепаных продольных и поперечных швов сварными, а также вварка в барабаны вставок и поясов из нового металла. Такая реконструкция может осуществляться без демонтажа котельного агрегата и ремонтируемого барабана котла. Рекон­струкции подвергаются барабаны: а) изготовленные из листовой стали, имеющие продольные и кольцевые клепаные швы и прикле­панные днища; б) изготовленные из двух полуобечаек, имеющие два продольных клепаных шва и приклепанные днища; в) изго­товленные из цельнокованой цилиндрической части с приклепан­ными днищами.

Во всех перечисленных случаях работы выполняются при­мерно по одинаковой технологии, предусматривающей после­довательное удаление всех заклепочных соединений и вварку на их место новых вставок, изготовленных из металла, по своим прочностным характеристикам близкого к металлу барабана. Работы производятся в котельном агрегате без демонтажа труб­ной решетки, а в ряде случаев — и без удаления трубной си­стемы.

Для реконструкции барабанов можно рекомендовать три ва­рианта замены клепаных днищ:

первый — изготовление взамен удаляемых новых днищ, со­ответствующих по своим размерам барабану котла и с требуе­мой длиной цилиндрической части и толщиной стенки, обуслов­ленной нормами Госгортехнадзора;

второй — использование старых днищ путем их разбортов­ки после удаления заклепочного шва под нужный диаметр. Раз­бортовка выполняется в горячем состоянии с применением по­следующего отпуска для снятия внутренних напряжений и при­варкой днищ к цилиндрической части барабана;

третий — использование старых днищ; сначала привари­вают к днищу переходное кольцо (с последующим отпуском
днища для снятия внутренних напряжений) и затем приварива­ют его к цилиндрической части барабана.

Последовательность выполнения работы: сначала удаляют клепаные соединения газовой резкой по предварительной раз­метке, после чего газовым резаком снимают кромки под сварку. В зависимости от места расположения шва сварочные работы выполняют изнутри или снаружи барабана. Приварка верхней половины днища осуществляется снаружи, а нижней половины — изнутри барабана.

Порядок удаления заклепочных швов и днищ выбирается таким, чтобы обеспечить сохранение размеров и избежать обра­зования эллипса в сечении барабана. Для этого перед удалением днищ цилиндрическая часть барабана закрепляется двумя диа­метрально расположенными распорками. Перед удалением про­дольных клепаных швов предварительно привариваются спе­циальные скобы. Схема ремонта барабана показана на рис. 52.

Сварка производится многослойными швами электродами УОНИ-13/45 или УОНИ-13/55. Обычно сварку продольных вста­вок ведут одновременно два сварщика. Разделка заполняется каскадным способом. Если толщина стенки барабана превышает 20 мм, то рекомендуется применять предварительный местный подогрев кромок до 150—200 °С. После заполнения разделки шва с наружной стороны производится выплавка или подрубка корня шва с обратной стороны и его проварка. Приваривают днище одновременно два сварщика, находящиеся все время на диаметрально противоположных сторонах окружности барабана. Верхняя часть разделки заваривается снаружи, а нижняя — изнутри барабана. Особенно тщательно следует заваривать уча­стки смыкания швов по горизонтальному диаметру барабана.

где внутренний шов переходит в наружный. Вырубка и подварка корня швов осуществляются: для верхней половины — с внутрен­ней стороны, для нижней — с наружной стороны барабана.

Особенно много было реконструировано барабанов, имеющих цельносварную или цельнокованую цилиндрическую часть и приклепанные днища. Толщина стенок этих барабанов 40—45 мм, они работают на агрегатах среднего давления пара 40 —60 кГ/см2.

По правилам Госгортехнадзора швы тол-* щиной 40—45 мм подлежат местной тер­мообработке (отжигу), которую удобнее всего осуществлять индукционным нагре­вом токами промышленной частоты. Та­кой способ обеспечивает равномерный нагрев всего стыка и снятие имеющихся внутренних напряжений. По действую­щим правилам Госгортехнадзора все сварные соединения на барабанах паро­вых котлов должны подвергаться 100%-ному просвечиванию рентгеновски­ми или гамма-лучами. При выполнении сварочных работ следует особое внима­ние обратить на квалификацию сварщи­ков. Перед допуском к этим работам сварщики должны выдержать специаль­ные испытания и сварить контрольные пластины в том же положении шва, в ко­тором будут выполняться основные сва» рочные работы.

Трещины каустической хрупкости в барабанах котлов высо­кого давления. Барабаны котлов высокого давления изготов­ляются цельноковаными или цельносварными из легированных теплоустойчивых сталей типа М, ХМ, ХМФ и др. толщиной 100—120 мм. Котлы работают под давлением пара 100—250 кГ/см2 при 500—650 °С. Барабаны таких котлов рабо­тают при 350—450 °С. В этих условиях наиболее слабым местом агрегата являются вальцовочные соединения труб с барабаном. Всякое нарушение этих соединений может вызвать пропуск через них воды и пара. т. е. создает условия для концентрации щелочи в пространстве между трубой и стенкой отверстия (рис. 53).

Возникновение значительных внутренних напряжений и нару­шение вальцовочных соединений в стенках котла и в трубных перемычках чаще всего происходят при внезапных остановках агрегата и во время форсированных пусков, когда в стенке бара­бана возникают значительные температурные перепады. В пов­режденных каустической хрупкостью барабанах высокого дав­ления трещины чаще всего возникают в теле барабана и в стенке трубы, а затем постепенно начинают распространяться от отвер-
етия на поверхность. Такой процесс возникновения трещин затрудняет их выявление. Трещины могут быть обнаружены только после удаления трубы или когда разрушение будет уже настолько большим, что трещины выйдут на поверхность. При­знаком наличия трещин является пропуск пара около мест завальцовки труб. Обычно считают, что трещины каустической хрупкости заварить нельзя и лучше поврежденные барабаны заменять новыми.

По предложению Центральных экспериментальных сварочных мастерских ВНИИавтогенмаша на одном из барабанов котла высокого давления была произведена заварка трех трещин кау­стической хрупкости.

Барабан изготовлен цельнокованым и установлен на котлоагре­гате с рабочим давлением 120 кГ/см2 и температурой перегретого пара 520°С. Химический состав стали: 0,09% С; 0,45% Мп; 0,10% Si; 0,028% S; 0,04% Сг; 4,8% Ni; 0,1% Си. Механические испытания образцов металла дали следующие результаты: пре­дел прочности 53,4—59,5 кГ/мм2 предел текучести 41,9—42,9 кГ/мм2; относительное удлинение 9,3—13%; ударная вязкость 2,6—5,2 кГм/см2. Исследования выявили, что металл барабана имеет пониженную вязкость. Металлографическое исследование показало наличие в металле крупнозернистой феррнто-перлнт - ной структуры.

Во время очередного осмотра барабана была замечена тон­кая внутренняя трещина, идущая от отверстия водомерной колонки к отверстию для непрерывной продувки. После удаления завальцованных труб была обнаружена кольцевая трещина в трубе водомерной колонки. В отверстиях барабана было обна­ружено еще несколько трещин, не выходящих на поверхность; наружная трещина была почти сквозной и не доходила до наружного края отверстия на 8—10 мм. Магнитографическим исследованием всех завальцованных труб обнаружили еще одну группу трещин, расположенных с противоположной стороны барабана вокруг отверстия для фосфатного питания. Металло­графические исследования металла, взятого из места располо­жения трещин, показывают, что эти трещины имеют межкристал - литный характер с разрушением отдельных кристаллов. От основной трещины отходят в разных направлениях многочис­ленные ответвления в виде тонкой сетки трещин. Схема распо­ложения трещин показана на рис. 54.

В процессе подготовки к сварке были удалены все повреж­денные места посредством вырубки их пневматическим зубилом. Учитывая разветвленный характер и объемное расположение трещин, очень важным было удалить все трещины. Чтобы выявить расположение трещин, применяли многократное под - магничивание поврежденного участка и проверяли поверхность разрубки магнитной суспензией.

Для подмагничивания использовали сварочный трансформа­тор С'іЗ-34, с трансформатора снимали кожух и вокруг сердеч­ника наматывали 10—12 витков провода сечением 3X90 = = 270 мм2. Этот провод подключали к исследуемому участку при помощи двух медных контактов или при помощи медных пробок, вставленных в трубные отверстия. Такая система обеспечивала прохождение тока 2500—3000 а. Время подмагничивания состав-

ляло 30—60 сек. Для выявления трещин исследуемую поверх­ность обильно смачивали водной магнитной суспензией. Магни­тографическое исследование производилось многократно, послойно, после снятия слоя толщиной 10—15 мм.

Следует отметить, что на глубине 25—35 мм количество тре­щин увеличилось, а часть трещин, расположенных перпендику­лярно к основной трещине, имела разветвленный характер и при рубке в этих местах металл выкрашивался кусками объемом в несколько кубических сантиметров. Число трещин достигало нескольких десятков. При рубке выяснилось, что основная тре­щина — сквозная и сильно разветвлена. По окончании вырубки и удалении всех, даже мельчайших трещин, разделка имела вид, показанный на рис. 55 Для заварки были изготовлены конусные втулки из стали Ст. 3, вставляемые в отверстия; в зазор помеща­лись вставки из листового металла. Выполнение сварочных работ осложнялось:

а) большой толщиной стенки барабана и большой жест­костью свариваемого узла, что могло вызвать внутренние напря­
жения, превышающие предел прочности и способствующие появлению новых трещин;

б) содержанием в металле меди и никеля, что могло вызвать появление микротрещнн в переходных зонах;

в) малой вязкостью металла, что вызывало опасность трегци - нообразования в переходных зонах и основном металле.

Для сварки использовались электроды УОНИ-13/55. Перед началом сварочных работ была произведена контрольная сварка двух образцов, взятых из барабана. Результаты механических

испытаний образцов наплавленного металла: предел текучести 53,7—

54,4 кГ/мм2, ударная вязкость 19,0 к Г м/см2.

Металлографическое исследование сварного соединения образцов показало, что в результате теплового воздействия про­исходит резкое измельчение зерна в переходной зоне; по-види­мому, это и является одной из причин увеличения ударной. вяз­кости сварного соединения. Выпадения меди и никеля не было обнаружено.

Выполнение сварочных работ производилось в следующем порядке. Перед началом сварки был произведен местный подо­грев участков барабана, прилегающих к разделке кромок, и самих кромок до 120—150 °С двумя газовыми горелками. Сварку выполняли одновременно два сварщика (один сваривал внутри барабана, а другой — снаружи) электродами УОНИ-13/55 диа­метром 4—5 мм каскадным методом, начиная с заварки отвер­стия и постепенного заполнения разделки (рис. 56).

Для уменьшения внутренних напряжений применяли послой­ную проковку швов пневматическим зубилом с радиусом закруг­ления бойка 2,5 мм. Необходимо отметить, что металл, наплав­ленный электродами УОНИ-13/55, обладает высокой вязкостью и хорошо поддается проковке. Проковка швов большой толщины дает хорошие результаты и сильно уменьшает внутренние напря­жения. Проковка проводится легкими частыми ударами молотка (4—6 ударов по одному месту) параллельно оси шва.

По окончании сварочных работ данная часть барабана была подвергнута выравнивающему индукционному нагреву до 250 °С. После этого барабан остывал в течение 10 ч. Просвечивание шва гамма-лучами показало хорошее качество сварки. Восстановлен­ный сваркой барабан работает при полной нагрузке под нормаль­ным рабочим давлением.

Проведенная работа показала, что заварка трещин каусти­ческой хрупкости в барабанах котлов высокого давлення вполне возможна, но для получения надежных результатов требуется тщательное удаление всех поврежденных мест. В случае боль­шого объема поврежденного металла рекомендуется вваривать вставку из ноеого металла. Сварка должна производиться за один тепловой цикл с послойной проковкой шва.