CC BY
0Научная статья УДК 669.1 EDN VZLBCR
DOI 10.24412/3034-154X-2024-3-22-25
https://elibrary.ru/vzlbcr https://tyumen-science.ru/
Принята к публикации: 25.06.2024
Расул Ахмадович МАМАДАЛИЕВ - старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Россия, г. Тюмень; [email protected]; ЭРИМ-код: 6518-8959
ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ СВАРКИ ТРУБОПРОВОДОВ И СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОРОЗИОННОУСТОЙЧИВОСТИ МЕТАЛЛА ШВА В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ
АННОТАЦИЯ
В работе изучена зависимость коррозионной стойкости высоколегированных сталей от режимов сварки. Моделирование в Ansys, а также испытания в морской воде и серной кислоте показали, что форсированные режимы сварки снижают скорость коррозии, а мягкие режимы повышают риск разрушения. Результаты подтверждены металлографическим анализом, демонстрирующим важность правильного выбора режимов сварки для достижения максимальной коррозионной стойкости сварных соединений.
Результаты исследования имеют практическое значение и могут быть использованы для оптимизации технологий сварки, направленной на повышение долговечности металлоконструкций в агрессивных средах.
Ключевые слова: 12Х18Н10Т, ЦЛ-11, ОЗЛ-8, Ansys, AISI321, коррозионноустойчивость, эффективная тепловая мощность, сварочный ток, МКК, MMA.
Rasul Akhmadovich MAMADALIEV - Senior Lecturer at the Department of Mechanical Engineering Technology, Industrial University of Tyumen Russia, Tyumen; e-mail: [email protected]; SPIN-code: 6518-8959
INNOVATIVE WELDING METHODS FOR PIPELINES AND COMPLEX STRUCTURES TO ENSURE CORROSION RESISTANCE OF THE SEAM METAL IN AGGRESSIVE ENVIRONMENTS
ABSTRACT
The dependence of the corrosion resistance of high-alloy steels on welding modes is studied. Ansys simulations, as well as tests in seawater and sulfuric acid, have shown that forced welding modes reduce the rate of corrosion, and mild modes increase the risk of failure. The results are confirmed by metallographic analysis, demonstrating the importance of choosing the right welding modes to achieve maximum corrosion resistance of welded joints.
The results of the study are ofpractical importance and can be used to optimize welding technologies aimed at increasing the durability of metal structures in aggressive environments.
Keywords: 12X18H10T, CL-11, OZL-8, Ansys, AISI321, Corrosion resistance, effective thermal power, welding current, MCC, MMA.
Для цитирования в научных исследованиях:
Мамадалиев Р.А. Инновационные методы сварки трубопроводов и сложных конструкций для обеспечения корозионноустой-чивости металла шва в агрессивных средах // Тюменский научный журнал. - 2024. - № 3 (3). - С. 22-25.
Металлоконструкции изготавливаются из мате- коррозионной стойкостью к окружающим средам. Это риалов, которые подвержены коррозии или обладают обстоятельство усложняет процесс сборки и сварки,
поскольку конструкции должны быть готовы к полноценной эксплуатации. Но высокая стоимость материала и ремонта может стать серьезной финансовой нагрузкой для компании. Научное сообщество активно работает над исследованием материалов в различных условиях. Температура и окружающая среда, например, морская соль или кислота, оказывают существенное влияние на состояние материала [1]. Исследования авторов по изучению скорости коррозии в зависимости от перепадов температур показали, что высокотемпературная коррозия может быть замедлена, но не исключена полностью, если материал используется вне паспортных характеристик и условий назначения [2]. Испытания проводятся с целью предотвращения коррозии и ее последствий [3]. Ученые работают над созданием коррозионно-стойких сталей для использования в тепловых и агрессивных средах. Исследования коррозии продолжаются, причем акцент делается не только на предотвращении коррозии материала, но и на изучении состояния и динамики сварного шва, как это отражено в работах ученых [4, 5, 6, 7].
Одна из главных задач при сварке высоколегированных сталей - максимальный переход легирующих элементов в металл шва, что невозможно контролировать без правильного подбора режима сварки [8].
Работа направлена на определение оптимальных режимов наплавки, способствующих переходу легирующих элементов в металл шва, что позволит повысить его коррозионную стойкость и улучшить долговечность сварного соединения.
Для реализации нашей работы была применена формула расчета тепловой мощности, где мы с помощью Ansys определили какая температура выделяется при сварке стали. Также подготовили несколько сварных соединений трубы из стали 12Х18Н10Т или АК1 321 при разных режимах в таблице 1, и поделили на образы для других испытаний, после часть образцов отправили в Охотское море на один год. По результатам химического анализа оставшихся образцов мы определили какой из слоев шва более легирован и соответствует основному металлу.
Эффективную тепловую мощность высококонцентрированного источника нагрева определяли по параметрам дуги (рис. 1.)
Оэф = ч и • 1 (1)
где Qэф - эффективная тепловая мощность высококонцентрированного источника нагрева (электрической дуги), Вт;
Ч - эффективный КПД сварочной дуги с инвертором - 0,85;
и - напряжение дуги, В;
I - сварочный ток, А.
Инверторный источник обладает большей величиной Qэф почти на 16 % по сравнению с выпрямителем [9].
Так как проведение испытания в морской воде является натурным экспериментом, то следующий эксперимент было решено сделать, по результатам химического анализа металла шва трубной конструкции, на пластине. Образцы пластины погрузили в кипящий водный раствор сернокислой меди (CuSO4 • 5Н20) и серной кислоты (Н^О^) в присутствии металлической меди (стружка). Подготовка образцов пластины для остальных испытаний осуществлялась по аналогичной методике [10]. Металлографические исследования для выявления коррозионного растрескивания проводились на оптическом микроскопе «МЕТАМ ЛВ-41».
Таблица 1.
Последовательность сварки
Маркировка образца Параметры режима Тип слоя
1.1.1 Электрод ЦЛ-11 Сварочный ток - 70А К
1.1.2 К+З
1.1.3 К+З+О
Примечание: принятые сокращения в наименовании проходов К - корневой, З - заполняющий, О - облицовочный
В таблицах 2 и 3 представлены результаты расчета температуры сварки, проведенного в программе Ansys. Анализ данных о факторе постоянства температуры и разбега в процессе сварки позволяет сделать вывод о том, что эти параметры могут негативно повлиять на формирование сварного соединения. Неконтролируемая энергия и неравномерность температуры в разных режимах сварки могут привести к непредсказуемым изменениям в химическом составе сварного шва, что, в свою очередь, может снизить его качество.
Для получения более точной оценки необходимо проведение дополнительных исследований.
Рисунок 1. Зависимости тепловой мощности от силы тока
Результат расчета при подаче определенной мощности
Таблица 2.
Электрод ЦЛ-11 Сварочный ток - 70А или 1127 Вт
Корень
Заполнение
Облицовка
1206,8 С0
1214,4 С0
1160,5 С
Распределение температуры при сварке каждого прохода
Таблица 3.
Применение разных электродов в различных режимах сварки приводит к постепенному повышению температуры с каждым накладываемым слоем. Такой температурный градиент оказывает положительное влияние на переход легирующих элементов в металл шва, способствуя их равномерному распределению и упорядоченному расположению, что повышает качество сварного соединения [10]. Данный фактор определяет свойства коррозионноустойчивости металла шва.
В таблице 4 отражены результаты замеров массы образцов до и после коррозионных морских испытаний и заметна разница, которая может быть проявлена как критическая через определённое время эксплуатации конструкции. Независимо от марки электрода прослеживается зависимость между режимами сварки и процентом потери массы. Образцы, сварка которых велась на мягких режимах (более низкое значение сварочного тока), имеют наибольший процент (0,16^0,17), в то время как форсированные режимы существенно снижают потерю массы (0,02^0,08).
Таблица 4. Результаты замеров массы образцов до и после коррозионных морских испытаний
Номер образца Результаты взвешивания Разница в весе % убыли Сила тока
30.12.2018 21.01.2020
1.1 43,3158 43,2461 0,0697 0,16 70
Для установления стойкости металла сварного соединения МКК был проведен металлографический анализ образцов-Н1 микроструктуры сварного соединения, результаты которого представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Микроструктура металла образца Н1.1 Облицовка, линия сплавления, ЗТВ, х100
На поверхностях образцов, в зонах термического влияния (ЗТВ) и по линиям сплавления с двух сторон сварного соединения межзёренного растрескивания не выявлено, что является признаком стойкости к МКК по п. 5.5.2 ГОСТ 6032-2017.
Таким образом, были сделаны следующие выводы:
1. Независимо от марки электрода прослеживается зависимость между режимами сварки и процентом потери массы. Образцы, сварка которых велась на мягких режимах (более низкое значение сварочного тока) имеют наибольший процент (0,16-0,17), в то время как форсированные режимы существенно снижают потерю массы (0,02-0,08).
2. Испытания на коррозионную стойкость образцов сварного соединения, проведенные по методу «АМУ» согласно ГОСТ 6032-2017, показали удовлетворитель-
ные результаты. Оптическая металлография не выявила межзёренного растрескивания и разрушения границ зерен, что подтверждает стойкость материала к меж-кристаллитной коррозии (МКК).
3. Результаты испытания указывают на необходимость дальнейших исследований для определения оптимальных режимов сварки и комбинации электродов, обеспечивающих наилучшую коррозионную стойкость металла шва.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sanford, B. R. et al. Studies on hot corrosion behaviour of A-TIG welded AISI 316 weldments //Materials Today: Proceedings. - 2018. - Т. 5. - №. 5. - С. 13334-13339.
2. Liu, Q. et al. Effect of thermal cycling on the corrosion behaviour of stainless steels and Ni-based alloys in molten salts under air and argon //Solar Energy. - 2022. - Т. 238. -С. 248-257.
3. Mankari K. Development of stress corrosion cracking resistant welds of 321 stainless steel by simple surface engineering/K. Mankari, S. G. Acharyya //AppliedSurface Science. - 2017. - Т. 426. - С. 944-950.
4. Determination of influence of grain size factor on the corrosion speed of structural steel / V. F. Novikov, R. A. Sokolov, K. R. Muratov, A. N. Venediktov // Materials Today: Proceedings, Sevastopol, 07-11 сентября 2020 года. - Sevastopol, 2021. - P. 1749-1751. - DOI 10.1016/j. matpr. 2020.08.250.
5. Определение взаимосвязи фактора разнозерни-стости и скорости коррозии конструкционной стали / Р. А. Соколов, В. Ф. Новиков, К. Р. Муратов, А. Н. Венедиктов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2020. - Т. 22. - № 3. - С. 106-125. -DOI 10.17212/1994-6309-2020-22.3-106-125.
6. Определение коррозионной стойкости низколегированных сталей магнитным методом /В. Ф. Новиков, К. Р. Муратов, Р. А. Соколов, В. П. Устинов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2020. -Т. 86. - № 5. - С. 31-36. - DOI 10.26896/1028-6861-202086-5-31-36.
7. Sokolov, R. Application of magnetic hysteresis loop for analysis of corrosion properties of steel / R. Sokolov, V Novikov, K. Muratov // AIP Conference Proceedings: 7, Ekaterinburg, 18-22 мая 2020 года. - Ekaterinburg, 2020. - P. 060017. - DOI 10.1063/5.0032347.
8. Влияние режимов сварки и различных источников тока на формирование сварного шва стали 12Х18Н10Т/ Р. А. Мамадалиев, В. Н. Кусков, П. В. Бахматов, Д. П. Ильященко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2018. - Т. 20. - № 4. -С. 35-45. -DOI 10.17212/1994-6309-2018-20.4-35-4.
9. Применение современных цифровых инструментов для прецезионного определения результатов микротвердости по исследуемой поверхности /Р. А. Мамадалиев, Е. Г. Ишкина, А. В. Медведев, В. И. Берг //Инженерный вестник Дона. - 2022. - № 8(92). - С. 196-206.
10. Влияние режимов сварки на структуру и свойства металла шва стали 12Х18Н10Т в различных пространственных положениях /Р. А. Мамадалиев, П. В. Бахма-
тов, Н. В. Мартюшев [и др.] // Металлург. - 2021. -№ 11. - С. 43-50. -DOI 10.52351/00260827 2021 11 43.
REFERENCES
1. Sanford BR, et al. Studies on hot corrosion behaviour of A-TIG welded AISI 316 weldments. Materials Today: Proceedings. 2018;5:13334-13339
2. Liu Q, et al. Effect of thermal cycling on the corrosion behaviour of stainless steels and Ni-based alloys in molten salts under air and argon. Solar Energy. 2022;238:248-257.
3. Mankari K, Acharyya SG. Development of stress corrosion cracking resistant welds of 321 stainless steel by simple surface engineering. Applied Surface Science. 2017;426:944-950.
4. Novikov VF, Sokolov RA, Muratov KR, VenediktovAN. Determination of influence of grain size factor on the corrosion speed of structural steel. Materials Today: Proceedings. 2021;405:1749-1751. https://doi.org/10.1016/j-. matpr.2020.08.250.
5. Sokolov RA, Novikov VF, Muratov KR, Venediktov AN. Determination of the relationship between the grain size factor and the corrosion rate of structural steel. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). [Met-alworking (technology, equipment, tools)]. 2020;22(3):106-125. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2020-22.3-106-125. (In Russ.)
6. Novikov VF, Muratov KR, Sokolov RA, Ustinov VP. Determination of corrosion resistance of low-alloy steels by magnetic method. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. [Factory laboratory. Materials diagnostics]. 2020;86(5):31-36. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-5-31-36. (In Russ.)
7. Sokolov R, Novikov V, Muratov K. Application of magnetic hysteresis loop for analysis ofcorrosion properties of steel. AIP Conference Proceedings. 2020;2368:060017. https://doi.org/10.1063/5.0032347.
8. Mamadaliev RA, Kuskov VN, Bakhmatov PV, Ilyas-hchenko DP. Vliyanie rezhimov svarki i razlichny'x istoch-nikov toka naformirovanie svarnogo shva stali 12X18N10T [Influence of welding modes and different current sources on the formation of the welded joint of 12X18H10T steel]. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instru-menty). [Metalworking (technology, equipment, tools)]. 2018;20(4):35-45. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2018-20.4-35-4. (In Russ.)
9. Mamadaliev RA, Ishkina EG, Medvedev AV, Berg VI. Primenenie sovremenny'x cifrovy'x instrumentov dlya pre-cezionnogo opredeleniya rezul'tatov mikrotverdosti po issle-duemoj poverxnosti [Application of modern digital tools for precise determination of microhardness results on the investigated surface]. Inzhenernyy vestnik Dona. [Engineering Bulletin of Don]. 2022;(8(92)):196-206. (InRuss.)
10. Mamadaliev RA, Bakhmatov PV, Martyushev NV, et al. Vliyanie rezhimov svarki na strukturu i svojstva metalla shva stali 12X18N10T v razlichny'x prostranstvenny'x polozheniyax [Influence of welding modes on the structure and properties of the weld metal of 12X18H10T steel in different spatial positions]. Metallurg. 2021;11:43-50. https:// doi.org/10.52351/00260827_2021_11_43. (InRuss.)
