CC BY
27
Zykov Stanislav Michaylovich, leading research engineer, sidom98@mail. ru, Russia, Tula, «JSC KBP»
УДК 620.18:621.791.07
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЯМОШОВНОЙ ЭЛЕКТРОСВАРНОЙ ТРУБЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАЛЛОНОВ УГЛЕКИСЛОТНЫХ ОГНЕТУШИТЕЛЕЙ
Г.Д. Петрушин, Г.В. Маркова, А.Г. Петрушина, С.А. Федулов
Предложено использовать прямошовную сварную трубу из низкоуглеродистой стали 20, полученную из листового проката стыковой сваркой кромок полосы при высокочастотном нагреве, в качестве материала трубных заготовок для изготовления баллонов для хранения углекислоты в огнетушителях. В результате проведенной инженерно-технической экспертизы установлено, что трансформация микроструктуры стали в зоне термического влияния сварного соединения соответствует изменению температурного поля от нагретых кромок полосы при индукционной сварке трубной заготовки. Результаты механических испытаний свидетельствуют о равнопрочности основного металла и сварного соединения, которое подвергалось высокотемпературному нагреву и пластической деформации обжатием трубной заготовки при изготовлении баллона.
Ключевые слова: баллон, микроструктура, сварное соединение, микротвердость, зона термического влияния, пластическая деформация.
Баллоны- корпуса углекислотных огнетушителей относятся к ответственным конструкциям. Технические требования, основные параметры и методы испытаний для таких конструкций регламентируются действующим на территории РФ Техническим регламентом таможенного союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (ТР ТС 032/2013).
Для изготовления баллонов огнетушителей, работающих под давлением до 250 кгс/см2, используется в основном бесшовная горячедеформированная труба нужного диаметра и толщины стенок в соответствии с ГОСТ 8732-78 [1]. Технология изготовления баллона включает в себя закатку разогретых концов трубной заготовки формообразующим инструментом. При таком способе изготовления баллонов следует принимать во внимание значительную разностенность бесшовной трубы, возникающую при ее раскатке из полой заготовки, а именно, толщина стенки с одной стороны трубы может превышать номинальную вплоть до значения максимального плюсового допуска (до + 12,5 %), а с противоположной стороны - быть меньше номинальной вплоть до максимального значения минусового допуска (до -15 %) [1]. Вследствие этого при закатке такой трубы возникают технологические сложности, связанные с неуравновешенностью масс вращающегося разогретого конца трубной заготовки, что приводит к нестабильности технологического процесса закатки, а также повышенному износу деформирующего инструмента. Помимо этого баллоны из такой трубы получаются переутяжеленными за счет наличия избыточного металла на стенке с плюсовым допуском, тогда как гарантированное обеспечение прочности баллона рассчитывается при минимальной толщине стенки, которая на 15 % меньше номинальной.
На предприятии ООО «Производственный комплекс «РИФ» для изготовления баллонов, работающих под давлением до 250 кгс/см2, предназначенных для хранения углекислоты в огнетушителях, используется прямошовная сварная труба, полученная из листового проката стыковой сваркой кромок полосы [2]. Для получения продольного шва применяется высокочастотная сварка, для которой не требуются
дополнительные сварочные или присадочные материалы [3]. При производстве электросварных труб образование сварного соединения происходит в результате нагрева соединяемых кромок заготовки токами высокой частоты до пластичного аустенитного состояния с последующим их сжатием [4, 5].
В местах контакта стыкуемых кромок для обеспечения наибольшей пластичности металла разогрев может достигать пред плавильных температур. В этом случае металл в стыке кромок подвергается всестороннему неравномерному сжатию, что способствует повышению пластичности, так как при этом уменьшается межкристаллитная деформация и усиливается деформация сдвига. Сварка практически происходит в твердой фазе и образование общих зерен сварного шва осуществляется благодаря быстро протекающим диффузионным процессам [6]. Современные технологии сварки встык кромок полосы позволяют получить равнопрочное сварное соединение с прочностью шва, равной прочности основного металла [7,8]. Это и обеспечивает электросварным прямошовным трубам высокие прочностные характеристики и широкую сферу применения. Главным при их изготовлении является соблюдение требований технологического процесса [9-11].
При изготовлении баллонов огнетушителей как из заготовки бесшовной горя-чедеформированной трубы, так и из прямошовной электросварной трубы целесообразно использовать недорогие низкоуглеродистые или низколегированные стали для сварных конструкций. В таком случае баллон из прямошовной сварной трубы, изготовленной из листового проката характеризующегося высокой точностью размеров по толщине и стабильностью толщины по всей ширине проката, будет иметь не только меньшую массу, но и более низкую себестоимость за счёт высокой производительности технологического процесса при обеспечении требований по прочности.
В качестве материала трубных заготовок для изготовления баллонов огнетушителей на предприятии ООО «Производственный комплекс «РИФ» используется прямошовная сварная труба из низкоуглеродистой стали 20. На предприятии - изготовителе трубы подвергаются 100 % - му неразрушающему вихретоковому контролю сварного соединения. Конкретные геометрические размеры трубы выбираются из расчёта требуемой вместимости баллонов и их рабочего давления. Формовку днищ и горловин при изготовлении баллонов выполняют методом закатки разогретых концов мерной заготовки из прямошовной сварной трубы формообразующим инструментом в диапазоне температур от температуры горячей ковки (при начале закатки) до температуры низкого отжига (при окончании закатки) [12].
Внедрение такого технологического процесса в производство предопределило проведение инженерно-технической экспертизы по установлению влияния нагрева и технологических операций формоизменения на микроструктуру и свойства сварного соединения днищ баллонов для хранения углекислоты в огнетушителях, так как при закатке донной части металл испытывает большее термосиловое воздействие, чем в горловине. Объектом исследования были выбраны баллоны, полученные закаткой донной части образца прямошовной сварной трубы диаметром 133 мм и толщиной стенки 4,5 мм, изготовленной стыковой электросваркой кромок полосового проката стали 20.
Подготовка образцов и методики исследований. В качестве исследовательских методик использовали металлографический и дюрометрический анализы, а также механические испытания образцов на одноосное растяжение. Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе «Neophot-21» при увеличении 50х и 200х. Фотографирование микроструктуры осуществляли на микроскопе Observer. D1m при увеличениях 50х, 500х и 1000х. Измерение микротвердости проводили методом восстановленного отпечатка на приборе марки ПМТ-3 [13]. Индентором при измерении микротвердости служила правильная четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136о, которая вдавливалась в образец под нагрузкой 0,5 Н в течение 10 с. Механические испытания на одноосное растяжение проводили на испытательной машине Р-5ПК на пятикратных цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 3 мм.
Для проведения металлографического и дюрометрического анализа из различных зон баллона были вырезаны образцы, в средней части которых находилось сварное соединение (внутренний грат). Образцы подвергали шлифованию, полированию и травлению химическим реактивом. Схема вырезки образцов из различных зон баллона представлена на рис. 1.
В зоне «1» металл имел исходную структуру трубной заготовки и не подвергался пластической деформации и температурному воздействию на стадии изготовления баллона. Зона «2» испытывала нагрев до температуры около 560 оС (значение температуры было установлено ранее экспериментально), и представляла собой переходную зону, где начиналось формирование донной части баллона. Металл в донной части баллона в зонах «3» и «4» подвергался высокотемпературному нагреву ТВЧ до температуры горячей ковки и последующей пластической деформации обжатием. В зоне «3» находилось сварное соединение исходной трубной заготовки.
Внутренний грат
Рис. 1. Схема вырезки образцов из баллона в различных зонах
Образцы зон «1» и «2» представляли собой сегменты длиной 25...30 мм, которые были вырезаны из кольцевых сечений соответствующих зон баллона.
Помимо образца для металлографического анализа также из зоны «3» и зоны «4» для проведения механических испытаний на растяжение были изготовлены образцы из основного металла донной части баллона и образцы, в поперечном сечении которых находился сварной шов трубной заготовки.
Результаты исследований. Металлографический анализ, проведенный на образцах, вырезанных из зоны «1», которая соответствует исходной структуре трубной заготовки при изготовлении баллона, и зоны «2», примыкающей к недеформированной донной части баллона, но испытывающей температурное воздействие при нагреве до температуры ~ 560 оС, показал, что и в той и в другой зоне в сварном соединении отчетливо наблюдается зона термического влияния (ЗТВ) [14] одинаковой протяженности 2,0.2,3 мм, которая показана на рис. 2, а.
Микроструктуры сварного соединения в зонах «1» и «2» идентичны, поскольку разогрев трубной заготовки при технологических операциях до температуры 560 оС значительно ниже значений критических температур (Ас1 = 727 оС), при которых в стали происходят фазовые и структурные изменения.
Рис. 2. Микроструктура стали трубной заготовки: а — в сварном соединении, 50х ; б — в центре ЗТВ, 1000х; в — на расстоянии 1 мм от центра сварного соединения, 500х
Анализируя микроструктуру стали в средней части ЗТВ, можно отметить, что вблизи свариваемых кромок трубы, где разогрев достигал максимальных температур, и в зоне «1» и в зоне «2» наблюдается крупнозернистая игольчатая структура видман-штетта (рис. 2, б).
По своему фазовому составу эта структура является феррито-перлитной, в которой феррит возникает в виде пластинок внутри аустенитного зерна. Обогащенный углеродом аустенит превращается целиком или частично в перлит. При пересечении плоскостью шлифа такие пластинки кажутся иглами, между которыми располагается перлит. Такая структура характерна для низкоуглеродистой стали при ее резком охлаждении из аустенитного состояния [15-17].
По мере удаления от центра сварного соединения на 1,0...1,2 мм структура видманштетта сменяется зоной мелкого феррито - перлитного зерна, размером 5.10 мкм, что характерно для зоны полной перекристаллизации стали при охлаждении (рис. 2, в). Ввиду кратковременности нагрева интенсивного роста зерна не наблюдается.
Перлит в этой зоне имеет тонкое пластинчатое строение. К зоне мелкого зерна примыкает четко выраженный участок неполной перекристаллизации (рис. 3, а). Перлит на этом участке выглядит разрыхленным с менее выраженным пластинчатым строением. Участком неполной перекристаллизации заканчивается зона термического влияния. Таким образом, трансформация микроструктуры стали в ЗТВ сварного соединения соответствует изменению температурного поля от нагретых кромок при индукционной сварке трубы [5, 14].
Микроструктура стали вне зоны термического влияния представляет собой типичную феррито-перлитную структуру низкоуглеродистой стали марки 20, содержащей ~ 25 % перлита и ~ 75 % ферритных полигональных зерен неправильной формы размером 25.40 мкм (рис. 3, б), характерную для горячекатаной и отожженной стали.
Анализ микроструктуры донной части баллона показывает, что видимых отличий в структуре стали в зоне внутреннего грата, который определял положение сварного шва исходной трубной заготовки, и на удалении от него на расстоянии 5.7 мм не наблюдается. Это обусловлено тем, что нагрев трубной заготовки ТВЧ с высокой скоростью до температур выше 1000 оС и последующая пластическая деформация обжатием донной части баллона позволяют пройти процессам динамической рекристаллизации в течение нескольких секунд [18]. Поскольку и сварной шов и основной металл деформировались в одинаковых условиях, то и микроструктура донной части баллона
в зоне «3» на уровне сварного шва (рис. 3, в) идентична основному металлу (рис. 3, г) и представляет собой феррито-перлитную структуру, характерную для рекристаллизо-ванной низкоуглеродистой стали с размером ферритного зерна 40...50 мкм.
Рис. 3. Микроструктура стали в ЗТВ на расстоянии 2 мм от центра (а) , 10 мм от центра (б), 500 х и в донной части баллона в зоне «3» (в) и зоне «4» (г), 200 х
Микротвердость относится к механическим характеристикам, позволяющим оценить прочность стали. Несмотря на то, что между прочностью и микротвердостью нет аналитической зависимости, ее измерение представляет интерес, так как позволяет провести исследование структуры и свойств сварного соединения после какого-либо термического воздействия [17,19].
Измерение микротвердости проводилось на образцах, вырезанных из различных зон баллона, начиная непосредственно с центра сварного соединения, и далее на расстоянии от него на 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 5 и 7 мм. На каждом из участков выполнялось по 5 измерений, после чего проводилась статистическая обработка полученных данных. На рис. 4 приведены результаты измерения микротвердости стали в различных зонах баллона.
Н. Н/мм
3500 3000 2500 2000 1500
1 £
—о—зона 1 —•— зона 2 —л— дно баллоне
0 12 3 4 5 6 7 Расстояние от центра сварного соединения, мм
Рис. 4. Изменение микротвердости стали в различных зонах баллона по мере удаления от центра сварного соединения
Проведенный дюрометрический анализ наглядно показал, что значения микротвердости и характер их изменения в ЗТВ в зонах «1» и «2» практически одинаков, что свидетельствует об идентичности структуры стали в сварном соединении исходной трубной заготовки и в сварном соединении зоны баллона, которая подвергалась температурному воздействию до температуры ~ 560 оС.
Повышенные значения микротвердости в ЗТВ определяется объемной долей и строением перлитной составляющей структуры [15]. В зоне «3» значения микротвердости практически одинаковы по всему сечению, что свидетельствует об однородности структуры в донной части баллона.
Принято считать, что структура стали определяет ее механические свойства
[16].
В доказательство этому были проведены механические испытания образцов стали, изготовленных из донной части баллона (зоны «3»), на рабочей длине которых в среднем сечении находилось сварное соединение, и образцов, изготовленных из зоны основного металла симметричной зоне «3» относительно центра донной части. Количество образцов в каждой партии составляло по 6 штук. Результаты механических испытаний представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний на растяжение образцов из донной части
основного металла и вырезанных по сварному соединению
Зоны вырезки образцов для испытаний Предел текучести, От, МПа Предел прочности, Ов, МПа Относительное удлинение, 8,%
290 455 27,0
307 479 33,5
Образцы из основного 297 470 30,0
металла 293 425 27,0
319 470 20,5
303 466 22,5
225 455 32,5
218 478 28,5
Образцы со сварным 247 315 29,0
соединением 300 474 22,5
343 476 30,0
298 477 24,0
Результаты механических испытаний подлежали статистической обработке с использованием ППП STATGRAPHICS Plus for Windows с определением среднего значения и доверительного интервала. Следует обратить внимание на проверку годности первичных результатов. Если в полученной выборке данных возникает сомнение в том, не является ли какое-либо из значений слишком большим или слишком малым по сравнению с остальными, то это анормальное значение (промах) необходимо проверить для того, чтобы установить, не следует ли его исключить из дальнейших расчетов как результат грубого промаха [20]. Такое сомнение возникло в отношении одного анормального результата значений предела прочности (315 МПа), полученного на сварном соединении, которое резко отличается от других результатов измерений.
Чтобы оценить принадлежность значения ^min к некоторой нормально распределенной совокупности и принять решение об исключении или оставлении ее в составе выборки, вычисляли отношение
r _ x ~ xmin 'min s '
где x - выборочное среднее; S - выборочное среднеквадратическое отклонение.
446,0 - 315,0
Для данной выборки результатов испытаний rmin _-6а7-_ 2,025 . Полученный результат сравнивали с величиной rmin, взятой из таблицы [21] для данного
объема выборки n = 6 и принятого уровня значимости (0,1), которая соответствует значению 1,996. Так как эмпирическое значение rm\n больше табличного, то подозреваемый в анормальности результат может быть исключен [20]. В этом случае по оставшимся значениям вновь вычисляли выборочное среднеквадратическое отклонение и
выборочное среднее, которые и будут рассматриваться как выборочные параметры изученной выборки. После проведения статистической обработки результатов среднее значение и доверительный интервал рассчитанных характеристик механических свойств представлены в табл. 2.
Таблица 2
Механические свойства основного металла донной части баллона
и сварного соединения после статистической обработки данных
Зоны вырезки образцов для испытаний Предел текучести, От, МПа Предел прочности, Ов, МПа Относительное удлинение, S,%
Образцы из основного металла (зона «4») 301 i 11 4б8 i 11 2б,8 i 4,8
Образцы со сварным соединением (зона «3») 272 i 52 472 i 12 27,8 i 3,8
Анализ характеристик механических свойств показывает, что временное сопротивление разрыву (предел прочности) и относительное удлинение образцов стали, изготовленных из основного металла и из зоны сварного соединения, имеют практически одинаковые значения, что подтверждается результатами металлографического анализа об идентичности микроструктуры стали в донной части баллона. Следует отметить, что согласно сертификату на поставку стальной электросварной трубы предел текучести металла сварного соединения трубной заготовки не нормируется.
Выводы:
1. Проведенный металлографический и дюрометрический анализ зон сварного соединения исходной трубной заготовки для изготовления баллона и сварного соединения, которое подвергалось температурному воздействию, показал, что технологический разогрев до температуры ~ 5б0 оС не повлиял на микроструктуру и характер изменения микротвердости в зоне термического влияния, протяженность которой одинакова относительно исходной заготовки.
2. Результаты механических испытаний на растяжение образцов стали донной части баллона, изготовленных из основного металла, и образцов, на рабочей длине которых находилось сварное соединение, показывают одинаковые значения механических свойств, что свидетельствует о равнопрочности основного металла и сварного соединения, которое подвергалось высокотемпературному нагреву и пластической деформации обжатием при изготовлении баллона.
3. При изготовлении баллонов для хранения углекислоты в огнетушителях операция закатки нагретых концов стальных прямошовных труб, изготовленных в соответствии с ГОСТ 10705-80, не приводит к нарушению равнопрочности основного металла и сварного соединения днищ баллонов. Результаты проведенных исследований подтверждены испытаниями баллонов на прочность гидравлическим давлением полу-торакратным рабочему.
Список литературы
1. ГОСТ 8732-78. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент (с Изменениями N 1, 2). М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 13 c.
2. ГОСТ 10705-80 Трубы стальные электросварные. Технические условия (с Изменениями N 1-8). М.: Стандартинформ, 2008. 23 c.
3. Chung P.C., Ham Y., Kim S., Lim J., Lee C. Effects of postweld heat treatment cycles on microstructure and mechanical properties of electric resistance welded pipe welds // Journal Materials and Design. 2012.V.34(2). P. б85-б90.
385
4. Maksuti Rr. Effect of plastic deformation on the microstructure and plasticity of high frequency electric resistance welding // Proceedings XIII International Congress «Machines. Technologies. Materials», 2016. V. 1. P. 89-92.
5. Maksuti Rr. Microstructural changes in the forge weld area during high-frequency electric resistance welding // Proceedings XIII international congress «Machines. Technologies. Materials», 2016. V. 1. P. 59-62.
6. Кулютин С.А., Осадчий В.Я., Дмитриев В. Д., Субботин С.А. Применение сварки токами высокой частоты при производстве труб малого диаметра из коррозион-ностойких марок стали // Производство проката. 2015. №11. С 32-35.
7. Родин П.В., Осадчий В.Я., Дмитриев В.Д. Новые технологии при производстве сварных коррозионностойких труб малого диаметра // Производство проката. 2015. № 12. С.14-19.
8. Yue Xiao Fang, Zu Ming Liu, Shuang Lin Cui, Yu Zhang, Jia Yu Qiu, Zhen Luo. Improving Q345 weld microstructure and mechanical properties with high frequency current arc in keyhole mode TIG welding // Journal of Materials Processing Technology. 2017. V. 250. P. 280-288.
9. Кулютин С.А., Осадчий В.Я. Совершенствование производства электросварных труб из коррозионностойких сталей // Производство проката. 2017. № 3. С. 25-30.
10. Тимофеев В.Б., Богатов А.А., Медянцев И.Б. Цифровое управление технологией производства электросварных труб на ТЭСА 20-102 // Металлург. 2018. №9. С. 60-63.
11. Манохина Н.Г., Шаталов Р. Л., Чурсин И.В., Любимов А.В. Влияние сма-зочно-охлаждающих жидкостей на качество сварных стальных труб // Металлург. 2017. № 3. С. 46-52.
12. Патент 2648343 РФ. Способ изготовления баллонов, работающих под давлением до 250 кгс/см2 / С.А. Федулов. Опубл. 23.03.2018.
13. ГОСТ 9450-76 (СТ СЭВ 1195-78). Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников (с Изменениями N 1, 2). М.: Издательство стандартов, 1993. 91 с.
14. Petru Simion, Vasile Dia, Bogdan Istrate, Corneliu Munteanu. Controlling and Monitoring of Welding Parameters for Micro-alloyed Steel Pipes Produced by High Frequency Electric Welding // Advanced Materials Research. 2014. V. 1036. P. 464-469.
15. Металлография железа; под ред. Ф.Н. Тавадзе. Том II. Структура сталей (с атласом микрофотографий). М.: Металлургия, 1972. 284 с.
16. Yan P., Gungor O. E., Thibaux P., Bhadeshia H. K. D. H., Induction welding and heat treatment of steel pipes: evolution of crystallographic texture detrimental to toughness // Science and Technology of Welding and Joining. 2010. V. 15, No. 2. P. 137-141.
17. Hussein M. Ali, Thaer F.A. AlSultan. Study the microstructure and impact toughness of welded joints for Weldox 700MC high strength steel // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2018. V.9. Issue 6. P. 402-408.
18. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. 3-изд. М.: МИСИС, 2005. 432 с.
19. Yan P., Gungor O.E., Thibaux P., Liebeherr M., Bhadeshia H.K.D.H. Tackling the toughness of steel pipes produced by high frequency induction welding and heat-treatment // Materials Science and Engineering. 2011. V. A 528. P. 8492- 8499.
20. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 232 с.
21. Мюллер П., Нойман П., Шторм Р. Таблицы по математической статистике. М.: Финансы и статистика, 1982. 278 с.
Петрушин Геннадий Дмитриевич, канд. техн. наук, доцент, petrushin-49@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Маркова Галина Викторовна, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, galv. mark@,rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Петрушина Алла Геннадьевна, канд. техн. наук, доцент, petrushi-na.al@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Федулов Сергей Алексеевич, главный конструктор, s.fedulov@,rifgroup.ru, Россия, Тула, Производственный комплекс «РИФ»
USE OF STRAIGHT-ROD ELECTRIC WELDED PIPE FOR PRODUCTION OF CYLINDERS CARBON DIOXIDE FIRE EXTINGUISHERS
G.D. Petrushin, G.V. Markova, A.G. Petrushina, S.A. Fedulov
It is proposed to use straight-line welded pipe from low-carbon steel 20 produced from sheet rolled stock by butt welding of strip edges during co-frequency heating, as material ofpipe blanks for manufacture of cylinders for storage of carbon dioxide in fire extinguishers. As a result of in-woman technical examination it was found that transformation of steel micro-string in zone of thermal influence of welded joint corresponds to change of temperature field from heated edges of strip during induction welding of pipe blank. Results of mechanical tests show equidistance of base metal and welded joint, which was subjected to high-temperature heating and plastic deformation by compression of tube blank during bottle bending.
Key words: balloon, microstructure, welded joint, microhardness, zone of thermal influence, plastic deformation.
Petrushin Gennady Dmitrievich, candidate of technical sciences, docent, petrushin-49@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Markova Galina Viktorovna, doctor of technical sciences, professor, head of chair, galv. markarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Petrushina Alla Gennadyevna, candidate of technical sciences, docent, petrushina. al@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fedulov Sergey Alekseyevich, main designer, s.fedulov@,rifgroup. ru, Russia, Tula, LLC «Production complex «RIF»
