CC BY
30
УДК 621.565.952.74: 621.791.72
КОРРОЗИОННЫЙ РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ СВАРНЫХ ШВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ И ЛАЗЕРНОЙ СВАРКОЙ
1ТУКАЕВ Р Ф., 1 ДЕМЧЕНКО М.В., 2СИСАНБАЕВ А.В.
1Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1 ^Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39
АННОТАЦИЯ. Представлены результаты сравнительных исследований параметров морфологии коррозионного рельефа поверхности (КРП) образцов сварных швов, полученных электродуговой и лазерной сваркой. Показано, что динамика развития параметров КРП сварного шва для данных способов сварки заметно отличается. При лазерном способе сварки параметры КРП в зоне металла шва и зоне термического влияния (ЗТВ) менее дифференцированы, чем при электродуговой сварке.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: теплообменник, трубная решетка, хромомолибденовая сталь, лазерная сварка, коррозионный рельеф поверхности, лазерная сканирующая микроскопия.
ВВЕДЕНИЕ
Принятая в аппаратостроении технология изготовления узла «труба - трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарата из стали 15Х5М имеет ряд сложностей [1 - 3]. Технология электродуговой сварки данной стали требует применения предварительного, сопутствующего подогрева и последующую термообработку. При развальцовке трубок внутри решетки возникают остаточные напряжения. При последующей приварке труб к трубной решетке дополнительные сварочные напряжения влекут за собой прогиб трубной решетки. Из-за большого количества швов и термических сварочных циклов на поверхности трубной решетки совокупное влияние напряжений может нести разрушительный характер. В связи с этим, рассматривается возможность использования лазерной сварки для решения проблем остаточных и сварочных напряжений, снижения трудоемкости и повышения точности изготовления узла. Лазерным лучом можно вести сварку в труднодоступных местах с меньшими размерами сварочной ванны и ЗТВ. При этом упрощаются процессы контроля глубины проплавления, подвода тепла и других технологических параметров. Данная особенность позволяет снизить влияние сварочных напряжений на прогиб трубной решетки и уменьшить ее толщину, что позволит добиться уменьшения затрат на изготовление трубного пучка. Высокое качество сварного шва при отсутствии необходимости подогрева снижает трудоемкость процесса приваривания труб к трубной решетке.
Важным моментом эксплуатации сварных швов в агрессивной среде является их коррозионная стойкость. Структура металла и остаточные напряжения в нем в разной степени будут влиять на особенности КРП. Неблагоприятный тип КРП приводит к существенному снижению механических и эксплуатационных характеристик сварного шва. Одним из эффективных методов исследования 3Б-параметров рельефа поверхности является лазерная сканирующая микроскопия [4 - 9]. Количественный анализ морфологии КРП может быть эффективным методом диагностики коррозионной стойкости сварных швов.
В связи с этим, методом лазерной сканирующей микроскопии были проведены сравнительные исследования динамики развития КРП образцов сварных швов, полученных электродуговой и лазерной сваркой.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Образцы электродугового сварного шва из стали 15Х5М изготовили по стандартной технологии с подогревом до 350 °C. Лазерный сварной шов из стали 15Х5М получили без присадочного материала на торцевой поверхности окружности трубки, развальцованной в решетке. Использовали лазерный технологический комплекс «Хебр-1А» (Болгария) с глубиной проплавления ~ 5 мм при скорости сварки 2... 5 м/мин. Оба образца были подвергнуты термообработке при T ~ 750 °C согласно ПБ-03-585-04 «Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных».
Для изучения динамики развития КРП исходно полированные поверхности сварных швов подвергали коррозии в агрессивной среде в течение времени t = 0, 1, 3, 7 и 15 мин. В качестве агрессивной среды использовали пятипроцентный раствор HNO3 в этиловом спирте.
Сравнительные исследования микроструктур и анализ КРП у двух типов сварных швов проводили в разных областях зоны металла шва и ЗТВ. Для определения количественных параметров КРП проводили 3Б-съемку сварного шва с помощью лазерного сканирующего микроскопа «LSM-5-Exciter» (Carl Zeiss, Germany). Применяли бесконтактный конфокальный метод сканирования, который позволяет визуализировать и измерять топографию КРП разнообразного профиля. С помощью программы 3Б-анализа «ZEN» определяли размерные параметры КРП: Ra - дисперсия (среднее арифметическое отклонение от средней линии рельефа), Rz - экстремум (усредненный пик долины) и Rc - средняя высота. Определяли также безразмерные параметры морфологии КРП (рис. 1): Rsk - асимметрия и Rku - эксцесс. Асимметрия показывает преобладание в рельефе выступов или впадин. Эксцесс является мерой остроты пиков рельефа, т.е. резкости рельефа.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 - 4 представлены качественные и количественные результаты сравнительных исследований морфологии КРП швов, полученных электродуговой сваркой и лазерной сваркой. Наблюдается существенное различие в рельефе зоны шва и ЗТВ для образца, полученного электрической дугой, образующее характерное резкое разграничение между зонами (рис. 2, а). Такая структурная неоднородность будет способствовать
а)
б)
Рис. 1. Асимметрия и эксцесс для разных морфологий рельефа поверхности [10]:
а) - асимметрия, б) - эксцесс
возникновению концентраций напряжений на границе между данными зонами при нагружении узла конструкции. Измеренные параметры КРП зон (металла шва и ЗТВ) для электродуговой сварки указывает на явное различие коррозионной стойкости шва в разных зонах (рис. 3 - 4). Для параметров Яа и наблюдается двухстадийная зависимость. С увеличением времени травления различие по Яа и существенно возрастает только на второй стадии. В случае лазерной сварки для параметров Яа и также наблюдается двухстадийная зависимость. Однако эти же параметры КРП в разных зонах отличаются незначительно (рис. 2, б и 3). Т.е. коррозионная стойкость лазерного шва в целом более однородна. Причем, с увеличением времени травления оба параметра меняются незначительно. Т. е. на второй стадии травления их уровень значений стабилизируется. Кроме того, все размерные параметры КРП для лазерной сварки оказались ниже, чем для электродуговой сварки. Для остальных параметров КРП зависимости от времени носят сложный неустойчивый характер, особенно на первой начальной стадии. Таким образом, динамика развития КРП для исследуемых типов сварных швов в целом довольно разная.
* ч* " 1 •• - У. .V ' _ Щ Л '
дт
г
ШШШ
Шнде.
Рис. 2. 2Б- и 3Б-микроструктуры КРП сварного шва: а)электродуговая и б) лазерная
Рис. 3. Динамика развития размерных параметров КРП шва: электродугового (О - зона металла шва и в - ЗТВ) и лазерного (Д - зона металла шва и ▲ - ЗТВ)
Рис. 4. Динамика развития безразмерных параметров КРП шва: электродугового (О - зона металла шва и в - ЗТВ) и лазерного (Д - зона металла шва и ▲ - ЗТВ)
ВЫВОДЫ
Результаты исследований указывают на преимущество в применении технологии лазерной сварки при изготовлении узла «труба - трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарата из стали 15Х5М. Выявлено, что динамика развития КРП шва для электродуговой и лазерной сварки заметно отличается. Размерные параметры КРП в зоне металла шва для лазерной сварки оказались значительно ниже, чем для электродуговой сварки. Сравнительный анализ параметров КРП показал однородность развития коррозии в зоне металла шва и ЗТВ для лазерного способа сварки, что может значительно снизить вероятность зарождения и развития микротрещин на границах зон.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C., Афанасенко Е.А. Пути повышения качества и надежности нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей: Обзорная информация. Сер. ХМ-9. М. : ЦИНТИхимнефтемаш, 1987. 32 с.
2. Ибрагимов И.Г., Ямилев М.З., Салмин А.Н. Совершенствование технологии выполнения сварного узла «труба - трубная решетка» кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, изготовленных из мартенситных сталей // Нефтегазовое дело. 2009. Т. 7, № 1. С. 194-197.
3. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Исследование свариваемости жаропрочных малоуглеродистых сталей типа 15Х5М // Нефть и газ. 1978. № 4. С. 81-84.
4. Бакиев А.В., Сандаков В.А., Сисанбаев А.В. Структурная природа деградации механических свойств металла газопроводов системы газоснабжения // Ростехнадзор. Приуралье. 2010. № 2. С. 12-15.
5. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Наумкин Е.А., Кузеев И.Р. Взаимосвязь деформационного рельефа поверхности и степени поврежденности стали при малоцикловом нагружении // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 3. С. 426-429.
6. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Кузеев И.Р. Исследования фрактальной размерности деформационной поверхности стали лазерным сканирующим методом // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 4. С. 569-573.
7. Тукаев Р.Ф., Файрушин А.М., Сисанбаев А.В., Кучуков Т.М Совершенствование технологии изготовления узла «труба - трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарата из жаропрочной стали 15Х5М применением лазерной сварки // Материалы 3 Междунар. НПК «Современное машиностроение. Наука и образование». СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2013. С. 1179-1185.
8. Тукаев Р.Ф., Ибрагимов И.Г., Файрушин А.М., Сисанбаев А.В. Сравнительный анализ сварных швов в узле «труба - трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарата из жаропрочной стали 15Х5М полученных различными способами сварки // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2013. № 5. С. 363-375.
9. Sisanbaev A.V., Demchenko A.A., Demchenko M.V., Shalimova A.V., Zubairov L.R., Mulyukov R.R. Features of strain relief of the surface of the metal strip, obtained by the high pressure shear // In book: «Multifunctional materials and modeling» / edited by M.A. Korepanov, A.M. Lipanov, G.E. Zaikov, A.K. Haghi. CRC Press Book. 2015. 374 p.
10. Табенкин А.Н., Тарасов С.Б., Степанов С.Н. Шероховатость, волнистость, профиль. Международный опыт / под ред. Н.А. Табачниковой. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2007. 136 с.
CORROSIVE RELIEF OF SURFACE FOR ARC AND LASER BEAM WELDS
1Tukaev R.F., 1Demchenko M.V. 2Sisanbaev A.V.
:Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia
2Institute for Metals Superplasticity Problems of Russian Academy of Sciences, Ufa, Russia
SUMMARY. The results of comparative analysis of the morphology parameters of corrosion relief of surface (CRS) sample welds produced arc and laser welding. It is shown that the dynamics of the CRS weld parameters for these welding methods is markedly different. In the laser welding process differences CRS in the area of the weld metal and heat affected zone (HAZ) is less pronounced than in arc welding.
KEYWORDS: heat exchanger tube sheet, chrome steel, laser welding, corrosive surface relief, laser scanning microscope.
Тукаев Рауль Фиделевич, аспирант УГНТУ, e-mail: raul. tukaev@gmail. com Демченко Мария Вячеславовна, аспирант УГНТУ
Сисанбаев Альберт Василович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПСМ РАН, e-mail: sisan-av@yandex. ru
