CC BY
9
УДК 004.942, 621.791.052
Муругов А. А.
УГАТУ Уфа, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ СВАРКЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ С УЧЕТОМ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ПОСТАВКИ СТАЛИ
Аннотация: В данной статье рассматривается моделирование сварочных процессов в пакете ANSYS. Было проведено описание структурно-фазовых превращений в металле. Был описан алгоритм моделирования превращений при сварке. Были проведены эксперименты по сварке для различных вариантов поставки стали.
Ключевые слова: сварка, моделирование, структурно-фазовые превращения, ANSYS, сталь
Murugov A. A.
USATU Ufa, Russia
MODELING OF STRUCTURAL-PHASE TRANSFORMATIONS IN WELDING HIGH-STRENGTH PIPE STEELS TAKING INTO ACCOUNT OF VARIOUS STEEL SUPPLY OPTIONS
Annotation: This article discusses the modeling of welding processes in the ANSYS package. A description of the structural phase transformations in the metal. An algorithm for modeling transformations during welding was described. Welding experiments were conducted for various steel supply options.
Keywords: welding, modeling, structural-phase transformations, ANSYS, steel
Увеличение рабочего давления в магистральных трубопроводах и усложнение условий их эксплуатации обусловило необходимость применения высокопрочных низкоуглеродистых микролегированных сталей категорий прочности X70 (К60) и Х80 (К65). Основной технологической операцией при изготовлении труб и строительстве трубопроводов является сварка. В связи с этим успешное применение высокопрочных трубных сталей для строительства газопроводов в значительной мере определяется наличием рациональных процессов их сварки, обеспечивающих требуемый уровень качественных показателей, характеризующих эксплуатационную надежность, хладостойкость, низкотемпературную вязкость, свариваемость стали и др.
В большинстве нормативных документов (DNV-OS-FlOl, API 5L, ISO 3183), регламентирующих технические условия, предъявляемые к прокату труб для магистральных трубопроводов, для обеспечения свариваемости не указана исходная морфология микроструктуры трубной стали в состоянии поставки.
Использование современных компьютерных технологий для комплексной автоматизации всех аспектов сварки, включая моделирование протекающих в свариваемом металле процессов, позволяет быстро находить оптимальные технологические решения при значительном снижении ресурсоемкости, а
также значительно расширит возможности вычислительного эксперимента для прогнозирования поведения материала при воздействии термического цикла сварки.
Описание структурно-фазовых превращений в стали 08Г2ФБТ. Сталь 08Г2ФБТ, микролегированная ванадием, ниобием и молибденом в сумме ~ 0,26%, обладает повышенной устойчивостью аустенита. В результате экспериментальных исследований [2] было установлено, что область ферритных превращений смещается к более медленным скоростям охлаждения (от 90 °С/с до 4,5 °С/с) за счет микролегирующих добавок. Это также выражено тем, что смещается область мартенситного превращения для скорости охлаждения от 90 до 25 °С/с.
Металл зоны термического влияния подвержен наибольшим структурным изменениям, что связано с ростом зерен аустенита, степени его гомогенизации и растворением легирующих компонентов. Эти факторы обусловливают низкие значения показателей хладноломкости ЗТВ, что потребовало исследования микроструктуры и кинетики превращения аустенита при охлаждении с температур 1300°.
Численное моделирование структурно-фазовых превращений при сварке стали К65. Модель структурно-фазовых превращений строилась на термической задаче моделирования дуговой сварки плавящимся электродом.
Численное моделирование проводилось на следующих режимах - /св=190 А; U=20,3 В; Защитный газ - Аргон; Расход газа - 12 л/мин. В качестве образца для сварки выбрали заготовку из трубы 089х3 мм по ГОСТ ISO 3183-2012 [4]. В соответствии с нормативной документацией [5] данная сталь 08Г2ФБТ хорошо сваривается, однако в некоторых случаях допускается подогрев до 150-200°С. В качестве некоторого упрощения при разработке прототипа численной модели структурно-фазовых превращений рассмотрели следующие варианты подогрева - без подогрева, подогрев 100°С, подогрев 200°С.
Разработанная на базе кода APDL численная модель структурно-фазовых превращений учитывала:
1) скорость нагрева
2) рост аустенитного зерна;
2) скорость охлаждения ws/5 на стадии распада аустенита;
3) скрытую теплоту плавления фазовых переходов.
Используя данные работы [1], была принята температура начала мартенситного превращения ЗТВ в 456°С. Температура окончания мартенситного превращения для основного металла и металла сварного шва составила 200°С.
В расчетах учитывалось превращение феррит / перлита в аустенит. Преобразование начиналось в точке Ac1 (760°С) и заканчивалось в точке Ас3 (920°С). В соответствии с данными работы [3] скрытая теплота для мартенситного превращения основного металла была определена в 75,07 кДж/кг, а при аустенитном превращении для металла сварного шва - 25,35 кДж/кг.
При моделировании структурно-фазовых превращений численная задача разбивалась на несколько стадий.
Стадия нагрева. Во время нагрева источник тепла проходил от одной кромки пластины до другой с использованием техники смерти и рождения элементов. Источник нагрева представлял собой двойной эллипсоид Голдака. Во время нагрева на каждом подшаге определялись элементы феррита, нагретые до температуры начала аустенитного превращения. В диапазоне аустенитного преобразования в соответствии с данными термокинетической диаграммы происходило превращение из феррита в аустенит.
Стадия охлаждения. На стадии охлаждения определялись скорости охлаждения элементов w8/5, соответствующие скоростям распада переохлажденного аустенита в диапазоне температур 850...500°С. После определения конкретных скоростей превращения для каждого элемента аустенита стадия остывания пересчитывалась. На каждом подшаге определялись элементы аустенита, подлежащие структурно-фазовым превращениям в соответствии с данными термокинетической диаграммы.
По результатам моделирования структурно-фазовых превращений в стали 08Г2ФБТ при дуговой сварке были получены результаты, представленные в таблице 1.
Таблица 1. Определение геометрических параметров сварного шва в зависимости от различных вариантов технологии сварки_
Исходная морфология микроструктур ы Сопутствующи й подогрев, °С Ширин а шва b, мм Ширина обратног о валика b1, мм Отклонени е ширины шва, % Отклонени е ширины обратного валика, %
Феррит 100% 200 8,00 5,84 0 0
100 6,90 4,65 13,8 20,3
без подогрева 6,87 4,23 14,1 27,6
Феррит 50% + Бейнит 50% 200 7,65 5,71 4,4 2,2
100 6,90 4,79 13,8 18,0
без подогрева 6,81 4,13 14,9 29,3
Феррит 25%+Бейнит 75% 200 7,71 5,67 3,6 2,9
100 6,90 4,60 13,8 22,6
- 6,81 4,52 14,9 22,6
Бейнит 100% 200 7,66 5,53 4,3 5,30
100 6,97 4,60 12,9 21,9
без подогрева 6,90 4,56 13,8 21,9
Использованные источники:
1. Науменко А.А. Формирование структуры и комплекса свойств хладостойкой стали для труб класса прочности К65 при термомеханической обработке: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.16.01. Москва, 2012. 24 с.
2. Величко А.А. Роль тепловых параметров сварки в формировании морфологии микроструктуры и свойств зоны термического влияния при производстве прямошовных труб: дисс...канд. техн. наук. 05.16.01. Москва, 2014. 164 с.
3. Darmadi, Djarot B. Residual stress analysis of pipeline girth weld joints: Dissertation submitted for the Degree of Doctor of Philosophy thesis, School of Mechanical, Materials and Mechatronic Engineering. University of Wollongong, 2014. 289 p.
4. ГОСТ ISO 3183-2012. Трубы стальные для трубопроводов нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия. М: Стандартинформ, 2013. 122 с.
5. СТО 0220368-011-2007. Сварка разнородных соединений сосудов, аппаратов и трубопроводов из углеродистых, низколегированных, теплоустойчивых, высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основах. Волгоград: ОАО «ВНИИПТхимнефтеаппаратуры», 2007. 35 с.
