CC BY
18
УДК622.692.4.07 https://doi.org/10.24412/0131-4270-2021-1-62-65
ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ОКАЗЫВАЮЩИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НЕРЖАВЕЮЩИХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ
ASSESSMENT OF FACTORS INFLUENCING THE QUALITY OF WELDED JOINTS OF STAINLESS PIPELINES DURING THEIR MANUFACTURE
А.Ф. Низаметдинов, Р.Р. Хасанов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4333-5666, E-mail: nizametdinov.86@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6244-7532, E-mail: hasanov25@mail.ru
Резюме: В данной работе проведен анализ факторов, оказывающих влияние на качество сварных соединений нержавеющих трубопроводов при их изготовлении. Раскрываются основные проблемы дальнейшего научного развития и проведения исследований по улучшению качества сварных соединений. Представлены результаты анализа данных микротвердости при использовании различных электродов для различных режимов сварки.
Ключевые слова: сварка, сварной шов, трубопроводы, нержавеющие трубопроводы.
Для цитирования: Низаметдинов А.Ф., Хасанов Р.Р. Оценка влияния факторов, оказывающих влияние на качество сварных соединений нержавеющих трубопроводов при их изготовлении // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 1. С. 62-65.
D0I:10.24412/0131-4270-2021-1-62-65
Ayrat F. Nizametdinov, Rustyam R. Khasanov
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4333-5666, E-mail: nizametdinov.86@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6244-7532, E-mail: hasanov25@mail.ru
Abstract: In this article, the analysis of factors influencing the quality of welded joints of stainless pipelines during their manufacture is carried out. The main problems for further scientific development and research to improve the quality of welded joints are revealed. The results of analysis based on microhardness data using different electrodes in different welding modes are presented.
Keywords:welding, weld, pipelines, stainless pipelines.
For citation: Nizametdinov A.F., Khasanov R.R. ASSESSMENT OF FACTORS INFLUENCING THE QUALITY OF WELDED JOINTS OF STAINLESS PIPELINES DURING THEIR MANUFACTURE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2021, no. 1, pp. 6265.
DOI:10.24412/0131-4270-2021-1-62-65
Основной объем изделий из биметаллов изготавливают с помощью сварки. В ряде случаев биметаллы используют как переходники для сварки конструкций из разнородных металлов [1]. При этом составляющие биметаллических переходников (вставки) сваривают с соответствующими металлами конструкций. Например, при создании стале-алюминиевых конструкций применяют биметаллические вставки, стальной слой которых приваривают к стальной детали с помощью электродуговой сверки, а алюминиевый слой - к алюминиевой детали методом аргонно-дуго-вой сварки [2].
Операция сварки обычно является наиболее ответственной в технологическом процессе, так как от качества сварных соединений зависят эксплуатационные свойства оборудования, его долговечность [3]. Основным фактором, определяющим качество сварного соединения, является разделка кромок биметалла под сварку (рис. 1) [4].
Материалом основного слоя в подавляющем большинстве является малоуглеродистая сталь, поэтому особенности технологии сварки того или иного композита определяются материалом плакирующего слоя. Можно выделить следующие основные группы материалов плакирующего слоя: высоколегированные коррозионно-стойкие стати и сплавы на основе железа; сплавы на нежелезной основе и
Рис. 1. Схемы подготовки кромок к сварке: а - без разделки кромок; б, в - К-образная с разделкой со стороны основного и плакирующего слоев; г - и-образная разделка кромок; д - Х-образная разделка кромок; е, ж - разделка кромок с удалением из зоны стыка основного и плакирующего слоев
Рис. 2. Последовательность операций при сварке биметаллов с плакирующим слоем из коррозионностойкой стали: а - подготовка кромок; б - сварка основного слоя; в - разделка корня шва на основном слое; г - сварка плакирующего слоя
цветные металлы, обладающие хорошей свариваемостью со стальной основой и имеющие близкую с ней температуру плавления; цветные металлы, обладающие ограниченной свариваемостью со сталью и имеющие температуру плавления существенно более низкую, чем температура плавления основного слоя; металлы и сплавы, непосредственное соединение которых со сталью с помощью сварки плавлением затруднено.
Сварка биметаллов с плакирующим слоем из коррозионно-стойких сталей наиболее изучена и освоена [1]. Сварные соединения таких композиций должны иметь прочность, близкую к прочности металла основного слоя, и такую же коррозионную стойкость, как у плакирующего слоя. Соблюсти эти условия можно лишь при использовании раздельной сварки составляющих и применении присадочных материалов, чтобы обеспечить заданный состав слоев сварного соединения [3]. Необходимо принимать меры, предотвращающие легирование металла основного слоя элементами плакирующего слоя (хромом, никелем и др.), так как это резко снижает пластические свойства соединения и может даже привести к образованию в нем трещин после сварки или во время эксплуатации готового изделия.
Большое значение имеет последовательность наложения сварных швов (рис. 2) [3]. В большинстве случаев первоначально выполняют шов на основном слое, принимая меры для предотвращения проплавления плакирующего слоя (используют электроды малого диаметра, частично удаляют плакирующий слой, притупляют кромки на основном слое и т.д.). После завершения сварки основного слоя приступают к сварке плакирующего слоя [3]. Иногда перед сваркой производят со стороны плакирующего слоя разделку корня шва на основном слое в целях удаления дефектной части шва с помощью строжки или шлифования. При сварке плакирующего слоя необходимо ограничивать разбавление металла шва железом основного слоя [5]. Для этого применяют присадочные материалы с высоким содержанием легирующих добавок, сварку ведут электродами малого диаметра при минимальной силе сварочного тока [2-3].
В случаях, исключающих возможность раздельной сварки слоев (когда к месту соединения есть доступ только с одной стороны, например при сварке замкнутых сосудов малого диаметра), используют сварку сквозным швом. Если ее предстоит выполнять со стороны основного слоя,
то сначала сваривают швы на плакирующем слое, используя присадочные материалы, соответствующие составу плакирующего металла. Основной слой сваривают электродами из аустенитного материала. Сварку сквозным швом применяют также для листов толщиной менее 5 мм [3, 5].
При сварке композиций с плакирующим слоем из цветных металлов и сплавов, обладающих удовлетворительной свариваемостью со сталью основного слоя и имеющих близкую с ней температуру плавления, не допускают разбавления металла шва плакирующего слоя железом основного слоя [5]. К композициям этого класса относят двухслойные стали с плакирующим слоем из никеля и сплавов на его основе (хастеллоя, нимоника, инконеля, монеля и др.). В целях предотвращения проникновения железа в металл шва сварку плакирующего слоя ведут электродами того же состава, что и свариваемый металл, с низким содержанием примесей. Результат сварки во многом зависит от чистоты наплавленного металла, поэтому необходимо предотвращать проникновение в металл шва серы, кислорода и углерода. Хорошие результаты дает аргоно-дуговая сварка электродами малого диаметра при низком значении сварочного тока [2]. Сварку рекомендуется вести по возможности большим числом слоев, для этого перед наплавкой следующего слоя можно применять частичную сошлифовку наплавленного металла [1-3].
Никель-хромовые нержавеющие стали могут использоваться в различных сферах производства и промышленности, так как они обладают высокими и устойчивыми механическими свойствами: стойкостью против атмосферной жидкостной и газовой коррозии, окалиностойкостью, жаропрочностью [6]. Эти свойства обусловлены либо химическими свойством сталей, либо способом их производства и обработки [7].
Постоянное повышение требований к качеству изготовления трубопроводов, выполнению их ремонтов с применением сварки [8] биметаллов обуславливают появление новых методов расчета и определения эксплуатационных свойств. Особую роль играет прогноз о длительности эксплуатации металлоконструкции. В связи с этим разработки в указанном направлении являются весьма актуальными. Так, в работе А.И. Ковтунова были рассмотрены особенности аргонодуговой наплавки сплавов системы железо-алюминий на высоколегированные хромоникелевые стали и были установлены технологические режимы и свойства наплавленного металла [9]. Проанализировав особенности изготовления сварного соединения, можно сформулировать цель исследования, которая будет заключаться в определении необходимого количества электродов и оптимальных режимов сварки для производства сварного соединения нержавеющей аустенитной стали.
В качестве материала настоящего исследования использована горячекатаная труба диметром 159 мм из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т толщиной 6 мм. Подготовку кромок выполняли по ГОСТ 16037-80, соединение С17.
1
• 202 1
63
Применили ручную дуговую сварку электродами марок ОЗЛ-8, ЦЛ-11 и ЦТ-15. Для сварки сварного соединения использовали сварочный инвертор LORCH Handy TIG 180 AC/DC Control Pro. Периметр стыка условно разделили на шесть участков. Сварку всех соединений выполнили на постоянном токе обратной полярности. Обрезка и пробоподготовка образцов проводились на Delta Abrasi Met и Automet 250 (Buehler). Для измерений микротвердости образцов был выбран Shimadzu HMV-2 [10].
Образцы исследования: 1.1.3 -сварку соединения выполняли электродами ЦЛ-11, 1.2.3 - электродами ЦЛ-11, 2.3.3 - электродами ЦТ-15, 2.4.3 - электродами ЦТ-15, 3.5.3 -электродами ОЗЛ-8, 3.6.3 - электродами ОЗЛ-8. Испытания микротвердости по сечению сварного соединения производились на отполированных и протравленных шлифах методом вдавливания алмазной пирамиды с углом между противоположными гранями 136° с нагрузкой 200 г. Микротвердость измерялась по всему шву, начиная с середины сварного шва до зоны основного металла, с шагом 0,5 мм [11]. Графики распределения микротвердости по сечению шва образцов 1.1.3, 1.2.3, 2.3.3, 2.4.3, 3.5.3 и 3.6.3 изображены на рис. 3. На рис. 3а видно, что микротвердость от середины шва к линии сплавления равна интервалу 300-400 HV, а также есть небольшой участок, где микротвердость равна 400-500 HV, но сразу после нее в основном металле от зоны термического влияния и дальше значение микротвердости постепенно снижается до 200-300 HV. На рис. 3б наблюдается прочностная однородность сварного шва с небольшими значениями микротвердости 200-300 HV, а также присутствует небольшой участок, где микротвердость равна 300-400 HV. Рис. 3в показывает высокие значения микротвердости в сварном шве, но, приближаясь к линии сплавления, микротвердость снижается, далее от зоны термического влияния в сторону основного металла она также постепенно убывает. На рис. 3г выявляется та же тенденция изменения микротвердости, что и на рис. 3в,
Рис. 3. Диаграмма распределения микротвердости по всему шву образца: а - 1.1.3; б - 1.2.3; в - 2.3.3; г - 2.4.3; д - 3.5.3; е - 3.6.3
только присутствует больший участок, где значения микротвердости равны интервалу 400-500 HV. На рис. 3д видно, что микротвердость от середины шва к линии сплавления равна интервалу 300-400 HV, но сразу после нее в основном металле от зоны термического влияния и дальше значение микротвердости постепенно снижается до 200-300 HV. На рис. 3е наблюдаем самые низкие значения микротвердости. Тенденция изменения микротвердости такая же, как и на рис. 3б.
Заключение
Результаты исследования на микротвердость образцов 1.1.3, 1.2.3, 2.3.3, 2.4.3, 3.5.3, 3.6.3 показали: при сварке электродом ЦТ-15 и токах 80 А и 100А получается твердость сварного шва значительно выше твердости основного металла; при сварке электродом ОЗЛ-8 и токе 50 А, а также электродом ЦЛ-11 и токе 70А получается удовлетворительная по значению микротвердость шва и основного металла с прочностной однородностью; при сварке электродом ЦЛ-11 и токе 90А, а также электродом ОЗЛ-8 и токе 70А микротвердость сварного соединения имеет самые низкие показатели по сравнению с другими образцами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
11.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Чигарев В.В., Коваленко И.В. Исследование эксплуатационных свойств биметаллических сварных соединений // Вестник Приазовского государственного технического университета. 2011. № 22. С. 161-165. Ковтунов А.И., Бочкарев А.Г., Плахотный Д.И. и др. Аргонодуговая наплавка интерметаллидных сплавов системы Ti-Al при легировании цирконием // Сб. науч. тр. Межд. науч.-практ. конф. СПб.: Нацразвитие, 2019. С. 146-152.
Земзин В.Н. Сварные соединения разнородных сталей. Л.: Машиностроение, 1966. 190 с.
Павлова Т.С. Неупругость сплавов на основе интерметаллида Fe3Al: дис. канд. техн. наук: 01.04.07. Тула,
2008. 130 с.
Мовчан Б.А. Микроскопическая неоднородность в литых сплавах. Киев: Гостехиздат УССР, 1968. 230 с. Мазур А.А., Маковецкая O.K., Пустовойт С.В. Автоматизация и роботизация в сварочном производстве: состояние и тенденции развития // Сварщик. 2017. № 4. C. 24-30.
Гончаров Н.Г., Колесников О.И., Юшин А.А. Особенности технологии сварки труб из высокопрочных сталей // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. Т. 7. № 6. С. 54-59.
11.
Гончаров Н.Г., Нестеров Г.В., Юшин А.А. Технология сварки кольцевых стыков магистральных трубопроводов из труб класса прочности К56 при низких температурах окружающей среды // Безопасность труда в промышленности. 2018. № 8. С. 42-47.
Ковтунов А.И. Аргонодуговая наплавка сплавами на основе системы железо-алюминий. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2014. 140 с.
Гладков Э.А., Бродягин В.Н., Перковский Р.А. Автоматизация сварочных процессов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 421 с.
Вышемирский Е.М. Состояние сварочного производства ПАО «Газпром». Основные направления развития // Территория НЕФТЕГАЗ, 2015. № 8. С. 55-63.
REFERENCES
1. Chigarev V.V., Kovalenko I.V. Investigation of the operational properties of bimetallic welded joints. Vestnik Priazovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, no. 22, pp. 161-165 (In Russian).
2. Kovtunov A.I., Bochkarev A.G., Plakhotnyy D.I. Argonodugovaya naplavka intermetallidnykh splavov sistemy Ti-Al pri legirovanii tsirkoniyem [Argon-arc surfacing of intermetallic alloys of the Ti-Al system with zirconium alloying]. Trudy Mezhd. nauch.-prakt. konf. [Proc. of Int. scientific-practical conference] St. Petersburg, 2019, pp. 146-152.
3. Zemzin V.N. Svarnyye soyedineniya raznorodnykh staley [Welded joints of dissimilar steels]. Leningrad, Mashinostroyeniye Publ., 1966. 190 p.
4. Pavlova T.S. Neuprugost' splavovna osnove intermetallida Fe3Al. Diss. kand. tekhn. nauk [Inelasticity of alloys based on the Fe3Al intermetallic compound. Cand. tech. sci. diss.]. Tula, 2008. 130 p.
5. Movchan B.A. Mikroskopicheskaya neodnorodnost vlitykh splavakh [Microscopic heterogeneity in cast alloys]. Kiev, Gostekhizdat USSR Publ., 1968. 230 p.
6. Mazur A.A., Makovetskaya O.K., Pustovoyt S.V. Automation and robotization in welding production: state and development trends. Svarshchik, 2017, no. 4, pp. 24-30 (In Russian).
7. Goncharov N.G., Kolesnikov O.I., Yushin A.A. Features of the technology of welding pipes made of high-strength steels. Nauka itekhnologiitruboprovodnogo transporta neftiinefteproduktov, 2017, vol. 7, no. 6, pp. 54-59 (In Russian).
8. Goncharov N.G., Nesterov G.V., Yushin A.A. Welding technology of circular joints of main pipelines from pipes of K56 strength class at low ambient temperatures. Bezopasnost truda vpromyshlennosti, 2018, no. 8, pp. 42-47 (In Russian).
9. Kovtunov A.I. Argonodugovaya naplavka splavami na osnove sistemy zhelezo-alyuminiy [Argon-arc surfacing with alloys based on the iron-aluminum system]. Tolyatti, TGU Publ., 2014. 140 p.
10. Gladkov E.A., Brodyagin V.N., Perkovskiy R.A. Avtomatizatsiyasvarochnykhprotsessov[Automation of welding processes]. Moscow, MGTU im. N.E. Baumana Publ., 2014. 421 p.
11. Vyshemirskiy YE.M. The state of the welding production of Gazprom PJSC. Main directions of development. Territoriya NEFTEGAZ, 2015, no. 8, pp. 55-63 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Низаметдинов Айрат Фаритович, магистрант кафедры промысловых трубопроводных систем, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Хасанов Рустям Рафикович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой промысловых трубопроводных систем, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Ayrat F. Nizametdinov, Undergraduate of the Department of Field Pipeline Systems, Ufa State Petroleum Technological University. Rustyam R. Khasanov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof., Head of the Department of Field Pipeline Systems, Ufa State Petroleum Technological University.
