CC BY
143
УДК 621.7.044
А. М. Файрушин (к.т.н., доц.), Д. В. Каретников (асп.), М. З. Зарипов (преп.), А. Л. Карпов (преп.)
Повышение стойкости к коррозии металла сварных соединений корпусов нефтеперерабатывающих и нефтехимических аппаратов
Уфимский государственный нефтяной технический университет кафедра технологии нефтяного аппаратостроения 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431112, e-mail: tna_ugntu@mail.ru
A. M. Fairushin, D. V. Karetnikov, M. Z. Zaripov, A. L. Karpov
Corrosion stability increasing of apparatus shell welding joints
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431112, e-mail: tna_ugntu@mail.ru
Рассмотрены особенности влияния вибрационных колебаний в процессе сварочного цикла на стойкость металла сварных соединений нефтегазового оборудования к различным видам коррозии.
Ключевые слова: вибрационная обработка; коррозионная стойкость; межкристаллитная коррозия; низколегированная сталь; хромони-келевая сталь.
Одним из путей в развитии современного нефтяного и химического машиностроения, направленных на повышение надежности и долговечности выпускаемой продукции, является создание и применение новых энерго- и ресурсосберегающих технологий обработки материалов и изготовления деталей при производстве технологического оборудования.
Особенно это актуально для нефтегазопе-рерабатывающей и нефтехимической отраслей промышленности, где проблема преждевременного выхода из строя оборудования, подвергающегося в процессе эксплуатации значительным механическим нагрузкам и работающего в непосредственном контакте с агрессивными средами, является чрезвычайно важной.
Одними из наиболее уязвимых узлов в сварных корпусах аппаратов являются сварные соединения, имеющие высокий уровень остаточных сварочных напряжений, а также неоднородность кристаллической структуры металла. На основании анализа результатов исследований образцов из углеродистых и коррозионно-стойких сталей профессором О. И. Стек-ловым 1 был сделан следующий вывод: коррозионное растрескивание, а иногда и процессы коррозии усиливаются под влиянием остаточных сварочных напряжений. Дата поступления 07.03.11
The given paper presents the research results of vibration loading effect applied to the components during welding on different kinds of corrosion stability of apparatus shell welding joints.
Key words: chrome-nickel steel; low-alloyed steel; corrosion stability; intercrystalline corrosion; vibration treatment.
В данной работе показаны результаты исследования влияния вибрационной обработки в процессе сварки на стойкость металла сварного соединения к коррозии.
Для проведения исследования использовались стали, чаще всего применяемые в производстве корпусов нефтеперерабатывающих и нефтехимических аппаратов. Анализ применяемых марок сталей (табл. 1) показывает, что наиболее часто среди высоколегированных сталей используется сталь марки 12Х18Н10Т, а среди углеродистых и низколегированных сталей — 09Г2С. Это объясняется тем, что аус-тенитные хромоникелевые стали, к которым относится сталь марки 12Х18Н10Т, обладают стойкостью в контакте с азотной кислотой и другими окислительными средами, некоторыми органическими кислотами средней концентрации, органическими растворителями, при этом обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью, высокими механическими свойствами при отрицательных температурах, устойчивостью против окисления на воздухе и в атмосфере продуктов сгорания топлива при температурах ниже 900 оС, что обеспечивает надежную работу сварных конструкций в течение длительного времени.
Стали, используемые для изготовления технологического оборудования
по данным предприятий
Наименование предприятия-изготовителя Стали, используемые для изготовления нефтехимических аппаратов, %
Низколегированные стали (09Г2С, 10Г2С1 и др.) 12Х18Н10Т Углеродистые стали Прочие
ОАО «УТС-Туймазыхиммаш» 52 23 16 9
ОАО «Салаватнефтемаш» 65 18 10 7
ОАО «Востокнефтезаводонтаж» 63 14 17 6
В свою очередь, низколегированные крем-немарганцевые стали типа 09Г2С, 10Г2С, 16ГС и др. являются на сегодняшний день одними из основных при производстве корпусов аппаратов работающих в малоагрессивных средах в широком диапазоне температур.
Однако, при уникальном комплексе физико-механических свойств, сталь 12Х18Н10Т имеет и ряд недостатков: невысокую прочность и твердость, высокую чувствительность к напряжению при нагрузках и, что особенно необходимо отметить, подверженность сварных швов межкристаллитной коррозии (МКК). МКК — одна из наиболее опасных разновидностей местной коррозии стали и сплавов, вызывающая избирательное разрушение по границам зерен, в результате которого теряются прочность и пластичность материала и преждевременно разрушаются конструкции 2. Известно, что возникновение склонности к МКК и скорость роста коррозионных трещин у хромистых и хромоникелевых сталей связано с образованием в границах зерен карбидной сетки Ме23Сб — (Сг^е)23Сб и обезлегированием по хрому приграничных областей твердого раствора, по которым развивается коррозионная трещина 2. Скорость роста карбидных частиц, в свою очередь, связана с температурой разогрева и химическим составом стали, в основном с содержанием углерода, никеля, кремния и других примесей.
Углеродистые и низколегированные стали имеют пониженную коррозионную стойкость и подвержены атмосферной коррозии без дополнительной защиты.
С учетом установленных причин образования МКК и других видов коррозии известны технологии снижения коррозионного разрушения, основными из которых являются 2'3: термическая обработка; стабилизация; снижение содержания углерода в стали до 0.03% и меньше.
Следует отметить, что приведенные выше способы снижения склонности металла сварного шва к МКК обладают рядом существенных недостатков.
Технологии стабилизации и снижения содержания углерода в стали являются материально затратными, а термическая обработка, как основной метод снятия остаточных напряжений в конструкциях и предотвращения разрушения металла, является энергоемким технологическим процессом, требующим больших производственных площадей и, кроме того, является неэкологичным процессом.
Все это вызывает необходимость в исследованиях, направленных на поиск новых путей к снижению склонности металла сварного шва к МКК и другим видам коррозии, при этом менее затратных и максимально продуктивных.
Теоретическое изучение этой проблемы позволило сделать вывод о целесообразности продолжения исследований в вопросе установленного ранее 4 воздействия вибрационных колебаний, приложенных к свариваемой детали в процессе сварки, на свойства получаемых сварных соединений. Такой подход к решению задачи разработки более эффективной технологии снижения склонности к коррозии с точки зрения уменьшения себестоимости, объясняется возможностью применения в технологии более простых по конструкции вспомогательных приспособлений и способностью адаптации к промышленному применению.
Для этого были проведены эксперименты по воздействию на сварочную ванну вибрационных колебаний в процессе сварочного цикла с целью изучения их влияния на снижение склонности к МКК (для стали 12Х18 Н10Т) и коррозионную стойкость (для сталей 09Г2С, 15Х5М).
Исследование влияния вибрационных колебаний на снижение склонности аустенит-ной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т к межкристаллитной коррозии.
В процессе экспериментов было получено 4 сварные заготовки, каждая из которых изготавливалась стыковой сваркой двух пластин толщиной 6 мм с применением электродов Э-08Х19Н10Г2Б марки ЦТ-15 диаметром 3 мм.
Режимы сварки и обработки исследуемых сварных образцов
Тип обработки Вид обработки в процессе сварки Вид сварки, режим
1 Вибрационная обработка (частота 50 Гц, амплитуда от 0.6 до 0.8 мм) Ручная дуговая сварка электродом ЦТ-15 (диаметр 3 мм) силой тока /се-70 100 А
2 Вибрационная обработка (частота 100 Гц, амплитуда от 0.6 до 0.8 мм)
3 Без обработки
Три заготовки были сварены с использованием сопутствующей обработки определенного вида, одна — без обработки (табл. 2).
Для создания виброколебаний в процессе сварки был сконструирован вибростол. С помощью виброизмерительного прибора Вибро-тест-МГ4+ измерялась амплитуда виброперемещений и частота колебаний свариваемых деталей. Амплитуда для всех режимов виброобработки составляла от 0.6 до 0.8 мм.
После сварки на заданных режимах из сварных заготовок были вырезаны образцы для проведения механических испытаний и исследований на стойкость к МКК. Испытания на МКК проводились по ГОСТ 6032-2003 методом АМУ. Образцы стали помещали в стеклянную колбу с обратным холодильником. Затем реакционный сосуд с раствором сернокислой меди и серной кислоты в присутствии металлической меди (стружки) нагревали и непрерывно кипятили в течение (8.00±0.25) ч, не допуская перегрева холодильника. После чего производился изгиб образца на угол 90о±5о с последующим осмотром загнутой поверхности на наличие трещин при помощи лупы 7—12-кратного увеличения.
Осмотр поверхности изгиба позволил выявить наличие трещин, которые свидетельствуют о склонности стали к МКК. Результаты испытаний показали, что образцы, сваренные без вибрационной обработки, оказались подвержены МКК (рис. 1). Образцы, полученные с применением вибрационной обработки, показали стойкость к МКК без образования трещин при загибе.
Исследование влияния вибрационных колебаний на снижение коррозии низколегированной стали феррито-перлитного класса 09Г2С.
Для этого предварительно были изготовлены опытные заготовки, каждая из которых получена сваркой встык двух пластин при определенной частоте локальной виброобработки. Толщина пластин 6 мм, частота вибрации для различных заготовок составляла 0, 50,
100, 150, 200 Гц, амплитуда 0.8 мм. Сварка применялась полуавтоматическая в среде защитных газов. Режим сварки: сила сварочного тока 150 А; сварочная проволока Св-08ГС; диаметр проволоки 1.6 мм; скорость сварки 12 м/ч. Параметры вибрации (частота, амплитуда) замеряли с помощью виброизмерительного прибора «Вибротест-МГ4+».
•V , . ■ ■'
?* • ¿Л
■Г Л • . ".д.
Рис. 1 Межкристаллитные разрушения
Исследование влияния способов обработки в процессе сварки деталей из низколегированной стали 09Г2С на коррозионную стойкость проводили гравиметрическим методом (по потере массы образцов).
Эксперимент проводился в следующих условиях: марка стали образцов 09Г2С; коррозионная среда — 9%-й раствор серной кислоты; продолжительность опыта — 185 ч.
Весовой показатель коррозии рассчитывается по формуле
Ту. Аш
Кт =Т— (1)
Л •Т
где Аш — уменьшение массы металла в результате коррозии, г;
5 — площадь поверхности образца, м2; т — время коррозии, ч.
Результаты замеров после эксперимента и проведенных расчетов приведены в табл. 3.
Расчет коррозионной стойкости металла
Частота Начальная Масса образца Разность Площадь Весовой
обработки, масса образца, после масс, поверхности, показатель коррозии, Кт, г/м ч
Гц т 1, г обработки, тг, г Ат, г 5, м2
0 7.4180 6.3607 1.0573 0.000610 9.369074
50 8.3719 7.3338 1.0381 0.000632 8.87872
100 6.9255 5.8831 1.0424 0.000599 8.617896
150 7.0548 6.1055 0.9493 0.000596 8.60965
200 7.6186 6.7323 0 8863 0.000608 7.879623
Таблица 4
Режимы обработки образцов
Тип образца Режим обработки
1 Предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 300-350 °С
2 Вибрационная обработка (частота - 50 Гц, амплитуда - до 1 мм)
3 Предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 300-350 °С, послесварочная термообработка (отпуск при температуре 740-760 °С);
4 Вибрационная обработка (частота - 50 Гц, амплитуда - 1 мм), послесварочная термообработка (отпуск при температуре 740-760 °С).
Таблица 5
Расчет коррозионной стойкости металла
Тип Начальная масса Масса образца по- Разность Площадь поверх- Весовой показатель
образца образца, ГП1, г сле обработки, гпг, г масс, Дш, г ности, Э, м2 коррозии, Кщ, г/м2ч
1 8.2683 7.4838 0.7845 0.000622 6.817589
2 7.8495 7.0900 0.7595 0.000616 6.664619
3 8.0609 7.3522 0.7087 0.000620 6.178727
4 7.2717 6.5803 0.6914 0,000600 6.228829
Результаты проведенных исследований показывают, что вибрационная обработка позволяет снизить значение весового показателя коррозии Кт. Наименьшее значение коррозии — 7.879 г/м2-ч достигается при значении частоты виброобработки — 200 Гц.
Исследование влияния вибрационных колебаний на снижение коррозии легированной стали мартенситного класса 15Х5М.
Исследования проводили на образцах из жаропрочной мартенситной стали типа 15Х5М, используя различные режимы обработки, указанные в табл. 4.
Исследование влияния способов обработки в процессе сварки деталей из жаропрочной стали на коррозионную стойкость проводили гравиметрическим методом (по потере массы образцов).
Эксперимент проводился в следующих условиях: марка стали образцов 15Х5М; коррозионная среда — 9% раствор серной кислоты; продолжительность опыта — 200 ч.
Весовой показатель коррозии рассчитывается по формуле (1). Результаты замеров после эксперимента и проведенных расчетов приведены в табл. 5.
Результаты проведенных исследований показывают, что вибрационная обработка при сварке конструктивных элементов аппаратов из стали 12Х18Н10Т с применением вибрационной обработки с амплитудой от 0.6 до 0.8 мм и частоте от 50 до 100 Гц повышает стойкость сварных соединений к межкристаллитной коррозии; коррозионная стойкость металла сварного шва легированных сталей 09Г2С и 15Х5М в среде серной кислоты увеличивается при проведении в процессе сварки вибрационной обработки.
Литература
1. Стеклов О. И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением.— М.: Машиностроение, 1990,— 384 с.
2. Зайнуллин Р. С. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости.— Уфа.: МНТЦ «БЭСТС», 1997,- 426 с.
3. Винокуров В. А. Сварочные деформации и напряжения.— М.: Машиностроение, 1968.— 236 с.
5. Сутырин Г. В. // Автоматическая сварка,— 1975,- №5,— С. 7.
Башкирский химическим журнал. 2011. Том 18. № 2
127
