CC BY
30СВАРКА В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР
О. И. Слепцов, Г. Н. Слепцов DOI: 10.24412/1728-516Х-2022-1-27-31
Олег Ивкентьевич Слепцов,
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела технологий сварки и металлургии, Института физико-технических проблем Севера
им. В. П. Ларионова СО РАН (ИФПТС СО РАН) -обособленного подразделения Федерального исследовательского центра «Якутский научный центр СО РАН» г. Якутск
Гавриил Николаевич Слепцов,
заведующий отделом технологий сварки и металлургии ИФПТС СО РАН (ФИЦ ЯНЦ СО РАН), г. Якутск
В настоящее время в мире наблюдается повышенное внимание к северным и арктическим территориям. Заметно интенсифицировалась и научно-исследовательская деятельность некоторых стран в северных регионах Земли. Появились международные научные программы, ключевые позиции в которых занимают США и Канада. Такой интерес обусловлен, прежде всего, богатыми энергетическими и минеральными ресурсами, которые там обнаружены. В свою очередь, освоение этих регионов стало принципиально актуальным и для нашей страны. Ускоренное освоение Севера и Арктики, включая побережье и шельф арктических морей, а также Северный морской путь, вызвано необходимостью усиления экономического потенциала России, что означает развитие базовых отраслей промышленности -горнодобывающей, нефтяной, газовой, судостроительной, с созданием соответствующей инфраструктуры, транспорта и связи.
Экстремальные природно-климатические условия Севера и Арктики значительно снижают работоспособность и долговечность техники и конструкций. Так, анализ их работы на территории Якутии в зимнее и летнее время показывает, что количество отказов деталей отдельных узлов и конструкций зимой увеличивается в 2-3 раза, а по некоторым данным -до 6 раз, что наносит экономике России колоссальный ущерб [1].
Основными факторами, ускоряющими процесс разрушения соединений техники и конструкций, являются дефекты сварки, остаточные сварочные напряжения, низкая
сопротивляемость зарождению и распространению возникающих в процессе сварки при низких температурах трещин в зонах термического влияния1 и металла шва. В свою очередь, это связано с накоплением технологических эксплуатационных повреждений и возникновением хрупких трещин в зонах сварных соединений. Многие из них, появляющиеся при положительных температурах, - лишь следствие накоплений повреждений, возникающих зимой. Проблема также усугубляется тем, что остаточный ресурс2 большей части уже существующих технических объектов, в том числе трубопроводов, промышленного оборудования и техники, по сути, исчерпан. В связи с этим, проведение фундаментальных исследований и внедрение прикладных разработок, ориентированных на повышение надёжности техники и конструкций ответственного назначения, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур, в настоящее время представляется крайне важным.
Анализ разрушений техники и конструкций в климатических условиях Якутии
Экстремальные климатические условия Якутии значительно влияют на эксплуатационную прочность техники и конструкций. Аварии конструкций происходят в основном при отрицательных температурах эксплуатации. Помимо длительного воздействия низких температур, работа, например, горнодобывающей техники, связана со знакопеременными температурными и ударными нагрузками, осложняемыми вибрациями и дополнительными нагрузками из-за
1 Зона термического влияния - это участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого вследствие теплового воздействия сварочного источника нагрева протекают фазовые и структурные превращения.
2 Остаточный ресурс - суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние.
Рис. 1. Трещина на стреле экскаватора Komatsu PC 1250
высокой абразивности3 многолетнемёрзлых пород, смерзаемости грунта, его налипания и намерзания на рабочие элементы техники. Также экстремально низкая температура воздуха отрицательно сказываются на физиологическом состоянии сварщиков, снижая их трудоспособность, что, наряду с понижением работоспособности оборудования, многократно повышает вероятность возникновения сварочных дефектов и хрупкого разрушения конструкции в процессе её изготовления, монтажа или ремонта. В целом, поток отказов4 деталей и узлов машин, большегрузных самосвалов, карьерных и шагающих экскаваторов и металлоконструкций увеличивается в 2-3 раза. В основном это связано с накоплением технологических эксплуатационных повреждений и возникновением хрупких трещин (рис.1, 2).
Разрушение мотор-колеса5 на автосамосвалах особо большой грузоподъёмности в условиях низких климатических температур принесло известной американской компании «Caterpillar» большие материальные затраты при замене на кожух из более хладостойкой стали. Многочисленные разрушения стрел экскаваторов привели к изменению всей технологической цепи их изготовления, что также очень затратно.
Действующие магистральные газопроводы Якутии вводились в эксплуатацию в 1967-1988 гг. Магистральный газопровод Таас - Тумус - Якутск является первым,
Рис. 2. Хрупкое разрушение обода колеса на БелАЗ-7519
построенным в зоне распространения вечномёрзлых грунтов (протяжённость - свыше 400 км). Строительство его носило экспериментальный характер. Первые две нити газопровода северного исполнения состоят из труб диаметром 530 мм, толщиной стенок 7 и 9 мм из стали марки 09Г2С. На рис. 3 представлены аварии подземных участков магистрального газопровода Бэргэ -Якутск диаметром 530 мм, введённого в эксплуатацию более 50 лет назад.
На территории Якутии важную роль играют резер-вуарные парки. От их безопасной эксплуатации зависят социально-экономическое развитие и жизнеобеспечение отдалённых населённых пунктов, расположенных в арктических районах республики. На рис. 3 показан разрушенный резервуар РВС-700 в с. Амга и последствия от разлива нефтепродуктов. Здесь нужно выделить несколько аспектов. Во-первых, резервуарные парки в Якутии были сооружены в основном более 40 лет
3 Абразивность - свойство твёрдого тела истирать другое тело в процессе трения.
4 Поток отказов - последовательность отказов, происходящих один за другим в случайные моменты времени.
5 Мотор-колесо - это гибридный механизм, который объединяет в себе колесо с интегрированными тяговым электромотором, силовой передачей и тормозной системой. Например, для крупногабаритных самосвалов в системе приводов колёс применяются электрические или дизель-электрические трансмиссии, которые помогают получить высокие тяговые и регулировочные показатели. Описанный узел называется мотор-колесом.
Рис. 3. Примеры разрушения магистрального газопровода Бэргэ - Якутск (а, б) и резервуара РВС-700 в с. Амга (в)
назад. Во-вторых, на 80 % они изготовлены из стали марки СТ3СП, которая не отвечает требованиям региона по хладостойкости6, но вынужденно используется эксплуатирующими организациями. В настоящее время идёт процесс замены этих резервуаров на новые из соответствующей хладостойкой стали 09Г2С.
Следует отметить, что в ходе длительной эксплуатации происходит изменение физических, механических свойств и структурно-фазовых состояний сталей и их сварных соединений. В зависимости от режимов эксплуатации, возможны повышение прочностных характеристик, снижение пластических показателей, уменьшение характеристик сопротивления развитию трещин, повышение критических температур хрупкости.
Причинами всех указанных выше аварий конструкций и узлов техники являются разрушения в зонах сварного соединения и наличие в них сварочных дефектов и напряжений, которые при длительной эксплуатации конструкций приводят к катастрофическим последствиям.
Обзор и анализ данных по отказам техники и конструкций, эксплуатирующихся в условиях Якутии, показывает, что зарождение разрушений чаще всего возникает именно в зонах сварных соединений. В процентном соотношении они составляют более 50 % для магистральных газопроводов, более 80 % - для резервуаров хранения нефти и нефтепродуктов, и 80-90 % - для деталей и элементов горнодобывающей техники [2].
Основы обеспечения низкотемпературной прочности сварных соединений
Как известно, способность стали к образованию качественного сварного соединения называют свариваемостью, которая определяется внешними и внутренними факторами. К ним, помимо химического состава, относятся технология сварки (режимы), жёсткость сварного узла, а также комплекс требований, предъявляемых к сварному соединению условиями эксплуатации. Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является их сопротивляемость к образованию трещин. В свою очередь, технологической прочностью сварного соединения называют его способность воспринимать без разрушения напряжения и деформации, возникающие в процессе обработки. При сварке низкая технологическая прочность металла приводит к образованию трещин в металле шва и в зоне термического влияния.
При сварке в условиях низких температур наблюдается резкое увеличение скорости охлаждения сварного соединения, что существенно повышает вероятность образования трещин для низколегированных сталей. Склонность металла сварного соединения к образованию холодных трещин в основном определяется химическим составом свариваемого металла, жёсткостью сварного узла, содержанием диффузионного водорода в металле шва, а также режимом и условиями сварки [3].
С понижением температуры сталь становится более чувствительной к концентраторам напряжений, которыми могут быть мельчайшие внутренние и внешние дефекты наплавленного металла. Ещё большее влияние на образование трещин могут оказывать более значительные концентраторы напряжений: резкие изменения сечений элементов сварного соединения; сосредоточение
6 Хладостойкость - способность материалов, элементов, конструкций и их соединений сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах окружающей среды.
сварных швов; резкие переходы от наплавленного к основному металлу; незаваренные кратеры, прерывистые швы, замкнутые контуры сварных швов и др.
В Институте физико-технических проблем Севера СО РАН, в частности, в отделе технологий сварки и металлургии, накоплен значительный опыт по разработке ремонтных сварочных технологий и новых теоретических направлений в области проблем возникновения и развития холодных трещин [4, 5]. Исследования выполняются с использованием комплекса экспериментальных и теоретических методик на основе современных представлений о механизмах разрушения материалов и конструкций. Активно применяются методы математического моделирования, моделирования условий и механизмов сварочных процессов, современные средства измерений и неразрушающих методов контроля и обработки статистических данных. Процессы образования холодных трещин и механизмы замедленного разрушения сварных соединений исследуются на специальных модельных образцах, позволяющих получать заданную структуру и содержание диффузионного водорода. Качество сварных соединений оценивается на испытаниях технологических проб и методами количественной оценки прочности с проведением полномасштабных натурных экспериментов элементов конструкций.
Как известно, монтажная или ремонтная сварка на открытых площадках в условиях низких температур требует применения рациональных конструктивных решений и правильного выбора последовательности наложения шва для максимального снижения концентрации напряжений, содержания водорода, использования рациональных режимов предварительного и послесва-рочного нагрева, оптимального выбора режима сварки, обеспечивающего достаточную технологическую и эксплуатационную прочность.
Вероятность образования холодных трещин и замедленного разрушения сварных соединений при низких климатических температурах устраняется применением рациональной технологии сварки. Нами была предложена методика выбора условий сварки на основе термокинетических диаграмм7, определённых данными по условиям обеспечения хладостойкости и технологической прочности8 [6].
Для практической реализации оптимальных режимов сварки были составлены и соответствующие номограммы9, определены наиболее опасные зоны, лимитирующие работоспособность сварных конструкций при низких температурах, и предложены технологии их упрочнения и восстановления. Методика определе-
ния требуемых параметров технологических решений включает регулирование термического цикла сварки при помощи подогрева погонной энергии сварки10, послесва-рочного нагрева, применение рациональных конструктивно-технологических решений, снятие остаточных напряжений (послесварочная обработка взрывом, ударно-ультразвуковая обработка), а также использование автоподогрева при многослойной сварке, выбор сварочных материалов и регулирование токоподвода11 [7].
Для обеспечения необходимой сопротивляемости сталей образованию холодных трещин и замедленному разрушению при сварке в условиях низких температур, важно создание технологии сварки, основанной на ограничении содержания водорода в металле шва в зависимости от уровня прочности, химического состава стали и верхнего уровня скорости охлаждения околошовной зоны.
Были исследованы на низкотемпературную прочность многие стали в диапазоне эксплуатационных температур до -60 °С, разработаны технологии сварки с учётом уровней тепловложения, при которых сварные соединения сохраняют исходные характеристики трещиностойкости. В соответствии с разработанными рекомендациями, исследовались процессы автоматической сварки под флюсом проволокой сплошного сечения, механизированной дуговой сварки и смеси углекислого газа с кислородом, а также полуавтоматической сварки порошковой проволокой. Для различных способов сварки были определены рациональные уровни тепловложения, обеспечивающее заданный уровень хладостойкости и вязкости разрушения, а также необходимость применения дополнительных технологических приёмов [8].
Применительно к ответственным соединениям и узлам, лимитирующим работоспособность и долговечность конструкций северного исполнения, рекомендовано применение упрочняющей обработки. Показана эффективность применения ультразвуковой и взрывной обработки для повышения долговечности сварных соединений при низких температурах, разработаны технология и способы обработки, защищённые авторскими свидетельствами. С учётом результатов исследований технологических основ повышения сопротивления разрушению сварных соединений низколегированных сталей, изучения влияния упрочняющих обработок на их долговечность и хладостойкость, разработаны основные положения и рекомендации по созданию сварных конструкций для эксплуатации в экстремальных условиях.
7 Термокинетическая диаграмма - диаграмма в координатах «температура - время», показывающая начало и окончание превращения переохлаждённой фазы при непрерывном охлаждении сплава с разными скоростями.
8 Технологическая прочность сварного соединения - это способность сварного соединения выдерживать без разрушения в процессе сварки, остывания или вылёживания сварных конструкций под влиянием сварочных деформаций и напряжений без существенных внешних нагрузок. Технологическую прочность часто определяют сопротивляемостью к образованию в сварных соединениях горячих (кристаллизационных) и холодных трещин.
9 Номограмма - это графическое представление функции от нескольких переменных, позволяющее с помощью простых геометрических операций исследовать функциональные зависимости без вычислений.
10 Погонная энергия сварки (тепловложение) - электрическая энергия, затраченная на единицу длины сварного шва при сварке.
11 Регулирование токоподвода - это регулирование тока сварочной дуги с помощью специализированных устройств.
Рекомендации по сварке при монтаже и ремонте платформ, рам, ободов колёс большегрузных автосамосвалов из высокопрочных низколегированных сталей вошли в инструкцию по их эксплуатации. Применение наших рекомендаций по технологии, конструктивно-технологическим мероприятиям и упрочнению повысило надёжность работы самосвалов в климатических условиях Якутии. Для повышения несущей способности ободов колёс была разработана и внедрена технология взрывной обработки сварных соединений, которая обеспечила снижение уровня сварочных напряжений и повышение их работоспособности. Она была применена на наиболее опасных участках действующих газопроводов. Технология механизированной дуговой сварки сплошной проволокой в среде углекислого газа и в смеси углекислого газа с кислородом, разработанная с учётом обеспечения требуемой работоспособности кузовов и рам цельнометаллических вагонов для Севера, была реализована на Уралвагонзаводе. Основные рекомендации по технологии сварки были использованы при ремонте жёсткой опоры 20-кубовых экскаваторов Марион-204 М, балки рукояти и двуногой стойки экскаватора ЭКГ-12,5. Узлы экскаваторов Марион-204М и ЭКГ-12,5, восстановленные с соблюдением рекомендуемой нами технологии, успешно эксплуатируются на горнодобывающих предприятиях северо-востока страны.
Разработанные технологии сварки были успешно реализованы в процессе строительства магистрального газопровода «Мастах - Берге - Якутск» при сварке неповоротных стыков труб диаметром 530-730 мм из сталей Х60...65 при низких температурах с применением высокопроизводительной сварки сверху-вниз, обеспечивающей повышение темпа сварочно-монтажных работ до двух раз и получение надёжных и долговечных магистральных газопроводов, эксплуатирующихся в условиях Севера и Арктики [9].
Список литературы
1. Ларионов, В. П. Сварка и проблемы вязкохрупко-го перехода / В. П. Ларионов. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. - 592 с.
2. Повышение прочности сварных металлоконструкций горнодобывающей и транспортной техники в условиях Севера / О. И. Слепцов [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. - 201 с.
3. Водородное охрупчивание, растрескивание и живучесть сварных соединений при низких температурах / О. И. Слепцов [и др.]. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2008. - 133 с.
4. Повышение прочности сварных соединений конструкций для Севера / О. И. Слепцов [и др.]. - Новосибирск : Наука, Сиб. отд-е, 1989. - 202 с.
5. Замедленное разрушение металлоконструкций / В. Е. Михайлов [и др.]. - Новосибирск : Изд-во СО РАН. Научно-издательский центр ОИГГМ, 1999. - 224 с.
6. Слепцов, О. И. Технологическая прочность сварных соединений при низких температурах / О. И. Слепцов ; АН СССР, Сиб. отд-ние, Якут. фил., Ин-т физ.-техн. пробл. Севера; отв. ред. В. П. Ларионов. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1984. - 102 с.
7. Рекомендации по технологии сварки элементов металлоконструкций и труб при отрицательных температурах (до минус 50 °С). / В. П. Ларионов [и др.]; АН СССР, Сиб. отд-ние, Якут. фил., Ин-т физ.-техн. пробл. Севера. - Якутск, 1982. - 16 с.
8. Рекомендации по технологии сварки металлоконструкций машин, эксплуатируемых при низких температурах / В. П. Ларионов [и др.]. - Якутск, 1987. - 18 с.
9. Ларионов, В. П. Электродуговая сварка конструкций в северном исполнении / В. П. Ларионов ; отв. ред. Б. С. Касаткин; АН СССР, Сиб. отд-ние, Якут. фил., Ин-т физ.-техн. пробл. Севера. - Новосибирск : Наука, Сиб.отд-ние, 1986. - 256 с.
Я<РХ№ ЖУ&РЫХ Ш1СЖЙ
Упавший духом гибнет раньше срока.
Омар Хайям
Пользуйтесь, но не злоупотребляйте - таково правило мудрости.
Вольтер
Мир уступает дорогу тем, кто знает, куда идти.
Эмерсон
