CC BY
11сварные соединения
обработка металлов
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ НАПЛАВКИ ПОКРЫТИИ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ В КИСЛЫХ СРЕДАХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
%м
САРАЕВ Ю.Н.У профессор, доктор техн. наук, БЕЗБОРОДОВ В.П., с. н. е., канд. техн. наук, СЕЛИВАНОВ Ю.В., аспирант, НИКОНОВА И.В., вед. техн. ИФПМ СО РАН, г. Томск
Введение
Коррозионные испытания сталей, используемых для изготовления оборудования, работающего в условиях применения кислых сред, были инициированы возникшей необходимостью замены выходящих из строя фрагментов и продления тем самым срока службы оборудования в целом. Особенно сильно подвержены коррозионным процессам сварнье соединения стенок этих агрегатов, изготовленные из нерхавеющих сталей [1 ].
До настоящего времени в промышленности используются изделия технологического оборудования со сварными соединениями, полученными ручной дуговой сваркой (РДС) плавящимися электродами и механизированной свар<ой. При реализации указанных процессов перенос наплавляемого металла осуществляется сериями коротких замыканий. При этом отделение капли расплавленного металла с торца электрода и ее перенос в сварочную ванну происходит при высоком уровне сварочного тока. Это обусловливает нестабильность процессов в дуговом промежуке и повышенное разбрызгивание электродного металла, что в конечном счете ухудшает эксплуатационные свойства сварных соединений [2].
Практика показала, что в процессе длительной эксплуатации указанного оборудования, работающего в активных кислых средах, коррозионный износ металла составляет около 0,1 мм/год. Коррозионные же разрушения сварных соединений достигают 4...5 мм/год. Они, как правило, выражены в виде очень опасной разновидности межкристап-литной коррозии - ножевой коррозии, наблюдаемой как в околошовной зоне основного металла, так и в металле сварного шва. В некоторых случаях коррозия приводит к сквозному разрушению стенки агрегата.
В настоящее время восстановление поврежденных сварных соединений сталей на дейг.тную! цам оборудовании производится ручной аргонодуговой сваркой (РАДС) неплавящимся электродом. Восстановительный ремонт поврежденных коррозией участков сварных соединений заключается в нанесении на них способом наплавки защитного покрытия. Этот технологический процесс сопровождается большим тепловложением в зону сварного соединения [3], снижает защитный эффект от нанесения наплавленного покрытия, способствует проявлению коррозионных разрушений в этой зоне - ножевой коррозии.
С целью повышения эксплуатационных свойств сварных соединений сталей в работе был использован метод импульсно-дуговой наплавки на сварное соединение. Известно, что данный метод наплавки резко снижает тегло-вложение в зону сварного соединения, влияет на структуру и свойства сварных соединений из различных сталей [4]. Однако в литературе отсутствуют данные о структуре металлов наплавленного покрытия и сварного соединения из нержавеющих сталей и их коррозионных сыойсшах в азо1-нокислых средах.
Целью данной работы является проведение анализа влияния используемых технологических приемов и импульсного метода нанесения покрытий для повышения коррозионной стойкости сварных соединений из нержавеющих сталей в азотнокислых средах.
Материал и методы исследований
Для проведения исследований были изготовлены сварные соединения пластин из стали аустенитного класса 12Х18Н10Т размерами 300x150x10 мм. Формирование сварных соединений осуществлялось РДС электродами 03/1-36 диаметром 3 мм в три прохода.
Защитные покрытия на сварные соединения наносились ручным аргонодуговым (РАД), стационарным и импульсным методами наплавки. При нанесении наплавленного покрытия с помощью РАД в качестве присадочного материала применялась проволока Св01Х19Н9 диаметром 2 мм, а стационарным и импульсным методами - электроды марки 03Л-39 диаметром 3 мм.
Оценка коррозионного износа исследуемых сварных соединений проводилась по ускоренному методу [5]. Такие испытания рекомендуются для контроля качества сварного соединения и оценки его склонности к ножевой коррозии. Испытательной средой служил водный раствор 10 % HN03 + 3 % HF [6]. Испытания проводились при температуре среды 95 'С. В этих условиях увеличивается скорость перемешивания объема раствора и облегчается подвод окислительных компонентов к поверхности проб. Испытания состояли из 8 циклов продолжительностью 6 часов каждый. В реальных, условиях эксплуатации сварного соединения продукты коррозии постоянно уводятся из рабочего раствора, поэтому в ходе лабораторных испытаний в каждом цикле использовался свежеприготовленный раствор. Коррозионные испытания проб размерами 80x15x10 мм со сварными швами проводились в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатаиии оборудования. Моделировались реальные условия эксплуатации сварных соединений как с полным погружением проб в жидкую среду, так и частичным в области ватерлинии при воздействии рабочей жидкости и газовой фазы. В жидкости и на ватерлинии размещалось по три пробы каждого сварного соединения. Коррозионная стойкость оценивалась по изменению □сса проб с помощью аналитических весов типа ВЛР-200. Регистрация коррозионных разрушений поверхностных слоев проб производилась по изменению макроструктур сварных швов и зоны термического влияния (ЗТВ). Исследования структур сварных соединений и наплавленных покрытий проводились с помощью оптического микроскопа Axiovert 200 МАТ и камеры AxioCam HRc фирмы Carl Zeiss, регистрировались посредством программы AxioVision Reí 4.4. Фазовый состав исходных образцов осуществлялся на рентгеновском дифрактометре ДРОН-УМ1 с фильтрованным Ка (Си) излучением. Для проявления струк-
10170222
С^Д ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
туры сварных соединений и наплавленных по<рытий выявляли с помощью реактива, состоящего из 10 мл азотной кислоты, 20 мл соляной кислоты, 20 мл глицерина и 10 мл перекиси водорода (30 %-ной) [7].
Результаты и их обсуждение
Исследования микроструктуры и рентгеноструктурный анализ исходных образцов показали, что исследуемая сталь имеет аустенитно-ферритную структуру. Ферриг представляет собой выделения в виде строчек. Содержание феррита не превышает 3...5% (об.). Структура металла сварного шва, сформированного посредством РДС, представляет собой столбчатые дендриты, которые проходят через несколько слоев, а иногда через весь сварной шов (рис. 1, а). В заполняющем слое сварного шва и ближе к обратному валику ширина и длина дендритов может дости_ать 20 мкм и 500 мкм соответственно.
Поверхность покрытия, нанесенного на сварное соединение посредством РАД наплавки со скоростью 10 м/ч, представляет собой мелкие чешуйки с высотой гребней около 0,3 мм. На поверхности этого покрытия видимых дефектов не наблюдается.
При скорости нанесения покрытия 25 м/ч, выполненного стационарным способом, наплавленная поверхность имеет высоту гребней чешуек около 1,1мм. При этом наблюдаются межваликовые несплавления (рис. 1,8).
Рис. 1. Структура наплавленного металла покрытия: а) нанесенного при постоянном токе, б) нанесенного импульсно-дуговым методом, в) с несплавлением Структура наплавленного металла, полученного методом импульсно-дуговой наплавки, представлена в виде мелкодисперсных зерен (рис. 1,6). Протяженность зоны термического влияния (ЗТВ) в 1,5 раза меньше, а размер зерен в ней в 2,5 раза меньше, чем после наплавки стационарным методом. Однако при этом наблюдаются отдельные дефекты в наплавленном металле в виде несплавлений как отдельных валиков, так и с опнояным металлом. Указанные дефекты недопустимы при эксплуатации оборудования, работающего в условиях радиохимического производства [8]. Появление таких дефектов связано с «холодным» состоянием наплавляемой поверхности. Попытки исключить появление этих дефектов увеличением погонной энергии (путем увеличения продолжительности рабочего тока импульса (*и) или увеличения силы тока импульса (/и), а также одновременного увеличения обоих параметров) (рис. 2) привели к формированию более широкой ЗТВ наплавленного покрытия.
К_
- Е
Рис. 2. Алгоритм изменения тока наплавки: /и- рабочий ток импульса /б - базовый ток; - время рабочего импульса; - время паузы
Анализ влияния модуляции тока наплавки повышенной частоты (30... 100 Гц) и амплитуды 200 А, проведенный в работе Хофта [9], показал, что возникает высокая удельная тепловая энергия. Известно также [7], что при сварке модулированным током воздействие дуги на металл определяется параметрами тока в импульсе. Кроме того, применение при сварке модулированным током высоких амплитудных значений -ока в импульсе обусловливает повышенное воздействие дуги на металл и также высокую удельную тепловую энергию. Это позволяет, изменяя параметры импульсов тока, в широких пределах регулировать условия формирования сварного шва [4].
Для определения таких условий были проведены экспериментальные исследования по нанесению покрытий с использованием на интервале импульсного изменения энергетических параметров режима дополнительного «активирующего» импульса. Это позволило получить покрытия с дисперсной структурой, уменьшить ЗТВ и полностью исключить образование несплавлений металла наплавки с основным металлсм и с металлом сварного соединения.
Анализ зависимостей изменения веса проб от времени коррозионных испытаний в рабочей жидкости и на ватерлинии позволяет утверждать, что. не зависимо от местонахождения образцов, снижение их веса обусловлено, в первую очередь, технологией нанесения защитного покрытия (рис. 3). Наиболее активно происходит коррозионный износ проб сварных соединений с покрытием после РАД наплавки (рис.3, кривая 1). Это обусловлено грубой структурой наплавленного металла.
Скорость коррозии проб, наплавленных импульсным режимом, значительно выше, чем наплавленных при постоянном токе (рис. 3, кривые 2 и 3). Это обусловлено наличием многочисленных дефектов наплавки в виде несплавлений наплавленного металла (см. рис. 1, в). По этим полостям в ходе коррозионных испытаний проникает агрессивная среда, увеличивается скорость коррозионных разрушений в целом.
Введение дополнительного активирующего импульса тока позволяет обеспечить надежное сплавление металлов сварного соединения и наплавленного покрытия, уменьшить потерю веса при коррозионных испытаниях и скорость коррозионного износа (рис. 3, а и б, кривые 4).
Поскольку в процессе испытаний проб сварных соединений с наплавленными покрытиями участок непосредственного контакта рабочей среды с зоной сплавления имел сравнительно малые размеры, полученных данных недостаточно для суждения об изменении коррозионной стой<ости зоны сплавления. В отечественных и зарубежных научно-технических публикациях отсутствуют сведения о влиянии измельчения зерна зоны сплавления на коррозионную стойкость.
шт
СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
В связи с этим в работе бьли проведены коррозионные испытания проб сварных соединений после удаления наплавленных покрытий механическим способом. Это позволило обеспечить максимальный контакт зоны сплавления с агрессивной средой. Для имитации наиболее жестких (агрессивных) условий работы сварного соединения в химическом производстве была выбрана испытательная среда, состоящая из 65 % раствора азотной кислоты в воде. Испытания были разбиты на 8 циклов с продолжительностью 30 часов каждый.
2000 г- т> мг
1600
1200
800
400
_1___I
1200 г /77, мг
1000
800
600
400
10
20
30
40
50
Риз. 3. Зависимость снижения веса проб от времени коррозионного испытания в рабочей жидкости (а) и на ватерлинии (б); наплавка покрытия выполнена: 1 (♦) - РАД, 2 (•) - на постоянном токе, 3 (о) - импульсно-дуговым методом, 4 (+» - импульсно-дуговым методом с дополнительным активирующим импульсом
Поскольку при формировании наплавленного металла импульсно-дуговым методом фиксировались дефекты в виде несплошностей, такие образцы не использовались для коррозионных испытаний.
Анализ зависимостей скорости коррозии зоны сплавления от времени испытаний (рис. 4) показал, что наиболее подвержены коррозии пробы, наплавленные при постоянном токе (рис. 4, кривая 2). Эти пробы в значительной степени поражены ножевой коррозией в ЗТВ
наплавленного покрытия и в металле шва (рис. 5, а).
На пробах сварного соединения с покрытием, нанесенным с помощью РАД наплавки, наблюдается начальная стадия ножевой коррозии (рис. 5, б). В зоне сплавления образцов, наплавленных импульсно-дуговым методом с дополнительным активирующим импульсом, видимых коррозионных поражений не наблюдается. Коррозионные разрушения в основном формируются в ЗТВ металла сварного шва (рис. 5, в).
Эти результаты хорошо согласуются с данными, приведенными на рис. 4. Анализ показывает, что введение дополнительного активирующего импульса позволяет снизить среднюю скорость коррозии соединений по сравнению с полученными стационарным режимом и РАД в 6,2 и 1,5 раза соответственно. Причем, коррозионные разрушения проб, наплавленных им пульс но-дуговым методом с дополнительным активирующим импульсом, в основном связаны с коррозией металла сварного шва в области линии сплавления и ЗТВ (рис. 4, 5, в). Это позволяет предполагать высокую стойкость металла околошовной зоны з реальных условиях э<сплуатации, так как с агрессивной средой будет контактировать только наплавленный металл.
2.5
1.5
V,, г/м2ч
VCp^ = 0,47 г/м2ч Уср2 = 1.97г/м2ч УфЗ = 0,32 г/м2ч
] Г.ч
250
Рис. 4. Зависимость скорости коррозии от времени испытания;
наплавка покрытия выполнена: /(«) - РАД, 2 (о) - на постоянном токе, 3 (+) - импульсно-дуговым методом с дополнительным активирующим импульсом
Таким образом, результаты анализа коррозионных испытаний проб сварных соединений после удаления наплавленного гокрытия показали значительное повышение коррозионной стойкости зоны сплавления этих соединений при нанесении покрытий, выполненных импульсно-дуговым методом, использующим наложение дополнительного активирующего импулэса тока.
ИН1
-
Рис. 5. Макроструктура металла сварных швов после удаления покрытий, наплавленных: а - на постоянном токе; б - РАД; в - импульсно-дуговым методом с дополнительным активирующим импульсом
■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
№ 2 (35) 2007 35
CJyi обработка металлов
оборудование
Выводы
1. Использование технологического процесса импуль-сно-дуговой наплавки с дополнительным "активирующим" импульсом позволяет при минимальном тепловом воздействии на шов и ЗТВ сварных соединений аустенитных сталей формировать на них защитные покрытия с дисперсной и плотной структурой.
2. Покрытия с мелкодисперсной структурой, полученные меюдим им1 |ульсно-ду| овой наплавки и дополни ¡ельным "активирующим" импульсом, позволяют в 1,5-6 раз снизить скорость коррозии в активных радиохимических средах сварных соединений аустенитных сталей.
3. Импульсный технологический процесс наплавки на сварные соединения аустенитных сталей с дополнительным "активирующим" импугьсом может эффективно использоваться для ремонта и защиты от коррозии оборудования химической и радиохимической промышленности.
Список литературы
1. Куртепов М.М. О коррозии аппаратуры из нержавеющих сталей при концентрировании выпариванием радиоактизных отходов //Атомная энергия, 1965. - Т. 19, №2. - С. 153-157.
2. Сараев Ю.Н. Адаптивные импульсно-дуговые методы механизированной сваркипри строительстве магистральных трубопроводов // Сварочное производство. 2002. - № 1. - С. 4-11.
3. ФоминыхВ.П., Яковлев А.П. Ручная дуговая сварка. - Изд. 7-е исправленное и доп. - М.: Высшая школа, 1986. -366 с.
4. Азаров H.A. Разработка скоростного процесса сварки модулированным током корневых слоев шва трубопроводов электродами с основным видом покрытия: Дис... канд. техн. наук.-М., 1988. -210с.
5. ГОСТ Р 6032-2003. Стали и сплавы коррозионно-стойкие. Методы испытаний на стойкость к межкристаплитной коррозии. Взамен ГОСТ 6032-89. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 68 с.
6. Хори Ф. Атлас структур сварных соединений. - М.: Металлургия, 1977.-288 с.
7. Барабохин Н.С., Шиганов Н.В., Сошко И.Ф., Иванов В. В. Газодинамическое давление открытой импульсной дуги // Сварочнэе производство. - 1976 - № 2. - С. 4-6.
8. ОСТ95 39-2002. Стандарт отрасли. Оборудование для работы с радиоактивными средами. Сварные соединения. Правила контроля. Взамен ОСТ 95 39-91. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 31 с.
9. Hofi D. Versuche und Entwi cklungen beim Metall-Lichtbogens chweissen mit Stromi mpulsen // Maschinenmarkt. 1977. (83). № 78. -S. 1534-1537.
МОДЕРНИЗАЦИЯ ВАЛКА УГЛЕРАЗМОЛЬНОЙ МЕЛЬНИЦЫ
Одним из процессов глубокой переработки угля является получение гранул, используемых в качестве высокотеплоемкого топлива для энергетических и бытовых установок. Этому процессу предшествует размол угля, в частности до фракций 5 мм, в размольных мельницах разных конструкций. Одна из таких конструкций по заказу ООО «Эко-Гранула» разработана институтом ядерной физики в г. Новосибирске [ 1 ].
Однако опыт эксплуатации показал крайне низкую надежность конструкции. Пылезащитное уплотнение, состоящее из одной манжеты, не обеспечивает качественную защиту из-за прямого контакта манжеты с продуктами размола, ее быстрого износа и попадания продуктов размола в подшипниковьй узел, что приводит к быстрому выходу из строя подшипников. Еще одна проблема заключается в том, что смазка осуществляется за счет наполнения полости роликов солидолом только при монтаже, в связи с чем наработка составляла не более 4 часов. Для повышения надежности мельницы на кафедре технологии машиностроения КузГТУ были разработаны чертежи модернизированной конструкции валка и пылезащитного уплотнения с использованием ряда авторс<их свидетельств на изобретения (рис. 1,2,3,4).
Новая конструкция состоит из пары роликов 7 (рис.1) с подшипниками качения 2 и 3, расположенными на оси 4, которая соединена со штангой 5, прижимающей ролики 7 к вращающейся обечайке 6 мельницы. Со стороны внутренних торцов в корпуса роликов 7 запрессованы крыльчатки 7 (рис. 2), выполненные в виде дисков с торцезыми лопастями, выпуклые функциональные поверхности которых являются логарифмическими спиралями, и ступенчатыми отверстиями, в которых установлены манжеты 8, диски 9 и 10, между которыми размещены одно в другом магнитные кольца 11 и магнитная жидкость 72 (по принципу матреш-
Б.И. КОГАН, профессор, доктор техн. наук,
М.Ф. КАМОСКИЙ, студент, КузГТУ, г. Кемерово
ки) (рис. 3 и 4). Крыльчатки 7 с манжетами 8 и дисками 9 и 10 установлены с зазорами на распорных втулках 13, напрессованных на ось 4. Между подшипниками качения 2 и 3 расположены распорные кольца 14 и 15. Внутренние кольца подшипников 2 и 3 поджимаются упорными шайбами 16 и болтами 17. Фиксацию болтов 17 от самоотвинчивания обеспечивают шайбы 18, а наружные кольца подшипников поджаты через регулировочные прокладки 19 защитными крышками 20 и бслтами 21.
Рис. 1. Валок размольной мельницы: 7- ролик;
2, 3- подшипник качения; 4 - ось; 5- штанга; 6 - обечайка;
7 - крыльчатка; 8 - манжета; 9,10 - диски;
11- магнитное кольцо; 12- магнитная жидкость; 13 - втулка;
14,15 - распорные кольца; 16 - шайба упорная; 17, 21 - болты;
18 - шайба; 19 - прокладка; 20 - крышка
Валок размольной мельницы работает следующим образом При вращении обечайки 6 мельницы прижимаемые к ней штангой 5 ролики 7, за ичьм силы I ренин вращаются на подшипниках 2 и 3, размалывая уголь. При
