Для разработки новой технологии сварки была выбрана для исследований труба со следующими параметрами: материал – сталь 20; диаметр – 57 мм; толщина – 5 мм. Исследуемый образец продолжительное время работал в агрессивной среде, в частности в среде сероводорода на установке гидрокрекинга нефтеперерабатывающего завода.
Перед проведением экспериментальных и исследовательских работ испытуемые образцы были подвержены входному контролю: стилоскопированию металла, замеру твердости, толщины и диаметра трубы. Результаты подтвердили насыщение металла трубы сероводородом, что привело к структурным и геометрическим изменениям. Поэтому предварительно была проведена дегазация металла трубы с целью удаления из металла в зоне ремонта диффузионно-подвижного атомарного водорода [
Дегазация проводилась устройствами электрического нагрева равномерным нагревом участка металла, включающего непосредственную зону выборки дефекта и сварки, и примыкающую зону шириной, равной 3–4 толщинам стенки ремонтируемого элемента в каждую сторону, при температуре на 50 °C выше температуры рабочего продукта, но не ниже 300–350 °C в течение 0,5 часа (рис. 1) [
Рис. 1. Дегазация участка старой трубы перед наплавкойFig. 1. Degassing of an old pipe section prior to welding
При дегазации кроме задачи по удалению из металла в зоне ремонта диффузионно-подвижного атомарного водорода решается и задача по исключению кипения металла в процессе сварки, особенно корневых швов, и образования в нем пор и трещин.
Следующим этапом эксперимента является предварительная наплавка кромок свариваемых частей трубы. Сущность этой операции состоит в том, что перед сваркой на кромки наплавляется слой аустенитного или ферритного металла. Это позволяет предупредить образование околошовных трещин типа отколов вследствие благоприятного безнапряженного состояния на границе раздела: металл шва – основной металл.
Применение наплавки кромок позволяет осуществить полную термообработку деталей с наплавленными кромками и полностью устранить неблагоприятные структурные изменения в околошовной зоне даже в том случае, когда термообработка после сварки невозможна или затруднена (рис. 2).
Рис. 2. Предварительная наплавка кромки «старой» трубыFig. 2. Preliminary surfacing of “old” pipe edge
Наплавка кромок металлом того же состава, что и основной металл, или переплав кромок неплавящимся электродом также значительно повышают стойкость соединений против образования отколов. В этом случае положительное влияние наплавки обусловлено мелкодисперсным распределением в переплавленном металле неметаллических включений и благоприятным изменением их формы и химического состава. В процессе сварки было выявлено, что дуга после дегазации горит устойчивее.
Перед наплавкой производится прокалка электродов типа Э50А УОНИИ 13/55 (LB-52U) по следующему режиму: нагрев до температуры 350–400 °C, выдержка 1–2 часа.
После проведения наплавки проводилась термическая обработка наплавленного участка. Ее назначение заключается в снятии внутренних напряжений в металле, возникших в процессе изготовления элементов оборудования (при сварке, гибке листов, вальцовке и т. д.).
Термообработка производилась по режиму высокого отпуска: нагрев до температуры 600–630 °C, скорость нагрева с 300 °C – не более 150 °C/час, время выдержки – 2,5 минуты на 1 мм толщины стенки трубы, но не менее 1 часа, скорость охлаждения – не более 150 °C/час до 300 °C, далее – на спокойном воздухе или под слоем теплоизоляции.
После получения удовлетворительных результатов наплавки кромок трубы была проведена сварка бывшей в эксплуатации трубы с новой ремонтной трубой.
Сборка стыков труб под сварку осуществлялась с использованием центровочных приспособлений, обеспечивающих требуемую соосность стыкуемых труб и равномерный зазор по всей окружности стыка, а также с помощью прихваток или привариваемых на расстоянии 50–70 мм от торца труб временных технологических креплений (рис. 3).
Рис. 3. Центратор ЦЗН 57 (диаметр трубы 57 мм)Fig. 3. Pipe alignment clamp TSN 57 (pipe diameter of 57 mm)
Сварка проводилась короткой дугой, особенно при использовании электродов с основным покрытием, для которых длина дуги должна быть не более диаметра электрода. При этом соблюдались следующие условия: как можно реже обрывалась дуга; сварка начиналась в разделке или на наплавленном металле; кратер шва тщательно заплавлялся частыми короткими замыканиями электрода; не выводился кратер на основной металл; при смене электрода или случайных обрывах дуги сварка возобновлялась c отступом 15–20 мм назад от кратера и предварительной очисткой этого места от шлака и окалины [
Сварка стыка выполнялась по условиям производства при неповоротном положении стыка (рис. 4).
Процесс сварки проходил в нормальных условиях. Свариваемость при этом была хорошая, не было прилипания электрода (рис. 5).
Рис. 4. Порядок сварки первого (корневого) и последующих слоев при сварке неповоротного вертикального стыка диаметром до 273 мм. 1–8 – порядок сварки первого (корневого) и последующих слоев шваFig. 4. Order of welding first (root) and subsequent passes of a vertical-fixed joint having a diameter of up to 273 mm. 1–8 – order of welding first (root) and subsequent passes
Рис. 5. Стыковое соединение после наплавки кромок и термообработкиFig. 5. Butt joint following edge welding and heat treatment
После окончания сварки проведен контроль качества сварного соединения ВИК (визуальный измерительный контроль) – 100 %, ЦД (цветная дефектоскопия) в объеме 100 % для выявления поверхностных трещин (рис. 6).
По итогам контроля дефектов не обнаружено. Для полного контроля стыка проведен УЗК (ультразвуковой контроль) стыка (рис. 7). УЗК не показал наличие дефектов в данном сварном шве. Поэтому стык был признан годным, без единого дефекта.
Рис. 6. Цветная дефектоскопия сварного соединенияFig. 6. Dye penetrant testing of weld joint
Рис. 7. Ультразвуковой контроль сварного соединенияFig. 7. Ultrasonic testing of weld joint