1.8.4. Выбор формы свариваемых элементов
Сварные заготовки изготовляют из проката: листа, труб, профилей, а также из литых, кованых и штампованных элементов. При конструировании размеры и форму свариваемых элементов с точки зрения их технологичности следует выбирать, исходя из применения высокопроизводительных автоматических способов сварки; выполнения сварки в нижнем положении; свободного доступа к лицевой и корневой частям шва; проведения при необходимости подогрева (или охлаждения) и последующей термической или механической обработки; сведения к минимуму длины сварных швов и массы основного и наплавленного металлов и т. д.
Указанным рекомендациям соответствуют элементы простой геометрической формы: прямолинейные, цилиндрические, конические и полусферические с длинными прямыми и замкнутыми кольцевыми стыковыми и тавровыми соединениями. При выборе сортамента материалов для изготовления элементов предпочтительнее прокатные, гнутые или штамповочные профили и оболочки, тонкий лист и тонкостенные трубы, и их сочетания.
1.8.5. Выбор вида сварки
Вид сварки выбирают, исходя из размера и формы соединяемых заготовок; расположения швов в сварном соединении; физико-химических свойств, соединяемых материалов; возможности механизации и автоматизации процесса сварки. Так, например, для сварки листовых конструкций из всех марок сталей и некоторых цветных сплавов широко применяют дуговую и электрошлаковую сварку, Для получения стыковых соединений заготовок компактных, полых и развитых сечений из сталей и цветных металлов применяют контактную стыковую сварку. В производстве тонколистовых конструкций из сталей и цветных металлов для нахлесточных соединений наиболее распространены точечная и шовная контактная сварка. В том случае, когда желательно ограничить температуру нагрева материала в зоне соединения, применяют холодную и ультразвуковую сварку.
1.8.6. Выбор способа уменьшения сварочных деформаций и напряжений
При проектировании сварных заготовок необходимо предусматривать конструктивные и технологические мероприятия по устранению или уменьшению сварочных деформаций и напряжений. Внешние сварочные деформации приводят к снижению точности размеров заготовок и требуют назначения больших припусков на механическую обработку.
Сварочные деформации и напряжения возникают вследствие локальной пластической деформации отдельных зон сварного соединения из-за неравномерного разогрева при сварке. Металл в зоне максимального нагрева (шов и зона термического влияния), претерпевший пластическую деформацию сжатия при нагреве, после полного охлаждения получает остаточное укорочение. Это укорочение приводит к изменению формы и размеров всей сварной заготовки. Абсолютное укорочение (∆АВ и ∆CD) линейных элементов (АВ и CD) пропорционально их длине в зоне пластической деформации (ABCD) (рис. 43, а, б).
Рис. 43. Схема образования внешних сварочных деформаций
В соответствии с этим основные закономерности процесса развития внешних сварочных деформаций сводятся к следующему: 1) абсолютное укорочение возрастает с увеличением зоны пластической деформации, т. е. с увеличением объема наплавленного металла и зоны разогрева заготовки; 2) при симметричном размещении наплавленного металла относительно центра тяжести сечения (ц. т.) свариваемых элементов изменяются только размеры последних, т. е. происходит деформация поперечной ∆п и продольной ∆пр усадок (рис. 43, в; 44, а); 3) при несимметричном расположении наплавленного металла относительно центра тяжести сечения также изменяется форма сварных заготовок, т. е. происходит деформация угловая а и изгиба / (рис. 44, в; 45, а); 4) величина деформации определяется, с одной стороны, величиной остаточного укорочения, с другой — сопротивлением сварной заготовки деформации растяжения (сжатия), изгиба или кручения, т. е. соответствующей ее жесткостью.
Эффект укорочения металла в зоне пластических деформаций в ряде случаев может быть представлен как сжимающее действие некоторой фиктивной усадочной силы Рус. Это позволяет рассчитывать сварочные деформации методами сопротивления материалов. Усадочную силу определяют количественно как произведение площади зоны пластической деформации в поперечном сечении соединения на предел текучести металла этой зоны.
Мероприятия, уменьшающие внешние сварочные деформации, направлены на снижение остаточного укорочения и устранение несимметричности его распределения, а также на повышение сопротивления свариваемых элементов деформированию. Они могут быть реализованы на этапе конструирования или изготовления сварного узла. Часто полностью устранить сварочные деформации не удается. Поэтому при необходимости возможно применение правки уже готовых сварных заготовок.
Поперечную и продольную усадки сварных заготовок (рис. 44, а) можно скомпенсировать увеличением размеров заготовки под сварку на величину предполагаемой деформации; уменьшить сваркой обратно-ступенчатым способом (рис. 44, б; 1—6 — последовательность сварки). Угловая деформация (рис. 44, в, u) может быть устранена или снижена предварительным угловым изгибом заготовок перед сваркой (рис. 44, г); уменьшением сечения шва заменой V-образной разделки на U-образную (рис. 44, д, е); симметричным размещением наплавленного металла относительно центра тяжести сечения шва заменой V-образной разделки на Х-образную (рис. 44, ж); жестким закреплением свариваемых элементов при сварке (рис. 44, з) или применением ребер жесткости (рис. 44, к).
Рис. 44. Усадка и угловая деформация сварных заготовок
и способы их устранения:
а, б — продольная и поперечная усадка; в - к — угловая
Деформацию изгиба (рис. 45, а) можно исключить предварительным обратным прогибом балки перед сваркой (рис. 45, б); рациональной последовательностью укладки швов относительно центра тяжести сечения сварной балки (рис. 45, в, в случае несимметричной двутавровой балки вначале сваривают швы 1 и 2, расположенные ближе к центру тяжести); термической (горячей) правкой путем нагрева зон, сокращение которых необходимо для исправления деформации заготовки, до температур термопластического состояния (рис. 45, г; штриховкой показаны зоны нагрева). При правке заготовки нагревают газовым пламенем или дугой с применением неплавящегося электрода. Разогретые зоны претерпевают пластическую деформацию сжатия, а после охлаждения — остаточное укорочение. Последнее обусловливает дополнительную деформацию сварной заготовки, противоположную по знаку первоначальной внешней сварочной деформации. Подобную деформацию можно также получить, если наложить в указанных зонах холостые сварные швы.
Остаточные сварочные напряжения представляют собой систему внутренних сил, находящихся в равновесии. При нарушении этого равновесия напряжения перераспределяются, что сопровождается упругими и пластическими деформациями в дополнение к сварочным деформациям, полученным ранее в процессе сварки. Поэтому при механической обработке сварных заготовок часто невозможно добиться высокой точности их размеров.
Рис. 45. Деформация изгиба сварных заготовок и способы ее устранения
Для предупреждения возникновения высоких сварочных напряжений не следует допускать скопления сварных швов и пересечений их друг с другом, рекомендуется использовать способы сварки, обеспечивающие минимальный разогрев заготовок.
2. ТРЕБОВАНИЯ К СВАРНЫМ СОЕДИНЕНИЯМ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
И ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
2.1. Особенности работы сварных соединений в трубах
Сварные соединения испытывают сложные нагрузки в процессе транспортировки труб, строительства и эксплуатации трубопроводов. По скорости приложения и продолжительности воздействия нагрузки разделяют на статические, ударные и циклические.
Статические нагрузки в магистральных трубопроводах являются постоянными и вызваны давлением перекачиваемого продукта, но могут быть и повторно-статическими при остановках и последующих запусках компрессорных станций.
Ударные (однократные или повторно-ударные) нагрузки; имеют весьма высокие скорости приложения (типа гидравлического удара), возникают при останове или пуске насосных станций нефтепродуктопроводов, а также при распространении разрушений в газопроводах.
Циклические нагрузки имеют место в процессе эксплуатации нефтепроводов вследствие периодического изменения рабочего давления, а также при транспортировке труб и трубных плетей (особенно в условиях бездорожья), при ветровых нагрузках надземных участков газопроводов и вблизи компрессорных станций.
В трубах и трубопроводах указанные нагрузки действуют при температуре до — 60° С при строительстве и до —15° С при эксплуатации.
Сварные швы в трубах и трубопроводах являются стыковыми. Большая потребность в трубах обусловливает высокую скорость сварки (160—180 м/ч), что при толщине листа 12— 22 мм приводит к необходимости применять многоэлектродную сварку под флюсом. Как правило, применяют двух- или трех-электродную сварку с расстоянием между электродами от 30 до 60 мм. Например, трубу 1420Х 17,5 мм сваривают в такой последовательности. Сначала варят технологический (монтажный) шов автоматической сваркой в среде углекислого газа на режимах: сварочный ток I = 800—850А, напряжение на дуге Uд = 26—30В, скорость сварки vc = 130—150 м/ч, диаметр электродной проволоки dэ = 4 мм. После этого трехдуговым автоматом варят внутренний, затем наружный швы. Режимы на каждой дуге примерно следующие: I1 = 1500А, Uд1 = 45В, скорость подачи электродной проволоки vэ1 = 320 м/ч, I2 = 1250А, Uд2 = 50В, vэ2 = 230 м/ч, I3 = 1150А, Uд3 = 60В, vэ3 = 200 м/ч. Диаметр проволоки 4 мм, скорость сварки 165—170 м/ч.
Естественно, что при указанных режимах сварочный процесс сопровождается большим объемом расплавленного металла и широкой зоной разогрева основного металла. Температура отдельных зон свариваемого металла, прилегающих к шву, изменяется от температуры плавления до температуры окружающей среды. Всю зону основного металла, претерпевшую при нагреве и охлаждении изменение структуры и свойств, называют зоной термического влияния. Ее ширину обычно определяют температурой примерно 100 °С.
Зона термического влияния при однослойной однопроходной сварке стали состоит из трех участков, называемых (в порядке расположения от шва) участком полной перекристаллизации, частичной и рекристаллизации, или старения. Участок полной перекристаллизации состоит из трех зон. Зона, примыкающая непосредственно к шву, называется зоной сплавления. Металл в этой зоне нагревается выше температуры солидуса, но ниже температуры ликвидуса и находится в твердожидком состоянии. С зоной сплавления граничит зона перегрева с температурой 1100—1300 °С и весьма крупным зерном металла. Зону сплавления и зону крупного зерна в совокупности называют околошовной зоной. На участке перекристаллизации металл нагревается от 500 °С до температуры несколько ниже Ас1. В этой зоне наблюдается разупрочнение металла, свариваемого в нагартованном состоянии, в состоянии после термического упрочнения и у сталей контролируемой прокатки.
Наиболее резко изменяются структура и свойства основного металла в результате нагрева и охлаждения в околошовной зоне: снижается пластичность и ударная вязкость, возрастает вероятность образования горячих и холодных трещин. При многослойной сварке в результате повторного термического воздействия строение зоны термического влияния проявляется менее четко, а околошовная зона может включать и металл шва. Сварочные материалы и протекающие термодеформационные процессы при сварке вызывают механическую неоднородность свойств в зоне термического влияния. Кривая твердости по Виккерсу при нагрузке на индикатор 0,2 кН (рис. 46, а) сварного заводского шва позволяет выделить две зоны, которые в сравнении с основным металлом являются мягкой (М) и твердой (Т). Повышение прочности металла твердой прослойки и снижение прочности мягкой прослойки составляет до 20 % по сравнению с прочностью основного металла. Коэффициент механической неоднородности мягкой прослойки составляет Км = HV0/HVм = 1,24, а для твердой прослойки Кт = HVт/HVм = 1,52. Несущая способность сварного соединения зависит от механической неоднородности свойств, от качества шва, его формы и относительной толщины прослоек.
Механическая неоднородность сварных соединений труб характеризуется также различной вязкостью и пластичностью отдельных зон. На рис. 46, б показаны кривые изменения ударной вязкости сварного соединения и основного металла той же трубы в состоянии поставки и после термомеханического старения. Старение заготовок осуществляли по режиму: растяжение с остаточной деформацией 10 ± 0,5 %, нагрев до 250°С, выдержка при этой температуре в течение 1 ч с последующим охлаждением в печи (ε = 10 ± 0,5 %, Т = 250 °С, t = 1 ч).
Кривая 3 (надрез в сечении а—а, см. рис. 46, б) ударной вязкости металла мягкой прослойки занимает промежуточные положения между кривой 1, соответствующей основному металлу в состоянии поставки, и кривой 2 (металл в состоянии после механического старения), что косвенно свидетельствует, о старении металла в околошовной зоне.
Сравнение кривых 4 (металл шва в состоянии поставки) и 5 (то же, после старения) указывает на склонность металла шва к механическому старению. Следовательно, неоднородность механических свойств сварных соединений может усиливаться вследствие повторного нагрева в местах пересечения кольцевых и заводских швов в трубопроводе, а также после их ремонта.
Рис. 46. Распределение твердости (а) и изменение ударной вязкости от температуры (б) в различных зонах сварного соединения трубы 1420х17,5 мм (сталь 09Г2ФБ)
На рис. 47 показано влияние повторного сварочного нагрева при имитации ремонта шва на ударную вязкость. Имитацию ремонта и оценку его влияния проводили по двум схемам: 1) наложение подварочного валика на линию сплавления шва, сваренного вторым (см. рис. 47, а); 2) то же, шва, сваренного первым (рис. 47, б). Надрезы Менаже после подварки наносили вдоль линии сплавления в сечениях I—I (нагрев 250 СС) и II— II (нагрев 560 °С). Ремонт швов выполняли автоматической сваркой под флюсом в предварительную разделку по режиму: I = 850А, Uд = 47В, vc = 40,5 м/ч. На рис. 47 видно, что повторный сварочный нагрев по-разному влияет в различных зонах шва. В обоих вариантах ремонта в сечениях II—II ударная вязкость повысилась (В) по сравнению с исходным состоянием (А), что объясняется отпуском, вызванным нагревом при выполнении подварочного шва. В сечениях I—I произошло понижение ударной вязкости (Б) по сравнению с исходным значением вследствие термодеформационного старения.
Рис. 47. Влияние повторного нагрева на ударную вязкость сварного соединения трубы 1420-17 мм (сталь 14Г2АФ-У) при ремонте шва 2 (а) и шва 1 (б): А- до ремонта; Б,В- после ремонта в сечениях соответственно I-I и II-II; 3- место ремонта шва
Работоспособность сварного соединения вследствие механической неоднородности может дополнительно снижаться, если на эту зону накладывается концентрация напряжений и деформаций при нагружении соединения. Концентрация напряжений и деформаций в зоне стыкового шва трубы зависит от наличия технологических дефектов (газовых пор, шлаковых включений, подрезов, непроваров, трещин), неудовлетворительной формы швов (соотношение ширины и высоты усилений, переход к основному металлу) и неправильной сборки соединения (смещение кромок, отклонение трубы от цилиндричности в зоне шва, так называемый «домик»).
При гидравлических испытаниях до разрушения труб 1420Х17,5 мм из СКП 09Г2ФБ производили измерение кольцевых пластических деформаций в поперечных сечениях продольных швов, имеющих различное смещение ∆ свариваемых кромок. Было установлено, что в сварном соединении максимальные деформации растяжения εmax приходятся на линию сплавлений внутреннего шва, и их значения зависят от величины смещения; при ∆ = 0, εmax= 5,5 %, при ∆ = 1,5 мм, εmax = 7,5 %; при ∆ = 2,5 мм, εmax = 8,7 %, т. е. концентрация деформаций по линии сплавления шва с повышенным смещением кромок при наличии даже допустимого дефекта (например, подреза глубиной до 0,5 мм) может привести к исчерпанию пластичности и зарождению разрушения при рабочих напряжениях в трубе.
Концентрация напряжений и деформаций вследствие нерациональной конфигурации швов снижает прочность сварных соединений при циклических нагрузках. Исследована долговечность (количество циклов до появления трещины) образцов из сварных соединений труб трех марок сталей при циклическом нагружении по схеме трехточечного изгиба. Размеры образцов и схема испытаний показаны на рис. 48. Испытывали образцы со снятыми усилениями (см. рис. 48, а) и с усилением (см. рис. 48, б) при режиме нагружения А (Fmin = 0,5 Fт, Fmax = 0,8Fт) и Б (Fmin = 0,5Fт, Fmax = 0,95Fт). Нагрузку Fт определяли для каждого типоразмера образцов по моменту отклонения от пропорциональности на диаграммах «нагрузка — прогиб», полученных при отдельных статических испытаниях по тем же схемам. На рис. 48 видно, что долговечность образцов из различных сталей снижается в различной степени, однако общей остается тенденция к ее снижению в зависимости от конфигурации сварного соединения (наличия усиления) и увеличения амплитуды нагрузки.
Таким образом, в силу особенностей процесса сварки и формообразования шва сварные соединения в трубах большого диаметра характеризуются механической неоднородностью и специфической переменной формой поперечного сечения шва. Все это влияет на качество и свойства сварного соединения трубы, оказывает большое влияние на работоспособность газонефтепроводов.
Рис. 48. Долговечность образцов из сварных соединений труб в зависимости от формы шва и режимов нагружения