Введение к работе
Актуальность проблемы
Многообразие технологических процессов и их интенсификации за счет использования высоюк давления и температуры, новых физических процессов, повышение агрессивности рабочих сред значительно усложняют условия работы нефтехимического оборудования. Расширяется номешслатура применяемых материалов, обновляются виды неразъемных соединений, изменяется строение зоны термического влияния сварных соединений, ПОЯВДЯ-ются факторы, ранее не учтенные при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования. Все это обусловливает необходимость совершенствования процессов разработки и производства сварных конструкций, направленных на реализацию преимуществ прогрессивных конструкционных материалов и создания сварных аппаратов с максимальной надежностью во все более усложняющихся условиях эксплуатации, высокой технологичностью, минимальной материалоемкостью и уменьшенной массой наплавленного металла.
Значительное кошгчество такого оборудован и прежде всего для переработки горячих сероводородных и окислительных серусодержащих сред, а также работающих в среде водорода и растворов хлоридов изготавливается из жаропрочных хромомолибденовых сталей.
Эти стали характеризуются достаточно высокими теплопроводностью и релаксационной способностью, сравнительно низким относительным коэффициентом линейного расширения и возможностью изменения механических свойств в широких пределах с помощью термической обработки. Однако, в настоящее время применение их для изготовления сварных конструкций в нефтяном и химическом агшаратостроении ограничено.
Небольшая скорость распада хромистого аустенита, вызывающая склонность к закалке на воздухе, и фазовые превращения мартенситного ха-
2 рактера снижают стойкость сталей к образованию трещин при сварке. С позиции технологической и эксплуатационной прочности наиболее слабым звеном таких сварных соединений являются околоиювные твердые участки.
Механическая неоднородность, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является следствием, с одной стороны, неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно-неравновесных сталей, с другой - применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности. Все это приводит к возникновению сложного напряженного состояния. В сварных соединениях имеет место существенная концентрация напряжений, которая в конечном счете существенно влияет на прочность, запас пластичности, энергоемкости соединений, место и характер разрушения оборудования при эксплуатации. Поэтому анализ поведения соединений при нагружении необходимо вести с учетом влияния их механической неоднородности. Учет этого влияния и регулирование механической неоднородности позволяет по-новому подойти к оптимизации конструкций и технологии их изготовления, а также более объективно оценивать их работоспособность.
В связи с отсутствием приемлемых технологических решений изготовления надежного в эксплуатации сварного нефтехимического оборудования из жаропрочных хромомолибдешвых сталей, связанным с образованием неравновесных закалочных структур, актуальны исследование влияния структурно-механической неоднородности на склошюсть сварных соединений этих сталей к хрупкому разрушению и на этой основе разработка научно обоснованных конструктивно-технологических мероприятий по ограничению отрицательного влияния факторов неоднородностей для обеспечения работоспособности сварного нефтехимігческого оборудования.
Цель работы
Разработка теоретических и практических основ конструктивно-технологического обеспечения работоспособности сварного нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей мартенситного класса.
Для решения этой проблемы были сформулированы следующие задачи:
исследование особенностей структурно-мехаїшческой неоднородности сварных соединений при различных технологических способах сварки и их взаимосвязи с механическими характеристиками;
исследование особенностей кинетики фазовых и структурных превращений металла околошовной зоны сварных соединений в зависимости от параметров термического цикла сварки;
изучение закономерности напряженно-деформированного состояния, прочности и долговечности конструктивных элементов оборудования с твердыми прослойками при стационарном и нестационарном нагружениях;
выбор регулируемых параметров термических циклов и разработка высокопроизводительных технологических процессов ручной и механизированной сварки, обеспечивающих высокий уровень сопротивления сварных соединений разрушению. В конечном итоге - разработать комплекс нормативно-технологических материалов по технологическое обеспечению работоспособности сварных элементов оборудования.
Научная новизна работы
1. На основе исследоватгя закономерности напряженно-деформировашюго состояния твердых прослоек в условиях плоского напряженного состояния разработаны теоретические зависимости для определения предельно допустимых параметров хрупких твердых прослоек в сварных элементах нефтехимического оборудования во взаимосвязи с геометрическими параметрами и степенью их механической неоднородности.
4 Показано, что с уменьшением размеров и при достижении критическоі
толщины поперечных твердых прослоек увеличение деформационных характе ристак и снижение хрупкости сварных соединений достигаются смягчением и> напряженного состояния; для продольных твердых прослоек - повышение\ трещиностойкости за счет улучшения структуры металла при изменении технологии сварки и устойчивости к пластическим деформациям при совместнол: растяжении с более пластичными металлами.
2. Выявлены закономерности формировагаю структуры сварных соеди
нений ю жаропрочных хромомолибденовых сталей типа 15Х5М, изучена
ышетика фазовых и структурных превращений в ОШУ ЗТВ, фазового состава и
морфололопш структуры характерных зон сварных соединений при регулирова-
шш термических циклов сварки.
Регулируемое воздействие на высокотемпературную область термического цикла сварки малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартенсит-ного класса позволяет достигать перераспределения углерода и основных кар-бидообразующих компонентов хрома и молибдена между твердым раствором и фазами выделения. В условиях термических циклов сварки с интенсивным отводом тепла достигается формирование мелкозернистой, более равновесной структуры бейшпного характера с равномерно распределенными частицами исходных карбидов.
3. На основе теоретических и экспериментальных исследований разра
ботаны научные основы технологических процессов электродуговой сварки с
регулированием термического цикла (РТЦ) за счет сопутствующего принуди
тельного охлаждения малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартен-
ситного класса. Установлено, что интенсивный отвод тепла из зоны теплового
воздействия дуги значительно влияет на геометрические размеры твердых
прослоек в ЗТВ. Происходит уменьшение объема металла, претерпевающего
закалочные превращения, и требуемое высокое качество сварных соединеїшй
5 достигается за счет формирования специфической структуры металла около-шовных участков (ОШУ) ЗТВ с минимальной чувствительностью к образовать трещин. Это обеспечивает при сварке однородными перлитными электродами повышение стойкости к замедленному и хрупкому разрушению и, соот-ветствешю, увеличение времени вылежггеання изделий до последующей термической обработки без образования трещин. При сварке аустенитными электродами происходит улучшение структурного состояния и свойств металла шва, размеры хрупких прослоек в ЗТВ получаются меньше критических величин, при которых их наличие не сказывается на несущей способности сварных соединений.
4. Установлено, что с уменьшением относительной толщины твердой прослойки за счет уменьшения ее ширины в разнородных сварных соединениях закаливающихся малоуглеродистых хромолибденовых сталей с аустенитными швами при использовашш сварки с сопутствующим іфіпгудительїіьш охлаждением повышается стойкость к развитию термодиффузионной структурной неоднородности, термоциклігческой усталости, длительной коррозион-но-механической прочности. Это объясняется уменьшением суммарных вігут-ренних напряжений (свободной энергии) структурно-неравновесного состояния в этих участках, уменьшением термодинамической активности углерода в твердых растворах разнородных металлов вдоль зоны сплавления и снижением электрохимической гетерогенности сварного соединения.
Практическая ценность работы
На основе проведенных исследований разработаны новые копструк-тивно-технолопгческие решения по обеспечению работоспособности аппаратов и конструктивных элементов технологических трубопроводов по агрегатирова-ішто технологических установок нефтеперерабатывающих и химических производств из .малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартенситного класса.
Результаты исследования напряженного состояния, прочности и долговечности конструктивных элементов с твердыми прослойками использованы при разработке руководящих документов: "Временная инструкция по ручной дуговой сварке изделий из малоуглеродистых закаливающихся сталей типа 15Х5М перлитными электродами с сопутствующим охлаждением", 1978 г., "Технологическая инструкция по ручной электродуговой сварке изделий из малоуглеродистых закаливающихся сталей типа 15Х5М перлитными электродами с сопутствующим охлаждением без термической обработки", 1982 г., "Ручная электродуговая сварка с регулированием термических циклов конструктивных элементов нефтехимического оборудоваши из закалішающікся сталей типа 15Х5М" РТМ 26-17-076-87, "Методика расчета на прочность и долговечность сварных соединений трубопроводов и нефтепромысловой аппаратуры с технологическими дефектами" РД 39-0147103-305-88, "Инструкция по безопасному ведению сварочных работ при ремонте нефте- и продуктопро-водов под давлением" РД 39-0147103-360-89, "Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа стали типа 15Х5М (временная инструкция), 1992 г., "Технологическая инструкция по автоматической сварке элементов нефтехимической аппаратуры и трубопроводов из жаропрочных сталей типа 15Х5М", 1992, 1997 гг., "Методика определения трещиностойкости сварных соединений из закаливающихся сталей", 1996 г.
Использование методик и технологий сварки позволяет обеспечить технологическую и эксплуатационную прочность сварных соединений, исключить операции термической обработки; стаиовигся возможным ведение сварки на более высоких режимах, улучшаются условия труда при выполнении сварочных работ.
Апробация и публикация результатов
Научные положения обоснованы и сформулированы на основании выполненных под руководством автора научно-исследовательских работ в рам-
7 ках научно-технической программы ГКНТ 072.01 "Создание и внедрение ресурсосберегающих технологий производства сварных конструкций с целью повышения качества, надежности и долговечности маниш, механизмов и сооружений" на 1986-90 годы, угверждешгой 10.11.85 г. №537/137 (приложение 7); координационных планов Миихиммаша по проблеме "Обеспечение принципов взаимозаменяемости на заготовительш-сборочных операциях при изготовлении сварной и хішичєской аппаратуры" и "Технологическое обеспечение качества изготовления нефтегазохимической аппаратуры" на 1983-90 гг.; сводного координационного плана НИР и ОКТР в области сварочной науки и техники по проблеме ГКНТ "Новые процессы сварки и сварные конструкции" (раздел 5.04.10 "Исследование и разработка технологий механизированной сварки нефтехимического оборудовать из жаропрочных сталей типа 15Х5М" на 1990-92 гг).
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах, научно-пракпгческлх совещаниях и симпозиумах по вопросам прочности, надежности, технологии нефтяного и химического машино- и агшаратостроения, технологии сварки и термической обработки соединений нефтехимической аппаратуры и трубопроводов, проведенных в период с 1973 по 1996 гг. в городах Москве, Санкт-Петербурге, Волгограде, Екатеринбурге, Сумы, Тюмени, Кургане, Челябинске, Уфе, Салавате и Стерлитамаке.
По результатам работы опубликовано 45 печатных трудов: 33 статьи в научно-технических журналах и сборниках, 8 руководящих документов и 4 монографии.
Объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений. Объем диссертации - 377 с. машинописного текста; приводятся 41 таблица, 113 иллюстраций и приложений. Список литературы содержит 254 наименования.
