Введение к работе
з
Актуальность темы
При изготовлении сварного оборудования основных технологических установок в нефтеперерабатывающей промышленности имеется потребность в применении теплоустойчивой стали марки 12МХ. Данная сталь предназначена для длительной работы оборудования при температуре до 550-570С и, как правило, эту сталь используют в нефтегазовом машиностроении при изготовлении труб паронагревателей, технологических трубопроводов, коллекторных установок высокого давления, для поковок паровых котлов.
Рассматриваемая сталь также находит применение при изготовлении крупногабаритных сварных сосудов и аппаратов в нефтегазохимическом аппарато-строении. Повышение жаропрочности и высокие коррозионностойкие свойства теплоустойчивой стали 12МХ могут быть достигнуты при наличии бейнитного или сорбитного структурно-фазового состава с мелкодисперсными равномерно распределенными карбидами.
Однако в низкоуглеродистых низколегированных сталях с особыми свойствами типа 12МХ (15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф), легированных стойкими карбидосодержа-щими элементами - молибденом, хромом и ванадием, при огневой резке и сварке вследствие наличия труднорастворимых карбидов на околошовных участках зоны термического влияния (ЗТВ) с максимальной температурой выше Ас3 могут возникнуть участки с закалочными структурами, а на участках ЗТВ, подвергнутых в процессе сварки нагреву до температуры Асі, - участки с пониженными прочностными свойствами.
Технологической особенностью производства крупногабаритного сварного оборудования из теплоустойчивых сталей типа 12МХ является необходимость предварительного и сопутствующего подогрева при температуре 200...250 С и незамедлительного проведения последующей термической обработки при температуре высокого отпуска 670...690 С с целью уменьшения остаточных сварочных напряжений и недопущения возникновения холодных трещин. Но термическая обработка относится к
энерго- и трудоемким операциям, требующим специального оборудования и усложняющим технологический процесс изготовления сосудов и аппаратов.
Следует также отметить, что даже незначительное отклонение от нормируемых параметров подогрева и режимов сварки может привести к снижению технологической прочности сварных соединений изготавливаемого оборудования.
Помимо традиционных методов термической обработки имеются другие способы снижения остаточных напряжений и повышения технологической прочности сварных соединений, например, применение вибрационной обработки свариваемых деталей.
В связи с этим актуальной задачей по совершенствованию технологического процесса с использованием менее энергоемких способов является применение вибрационного воздействия в процессе изготовления сварного оборудования из стали 12МХ, взамен традиционных методов термической обработки.
Степень разработанности
Исследования, направленные на повышение качества изготовления сварных конструкций из сталей различных марок с использованием вибрационной обработки, достаточно широко представлены в научных работах таких ученых как КМ. Рагульскис, В.М. Сагалевич, A.M. Ким-Хенкин, О.Г. Чикалиди, A.M. Велбел, К. Томас, Г.В. Су-тырин, М.Н. Могильнер, А.И.Дрыга, О.И. Стеклов, А.Н. Хакимов, Л.А. Ефименко, Б.Б. Стульпинас, К.Н. Толутис, К.Финк, X. Ротбах, Р.Г. Ризванов, A.M. Файрушин и др. Однако, исследования, касающиеся влияния вибрационного воздействия в процессе сварки теплоустойчивой стали 12МХ, не проводились.
Цель работы. Обеспечение стойкости против образования холодных трещин и снижение трудоемкости изготовления сварного оболочкового оборудования из теплоустойчивой стали 12МХ применением вибрационной обработки в процессе сварки.
Задачи исследований: 1. Оценить влияние способов вибрационной обработки свариваемой детали из стали 12МХ на характер распределения напряжений и деформаций в зоне сварного соединения в процессе вибрационного воздействия и после его завершения.
-
Исследовать влияние низкочастотного воздействия на стойкость против образования холодных трещин и механические свойства сварных соединений из стали 12МХ.
-
Разработать практические рекомендации по совершенствованию технологии производства оболочкового оборудования из теплоустойчивой стали 12МХ с применением вибрационной обработки.
Научная новизна:
-
Численными исследованиями установлено, что с точки зрения снижения остаточных напряжений и деформаций, более эффективной является вибрационное воздействие с использованием двух вибрационных устройств, работающих в противофазе.
-
Экспериментально выявлено, что вибрационная обработка теплоустойчивой стали 12МХ в процессе сварки позволяет по сравнению с предварительным подогревом снизить уровень остаточных напряжений в сварном шве на 16... 19%, улучшить дисперсность структуры металла шва, снизить его твердость, сформировать бейнитную структуру в околошовной зоне, тем самым повысить стойкость к образованию холодных трещин.
Практическая значимость:
-
Разработан способ вибрационной обработки свариваемых оболочковых элементов с применением двух вибрационных устройств, работающих в противофазе в процессе сварки корпусов аппаратов из стали 12МХ.
-
Усовершенствованная технология принята к внедрению на Уфимском заводе металлических конструкций ОАО «АК ВНЗМ» с целью повышения качества изготовления и уменьшения энергетических затрат при производстве сварного оборудования из стали 12МХ.
Методы исследований
При изучении закономерностей формирования остаточных напряжений использовались методы теории упругости и пластичности, а также численный метод решения задач сплошных сред - метод конечных элементов. При экспериментальных исследованиях использовали стандартные методы определения механических свойств, твердости металла, технологический способ определения склонности к образованию холодных трещин.
Основные защищаемые положения:
-
Экспериментально обоснованные решения по увеличению межоперационной прочности при изготовлении сварного оболочкового оборудования из стали 12МХ с использованием низкочастотного воздействия при сварке.
-
Совокупность установленных в результате теоретических и экспериментальных исследований закономерностей влияния параметров низкочастотного воздействия, выполняемого в процессе сварки теплоустойчивой стали 12МХ, на механические свойства сварных соединений.
3. Усовершенствованная технология изготовления оболочкового оборудования из
теплоустойчивой стали 12МХ, используемого в нефтеперерабатывающей промыш
ленности.
Степень достоверности
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных методик проведения исследований. Результаты численных исследований подтверждаются экспериментальными данными. Полученные в работе результаты не противоречат основным научным положениям теории упругости и пластичности. Все исследования проведены с использованием известных в литературе методов на тщательно подготовленном и сертифицированном оборудовании, экспериментальный массив данных обработан методами математической статистики и теории ошибок.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на 59-ой Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2005» (Москва, 2005); на V Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2009» (Уфа, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ, один патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и содержит 102 страницы машинописного текста, в том числе 24 рисунка, 19 таблиц, список использованной литературы из 136 наименований.
