При сварке структура металла шва и прилегающей зоны под действием высокой температуры изменяется. Это может привести к преждевременному разрушению деталей. Для устранения негативных последствий сильного нагрева после наложения швов выполняют термообработку сварных соединений.
Для чего нужна термообработка
При сварке в зоне нагрева происходят негативные изменения кристаллической решетки и свойств металла:
- Из-за перегрева в месте горения дуги структура становится крупнозернистой, что приводит к снижению пластичности. Процесс сопровождается выгоранием марганца и кремния, что также способствует преобразованию структуры. После остывания шов становится жестким, склонным к образованию трещин при изменении нагрузки во время эксплуатации. Например, к сварным соединениям технологических трубопроводов прилагаются дополнительные воздействия, возникающие при температурном расширении/сжатии.
- В зоне возле сварного соединения металл нагревается до температуры достаточной для закалки. Поэтому происходит снижение пластичности и стойкости к ударным нагрузкам.
- На более удаленных участках с умеренным нагревом происходит разупрочнение металла, но пластичность остается на прежнем уровне.
- Из-за неравномерности нагрева происходит образование внутренних напряжений, приводящих к деформации деталей с образованием трещин.
После проведения термообработки сварных швов и прилегающих участков восстанавливается структура и характеристики металла по прочности, пластичности, коррозионной стойкости. Термическую обработку сварных соединений для снятия напряжений в обязательном порядке выполняют при монтаже объемных конструкций из тонкостенного металла.
Термообработка защищает сварной шов от коррозии и улучшает механические свойства.
Особенности проведения
Термообработку выполняют поэтапно:
- нагревают только шов или вместе с участками возле него;
- поддерживают температуру в течение определенного времени;
- планомерно охлаждают до температуры окружающей среды.
Температура термообработки зависит от выполняемых задач
В зависимости от решаемых задач термообработку после сварки выполняют при температуре от 600 до 1100⁰C. Разработано несколько методов обработки с разными графиками нагревания, временем выдерживания, охлаждения. Способ и оборудование выбирают в зависимости от марки металла, толщины и конфигурации деталей.
Термообработке должны подвергаться сварные швы трубопроводов большой протяженности, соединения на грузоподъемных механизмах, сосуды и емкости, работающие под давлением. Процедуру нельзя откладывать на срок больше трех суток. Для повышения стойкости к коррозии термообработку проводят сразу после завершения сварки.
Из достоинств отмечают:
- увеличение надежности и долговечности сварных соединений;
- возможность улучшения нужных параметров.
К недостаткам термообработки относят:
- Невозможность исправления брака при нарушении технологии термообработки. Соединение придется заново переваривать.
- Большую цену и габариты оборудования.
- Для выполнения термообработки нужен квалифицированный персонал.
- Повышенный расход энергоресурсов.
Продолжительность процесса
Длительность термической обработки сварных соединений зависит от вида и толщины металла. Хромомолибденовые марки стали и ее сплавы с включением ванадия нагревают радиационным или индукционным способом. Длительность процесса определяют по таблице:
| Толщина, см | Радиационный, минуты | Индукционный, минуты |
|---|---|---|
| До 2.0 | 40 | 25 |
| 2.1 — 2.5 | 70 | 40 |
| 2.6 — 3.0 | 100 | 40 |
| 3.1 — 3.5 | 120 | 60 |
| 3.6 — 4.5 | 140 | 70 |
| 4.6 — 6.0 | 160 | 90 |
| 6.1 — 8.0 | 160 | 110 |
| 8.1 — 10 | 1600 | 140 |
Перед нагревом сварной шов очищают от шлака. Индукционным способом процедура выполняется быстрее, но расход электроэнергии больше.
Процесс нагрева при темрической обработке
Важно!
Длительность термической обработки сварных соединений зависит от вида и толщины металла.
Применяемое оборудование
Для термической обработки сварных швов применяют следующие виды оборудования:
- Индукционное. Принцип работы основан на нагреве металла вихревыми токами, создаваемыми индукционной катушкой (индуктором), подключенной к высокочастотному генератору. Нагреваемый участок предварительно накрывают асбестом. Поверх него гибким проводом наматывают витки катушки с шагом 2,5 см на расстоянии 25 см по обе стороны от стыка. В качестве индуктора также используют накладки с расположенными внутри проводами. Технология обеспечивает быстрый, равномерный нагрев участка соединения независимо от положения деталей.
- Радиационное. Нагрев осуществляется теплом от проводов из нихрома, по которым проходит электроток. Гибкие нагревательные элементы удобны для обработки соединений сложной формы. Радиационное оборудование эффективней индукционного при работе с металлами с низкими электромагнитными характеристиками.
- Газовое выгодно для применения, так как не нуждается в электроэнергии. Однако на нагрев уходит много времени. Поэтому оборудование используют на небольших конструкциях. Для обеспечения равномерного прогрева соединения работу выполняют двумя многопламенными ацетиленовыми горелками одновременно с обеих сторон.
- Для работы с деталями небольшого размера применяют муфельные печи. Их также используют на трубопроводах малого диаметра.
Виды термической обработки
Способ термообработки сварного шва выбирают в зависимости от поставленной цели:
- После термического отдыха уменьшается остаточное напряжение и количество водорода внутри шва. Процесс проводят при температуре до 300⁰C с выдержкой в течение 1,5 — 2 часов. Этим способом обрабатывают сварные соединения на толстостенных конструкциях, когда нет возможности применить другие виды.
- Отпуском за счет разрушения закалочных структур добиваются уменьшения напряжения на 90%, увеличения пластичности и стойкости к ударным нагрузкам. Нагрев до 600 — 700⁰C, выдержка до 3 часов. Метод применяют на перлитных сталях.
- Нормализацию выполняют при 800⁰C с выдержкой 20 — 40 минут на тонкостенных деталях. После завершения процесса структура становится мелкозернистой и однородной.
- Аустенизацию проводят на высоколегированных видах стали для снятия напряжений и восстановления пластичности. Нагрев до 1100⁰C, двухчасовая выдержка с последующим естественным охлаждением.
- Для отжига после сварки термообработку выполнят при 970⁰C с выдержкой в течение 3 часов и остыванием в естественных условиях. Используют при работе с высоколегированными сталями для улучшения стойкости к коррозии.
Температуру контролируют по изменению цвета меток, нанесенных на поверхность деталей термокарандашом или термокраской. Однако точность измерения этим способом невысока, поэтому чаще пользуются пирометрами и тепловизорами. Они могут быть ручными или встроенными в системы автоматического поддержания температуры на заданном уровне.
Если к качеству сварных соединений предъявляются высокие требования, выполнение термообработки обязательно. После ее проведения на швах не появятся трещины, разломы, коррозия. При использовании современного оборудования термообработка не займет много времени.
Процесс термической обработки заключается в нагреве изделия до определенной температуры и последующем охлаждении с целью вызвать изменение строения металла. Основные факторы воздействия при термической обработке — температура и время. При этом важную роль играют время нагрева и охлаждения, температура максимального нагрева и время выдержки при этой температуре. График процесса термической обработки представлен на рисунке слева. Для изменения свойств сплава необходимо, чтобы в сплаве в результате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в первую очередь фазовыми превращениями.
Все виды термической обработки можно разделить на три основные группы:
Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пластическая деформация создает наклеп — искажение кристаллической решетки. При затвердевании — не успевают протекать диффузионные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказывается неоднородным. Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его в более устойчивое состояние, называется отжигом. Если при этом не протекают фазовые превращения, то это отжиг первого рода, а, если протекают — второго рода или фазовая перекристаллизация.
Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.
Третья группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. Такая обработка, т.е. нагрев закаленного сплава ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. Как и при отжиге первого рода, так и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска — предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск — вторичная операция, осуществляемая всегда после закалки.
В соответствии с этим основные виды термической обработки железо-углеродистых сплавов могут быть охарактеризованы таким образом. Поскольку мы рассматриваем термическую обработку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2% С и соответственно область на диаграмме железо — углерод с концентрацией углерода до 2% (точнее до 2,14% С). Приведем общепринятые обозначения критических точек. Критические точки обозначаются буквой А. Нижняя критическая точка, обозначаемая А1 лежит на линии PSK. диаграммы железо-углерод и соответствует превращению аустенита в перлит. Верхняя критическая точка А3 лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву «с», в первом случае и «r» — во втором. Следовательно, критическая точка превращения аустенита в перлит обозначается Ar1 а перлита в аустенит Ас3.
Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали в соответствии с приведенной классификацией.
Отжиг — фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше Ас3 с последующим медленным охлаждением. При нагреве выше Aс1, но ниже Ас3 полная перекристаллизация не произойдет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. Если после нагрева выше Ас3 провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновесного структурного состояния. Такая термическая операция называется нормализацией.
Закалка — нагрев выше критической точки Ас3 с последующим быстрым охлаждением. При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе). Неполная закалка — термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше Ас1, но ниже Ас3, и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).
Отпуск — нагрев закаленной стали ниже Aс1 и охлаждение.
Рассмотрим процессы протекающие при разных видах термической обработки. При отжиге, нагрев выше Ас3 вызывает превращение перлита в аустенит. На границах перлитных зерен образуется большое количество мелких аустенитных зерен, которые при медленном охлаждении превращаются в мелкие перлитные зерна. То есть, в результате термической обработки -отжига, получаем существенное измельчение структуры и снижение внутренних напряжений, которые релаксируются под воздействием высокой температуры. Разновидностью отжига является гомогенизация. Этот процесс применяют для литых изделий, которые в результате процесса кристаллизации имеют существенные ликвационные зоны. Он заключается в нагреве до 1000-1100°С, длительной выдержке для протекания диффузионных процессов и охлаждении. Для измельчения структуры после гомогенизации, как правило, делают обычный отжиг. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называют сфероидацией и позволяет получить зернистый перлит, имеющий более высокие механические свойства, чем пластинчатый.
При закалке большая скорость охлаждения способствует образованию мартенситной структуры. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 — 50°С выше Ас3, а заэвтектоидные — на 30-50°С выше Ас1, что обеспечивает после быстрого охлаждения для доэвтектоидных сталей структуру мартенсита, а для заэвтектоидных — мартенсита и цементита. Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры (τн) и времени выдержки при этой температуре (τв), следовательно:
τобщ = τн + τв
Величина τн зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы деталей, от их укладки в печи; τв зависит от скорости фазовых превращений, которая определяется степенью перегрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры. Практически величина τв может быть принята равной 1 мин для углеродистых и 2 мин для легированных сталей. Точно установить время нагрева можно лишь опытным путем для данной детали в данных конкретных условиях.
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15 — 30 мин. Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на остаточные напряжения. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Ускоренное охлаждение после отпуска при 550 — 650°С повышает предел выносливости за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Однако изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500 -650°С во всех случаях следует охлаждать быстро. Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска:
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250°С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование.
Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350 — 500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит; твердость стали 40 — 50 HRC.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 — 680°С. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Термическую обработку состоящую из закалки и высокого отпуска называют улучшением.
Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3 — 0,5% С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную, прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая температуру порога хладноломкости Отпуск при 550 — 600°С в течение 1 — 2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке.
Зачем нужна термообработка сварных швов
Изделия из металла нередко проходят процесс термообработки. Делается это из необходимости смены некоторых физических свойств и структуры металла. К процессам высокотемпературной обработки металла относятся: закалка, нагрев, а также термообработка сварных швов. Индукционная установка отлично подходит для термообработки сварных швов, позволяя сделать этот процесс быстрым и качественным.
Как происходит обработка сварного шва
Очень важно обратить внимание, что процесс термообработки сварных швов состоит не из одного этапа, а из трех:
- Обработка изделия перед началом сварочных работ – производится для того, чтобы подготовить металл и сделать его более эластичным.
- Нагрев металла в процессе сварки – совершается для равномерного распределения тепла по всей поверхности изделия, чтобы избавить его от образования излишнего напряжения.
- Термообработка сварных швов после окончания сварочных работ – производится для того, чтобы понизить уровень напряжения металла в местах соединения и для укрепления конструкции в целом.
Важно отметить, что каждый этап обработки очень важен, и если один из них пропустить, то изделие получится худшего качества, а его срок эксплуатации значительно снизится.
Зачем нужна термообработка сварных швов
Производится термообработка не просто так, и опустить данный технологический процесс нельзя, если вы не хотите получить в итоге изделие худшего качества, чем планировали. Основное условие, вызывающее такую необходимость в термообработке – потребность повышения сварных свойств металла.
В процессе сварки тепло поступает в металл неравномерно, и в некоторых местах соединения могут оказаться слишком тонкими. Такая ситуация может привести к тому, что свойства сварного шва будут различными по всей поверхности, а сама конструкция из-за этого получит небольшую устойчивость.
Термообработка сварных швов производится для придания изделию повышенной прочности и выравнивания физических свойств металла по всей поверхности.
Индукционная установка идеально справляется с такой задачей, как термообработка сварных соединений. Автоматизированное программное обеспечение позволяет четко следить за соблюдением всех необходимых параметров нагрева изделия.
Купить необходимую установку вы можете прямо сейчас, заполнив онлайн-заявку на сборку установки для термообработки сварных швов. Оборудование от компании ЭЛСИТ бесперебойно работает, потому что собирают его опытные специалисты.
Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter
На главную KIRK / / Инфо / Влияние термической обработки на качество сварных соединений
Сварные соединения после сварки имеют неоднородную структуру металла, что является следствием неравномерного нагрева различных зон сварного соединения. Поэтому механические (прочность, твердость, пластичность) и специальные (коррозионная стойкость, жаропрочность, хладостойкость) свойства различных зон сварного соединения становятся неодинаковыми. Такое положение усугубляется наличием остаточных сварочных напряжений, которые образуются при кристаллизации металла сварного шва. Эти напряжения могут вызвать нежелательные изменения формы и размеров сварных соединений и появление в них трещин, что приводит иногда к разрушению сварных соединений. Остаточные сварочные напряжения снижают также механические и специальные свойства сварных соединений. Поэтому для ответственных сварных соединений необходимы такие технологические операции, которые улучшают структуру и свойства сварных соединений.
Одной из основных операций, направленных на повышение надежности сварных соединений, является термическая обработка. Этот вид обработки сварных соединений трубопроводов и корпусных конструкций широко применяют при монтаже предприятий нефтехимической, нефтеперерабатывающей, энергетической, химической и других отраслей народного хозяйства. На заводах термическую обработку выполняют в стационарных термических печах, а в монтажных условиях обычно осуществляют местную термическую обработку сварных соединений трубопроводов и корпусных конструкций, когда нагреву подвергается сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла на ограниченной ширине. В некоторых случаях корпусные конструкции или участки трубопроводов подвергают полной термической обработке, заключающейся в нагреве всей конструкции или участка трубопровода вместе со сварными соединениями.
Местная и полная термическая обработка всех видов состоит из трех последовательных этапов — нагрева сварного соединения до определенной температуры с заданной скоростью, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и последующего охлаждения с заданной скоростью. Для сварных соединений, кроме таких широко известных видов термической обработки, как высокий отпуск и нормализация, применяется также термический отдых, аустенизация, стабилизирующий отжиг и «улучшение» (нормализация с последующим высоким отпуском).
Высокий отпуск является основным видом термической обработки в монтажных условиях, он позволяет на 70—90 % снизить уровень остаточных сварочных напряжений. При высоком отпуске применяют медленную скорость охлаждения после окончания выдержки (300— 400 °С/ч) до 300 °С, что достигается охлаждением сварных соединений под слоем теплоизоляции, после чего допускается охлаждение на воздухе. Основным отличием нормализации сварных соединений от этого вида термической обработки является охлаждение под слоем теплоизоляции после окончания выдержки, что гарантирует высокую пластичность металла сварных соединений. Термический отдых применяют для сварных соединений, металл которых имеет повышенную склонность к образованию трещин. Сварные соединения для этого нагревают до 250—300 СС и затем подвергают выдержке в течение нескольких часов. При термическом отдыхе в сварных
соединениях уменьшается содержание водорода и несколько снижается уровень остаточных сварочных напряжений.
Аустенизацию и стабилизирующий отжиг используют для термической обработки сварных соединений из хромоникелевых и нержавеющих сталей. При аустенизации сварное соединение нагревают до 1050—1100°С, выдерживают в течение 1—2 ч и охлаждают на воздухе. В результате удается получить однородную структуру аустенита, улучшить механические свойства металла (особенно пластичность) и на 70—80 % снизить уровень остаточных сварочных напряжений. При стабилизирующем отжиге сварное соединение нагревают до 950—970 °С, выдерживают в течение 2—3 ч и охлаждают на
воздухе. Это на 70—80 % снижает уровень остаточных сварочных напряжений и обеспечивает стабильную структуру металла сварного соединения, хорошо противодействующую появлению коррозионных трещин в металле сварного соединения. Вид термической обработки «улучшение» рекомендуется для сварных узлов из легированных сталей и узлов сложной конструкции из низкоуглеродистых сталей и выполняют ее в стационарных термических печах. «Улучшение» снижает уровень остаточных сварочных напряжений, а также способствует полному восстановлению структуры и свойств металла, изменившихся в процессе сварки.
При местной термической обработке сварных соединений применяют несколько способов нагрева обрабатываемых изделий — радиационный (электрический метод сопротивления и газопламенный), индукционный, комбинированный и термохимический. При выборе способа нагрева следует учитывать необходимость получения минимального перепада температуры по толщине конструкции и обеспечения равномерного нагрева по всей длине сварного соединения.
Сущность радиационного метода нагрева заключается в передаче тепла от источника нагрева к нагреваемому изделию через теплоноситель, которым является нагретый воздух. В электронагревателях сопротивления тепло выделяется в нагревательном элементе (нихромовой проволоке, ленте) в момент прохождения по нему электрического тока. Газопламенный способ заключается в подводе тепла, выделяющегося при сгорании, с внешней стороны изделия. Горючими газами являются ацетилен, пропанобутановая смесь, природный газ в смеси с кислородом или воздухом. При индукционном способе сварное соединение нагревается электрическим током, индуктируемым в металле переменным электромагнитным полем. Индукционный нагрев при местной термической обработке выполняется токами промышленной и повышенной (2500—8000 Гц) частоты. Комбинированный способ нагрева заключается в применении электронагревателей комбинированного действия, когда используются способы сопротивления, и индукционный — токами промышленной частоты. При этом нагрев осуществляется, главным образом, за счет метода сопротивления, индукционная составляющая оказывает меньшее тепловое воздействие. При термохимическом способе нагрева необходимое тепло образуется при сгорании пакетов из экзотермических смесей, устанавливаемых на сварное соединение. Эти смеси, в состав которых входят окислы алюминия, соединения серы и фосфора, при сгорании выделяют большое количество тепла. Основным преимуществом этого способа является возможность проведения термической обработки/без электроэнергии.
При полной термической обработке корпусных конструкций главным образом используется газопламенный нагрев с помощью специального передвижного оборудования, которое легко перемещается от одного объекта термической обработки к другому. Полную термическую обработку отдельных узлов трубопроводов выполняют в стационарных термических печах или с помощью индукционного нагрева перемещающимися индукторами.
Презентация доклада «Влияние сварки на механические свойства сварных соединений сталей класса 91, устойчивых к ползучести» Перевод М.Ф. Деменина
Международная конференция по космосу 2014
12-14 ноября 2014 Исламабад — Пакистан
Мухаммад Хусейн (Muhammad Hussain), ведущий металлург TCR Arabia Company Ltd. Dammam – Саудовская Аравия
М. Шахид Халил (M. Shahid Khalil), Инженерно-механический отдел Инженерно-технологического университета г. Таксила (Taxila) — Пакистан
Введение
• Устойчивая к ползучести сталь, известная как ASME/ASTM класса 91стала популярной для применения на тепловых электростанциях, работающих на органическом топливе и нефтеперерабатывающих заводах.
• Удовлетворительные характеристики стали P91 критически зависят от получения правильной микроструктуры отпущенной мартенситной стали.
• Высокохромистые мартенситные стали рассматриваются как чудо стали для применения при высоких температурах.
• Контроль параметров сварки и термообработки после сварки имеет решающее значение
Современное использование P(T)91
• Резкое увеличение использования P91 на внутреннем рынке в последние несколько лет.• Использование в основном для комбинированного производства тепловой и электрической энергии.
• Повышение эффективности при техническом перевооружении, замене оборудования и строительстве новых объектов.
Основные материалы
| P91 | P92 | E911 | T23 | T24 | P122 | |
| Cr | 8,00-9,50 | 8,50-9,50 | 8,00-9,50 | 1,9-2,6 | 2,2-2,6 | 10,00-12,50 |
| Ni | <0,40 | <0,40 | (<0,40) | - | - | <0,50 |
| Cu | - | - | - | - | - | 0,30-1,70 |
| Mo | 0,85-1,05 | 0,30-0,60 | 0.90-1.10 | 0,05-0,30 | 0,90-1,10 | 0,25-0,60 |
| W | - | 1,50-2,00 | 0.90-1.10 | 1,45-1,75 | - | 1,50-2,50 |
| V | 0,18-0,25 | 0,15-0,25 | 0,15-0,25 | 0,20-0,30 | 0,20-0,30 | 0,15-0,30 |
| Nb | 0,06-0,10 | 0,04-0,09 | 0,06-0,10 | 0,02-0,08 | - | 0,04-010 |
| N | 0,030-0,070 | 0,030-0,070 | 0,030-0,080 | <0,030 | <0,012 | 0,040-010 |
| B | - | 10-60 ррм | - | 5-60 ррм | 15-70 ррм | <0,005 |
*ppm – частей на миллион
Процесс сварки
При сварке P91 используются следующие сварочные процессы:- Дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного (инертного) газа (GTAW).
- Дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG).
- Дуговая сварка металлическим (плавящимся) покрытым электродом (SMAW).
- Дуговая сварка под флюсом (SAW).
- Дуговая сварка металлическим (плавящимся) электродом в среде защитного газа (GMAW).
- Дуговая сварка металлическим (плавящимся) электродом в среде инертного газа (МIG).
А также
- Дуговая сварка порошковой проволокой в среде защитного газа (FCAW).
Сварочные материалы
| P91 | P92 | E911 | T23 | T24 | P122 | |
| SMAW |
Chromet 9B9 E9015-B9 |
Chromet 92* |
Chromet 91W Chromet 10MW |
Chromet 23м Chromet 23L |
Специальные* | Оформление потенциальных патентов |
| GTAW |
9CrMoV ER90S-B9 |
9CrWV* | ? | 2CrMoWV | Специальные* | |
| FCAW | Supercore F91 E91T1-B9 |
Supercore F92 * |
Cormet 10MW* |
Supercore F23* |
Не применимо | |
| SAW |
Chromet M91 9CrMoV EB9 |
9CrWV* | * | * | Специальные* |
Температура предварительного подогрева и между проходами
- Температура предварительного подогрева и между проходами должна быть в пределах 200-300°C (390-570°F).
- Согласно рекомендациям Vallourec & Mannesmann Tubes температура предварительного подогрева и между проходами должна быть в пределах 250°C (480°F).
- Сварка тонкостенных труб может выполняться при температурах ниже 200°C (390°F).
- В Японии температура между проходами составляет 170-200°C, чтобы минимизировать риск образования горячих трещин
Подогрев во время сварки
Варианты при прерывании процесса сварки:- Поддерживать постоянно температуру предварительного подогрева.
- Применять последующий подогрев, если охлаждение частично произошло.
Heat affected zone – зона термического влияния
Zone 1: solidified weld – затвердевший шов
Zone 2: unmixed zone + remelted zone (fusion zone) – зона расслоения + зона переплава (зона сплавления)
Zone 3: coarse-grain HAZ – крупнозернистая зона термического влияния
Zone 4: fine-grain HAZ – мелкозернистая зона термического влияния
Zone 5: intercritical HAZ – межкритическая зона термического влияния
Zone 6: tempered HAZ – отпущенная зона термического влияния
Zone 7: unaffected base metal — основной металл, неподвергнутый термическому влиянию
Liquid – жидкий
Требования после сварки (до термообработки после сварки)
Температура предварительного подогрева (200°C мин.) выше температуры окончания мартенситного превращения (Mf).— Температура окончания мартенситного превращения для сварных соединений из стали Р91 находится в области 120-150°C.
— Содержание никеля в сварочных материалах, как правило, должно быть в диапазоне 0,4-1,0% (в Европе).
— Исследования в OAK Ridge National Laboratory (CША) показали, когда содержание Ni находится у верхнего предела, примерно 18% аустенита остается при температуре 204°C (400°F).
— Согласно спецификации AWS (2005 г) содержание Ni должно быть < 0,8% (ранее было < 1,0%).
После сварки перед термической обработкой следует понизить температуру сварного соединения ниже 80-100°С (если сварное соединение не охлаждается до температуры окружающей среды) для завершения преобразования остаточного аустенита в мартенсит.
— Сварные соединения из P91 до толщины стенки до 80 мм (3,15 дюйма) могут быть охлаждены до комнатной температуры.
— Толстостенные поковки и отливки не должны охлаждаться до температуры ниже 80°C, чтобы избежать образования трещин.
Промежуточная тепловая обработка
• В Европе было отмечено, что твердость P91 в состоянии после сварки обычно составляет примерно 400HV (380HB).
— Примерно на 100HV (95HB) меньше в состоянии после сварки, чем широко используется.
• Таким образом, риск образования холодных трещин меньше для P91.
— Охлаждение до комнатной температуры возможно без промежуточной тепловой обработки.
• Для получения дополнительной гарантии против образования холодных водородных трещин желательно выдержать сварное соединение при температуре 250-300°C в течение 2-3х часов перед охлаждением до температуры окружающей среды.
— Также требуется частичное охлаждение, чтобы обеспечит преобразование оставшегося аустенита.
Коррозионное растрескивание под напряжением в состоянии после сварки
- Если существует задержка в проведении термообработки после сварки, то сочетание высокой твердости (400-420HV) и остаточных напряжений может потенциально стать причиной коррозионного растрескивания под напряжением.
- Для борьбы с риском коррозионного растрескивания под напряжением компания Вabcock & Wilcox указывает, что максимальное время после сварки до термообработки должно быть 14 дней.
- По данным компании Vallourec & Mannesmann Tubes срок хранения до термообработки не должен превышать одной недели.
- После сварки до термообработки рекомендуется хранение оборудования в помещениях в сухих условиях.
- Неразрушающий контроль должен выполняться до и после термообработки, чтобы гарантировать отсутствие трещин.
Коррозионное растрескивание под напряжением
Термическая обработка после сварки
- Термическая обработка после сварки является обязательной независимо от толщины стенки, чтобы снизить твердость, повысить пластичность и прочность шва и зоны термического влияния.
- Контроль правильности температуры и времени термообработки имеет решающее значение.
Термический цикл сварки и термообработки для P91
Термическая обработка после сварки
- Температура 750-760°С лучше всего подходит для термообработки стали Р91.
- Более низкая температура термообработки может привести к большим различиям в твердости между зоной типа IV, крупнозернистой структурой зоны термического влияния и металлом шва, что неблагоприятно влияет на аккумуляцию напряжений в слабой зоне типа IV и снижает сопротивление ползучести.
- Более высокая температура термообработки может привести к укрупнению осадков и более быстрому восстановлению дислокационной субструктуры, что в свою очередь приводит к снижению твердости и предела ползучести.
Влияние термообработки на твердость
- Температура термической обработки после сварки — 750°C.
- Снижает твердость металла шва.
- Снижает твердость зоны термического влияния.
- Показывает четкую ориентацию на зону Типа IV.
- Увеличение времени и температуры термообработки влияет на снижение твердости.
Термическая обработка после сварки
- Согласно ЕN 1599 температура термообработки после сварки должна быть в пределах 750-770°C.
- Согласно ASME температура термообработки должна быть 704-760°C (1300-1400°F).
- Согласно последних изменений ASME разрешает температуру термообработки 730-775°C (1350-1425°F)
для Р91, Р92 и других сталей с повышенным сопротивлением ползучести, если химический состав металла шва известен, то температура термообработки может быть повышена до:
790°C (1450°F) для 1.0<%(Ni+Mn)<1.5, или
800°C (1470°F) для %(Ni+Mn)<1.0 - Согласно AWS (Американское общество сварщиков) температура термообработки должна быть 730-760°C (1346- 1400°F).
- На практике температура термообработки должна быть значительно выше 730°C в течение разумного предела времени.
Проблемы по сварке – опыт работы
Известно, что образование горячих трещин является обычной проблемой при использовании методов сварки GTAW, SMAW and SAW
- обычно появляются в сварочных кратерах, необходимо зачистить и заполнить кратер.
-
некоторые пользователи указывают соотношение Mn:S>50 в сварочных материалах, как средство предотвращения горячих трещин.
Холодные водородные трещины не являются значительной проблемой для Р91 в случае наличия предварительного подогрева и контроля содержания водорода
-
это свидетельствует о хорошей свариваемости стали
-
примерами являются трещины при охлаждении частично заваренных швов
-
риск хрупкого разрушения
-
склонность к коррозионным трещинам под напряжением, если имеется значительная задержка в проведении термообработки после сварки
Проблемы по сварке – термообработка после сварки
- Неправильные параметры отпуска в течение термообработки
-
Недогрев при термообработке (твердый и хрупкий шов и зона термического влияния)
-
Перегрев при термообработке (слабые зоны в швах)
-
Межкритический подогрев, например, нагрев выше точки Ас1
- Проблемы, возникающие вследствие:
-
Неправильного выбора температуры подогрева
-
Некорректный контроль температуры (термопары установлены в неправильных местах; подогрев газовым резаком)
-
Чрезмерное время нагрева
- Контроль правильности температуры и времени термообработки имеет решающее значение.
Требования к термообработке после сварки:
Оборудование должно обеспечивать точный контроль температуры
-
термопары должны быть соответствующим образом откалиброваны
-
термопары должны быть установлены в правильных местах
Перегрев во время термообработки после сварки
- Слабые зоны в швах трубопроводов
- Первоначальная микроструктура зоны термического влияния перегрета, демонстрируя некоторое ухудшение отпущенного мартенсита и крупные карбиды
- после 12000 часов эксплуатации были обнаружены феррит вдоль линии сплавления и явления ползучести в зоне термического влияния
Пределы твердости сварных соединений из P91
Минимальная твердость компонентов из P91, как правило, должна быть в пределах 190HV — 200HV (181НВ – 190НВ)< /p>
Согласно стандарта ASTM максимальная твердость для исходного материала P91 должна быть 265HV (252НВ)Твердость металла шва (и крупнозернистой зоны термического влияния) должна быть 240-260HV (228-247НВ) после термообработки после сварки при температуре 750-760°C в течение 2-х часов (Vallourec&Mannesmann data book)
- твердость металла шва после термообработки при температуре 730°C (минимально разрешенной ASME) в течение 2-х часов должна быть 280-290HV (266-276НВ) (Vallourec&Mannesmann data book)
- относительная слабость зоны типа IV хуже при температуре термообработки 730°C
Типы трещин в сварных соединениях P91
Plan View – Вид сверху
Cross-Section – Поперечное сечение
Base metal – Основной металл
HAZ – Зона термического влияния
Weld metal – Металл сварного шва
Выводы
Устойчивая к ползучести сталь Р91 стала популярной для применения на тепловых электростанциях, работающих на органическом топливе.Вследствие использования этой стали при высоких температурах она стала рассматриваться как Чудо Сталь.
Эта сталь также используется в нефтехимической промышленности в оборудовании, работающем при высоких температурах, таком как дистилляция, крекинг и гидроочистка.
Термообработка после сварки
Термообработка сварных швов и соединений
Для создания крупных магистральных трубопроводов используют коллекторы с большим внутренним диаметром. Это применяется в теплосетях и системах водоснабжения. Из-за большого веса проходящей жидкости возрастает и давление на стенки коммуникации. Поэтому последние выполняются из материалов достаточной толщины, чтобы выдерживать большие нагрузки. Но это создает новую проблему — сложно качественно сварить стороны с такой толщиной, обеспечив длительную последующую эксплуатацию. При такой массе изделия прогрев достигает сравнительно небольшой зоны, что приводит к ряду физических процессов, неблагоприятно сказывающихся на дальнейшем использовании материала. Для решения этой проблемы разработана и применяется термообработка сварных соединений. Что это такое? В каких случаях необходима термообработка после сварки? Каким оборудованием и как выполняется процесс?
Суть и предназначение процесса
Сварочный шов создается электрической дугой и присадочным материалом с электрода при температуре от 1500 до 5000 градусов. Это приводит к нескольким негативным явлениям на толстом металле. А именно:
- Непосредственно в месте соединения основного и присадочного материалов происходит значительный перегрев. Это содействует кристаллизации металла с крупной зернистой структурой, что снижает его пластичность. Выгорание марганца и кремния тоже подвергает эту область преобразованию в жесткий участок, плохо взаимодействующий, при естественных расширениях, со всей конструкцией.
- Немного дальше от шва образуется зона закалки. Она испытывает значительный, но меньший перегрев, чем предыдущий участок, поэтому в ней происходит закаливание некоторых элементов. Этот участок характеризуется включениями с высокой твердостью и сниженной пластичностью. Ухудшаются показатели металла и по ударной вязкости.
- На удаленном расстоянии от шва появляется зона разупрочнения. Благодаря непродолжительному воздействию умеренной температуры от электрической дуги, данный участок сохраняет высокую пластичность, но снижаются характеристики по прочности.
Общим дефектом после сварки являются остаточные напряжения в металле, которые способны деформировать изделие. Из-за этого возникают трудности при монтаже объемных конструкций, где требуется точность при стыковке новых узлов. Остаточное напряжение вызывает и последующее образование трещин, что недопустимо для швов трубопроводов. В сочетании с высокой температурой, это способствует снижению коррозионной устойчивости, циклической прочности, и способности сопротивляться хрупким разрушениям в условиях холода.
Термообработка сварных швов выполняется при температуре от 700 до 1000 градусов. Это позволяет устранить последствия неравномерного прогрева при дуговой сварке на толстых металлах, чем повышает надежность будущих коллекторов и магистралей трубопроводов. Труба и наложенный шов приобретают более похожую структуру, и лучше взаимодействуют во время естественных физических процессов (расширения и сужения материалов, воздействия влаги и т.д.).
Термообработка сварных соединений трубопроводов происходит в три этапа:
- нагрев околошовной зоны или всего изделия одним из нескольких видов оборудование;
- выдержка материала на заданной температуре в течении определенного времени;
- последующее планомерное охлаждение до нормальных температур.
Это нейтрализует остаточные явления от сварки, выравнивая структуру металла, и снимая напряжение в металле, способствующее деформации. Процесс может выполняться несколькими способами, а технология разнится в зависимости от типа и толщины металла. Не все сварные соединения необходимо подвергать термообработке, но в некоторых случаях она является обязательной.
Что и когда подвергается термической обработке
Нейтрализации остаточных явлений от электродуговой сварки необходимо подвергать все трубопроводы диаметром от 108 мм, имеющими стенку 10 мм и более. Для этого используют индукционный нагрев изделия током с частотой 50 Гц. Термообработка способна воздействовать на металл трубы со стенкой 45-60 мм, для чего применяют гибкие электронагревательные проволоки или муфельные печи. Если толщина стенки конструкции не более 25 мм, то можно использовать газопламенный способ нагрева. Во всех случаях важен фактор равномерности распределения температуры во все стороны от сварочного соединения.
Стыки, выполненные с применением труб из стали 12XIMФ и ее разновидности 15XIMIФ, имеющие толщину стенки магистрали 45 мм должны подвергаться термической обработке сразу после окончания сварочных работ. Охлаждение материала не должно допускаться до температуры 300 градусов. Стыки из аналогичных сталей на трубах с диаметром 600 мм, при стенке 25 мм, обрабатываются в этот же временной период. В случае невозможности выполнить процесс, соединение необходимо укрыть слоем теплоизоляции 15 мм, а при первой же возможности произвести обработку. Максимальный срок на проведение этих работ составляет трое суток.
Термообработке необходимо подвергать не только кольцевые швы на трубопроводе, но и вваренные отводы, краны, заглушки. Крепление под участок трубы, которое присоединялось посредством сварки, тоже необходимо обработать нагревом.
Режимы процесса
Разные виды стали подвергаются термообработке в конкретный временной промежуток. Влияет на режим и толщина стенки изделия. На хромомолибденовых сталях и их сплавах с ванадием применяется нагрев индукционным способом, с частотой тока в 50 Гц и выше, или радиационным методом по следующим показателям:
| Толщина стенки, мм | Радиационный способ, минуты | Индукционный способ, минуты |
| До 20 | 40 | 25 |
| 21-25 | 70 | 40 |
| 26-30 | 100 | 40 |
| 31-35 | 120 | 60 |
| 36-45 | 140 | 70 |
| 46-60 | 160 | 90 |
| 61-80 | 160 | 110 |
| 81-100 | 160 | 140 |
Виды оборудования
Термообработка выполняется несколькими видами средств, выбор которых зависит от толщины свариваемых труб и местной доступности оборудования. Выделяются три основные способа нагрева околошовной зоны.
Индукционный
На рабочем месте устанавливается аппарат, вырабатывающий переменное высокочастотное напряжение. К нему подсоединяется нагревательный элемент, которым служит гибкий провод. Последний наматывают на сварочное соединение, предварительно укутанное асбестом для теплоизоляции. Эту технологию можно применять независимо от положения трубы в пространстве (вертикального или горизонтального).
Намотку провода производят вплотную к изолятору, а между витками оставляют зазор в 25 мм. Таким образом должно быть покрыто по 250 мм участка трубы с каждой стороны шва. После правильного наложения витков аппарат включается на время, предназначенное для конкретной толщины стенки трубопровода. Напряжение, проходя через витки провода, создает индукцию и разогревает изделие. Похожим способом выполняется и накладка цельных поясов, содержащих внутри себя ряд проводов, которые сразу покрывают нужную ширину трубы.
Радиационный
Вторым распространенным способом термической обработки сварных соединений является радиационный метод. Здесь тепловой эффект исходит от специальных нихромовых проводов, по которым идет напряжение, и околошовную зону греет непосредственно тепло от провода, а не индукция тока, как в первом способе. Тэн укладывают на основу из теплоизоляции.
Газопламенный
Самым дешевым способом выполнить термическую обработку сварного шва является пламя от горения смеси ацетилена и кислорода. Это подходит для труб с диаметром не более100 мм. На горелку устанавливается мундштук с крупным отверстием. Для равномерности подачи тепла от пламени на сопло одевается асбестовая воронка, распределяющая пламя по ширине в 250 мм. Правильный нагрев производится одновременно двумя горелками, работающими с каждой стороны.
Виды термообработки
Тепловое воздействие на сварочное соединение и прилегающую зону может выполняться по разной технологии для достижения определенных целей. Вот основные процессы и их влиян
Термическая обработка сварных изделий
СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ
После сварки изделия иногда подвергают термической обработке.
Полный отжиг выполняется путем нагревания стального-изделия до 820—930°, выдержки при этой температуре и последующим медленным охлаждением.
Полный отжиг обеспечивает:
1) получение мелкозернистого строения металла шва, что повышает пластичность наплавленного металла и металла переходной зоны. При этом благодаря улучшению сцепления зерен между собой повышается вязкость металла;
2) понижение твердости металла шва, что облегчает последующую обработку его резанием или давлением;
3) уничтожение внутренних напряжений Ъ сварном изделии.
Время выдержки при температуре отжига составляет от 0,75 до
1 мин на каждый миллиметр толщины изделия; общее время выдержки должно быть не менее 30 мин. Затем изделие медленно охлаждают вместе с печью со скоростью от 50 до 75° в час до температуры 300°, после чего его можно вынимать из печи и охлаждать на воздухе.
Слишком длительная выдержка при максимальной температуре Отжига вредна, так как способствует росту зерен. Особенно это сказывается на мягкой малоуглеродистой стали при температуре выше 1000°. Ниже этой температуры рост зерна будет незначителен даже при выдержке до 7—8 час. На рис. 63 показана схема изменения структуры стали при полном отжиге. До отжига металл
Чистое железо |
Чистое железо |
Железо и углерод |
We лезо и углерод |
Рис 63. Схематическое изображение постепенного изменения структуры стали при полном отжиге
имеет крупнозернистое строение (рис. 63, а). При достижении определенной температуры внутри этих крупных зерен образуются более мелкие зерна металла (рис. 63, б). К концу нагревания этот процесс заканчивается и металл приобретает равномерное и однородное строение (рис. 63, в). Если теперь сталь начать медленно охлаждать, то ее мелкозернистое строение сохранится, а по границам зерен выделится мягкое, пластичное чистое железо (рис. 63, г), обеспечивающее хорошую связь между зернами стали и делающее весь металл вязким и пластичным. Такая структура остается и после отжига.
Если при отжиге нагревать сталь до 1200°, т. е. до начала оплавления в среде, содержащей кислород, то происходит не только перегрев, но и пережог (окисление) металла. Пережженная сталь имеет окисленные с поверхности зерна, обладает большой хрупкостью и малой прочностью. Если перегретую сталь можно исправить повторным отжигом, то пережженный металл исправить нельзя.
Нормализация отличается от полного отжига большей скоростью охлаждения. Повышенная скорость охлаждения в первые моменты после нагрева позволяет получить мелкозернистое строение металла. С этой целью сварное изделие после нагрева до температуры на 20—30° выше критической и выдержки вынимают из печи и охлаждают на воздухе.
Металл шва при нормализации получается несколько более прочным, но менее пластичным, чем при отжиге. Чем мягче сталь, тем понижение ее пластичности при нормализации будет менее заметно; оно тем больше, чем больше углерода и марганца содержит сталь. Для мягкой малоуглеродистой стали, содержащей углерода меньше 0,2%, рекомендуется применять, как правило, нормализацию вместо отжига. Для улучшения качества сварных конструкций нормализация является наилучшим ввдом термической обработки.
Отжиг для снятия напряжений (низкотемпературный отжиг или высокий отпуск) операция довольно сложная. При полном отжиге и нормализации внутренние напряжения уничтожаются, так как для этого достаточно нагреть изделие до температуры 600—650°, т. е. ниже температуры нагрева при полном отжиге и нормализации, и медленно охлаждать. Для устранения напряжений изделие подвергают нагреву только до 600—650° и после выдержки (из расчета 2—2,5 мин на 1 мм толщины металла, но не менее 30 мин) — последующему медленному охлаждению вместе с печью до нормальной температуры. Поскольку при этом металл нагревается до температуры, лежащей ниже критической, никаких изменений его структуры не происходит.
При отпуске можно нагревать изделие и до более низкой температуры, но тогда собственные сварочные напряжения частично останутся в изделии, хотя «пики» их значительно снизятся. Так,
например, при нагреве стального изделия до 400—500° снимается до 50%, а при 200—300° — до 10—20% остаточных напряжений, возникающих в процессе сварки.
Для отжига и нормализации всей сварной конструкции требуются соответствующие печи. Одна из конструкций таких отжигательных печей с выдвижным подом показана на рис. 64.
Рис 64. Печь с выдвижным подом для отжига и нормали зации сварных барабаї ов котлов высокого давления
С каждым днем лазерная резки металла становиться все более востребованной. Давайте разберемся в этом почему же так?
В наши дни, работа сварочным оборудованием используется во многих сферах жизни: начиная от строительства высокоэтажных домов и заканчивая созданием предметов интерьера. Но что же скрывается за этим, малопонятным непосвященному, словом? …
Лазерная резка является чрезвычайно распространенным процессом во многих отраслях. Она используется на производственных предприятиях, для лазерной хирургии и даже в качестве инструмента искусства. Несмотря на это использование, резка вместе со …
Слышали ли вы о термообработке после сварки (PWHT)? Конечно есть. Если вы занимаетесь сваркой, вы наверняка слышали этот термин. Но что такое PHWT? Когда требуется PWHT? При какой температуре следует проводить PWHT? Термообработка материалов может быть очень сложной задачей, но когда дело доходит до термической обработки после сварки, она сводится к простой концепции: PWHT делается для того, чтобы поддерживать или улучшать прочность материала и механические свойства и снимать остаточные напряжения.При изготовлении стали наиболее распространенными процедурами PWHT являются последующий нагрев и снятие напряжения.
Когда мы свариваем, мы вводим достаточно тепла, чтобы расплавить основной материал. Эта повышенная температура вызывает микроструктурные изменения основного материала, которые могут изменять очень важные свойства материала, такие как прочность на разрыв, твердость, пластичность и ударную вязкость. Степень влияния этих свойств зависит от химического состава основного материала и скорости охлаждения после сварки.Требования к обработке PWHT обычно диктуются нормами и стандартами, а также любыми специальными требованиями, обусловленными условиями эксплуатации сварной конструкции.
Для изготовления стали использование PWHT обусловлено необходимостью противостоять хрупкому разрушению посредством последующего нагрева и уменьшать остаточные напряжения за счет снятия напряжений.
Постобогрев в основном делается для того, чтобы избежать водородного растрескивания (HIC), также известного как холодный растрескивание и водородное растрескивание (HAC).Для того, чтобы произошла HIC, должны присутствовать три вещи:
- Чувствительная микроструктура основного материала (обычно из-за высокого содержания углерода)
- Пороговый уровень водорода
- Повышенный уровень стресса (внутренний или внешний)
Для более подробной информации по этой теме вы можете прочитать Факторы, влияющие на трещины, вызванные водородом.
Если вы устраните одну из трех указанных выше причин, трещины, вызванные водородом, не произойдут. Последующее нагревание позволяет водороду диффундировать из зоны сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ), тем самым снижая количество диффундирующего водорода ниже порогового уровня.Для получения дополнительной информации о предотвращении HIC прочитайте Предотвращение вызванного водородом взлома.
Сварочный шов не должен охлаждаться до комнатной температуры перед последующим нагревом. HIC произойдет, когда температура материала упадет ниже 200F. Прежде чем это произойдет, деталь должна быть нагрета до определенной температуры и выдержана в течение определенного времени, которое зависит от типа материала и толщины. Это позволяет водороду диффундировать из сварного шва и предотвратить образование холодных трещин при достижении комнатной температуры.
Коды и стандарты будут указывать температуру и время выдержки. В общем, вы должны нагреть деталь достаточно высоко, чтобы позволить водороду диффундировать из сварного шва и ЗТВ, но недостаточно высоко, чтобы вызвать какие-либо микроструктурные изменения. Как правило, эта процедура прокаливания выполняется при температуре от 300 до 600 ° F [149–316 ° C]. Эта температура поддерживается не менее 1 часа на дюйм [25 мм] толщины материала. Всегда обращайтесь к коду, с которым вы работаете, или к ответственному инженеру, прежде чем разрабатывать свою собственную процедуру последующего нагрева.
Диаграммы, показывающие температуры после нагрева и PWHT и время выдержки, должны быть включены со всеми WPS. Пример диаграммы такого типа показан ниже.
Пример диаграммы PWHT для стали P91. Фактическая температура и время выдержки определяются составом и толщиной материала.
Снятие стресса является еще одной распространенной целью применения PWHT. Снятие напряжения выполняется при гораздо более высокой температуре и обычно в течение более длительного периода времени, чем после нагрева.Напряжения могут развиваться в сварных швах из-за высоких уровней сдерживающих и усадочных сил. Эти напряжения могут не вызвать мгновенное растрескивание детали, но значительно снизить усталостную прочность сварной конструкции или компонента.
Снятие напряжения уменьшит эти остаточные напряжения, возникающие после сварки, путем тщательного регулирования нагрева детали до определенной температуры, выдерживания ее в течение определенного времени и затем управления скоростью охлаждения. В отличие от постнагревания, температуры для снятия стресса намного выше.Для большинства углеродистых сталей снятие напряжения производится при температуре 1000–1400 ° F [538–760 ° C].
Помимо снятия напряжений, PWHT предоставляет и другие преимущества: отпуск, удаление водорода, улучшенную пластичность, ударную вязкость и коррозионную стойкость. Однако следует помнить, что PWHT также может оказывать разрушительное воздействие, если оно сделано неправильно или на материалах, которые не должны подвергаться термообработке после сварки.
Превышение температур для снятия напряжений может снизить предел прочности при растяжении, уменьшить сопротивление ползучести и уменьшить ударную вязкость.Кроме того, некоторые стали не должны подвергаться термообработке после сварки или, по крайней мере, это не рекомендуется. AWS D1.1 «Кодекс конструкционной сварки (сталь)» гласит, что снятие напряжений следующих распространенных конструкционных сталей не рекомендуется:
- ASTM A514 (обычно называемая сталью Т-1 — торговое наименование Arcelor Mittal)
- ASTM A517
- ASTM A709 класс HPS 100 Вт
- ASTM A710
Стоит повторить, что любой PWHT должен выполняться в соответствии с конкретным кодом или стандартом, который регулирует изготовление конструкции или компонента.Даже если PWHT выполняется после сварки, он является частью спецификации процедуры сварки (WPS), и в этом документе должны быть приведены четкие инструкции о том, как выполнять PWHT.
Рекомендации:
Металлы и как их сварить — Теодор Джефферсон, Горхам Вудс
Сварочная металлургия и свариваемость Джон К. Липпольд
AWS D1.1 / D1.1M: 2015 Кодекс конструкционной сварки — сталь
,Термическая обработка после сварки (PWHT)
Сварка является неотъемлемой частью эксплуатации и обслуживания активов в нефтяной (добывающая, перерабатывающая и перерабатывающая промышленность) и химической промышленности. Несмотря на множество полезных применений, процесс сварки может непреднамеренно ослабить оборудование, создавая остаточные напряжения в материале, что приводит к ухудшению свойств материала.
Чтобы обеспечить сохранение прочности материала детали после сварки, регулярно выполняется процесс, известный как термическая обработка после сварки (PWHT) .PWHT может использоваться для уменьшения остаточных напряжений, в качестве метода контроля твердости или даже для повышения прочности материала.
Если PWHT выполняется неправильно или вообще не учитывается, остаточные напряжения могут сочетаться с нагрузками на нагрузку для превышения проектных ограничений материала. Это может привести к отказам сварного шва, более высокому потенциалу трещин и трещин, а также повышенной подверженности хрупкому разрушению .
PWHT включает в себя множество различных типов лечения; Два наиболее распространенных типа — постобогрев и снятие напряжения:
- Постобогрев:
- Трещины, вызванные водородом (HIC) часто возникает, когда в процессе сварки проникает большое количество водорода из окружающей среды.Нагревая материал после сварки, можно диффундировать водород из сварной области, предотвращая, таким образом, HIC. Этот процесс известен как последующий нагрев и должен начаться сразу после завершения сварки. Вместо того, чтобы дать остыть, материал должен быть нагрет до определенной температуры в зависимости от типа и толщины материала. Его следует выдерживать при этой температуре в течение нескольких часов в зависимости от толщины материала.
- Снятие стресса:
- К тому времени, когда он завершится, процесс сварки может оставить большое количество остаточных напряжений в материале, что может привести к увеличению вероятности возникновения коррозии под напряжением и трещин, вызванных водородом.PWHT может использоваться для снятия этих остаточных напряжений и снижения этого потенциала. Этот процесс включает в себя нагрев материала до определенной температуры, а затем постепенное его охлаждение.
То, должен ли материал подвергаться PWHT, зависит от ряда факторов, включая такие вещи, как его легирующая система или подвергался ли он ранее термической обработке. Некоторые материалы действительно могут быть повреждены PWHT, в то время как другие почти всегда требуют этого.
В целом, чем выше содержание углерода в материале, тем выше вероятность того, что он нуждается в PWHT после проведения сварочных работ.Аналогичным образом, чем выше содержание сплава и толщина поперечного сечения, тем больше вероятность того, что материалу потребуется PWHT.
Список литературы
- Funderburk, R. Scott, 1998. «Ключевые понятия: термообработка после сварки». Сварка Инновации Том XV, № 2.
- Ahmed Khaleel, Krishan J., 2002. «Термообработка после сварки — тематические исследования», информационный бюллетень BARC, специальный выпуск, посвященный Дню основателя, с. 111-115.
Это определение неполное? Вы можете помочь, внеся свой вклад в это.
Поделиться этой темой
Похожие темы
Зона термического влияния (HAZ) Ремонт сварных швов Наложение сварного шва ,Термическая обработка — это операция, которая требует много времени и средств. Это может повлиять на прочность и ударную вязкость сварного соединения, его коррозионную стойкость и уровень остаточного напряжения, но также является обязательной операцией, указанной во многих прикладных нормах и стандартах. Кроме того, это существенная переменная в спецификациях квалификации процедуры сварки.
Прежде чем обсуждать диапазон термических обработок, которым может подвергаться металл, необходимо четко определить, что подразумевается под различными терминами, используемыми для описания диапазона термических обработок, которые могут применяться к сварному соединению.Такие термины часто используются неправильно, особенно неспециалистами; для металлурга они имеют очень точные значения.
Раствор для обработки
Проводится при высокой температуре и предназначен для поглощения в растворе элементов и соединений, которые затем удерживаются в растворе путем быстрого охлаждения от температуры обработки раствора. Это может быть сделано для уменьшения прочности соединения или для повышения его коррозионной стойкости. Для некоторых сплавов может последовать термическая обработка при более низкой температуре для контролируемого преобразования осадков (старение или отверждение осадков).
Отжиг
Это состоит из нагрева металла до высокой температуры, где происходит перекристаллизация и / или фазовое превращение, а затем медленное охлаждение, часто в печи для термообработки. Это часто выполняется для смягчения металла после его закалки, например, при холодной обработке; полный отжиг, дающий очень мягкую микроструктуру. Это также приводит к снижению как текучести, так и прочности на растяжение и, в случае ферритных сталей, обычно к снижению ударной вязкости.
Нормализация
Это термическая обработка, которая проводится только на ферритных сталях. Он включает нагревание стали до температуры примерно на 30-50 ° С выше верхней температуры превращения (для углеродистой стали с содержанием углерода 0,20% это будет около 910 ° С) и охлаждение в неподвижном воздухе. Это приводит к уменьшению размера зерна и улучшению как прочности, так и ударной вязкости.
Гашение
Это быстрое охлаждение от высокой температуры. Ферритная сталь должна быть нагрета до температуры, превышающей верхнюю температуру превращения, и закалена в струе воды, масла или воздуха для получения очень высокопрочного мелкозернистого мартенсита.Стали никогда не используются в закаленном состоянии, они всегда отпускаются после операции закалки.
Закалка
Термическая обработка, проводимая на ферритных сталях при относительно низкой температуре, ниже более низкой температуры превращения; в обычной конструкционной углеродистой стали это было бы в области 600-650 ° C. Это снижает твердость, снижает прочность на разрыв и улучшает пластичность и ударную вязкость. Большинство нормализованных сталей закаливаются перед сваркой, все закаленные стали используются в закаленном и отпущенном состоянии.
Старение или отверждение осадков
Низкотемпературная термообработка, предназначенная для получения правильного размера и распределения осадков, тем самым увеличивая предел текучести и прочность на разрыв. Обычно ему предшествует термическая обработка в растворе. Для стали температура может быть где-то между 450-740 градусов C, алюминиевый сплав будет выдерживаться при температуре 100-200 ° C. Более длительные времена и / или более высокие температуры приводят к увеличению размера осадка и снижению твердости и прочности.
Снятие стресса
Как следует из названия, это термообработка, предназначенная для уменьшения остаточных напряжений, возникающих при усадке сварного шва. Он основан на том факте, что с повышением температуры металла предел текучести уменьшается, что позволяет перераспределять остаточные напряжения при ползучести сварного шва и основного металла. Охлаждение от температуры снятия напряжения контролируется для того, чтобы не было никаких вредных температурных градиентов.
Пост тепла
Низкотемпературная термообработка проводится сразу же после завершения сварки путем увеличения предварительного нагрева примерно на 100 ° C и поддержания этой температуры в течение 3 или 4 часов.Это способствует диффузии любого водорода в зонах сварного шва или в зонах термического влияния вне стыка и снижает риск возникновения холодного растрескивания, вызванного водородом. Он используется только на ферритных сталях, где водородное холодное растрескивание представляет собой серьезную проблему, то есть очень чувствительные к растрескиванию стали, очень толстые швы и т. Д.
Термическая обработка после сварки (PWHT)
Итак, что означает термин «термообработка после сварки»? Для некоторых инженеров это довольно расплывчатый термин, который используется для описания любой термической обработки, выполняемой после завершения сварки.Однако для других, особенно тех, которые работают в соответствии с кодами сосудов под давлением, таких как BS PD 5500, EN 13445 или ASME VIII, это имеет очень точное значение. Поэтому, когда инженер говорит о термообработке, отжиге, отпуске или снятии напряжения после сварки, это целесообразно.
Термообработка после сварки может выполняться по одной или нескольким из трех основных причин:
- для достижения стабильности размеров, чтобы сохранить допуски во время операций обработки или во время встряхивания в процессе эксплуатации
- для производства специальных металлургических конструкций с целью достижения необходимых механических свойств
- , чтобы уменьшить риск проблем в процессе эксплуатации, таких как коррозия под напряжением или хрупкое разрушение, путем уменьшения остаточного напряжения в сварном компоненте
Диапазон термической обработки для достижения одной или нескольких из этих трех целей в области черных и цветных металлов и сплавов, которые могут быть сварены, очевидно, слишком широк для того, чтобы подробно описать их в этих кратких статьях Job Knowledge.В следующем разделе будет сделан акцент на PWHT из углеродистых и низколегированных сталей, как того требуют стандарты применения, хотя будет кратко упомянуто о других формах термической обработки, с которыми инженер-сварщик может столкнуться в черных сплавах. Здесь задействованы два основных механизма: во-первых, снятие стресса и, во-вторых, микроструктурные модификации или отпуск.
Снятие стресса
Почему необходимо снимать стресс? Это дорогостоящая операция, требующая нагревания части или всего сварного изделия до высокой температуры, и это может вызвать нежелательные металлургические изменения в некоторых сплавах.Как упоминалось выше, может быть одна или несколько причин. Высокие остаточные напряжения, зафиксированные в сварном соединении, могут вызвать деформацию за пределами приемлемых размеров, когда изделие подвергается механической обработке или когда он вводится в эксплуатацию. Высокие остаточные напряжения в углеродистых и низколегированных сталях могут увеличить риск хрупкого разрушения, обеспечивая движущую силу для распространения трещин. Остаточные напряжения вызовут коррозионное растрескивание под напряжением в правильной среде, например, из углеродистых и низколегированных сталей в щелочной среде или из нержавеющей стали, подверженной воздействию хлоридов.
Что вызывает эти высокие остаточные напряжения? Сварка включает осаждение расплавленного металла между двумя по существу холодными поверхностями основного металла. Поскольку соединение охлаждается, металл сварного шва сжимается, но удерживается холодным металлом с обеих сторон; следовательно, остаточное напряжение в соединении увеличивается при понижении температуры. Когда напряжение достигает достаточно высокого значения (предел текучести или предел прочности при этой температуре), металл пластически деформируется с помощью механизма ползучести, так что напряжение в соединении соответствует пределу текучести.Поскольку температура продолжает падать, предел текучести увеличивается, препятствуя деформации, так что при температуре окружающей среды остаточное напряжение часто равно пределу прочности (рис. 1).
Чтобы уменьшить этот высокий уровень остаточного напряжения, компонент нагревается до достаточно высокой температуры. При повышении температуры предел прочности падает, что позволяет деформации происходить и уменьшать остаточное напряжение, пока не будет достигнут приемлемый уровень. Компонент будет выдерживаться при этой температуре (замачиваться) в течение некоторого времени, пока не будет достигнуто стабильное состояние, а затем снова охлажден до комнатной температуры.Остаточное напряжение, остающееся в соединении, равно пределу прочности при температуре выдержки.
На рисунке 1 показано, что остаточное напряжение в углеродисто-марганцевой стали достаточно устойчиво падает от температуры окружающей среды до примерно 600 градусов Цельсия, но что высокопрочные стали, стойкие к ползучести, должны быть выше 400 градусов Цельсия, прежде чем остаточное напряжение начнет падать. Нержавеющая сталь практически не подвергается воздействию, пока температура не превысит 500 градусов С. Таким образом, существует диапазон температур выдержки для различных сплавов для достижения приемлемого снижения остаточного напряжения без отрицательного влияния на механические свойства соединения.В углеродистых марганцевых сталях эта температура будет между 550-620 градусов C, в жаропрочных сталях где-то между 650-750 градусов C и для нержавеющих сталей между 800-850 градусов C.
Следующая статья будет посвящена отпуску ферритных сталей, и за ней последует дополнительная информация о других сплавах и способах нанесения и контроля процессов термообработки.
Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами.
,