Конспект, страница 3

Гелий – 269⁰С

сжиженных углеводородов (метил, бутан и др.) температура кипения которых лежит в интервале от -80 до -180⁰С. в последние годы в криогенной технике наряду с аустенитными сталями и алюминиевыми сплавами начали использоваться экономно легированные стали ОН3, ОН6 и ОН9, отличающиеся высокими значениями пределов прочности, текучести и позволяющие, благодаря этому, снизить вес сварных металлоконструкций. Никелевые стали, например, используются для изготовления резервуаров изотермического хранения сжиженных газов:

• Сталь ОН3 для хранения углекислого газа при –78⁰С;

• Сталь ОН6 для хранения сжиженного этилена при –104⁰С;

• Сталь ОН9 для хранения сжиженного кислорода пери –183⁰С и сжиженного азота при –196⁰С.

Как и для других конструкционных материалов, основное требование к криогенным материалам – механическая прочность.

В общем можно отметить, что при понижении температуры прочность повышается, а пластичность и вязкость снижаются. Отсюда прочность швов и основного метала должна гарантироваться при комнатной температуре, а пластичность и вязкость при низкой температуре эксплуатации.

Хладостойкие стали сохраняют на протяжении неограниченного времени под напряжением достаточные пластичность и вязкость при низких температурах, они не чувствительны к концентрации напряжения.

Оценивать свариваемость различных сталей, и в частности хладостойких, а также необходимые условия сварки, обеспечивающие получение работоспособного сварного соединения, необходимо на основании следующих положений:

1. Получение сварного соединения без каких либо дефектов и, прежде всего, без холодных и горячих трещин.

2. Получение сварного соединения с уровнем прочности, пластичности и вязкости, обеспечивающими надлежащую работоспособность при требуемых условиях эксплуатации.

3. Необходимость применения специальных технологических мер при сварке (подогрев, регулирование погонной энергии и т.д.) для выполнения условий 1 и 2.

4. Необходимость проведения термообработки после сварки хладостойких сталей имеет свои особенности, связанные с составом свариваемых сталей, их структурным состоянием перед сваркой.

Все 3 никелевые стали сложены по фазовому и структурному состоянию. Из–за того, что Ni является сильным аустенизатором, то альфа – область сильно сужается, а точка А₃ значительно понижается, Ni сильно снижает критическую скорость охлаждения при закалке. Поэтому стали с 9 % Ni, после охлаждения, например, после сварки, на воздухе закаливаются с образованием мартенсита или мартенсита с аустенитом. Сталь с 6 % Ni при охлаждении на воздухе дает ферритно-мартенситную структуру, а при более быстром охлаждении – мартенсит. Сталь с 3 % Ni закаливается только при ускоренном охлаждении в воде. Рассмотренные стали в закаленном состоянии не применяются. Обычно после закалки применяют отпуск при температуре 690⁰ С, а для сталей 06Н6 и 06Н9 применяют еще и нормализацию при температуре 860⁰С.

В результате отпуска закаленные стали имеют высокую хладостойкость. При нагреве до температуры отпуска происходит превращение в j и в стали имеющей аустенит, например 06Н9, появится некоторое количество остаточного аустенита, обеспечивающего хорошую вязкость.

Мартенсит распадается на феррит и карбид.

Хладостойкость определяется не только содержанием никеля, но и однородностью состава, мелко зернистостью строения. Поэтому их подвергают нормализации.

Никелевые стали успешно свариваются различными видами сварки. Для сварки стали 06Н3 применяют электроды или проволоку того же состава, либо аустенитную хромоникелевую. Для стали 06Н6 – проволоку аустенитную хромоникелевую. Для стали 06Н9 материала на никелевой основе. Сварка никелевых сталей связана с определенными трудностями, а именно:

Использование при дуговой сварке присадочных материалов близких по составу к свариваемым сталям вызывает необходимость подогрева свариваемых изделий для предотвращения холодных трещин. Необходимо также ограничивать содержание серы в швах (до 0,03 %) с целью предупреждения возникновения горячих трещин из–за образования легкоплавкой эвтектики Ni – Ni₃S_2. Кроме того, для измельчения зерна в литом металле шва с целью обеспечения необходимой его ударной вязкости при отрицательных температурах необходимо подвергать сварные соединения одинарной или даже двойной нормализации. В связи с этим для сварки хладостойких никелевых сталей целесообразно применять электроды и сварочные проволоки аустенитного класса, что обеспечивает достаточную технологическую прочность и высокий уровень ударной вязкости швов без термической обработки.

Проведение термообработки сварного соединения не всегда осуществимо, из-за больших размеров изделия и отсутствия печей таких габаритов. Выполнить местную термообработку нельзя, из-за того, что она может оказать неблагоприятное воздействие на свойства или напряженное состояние соседских зон. Это дорогая и сложная операция. Использование аустенитных сварочных материалов вызывает, в свою очередь, определенную химическую, структурную и механическую неоднородность зон сплавления, что может сдвигать порог хладноломкости в область повышенных температур. Наибольшую опасность представляют возможность образования мартенситных прослоек в зоне сплавления. Однако толщина этих хрупких прослоек может быть уменьшена за счет увеличения запаса аустенитности швов, как это видно на диаграмме Шеффлера..

В связи с этим автоматическая сварка сталей ОН3 и ОН6 под слоем флюса АН-26С выполняется проволокой Св-10Х16Н25АН6, а стали 0Н9 – проволокой Св – 06Х15Н6ОМ15. термическая обработка после сварки не производится.

Cварка коррозионно-стойких мартенситных сталей типа 12Х5М, работающих при повышенной температуре.

Стали мартенситного класса марок 12Х5М, 12Х5МФ, 12Х6СМ предназначены для изготовления корпусов и внутренних элементов аппаратов нефтеперерабатывающих заводов, работающих при температуре до 600^оС в контакте с крекинг газом, парами бензина и керосина.

В зависимости от типа конструкции и её назначения к сварным соединениям из среднелегированных сталей предъявляются требования необходимой и достаточной прочности в условиях эксплуатации, коррозионностойкости, стойкости против взрывных нагрузок и т. д.

В связи с особыми свойствами (физико-химическими) среднелегированных сталей выполнение этих требований является достаточно сложной задачей. Восприимчивость этих сталей к закалке, а также высокий уровень механических свойств обусловливают ряд специфических трудностей, возникающих при сварке:

1. Склонность сварных соединений к холодным трещинам в околошовной зоне (реже в металле шва) из-за повышенного содержания углерода и под воздействием водорода.

2. Пониженная стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин, обусловленная повышенным содержанием углерода и легирующих элементов и воздействием серы.

3. Трудность получения металла шва, О.Ш.З и сварного соединения в целом с механическими свойствами, одинаковыми с основным металлом или близкими к его свойствам.

Холодные трещины – наиболее распространённый дефект О.Ш.З. и металла шва сталей, склонных к резкой закалке, имеющие в результате термического цикла сварки структуру мартенсита и остаточного аустенита. Поэтому, если для сварки применяли сварочную проволоку того же состава, что и О.М. или близкую к его составу, то возникает закалочная структура мартенсита и остаточного аустенита. При наличии и повышенной концентрации водорода и воздействии внутренних напряжений могут возникнуть холодные трещины.

Холодные трещины возникают как в интервале температур образования мартенсита (250^оС и ниже), так и после полного остывания сварного изделия, спустя некоторое, иногда значительное время после сварки (через 24 – 48 ч). Чем ниже температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем вероятнее образование холодных закалочных трещин. С увеличением толщины свариваемого металла возможность образования закалочных трещин возрастает.

Элементы, снижающие температуру j – М превращения, усиливают склонность металла к образованию холодных закалочных трещин. К этим элементам прежде всего относится углерод. Температура мартенситного превращения снижается при повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена и др.

О свариваемости, применительно к её чувствительности к закаливаемости, ориентировочно судят по коэффициенту эквивалентности по углероду для различных легирующих элементов:

С_э = С% + (Mn/6)% + (Cr/5)% + (V/5)% + (Mo/4)% + (Ni/15)% + + (Cu/13)% + (P/2)%.

Стали с эквивалентом по углероду >0,45 – склонны к образованию трещин при сварке. Однако этот критерий не является основанием для неприменением стали в сварной конструкции.

Образование холодных трещин спустя некоторое время после полного остывания сварного соединения является наиболее неприятным, т.к. качество изделия теряется после его контроля. Замедленное разрушение связано с тем, что углерод и легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита и смещают мартенситное превращение в область пониженных температур. Нестабильный остаточный аустенит в структуре мартенсита с течением времени распадается при 20^оС. Интенсивность этого процесса усиливается при охлаждении ниже 0^оС.

При распаде остаточного аустенита образуется хрупкая структура неотпущеного мартенсита, что вызывает дополнительные структурные напряжения, кроме сварочных, в области хрупких структур шва и околошовной зоны. Вследствие увеличения микрообъёмов металла при распаде остаточного аустенита происходит зарождение и развитие трещин в ранее образовавшемся мартенсите. Чем грубее структура первичного мартенсита, тем она боле хрупка, и образование трещин более вероятно.

Возникающие структурные превращения при распаде остаточного аустенита суммируются с растягивающими напряжениями сварки от реакции жёсткой заделки и в критических случаях приводят к появлению трещин в течение времени. Этот эффект усугубляется наличием различных концентраторов напряжений: подрезами, непроварами, включениями и т. д.

Образованию трещин с течением времени способствует водород, растворённый в металле; он, растворённый в металле, с распадом аустенита, постепенно выделяясь в несплошности структуры в виде молекулярного водорода, создаёт местные внутренние давления, облегчающие возможность образования микротрещин. Если наплавленный металл имеет устойчивую аустенитную структуру, трещины в околошовной зоне не возникают, даже если в зоне сплавления резко возрастает концентрация водорода. Объясняется это тем, что аустенит хорошо растворяет водород, но обладает плохой для него проницаемостью и в этом случае служит своеобразным запорным слоем для перемещения водорода и его скопление в опасных зонах. В то же время аустенитные швы обладают высокой деформационной способностью, что ослабляет напряжённое состояние металла и тем самым снижает отрицательное действие водорода.

Для предотвращения холодных трещин при сварке необходимо:

1. Применять меры по предупреждению попадания водорода в зону сварки – использование низководородистых сварочных материалов, зачистка свариваемых кромок от ржавчины, масел. Это достигается высокотемпературным режимом прокалки сварочных материалов (550 -–750^оС).

2. Применять меры, направленные на снижение скорости охлаждения в мартенситном интервале температур (250^оС и ниже), и создание условий для развития самоотпуска мартенсита, в результате чего получится более пластичный металл. Это достигается за счёт применения подогрева перед сваркой и отпуска после сварки.

3. Отсутствие грубодендритной закалочной структуры литого металла шва за счёт применения специальных присадочных проволок и флюсов, многослойной сварки, колебательных движений электрода при автоматической сварке, импульсного режима сварочного тока (при малых толщинах металла), подбора оптимальных режимов сварки.

Получение равнопрочных О. М. сварных соединений достигается двумя путями:

1. Сварные соединения, подвергающиеся термической обработке после сварки.

2. Сварные соединения, не подвергающиеся термической обработке после сварки.