Диссертация (Разработка комплексной технологии термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий из хромомолибденованадиевой стали), страница 9

Повысить уровень трещиностойкостиможно за счет отпуска для снятия послесварочных напряжений, но при этомдлительная выдержка при температурах отпуска приведет к снижению прочностиметалла. Очевидно, что чем дольше будет продолжаться термическая обработка,темменьшейпрочностью(особенно,привысокихсопротивляемостью ползучести будет обладать металл.температурах)и49Кроме того, крупные габариты и большие толщины свариваемых частейнефтехимических реакторов создают трудности при сборке и вносят большойвклад в общий уровень напряжений, увеличивая тем самым вероятностьобразования трещин.Узкие и, зачастую, противоречивые пределы задания параметров технологииизготовления крупногабаритных корпусов реакторов из 2,25Cr-1Mo-V сталитребуют на начальном этапе проведения опытных и исследовательских работ поразработке комплекса технологических параметров изготовления корпусовреакторов, включающего параметры сварки и послесварочной термическойобработки, при котором будут обеспечены все требуемые механические иэксплуатационные свойства.1.8 Случаи разрушения сварных соединений из 2,25Cr-1Mo-V сталиКак уже упоминалось ранее, хроммолибденовые стали склонны кобразованию трещин при изготовлении сварных соединений.

Наиболее частыми,характерными для 2,25Cr-1Mo-V стали, являются ТПН, но к тяжелымпоследствиям приводит, безусловно, и образование холодных трещин.ТПН хоть и имеют небольшой размер, но при определенных условиях такжемогут привести к полному разрушению сварного соединения и/или к выходу сосудаиз строя.В 2009 году на симпозиуме в Германии, связанном с производством сосудовдавления, фирма Fluor сообщала о нескольких случаях разрушения, произошедшихво время изготовления реакторов из 2,25Cr-1Mo-V стали.

Первым был описанслучай возникновения холодных трещин в шве вварки патрубка в корпус реактора.После его вварки не был выполнен немедленный отпуск, производитель решилограничиться только низкотемпературной дегидрогенизационной термическойобработкой. В результате, через некоторое время после охлаждения возниклидостаточно протяженные трещины (рис.1.10 а). В выводах авторов доклада50рекомендовалось не охлаждать сварные швы вварки патрубков до проведениявысокого послесварочного отпуска.Во втором описанном фирмой Fluor случае говорилось о появлении ТПН вметалле шва после проведения промежуточного отпуска.

Трещины выходили наповерхность (после снятия усиления шва) и были обнаружены при капиллярномконтроле (рис.1.10 б). В выводах рекомендовалось при закупке сварочныхматериалов контролировать содержание свинца, висмута и сурьмы в сварочномфлюсе по величине К-фактора с учетом формулы К = Pb+Bi+0,03×Sb <1,5ppm.а)б)в)г)Рисунок 1.10 – Дефекты, возникшие при изготовлении сварных соединений2,25Cr-1Mo-V стали:а, в – холодные трещины в шве вварки патрубка;б, г – ТПН в металле шва;Спохожимипроблемамисталкиваютсяидругиепроизводителинефтехимических реакторов из 2,25Cr-1Mo-V стали.

На одном из российских51предприятиишоввваркивысокотемпературномупатрубкаотпускудлятакжеснятиянебылподвергнутнапряжений(проведенанизкотемпературная обработка для удаления водорода), что и привело к появлениюдостаточно протяженной холодной трещины (рис.1.10 в).В ОАО «Ижорские заводы» сталкивались с образованием ТПН припроизводстве оборудования из хромомолибденовой (без ванадия) стали, но этобыли единичные случаи.

Особенно данный вид трещин проявил себя в самомначале освоения изготовления нефтехимических реакторов, вследствие чего былпроведен ряд исследований, разработаны и внедрены технологические приемы,позволяющие избежать появления ТПН в сварных соединениях. На рисунке 1.10 гпоказан случай возникновения ТПН по всей внутренней поверхности кольцевогошва двух обечаек из хромомолибденованадиевой стали.1.9 Выводы по главе 11.

Обзор данных в главе 1 указывает на то, что 2,25Cr-1Mo-V стали приприменении их в качестве материалов для изготовления нефтехимическихреакторов имеют значительные преимущества по служебным характеристикам посравнению с ранее использовавшимися 2,25Cr-1Mo сталями. Однако, при том, что2,25Cr-1Mo-V стали обладают более высокой прочностью, они также болеесклонны к образованию холодных трещин и ТПН, чем 2,25Cr-1Mo стали, чтоделает изготовление сварных соединений корпусов реакторов из стали с ванадиемтехнологически более сложным и требует проведения научно-исследовательскойработыпередначаломизготовлениякрупногабаритныхкорпусовнефтехимических реакторов.2.

Для сварки стали типа легирования 2,25Cr-1Mo-V необходимо разработатьцелый комплекс технологических параметров и приемов, которые позволятповысить трещиностойкость и уровень служебных свойств сварных соединений.Наиболее важен выбор температурного режима сварки и послесварочнойтермической обработки. В литературе имеются общие указания касательно выбора52температурных параметров сварки и послесварочной термической обработкисварных соединений 2,25Cr-1Mo-V стали с весьма широкими диапазонами, аименно:- тепловые параметры сварки могут быть заданы в диапазонах:а) погонная энергия от 16,9 до 40,1 кДж/см.;б) предварительный и сопутствующий подогрев в диапазоне от 150 до 300°С;- окончательный отпуск должен проводиться при температуре от 675 до 760°С спродолжительностью не менее 5 часов плюс 0,04 ч/мм при толщине свыше 125 мм;- промежуточный послесварочный отпуск рекомендуется проводить притемпературах не менее 650ºС;-низкотемпературнуюдегидрогенизационнуютермическуюобработкурекомендуется проводить при температуре не более 300-400°С.Как видно, указанные параметры слишком широки, поэтому они требуютуточнения и дополнения с учетом необходимости обеспечения всех служебныхсвойств сварных соединений нефтехимических реакторов из 2,25Cr-1Mo-V стали иснижения их склонности к образованию холодных трещин и ТПН.

Особенно важнаразработка технологических параметров сварки и термической обработки частейкорпусов крупногабаритных нефтехимических реакторов с большой толщинойстенки, так как они весьма склонны к трещинообразованию.53Глава 2. Материалы и методики исследований2.1 Исследуемые материалыВ настоящей работе выполнены исследования проб, опытных сварныхсоединений 2,25Cr-1Mo-V стали, которые представляют собой плоские сварныесоединения двух планок или двух крупногабаритных колец толщиной до 210 мм изстали типа 2,25Cr-1Mo-V марок SA-336M F22V, SA-542M Tp.D cl.4a (обозначениепо коду ASME), используемых при производстве корпусов нефтехимическихреакторов. Сварные соединения для определения температурного режима сваркиизготавливались с использованием планок толщиной 20-25 мм из стали типа2,25Cr-1Mo-V.

Сварку выполняли материалами той же системы легирования, что иосновной металл. Типичный вид поперечных сечений исследуемых сварныхсоединений показан на рисунках 2.1 и 2.2.В данной работе рассматриваются сварные соединения, изготовленныеспособом автоматической сварки под флюсом (АФ), так как основные швы (более90% всех швов) корпусов НХР изготавливают данным способом.В таблице 2.1 представлен типичный химический состав основного металлаисследуемых сварных соединений, в таблице 2.2.

– химический составнаплавленного металла исследуемых сварных соединений. Из этих таблиц видно,что отличительной особенностью сварных соединений современных НХР,изготавливаемых в соответсвии с кодом ASME, является требуемая практическиполная идентичность химического состава основного металла и металла шва(наплавленного металла). При этом и к основному металлу и к металлу швапредъявляются весьма жесткие требования по содержанию охрупчивающихэлементов и вредных примесей – по величине J-фактора и факторов X и Kсоответственно.54Рисунок 2.1. Типичный вид поперечного сечения сварного соединения пробытолщиной 210 мм для определения температурного режима послесварочнойтермической обработки.

Основной металл – SA-336M F22V. Металл шва выполненспособом АФ. Травление выполнено 15% водным раствором персульфата аммония.Рисунок 2.2. Типичный вид поперечного сечения сварного соединения пробытолщиной 25 мм для определения температурного режима сварки. Основнойметалл – SA-336M F22V. Металл шва выполнен способом АФ. Травлениевыполнено 15% водным раствором персульфата аммония.55Таблица 2.1 – Требования и типичный химический состав основного металла исследуемых сварных соединений.C0,110,15Содержание элементов, вес.%Cr Mo V Mn SiNbTiBNiCuPS2,0- 0,90- 0,25- 0,3≤0,10 ≤0,07 ≤0,30 ≤0,002 ≤0,25 ≤0,20 ≤0,015 ≤0,0101,5 1,10 0,35 0,60,132,380,160,060,006Типичные требования0,090,181,88- 0,85- 0,23- 0,25≤0,13 ≤0,08 ≤0,035 ≤0,002 ≤0,252,62 1,15 0,37 0,66≤0,2≤0,02 ≤0,015Фактический химическийсостав листов0,152,420,040,005Марка сталиТипичные требованияSA-182M F22V,SA-336M F22V Фактический химическийсостав поковокSA-542MTp.D cl.4a1,01 0,28 0,48 0,07 0,006 <0,005 0,00021,09 0,30 0,61 0,05 0,004 0,002 0,00110,060,0020,004JH, ppmфакторAsSnSb------≤100--0,0040,0030,001481,3------≤100------0,002 0,0011 0,0003Примечание: J-фактор=(Si+Mn)*(P+Sn)*104 ≤ 100 , где Si, Mn, P, Sn в масс.%.Таблица 2.2 – Требования и типичный химический состав наплавленного металла исследуемых сварных соединений.Типичные требования2,25Cr-1Mo-VФактический химическийсостав металла шваC0,050,15Cr2,02,6Содержание элементов, вес.%Mo V Mn Si NbPS0,9- 0,20- 0,50- 0,05- 0,01≤0,015 ≤0,0151,2 0,40 1,30 0,35 0,040,12,491,08 0,35 0,86 0,17 0,020,0070,003AsSnSb------0,003 0,0007 0,0006XКфактор фактор≤121,57,90,9Примечание: X-фактор =(10*P+5*Sb+4*Sn+As)/100 ≤ 12; K-фактор =Pb+Bi+0,03*Sn ≤ 1,5 ppm , где Si, Mn, P, Sn в масс.%.55Cварочные материалы562.2 Исследования с использованием стандартных методов2.2.1 Химический анализОпределение содержания химических элементов металла шва проводилиметодами фотоэлектрического спектрального и рентгенофлуоресцентного анализана спектрометрах «Spectrolab» (Германия) и AXIOS Advanced (Нидерланды).Определение содержания микропримесей Pb, Bi и Sb для вычисленияК-фактора производили с помощью атомно-абсорбционного спектрометраAAnalist 600 Perkin Elmer (США) с точностью порядка 0,1 ppm.Определение содержания остаточного водорода производили методомнагрева в кварцевом тигле в потоке инертного газа (азота) с последующимопределением его количества физико-химическим методом на анализаторе фирмы«Leco» (США) RH-402 по ГОСТ 17745-90 [97].

Указанный стандарт аналогиченASTM E 1019 [98]. Испытание производили на образцах размером Ø6х12мм,вырезанных в ½ толщины многопроходного сварного соединения. Содержаниеостаточного водорода определяли как среднее результатов измерений для 3хобразцов (не менее).Содержание водорода в наплавленном металле непосредственно послесварки определяли методом горячей экстракции в потоке инертного газа сиспользованием анализатора «Eltra» (Германия) H-500. Определение содержанияДПВ производили по методике AWS A4.3 [99]. Для определения содержания ДПВобразец нагревали до 400°С, для определения общего уровня водорода (ДПВ плюсостаточный водород) образец нагревали до 900°С.Определение содержания кислорода и азота производили методомвосстановительного плавления в потоке инертного газа с использованиеманализатора ТС 500 фирмы «Leco».