Указания по термической обработке и нагреву сварных соединений

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И НАГРЕВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
 

Влияние термической обработки на качество сварных соединений и ее виды

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 °С 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, пропан-бутановая 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 используется 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.

Материалы и оборудование для термической обработки

Для термической обработки сварных соединений используют различные нагревательные устройства. В монтажных условиях применяют несколько типов электронагревателей сопротивления - гибкие, жесткие, с керамической изоляцией, в виде ковриков и муфелей. Широко распространены гибкие пальцевые электронагреватели (ГЭН), состоящие из двойной плоской спирали (нихромовая проволока диаметром 3,6 мм), каждый виток (палец) которой защищен керамическими изоляторами из спеченной окиси алюминия, выдерживающей температуру до 1600 °С. Их используют для термической обработки сварных соединений диаметром от 0,1 до 6 м. Большая удельная мощность, возможность пользоваться сварочными источниками питания, простота в эксплуатации, небольшая масса, высокий коэффициент мощности и полезного действия и другие преимущества обеспечили этим нагревателям широкое применение в практике монтажных организаций. Имеются электронагреватели сопротивления с защитным и теплоизоляционным кожухами. Под защитный кожух подают инертный газ, предохраняющий электронагревательный элемент от быстрого сгорания. Иногда электронагревательный элемент вместе со слоем теплоизоляции размещается в металлическом кожухе, что позволяет значительно увеличить срок эксплуатации теплоизоляции. Такие нагреватели называются муфельными.

Индукционный электронагреватель представляет собой соленоид, выполненный обычно из меди. Переменный ток, пропущенный по соленоиду (индуктору), создает переменное электромагнитное поле, наводящее электрический ток в теле изделия, на которое наложен индуктор. Металл изделия нагревается наведенным током. Существуют гибкие, жесткие, с изоляцией и без нее, с воздушным и водяным охлаждением индукторы. В монтажных организациях обычно используют воздухоохлаждаемые гибкие индукторы из оголенного медного провода типа М, МГ и МГЭ. В последние годы в нашей стране стали применять водоохлаждаемые индукторы из медной или латунной гофрированной гибкой трубки, на наружной поверхности которой расположен в виде оплетки многожильный медный кабель. Наружная поверхность медной оплетки покрыта гибкой асбестовой оболочкой. Охлаждающая вода циркулирует внутри гибкой трубки. Жесткие разъемные индукторы в настоящее время применяют редко из-за сложности конструкции и недостаточной эксплуатационной надежности.

Для работы в монтажных условиях разработаны 4 вида электронагревателей комбинированного действия типа КЭН, состоящие из параллельно расположенных нихромовых проволок диаметром 3,6 мм, на которые надеты керамические изоляторы. Электронагреватели типа КЭН просты в изготовлении, легко поддаются ремонту, универсальны в изготовлении (4 типоразмера), обеспечивают более высокое качество термической обработки, чем электронагреватели сопротивления, легко обслуживаются.

Газопламенными устройствами служат универсальные ацетилено-кислородные горелки, кольцевые многопламенные горелки, трубчатые газопламенные устройства с факельным нагревом и газопламенные устройства типа форсунок и смесительных камер. В некоторых случаях используют горелки с наконечником, на котором установлены два наружных мундштука, что позволяет создать большую зону нагрева. Для объемной (полной) термический обработки корпусных конструкций применяют мощные факельные газовые горелки, топливом для которых является пропан-бутан, природный газ, дизельное топливо, а также теплогенераторы, где горючий газ смешивается с воздухом, а затем смесь сгорает и полученное тепло подается в термообрабатываемую конструкцию.

Для термохимического нагрева при термической обработке сварных соединений трубопроводов различной конфигурации применяют устройства в виде шкетов" (муфелей), выполненных в форме сварного соединения; для соединений преимущественно типа "труба с трубой" - в виде "ковриков" (матов), размеры которых подгоняют под конкретное сварное соединение. Экзотермические устройства могут быть изготовлены таким образом, чтобы обеспечить определенный цикл термической обработки.

Для теплоизоляции нагреваемых сварных соединений при термической обработке используют асбестовые материалы. Однако срок их службы составляет 1-3 цикла нагрева. Поэтому для электронагревателей сопротивления и комбинированного действия рекомендуются высокотемпературные маты МВТ из кремнеземных материалов. Для лучшей их сохранности целесообразно электронагреватели покрывать слоем асбестовой или стеклоткани. Это увеличит срок службы матов до 10 циклов нагрева. При выполнении термической обработки с нагревом до 1100-1150°С рекомендуются жесткие теплоизоляционные кожухи, корпус которых выполнен из тонколистовой нержавеющей хромоникелевой стали с набивкой из кремнеземного волокна. Для термической обработки сварных соединений трубопроводов в полевых условиях применяют утеплитель в виде коврика из асбестовой ткани, обернутого снаружи кремнеземной тканью. При объемной термической обработке газопламенным нагревом целесообразно использовать маты из минеральной ваты или асбестовых материалов. Для теплоизоляции внутренней поверхности термообрабатываемых корпусных конструкций с целью снижения перепадов температуры по толщине стенки применяют блоки (короба) из листовой стали, наполненные высокотемпературным кремнеземным волокном.

В комплект оборудования для термической обработки входят нагревательные устройства, источники питания, посты управления и контроля. В монтажных условиях это оборудование используется в виде установок и постов для термической обработки.

Источниками электрического тока являются сварочные трансформаторы, выпрямители, преобразователи, передвижные агрегаты и преобразователи повышенной частоты. Основным видом источников питания при местной термической обработке электронагревателями сопротивления и комбинированными служат однофазные однопостовые трансформаторы для ручной сварки. При индукционном нагреве токами промышленной частоты гибкими индукторами из оголенного медного провода применяют в основном однопостовые трансформаторы, предназначенные для автоматической сварки под флюсом. Для улучшения электрических характеристик и повышения срока службы отдельные трансформаторы можно модернизировать. Требуемое значение силы тока для индукционного нагрева можно получить путем параллельного соединения сварочных трансформаторов. Для индукционного нагрева токами повышенной частоты служат преобразователи, состоящие из машинного генератора повышенной частоты, соединенного с асинхронным двигателем муфтой или помещенного на одном с ним валу в общем корпусе. В последние годы для термической обработки в монтажных условиях применяют тиристорные преобразователи, основным узлом которых является тиристорный выпрямитель.

Для термической обработки с использованием электронагрева применяют установки с программным и ручным дистанционным управлением процессом термической обработки, а в отдельных случаях - посты с ручным управлением. Основной установкой для термической обработки сварных соединений трубопроводов с использованием электронагревателей является комплектная установка КУТОСС-М1, предназначенная для программной термической обработки в режиме автоматического регулирования, контроля и регистрации температуры одно временно до 6 сварных соединений по одной программе. Существует передвижной тип этой установки (ПКУТОСС-М1), у которой аппаратура установлена на автомобиле ЕрАЗ-762. В последние годы в монтажных условиях эксплуатируется переносная установка ЭТОП-300-И1 с программным управлением процессом термической обработки одиночных сварных соединений трубопроводов.

Для групповой термической обработки сварных соединений трубопроводов различных диаметров предназначен также специальный пост, обеспечивающий дистанционное регулирование процесса термообработки с помощью 6 рубильников, установленных на пульте управления. В полевых условиях для обработки соединений газопроводов с использованием муфельных нагревателей применяют полустационарную установку ОТС-121 и передвижную установку ОТС-62, которые предназначены для обеспечения электрического питания и программной регулировки процесса термообработки как в стационарных условиях (на трубосварочных базах), так и на трассе. Для термообработки сварных соединений трубопроводов большого диаметра одновременно по двум цепям нагрева служит программная установка АУТ-1 с индукционным нагревом. С использованием токов повышенной частоты 2500 Гц серийно выпускается 4 типа установок, две из которых имеют мощность по 200 кВт, а две других-по 100 кВт. На базе этих установок разработана система многоканальной термической обработки, позволяющая проводить обработку одновременно нескольких сварных соединений трубопроводов, расположенных на расстоянии до 800 м от преобразователя повышенной частоты.

Термическую обработку газопламенным нагревом от однопламенных ацетилено-кислородных горелок и горелок других типов выполняют с помощью постов газопламенного нагрева. Для объемной термической обработки в монтажных условиях создана специальная установка, у которой нагрев осуществляется посредством введения во внутреннюю полость термообрабатываемой конструкции теплоносителя - продуктов сгорания природного газа в смеси с воздухом, подаваемых теплогенераторной установкой.

Технология термической обработки

Технологический процесс термической обработки сварных соединений трубопроводов независимо от применяемых методов нагрева включает следующие составляющие: тип и число нагревательных устройств и схемы их рационального размещения и включения; термоэлектрические преобразователи и теплоизоляцию; схему включения термоэлектрических преобразователей в измерительную цепь потенциометра; схему соединения нагревательных устройств с источником питания; режим нагрева, выдержки и охлаждения сварного соединения; демонтаж теплоизоляции, нагревательных устройств и термоэлектрических преобразователей; контроль качества сварных соединений путем измерения твердости; оформление технической документации по термической обработке.

При подготовке к термической обработке гибкими электронагревателями сопротивления следует тщательно подбирать длину электронагревателей, чтобы она строго соответствовала длине окружности трубы. После установки нагревателей (рис. 1) на сварном соединении размещают теплоизоляцию (рис. 2), общая ширина которой должна быть на 600-1000 мм больше ширины зоны нагрева. Толщина слоя теплоизоляции на нагреваемой зоне должна быть не менее 40 мм, а на прилегающих участках-не менее 20 мм. Необходимая скорость нагрева обеспечивается правильным подбором силы тока в электронагревателях (для ГЭН 100-200 А в каждом нагревателе). Технологические приемы термообработки с использованием электронагревателей комбинированного действия во многом совпадают с аналогичными операциями, выполняемыми нагревателями сопротивления. Типоразмер К.ЭН выбирают в зависимости от практических условий термообработки - диаметр и толщина стенки трубопровода, режим термической обработки. При установке нагреватели КЭН должны наматываться обязательно  одинаково-по часовой или против часовой стрелки. В противном случае эффективность их применения может резко снизиться. Электронагреватели КЭН, как правило, подсоединяют к источнику питания параллельно, в отдельных случаях допускается последовательное соединение. В монтажных условиях используют индукционный нагрев токами промышленной и повышенной частоты. В этом случае теплоизоляцию следует накладывать до установки индуктора. Для чего обычно используют асбестовый картон и асбестовую ткань. Общая ширина теплоизолируемого участка должна быть на 800-1000 мм больше зоны нагрева. Толщина слоя теплоизоляции на нагреваемой зоне должна быть не менее 20 мм, на прилегающих участках-не менее 10 мм. Индуктор изготовляют из одного куска провода, с медными наконечниками на концах.