Ручная дуговая сварка стыков магистральных газопроводов при низких температурах

Авторы: В.Г.Лупачёв, канд. техн. наук, ГУВПО «Белорусско-Российский университет»,
И.Л.Конопелько, сварщик 6 разряда, УП «ВИТЕБСКГАЗСТРОЙ»

Влияние низких температур на свойства сварных соединений

У подавляющего большинства металлов при понижении температуры пределы прочности, текучести, твердости увеличиваются, и, казалось бы, эти изменения свойств могут быть использованы для назначения более высоких допускаемых напряжений и облегчения конструкций. Однако почти во всех деталях и конструкциях имеется концентрация напряжений, а при понижении температуры чувствительность многих металлов к надрезам резко возрастает. Характер изменения свойств металлов при понижении температуры зависит от многих факторов: вида кристал­лической решетки, химического состава, величины зерна, термической обработки — и проявляется по-разному в зависимости от условий нагружения и напряженного состояния. Металлы и сплавы, у которых с понижением температуры предел текучести по сравнению с пределом прочности повышается незначительно, относятся к хладостойким. Пластичность и ударная вязкость с понижением температуры у них почти не меняется. Металлы и сплавы, в которых предел текучести повы­шается значительно сильнее, чем предел прочности, пла­стичность заметно понижается, относятся к хладноломким.

С понижением температуры у металлов и сплавов:

• пластичность обычно уменьшается более резко у конструкционных углеродистых и низколегированных сталей; слабее — у других металлов (у ряда алюминиевых и медных сплавов происходит увеличение пластичности);
• сопротивление усталости при переменных нагрузках в большинстве случаев возрастает;
• чувствительность к концентрации напряжений при острых надрезах возрастает, а ударная вязкость (работа разрушения) уменьшается наиболее значительно у железа, углеродистых и низколегированных сталей высокой прочности, которые имеют резко выраженную область температур перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

К вязким разрушениям относят такие, поверхность которых имеет полностью волокнистый излом. К хрупким разрушениям относят разрушения с кристаллической по­верхностью излома. Промежуточное положение занимают полухрупкие разрушения, у которых часть поверхности имеет кристаллический, а часть поверхности — волокнистый излом. Понижение температуры, увеличение скорости нагружения, увеличение концентрации напряжений способствуют переходу от вязких форм разрушения к хрупким. Высокая работоспособность многих деталей машин, сварных соединений и элементов сварных конструкции при пониженных температурах решающим образом за­висит от их способности сопротивляться хрупким разрушениям. Наиболее распространенным и простым методом оценки изменения свойств при понижении температуры является испытание на ударную вязкость. Чем острее надрез испы­туемого образца, крупнее его кристаллы, скорость ударя­ющего тела, тем меньше ударная вязкость. Принято определять при понижении температуры так называемую первую критическую температуру Т_кр , резко уменьшающую ударную вязкость, при которой площадь волокнистого (вязкого) излома составляет 50 % общей разрушенной площади. На рис. 1 показаны изменения процентного содержания волокнистого излома В, работы разрушения a_н , предела текучести σ_т среднего разрушающего напряжения σ_ср.р в зависимости от температуры испытаний.

Рис. 1. Характер изменения доли площади с волокнистым изломом В (%) работы разрушения a_н , предела текучести σ_т  и среднего разрушающего напряжения σ_ср.р в зависимости от температуры испытания для низкопрочных сталей

На хладостойкость сталей оказывают влияние химический состав металла и термический цикл сварки. Термическим циклом устраняют вредную неоднород­ность, вызванную локальной закалкой при сварке; иногда достаточно применить лишь высокий отпуск. Сильное отрицательное влияние на повышение хрупкости оказывают концентраторы напряжений, непровары в корне многослойных швов, в концах фланговых швов, в линиях перехода от шва к основному металлу, а также в зонах сближенных продольных коротких швов, где поперечная их усадка вызывает концентрацию пластических деформаций. Воздействие при пластической деформации нагрева при Т = 200-300 °С вызывает охрупчивание, называемое динамическим  старением.  Именно в этих зонах нередко образуются хрупкие разрушения при последующем действии низкой температуры в эксплуатационных условиях. При старении металла имеет место сниже­ние сопротивления удару и пластических свойств, а именно пластического удлинения. Значительную опас­ность представляют в отношении стойкости к хрупким разрушениям стыковые и тавровые соединения с неполным проваром, а также соединения с малыми радиусами закругления в зоне сплавления швов с основным металлом, в частности в местах окончаний швов, в местах вырезов с малым радиусом в результате термической резки, в участках расслоения металла, скопления пор или шлаковых включений во всех участках с нарушением плавного  распределения  силового потока. Сопротивляемость металла разрушениям при нагружениях падает в результате неблагоприятного направления к силовому потоку кристаллитов, образовавшихся в про­цессе кристаллизации, неоднородности свойств металла по толщине шва вследствие различных условий охлаждения разных слоев и явлений химической неоднородности, концентрации пластических деформаций при непроваре и т. д.

Важным мероприятием по повышению хладостойкости соединений является правильное назначение погонной энергии при сварке. Очень полезно производить испытания на хладостойкость не только образцов, но и целых узлов проектируемого объекта. На рис. 2  приведены примеры хрупких разрушений: в тавровом профиле (а); в крестовом соединении (б); в зоне фланговых швов (в); при сварке продольными швами круглых стержней (г); при приварке ребра к обечайке (д); в зоне сближенных параллельных швов (е); в зонах резкого перехода в коробчатых профилях (ж); в перечисленных угловых швах (з, и); в зонах непроваров стыковых швов {к); скопления швов (л, м).

Рис. 2. Примеры разрушений в сварных конструкциях

Отсутствие малых радиусов перехода, непроваров, скоплений швов, применение контроля качества без раз­рушений позволяет заметно повысить сопротивляемость хрупким разрушениям, как при нормальных, так и при низких температурах.

Сварка стыков труб при низких температурах

При сварке в условиях низких температур наблюдается повышенная скорость охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны, в результате чего затрудняется выход газов и оксидов на поверхность шва и увеличивается содержание в нем водорода, кислорода, азота и неметаллических включений, что в ряде случаев приводит к образованию пор, горячих и холодных трещин. Возможность образования горячих трещин в швах усиливается возрастанием скорости упругопластической деформации в зоне температур, при которых нагретый металл находится еще в хрупком состоянии. Технологические свойства сварочных материалов (флюсов, электродов, проволоки) также ухудшаются в зимних условиях главным образом за счет попадания влаги, приводящей к повышенной пористости наплавленного металла. Поэтому, кроме просушки их и надлежащего хранения, эти материалы для сварки при низких температурах следует выбирать с таким расчетом, чтобы повысить раскислительную способность шлаков и улучшить выход газов.

Повышенный отвод теплоты при низкой температуре во время сварки ухудшает проплавление основного металла, а это может привести к образованию непроваров.

Для устранения указанных недостатков используют ряд технологических мероприятий, к которым относятся:

• рскисление металла шва;
• повышение погонной энергии дуги при сварке;
• правильную последовательность наложения швов;
• возможность применения многослойных швов;
• соответствующую разделку кромок для получения оптимальной формы шва, обеспечивающей максимальную дегазацию металла и освобождение его от неметаллических включений;
• особые требования к сварочным материалам; предварительный подогрев свариваемой конструкции и т. д.

Для получения высокого качества сварных соединений при низких температурах необходимо применять металл с температурой хладноломкости более высокой, чем температура, при которой эксплуатируется изделие.

Рис. 3. Последний стыковочный стык выполняют только в траншее, чтобы избежать напряжений в трубопроводе.

Для повышения качества сварных соединений необходимо также обеспечить:

• рациональное конструирование узлов сварных соединений;
• использование сварочных материалов (флюсов, электродов, проволоки) высокого качества;
• соблюдение режимов и технологии сварки, способствующих вводу повышенного количества теплоты, что в ряде случаев изменяет общепринятую технологию сварки, например дуговую сварку, как ручную, так и автоматическую при низких температурах, рекомендуется выполнять на постоянном токе обратной полярности;
• применение в случае необходимости подогрева свариваемых кромок с последующим замедленным охлаждением металла шва;
• организацию защиты сварочного поста от действия низких температур (для улучшения условий труда сварщиков обеспечить их теплой спецодеждой, вблизи от рабочих мест оборудовать пункты обогрева и т. д.);
• организацию сушки и выдачи электродов;
• строгое соблюдение технологии сборочно-сварочных работ (порядок сборки элементов, очистки кромок свариваемых изделий от снега и влаги).

При заготовке и сборке листов правку и подбивку металла следует осуществлять лишь в нагретом состоянии, чтобы не вызывать образования трещин на поверхности свариваемых кромок. Особенно опасны при низких температурах участки с различными местными повреждениями поверхности основного металла или металла сварных швов (царапины, вмятины, надрезы и т. д.). Известен случай разрушения резервуара при низкой температуре, когда очагом аварии явились царапины и вмятины, образовавшиеся на поверхности шва в результате небрежной его зачистки. Это обстоятельство требует тщательно проводить все работы по изготовлению сварных конструкций, работающих в условиях низких температур. При сварке в условиях низких температур наибольшая опасность образования трещин возникает в зоне, где прерывается процесс сварки, так как трещины в кратере или около него возникают при полном охлаждении шва. Следовательно, нужно организовать работу так, чтобы не было перерывов, способствующих охлаждению кратера.

В ряде случаев трещины начинаются в кратерах сварных швов, поэтому при ручной сварке необходимо зажигать дугу на основном металле и выводить на него кратеры. При этом рекомендуется вместо жестких прихваток при сборке использовать особые сборочные приспособления, которые не создают в конструкциях излишних напряжений.

Рис.4. Сварка захлестного стыка двух ниток газопровода в траншее

При выполнении сварочных работ при низких температурах качество металла шва во многом зависит от электродов.

Электроды с основным покрытием обладают рядом преимуществ:

• низкой чувствительностью металла шва к хрупкому разрушению,
• низким содержанием в шве водорода, нечувствительностью к повышенному содержанию углерода и серы в основном металле,
• высокими механическими свойствами наплавленного металла и незначительным снижением ударной вязкости при низких температурах,
• возможностью выполнения сварки во всех пространственных положениях,
• возможностью получения качественной сварки легированных и высоколегированных сталей.

К недостаткам основных покрытий относятся их высокая чувствительность к влаге и необходимость поддержания при сварке короткой дуги.

Литература

1. Конопелько И.Л. Сварка магистральных трубопроводов.- Сварочные технологии и оборудование.- 2004, № 1.- С. 22-25.
2. Куликов В.П. Технология и оборудование сварки плавлением: Учеб. пособие.- Мн: Дизайн ПРО, 2002.- 350 с.
3. Николаев Г. А., Винокуров В. А. Сварные конструкции. Расчет и проектирование; Учеб. для вузов / Под ред. Г. А. Николаева.- М.: Высш. шк., 1990.- 446 с.
4. Сварные конструкции. Механика разрушения и крите­рии работоспособности / В.А. Винокуров, С.А. Куркин, Г.А. Николаев; Под ред. Б.Е. Патона.- М.: Машинострое­ние. 1996.-— 576 с.
5. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник / Е.Р. Хисматулин, Е.М. Королев, В.И. Лившиц и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.