Способ местной низкотемпературной термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий
METHOD OF LOCAL LOW-TEMPERATURE THERMAL TREATMENT OF WELDED JOINTS OF LARGE-SIZE PRODUCTS

Изобретение относится к области термической обработки и предназначено для повышения прочностных свойств сварных соединений путем снятия напряжений, возникающих в процессе сварки, при местной низкотемпературной термической обработке, преимущественно крупногабаритных изделий, работающих в нефтеперерабатывающей, энергетической, химической промышленности.
Сварные соединения, выполненные дуговыми способами, непосредственно после термической обработки, характеризуются неоднородностью свойств и структуры сварного шва, зоны термического влияния, а также наличием в них сварочных напряжений. Одним из основных средств решения этих проблем и повышения надежности сварных соединений является нагрев или термическая обработка, в результате которой снижается уровень сварочных напряжений, улучшаются структура и свойства металла соединения. В настоящее время в технологии термообработки используются установки для внепечной местной термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий с использованием нагревательных устройств, состоящих из отдельных нагревателей. Особенностью применения предлагаемого способа для термообработки сварных соединений крупногабаритных изделий является существенное уменьшение трудоемкости при проведении термообработки, в том числе и сложной формы нагреваемой зоны.
Известен способ термической обработки сварных соединений, включающий нагрев зоны сварного соединения, выдержку при заданной температуре, охлаждение с регламентированной скоростью, далее охлаждение на воздухе, (патент RU №2299252 С1, МПК C21D9/50, C21D1/30, приоритет от 16.11.2005, опуб. 20.05.2007).
Недостатком известного способа является высокая температура выдержки при отпуске после сварки, что ведет к окалинообразованию на поверхностях обрабатываемого изделия, значительным температурным деформациям для аппаратов со сложными внутри корпусными устройствами из сталей различных классов, невозможности удаления на внутренних поверхностях окалины, образующейся в процессе эксплуатации изделия, что может привести к снижению прочностных свойств сварного соединения.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ термической обработки сварных соединений, включающий нагрев зоны сварного соединения, выдержку при заданной температуре, охлаждение с регламентированной скоростью, далее охлаждение на воздухе, (патент RU №2566241 C1, МПК C21D9/50, приоритет от 08.07.2014, опуб. 20.10.2015).
Известный способ также сопряжен с температурными деформациями при термообработке аппаратов со сложными внутрикорпусными устройствами из сталей разных структурных классов, с образованием недопустимой на внутрикорпусных поверхностях окалины, в результате чего прочностные свойства сварного соединения снижаются.
Техническим результатом настоящего изобретения является снятие напряжений, возникающих в процессе сварки, повышение прочностных свойств сварных соединений крупногабаритных изделий без образования отслаивающейся окалины на его поверхностях.
Технический результат достигается тем, что способ местной низкотемпературной термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий, включающий нагрев зоны сварного соединения, выдержку при заданной температуре, охлаждение с регламентированной скоростью с последующим охлаждением на воздухе, согласно изобретению, нагрев зоны сварного соединения осуществляют от температуры 5-45°С до температуры 400-450°С со скоростью не более 15°С/час, выдержку при заданной температуре выполняют в течение 20-25 час, охлаждение с регламентированной скоростью проводят не более 20°С/час до температуры не более 250°С, а последующее охлаждение на воздухе проводят до температуры не более 45°С.
Нагрев зоны сварного соединения крупногабаритных изделий от температуры 5-45° до температуры 400-450°С со скоростью не более 15°С/час обеспечивает эффективное проведение процесса низкотемпературной термической обработки, позволяющей снять напряжения, возникающие в процессе сварки, избежав температурных деформаций и интенсивного окалинообразования на поверхностях обрабатываемого изделия, что позволяет повысить прочностные свойства сварных соединений и тем самым обеспечить эксплуатационную надежность крупногабаритного изделия.
При нагреве сварного соединения ниже температуры 400-450°С и со скоростью более 15°С/час, не обеспечивается снятие напряжений, возникающих в процессе сварки, а также исключения температурных деформаций, возможно образование отслаивающейся окалины на поверхности обрабатываемого изделия, что снижает эффективность проведения процесса низкотемпературной термической обработки и как следствие снижаются прочностные свойства сварного соединения и эксплуатационная надежность изделия.
Увеличение времени выдержки при достигнутой температуре (400-450°С) до 20-25 часов способствует наибольшему снятию напряжений, возникающих в процессе сварки, что позволяет повысить прочностные свойства сварных соединений изделия.
При проведении выдержки менее 20-25 часов не обеспечивается снятие необходимых напряжений, возникающих в процессе сварки, что снижает эксплуатационную надежность сварного соединения.
Проведение охлаждения изделия с регламентированной скоростью не более 20°С/час до температуры не более 250°С с последующим охлаждением на воздухе позволяет исключить вероятность деформаций обрабатываемого изделия.
При охлаждении изделия со скоростью более 20°С/час до температуры выше 250°С возникают деформации обрабатываемого изделия, что сказывается на прочностных свойствах сварного соединения.
Местную низкотемпературную термическую обработку сварных соединений крупногабаритных соединений проводят после окончания сварочных операций.
Сущность предложенного способа состоит в следующем:
Для проведения местной низкотемпературной термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий предварительно устанавливают на сварное соединение и примыкающие к его краям участки основного металла термоэлектрические преобразователи (ТЭП). Далее устанавливают гибкие нагревательные элементы на нагреваемую поверхность, обеспечив плотное прилегание их к поверхности обрабатываемого изделия, сверху закрывают их теплоизоляцией. В качестве нагревательных элементов используют гибкие нагревательные коврики. На установленные на сплошной металл ТЭП наносят пасту для изоляции термопар, выводят холодные концы ТЭП для последующего его подключения к проводам компенсационным. Подключают нагревательные элементы к источникам питания. Для контроля температуры воздуха внутри изделия в процессе термообработки подключают термопары. Контролируют правильность установки термоэлектрических преобразователей (ТЭП), нагревательных элементов и теплоизоляции для исключения воздушных зазоров между нагревателями и теплоизоляцией. По окончании работ по монтажу нагревательных элементов, ТЭП и теплоизоляции и перед подключением нагревательных элементов производят замер электрического сопротивления каждого нагревательного элемента с целью выявления возможного короткого замыкания на корпус. При удовлетворительных результатах произведенных замеров электрического сопротивления нагревательных элементов, проводят их силовое подключение к установке для местной термической обработке сварных соединений, и управляющих (регистрирующих) термоэлектрических преобразователей с термопарными разъемами к нагревательной установке.
По окончания всех операций по установке и закреплению нагревательных ковриков, теплоизоляции, проводят нагрев сварного соединения от температуры 5-45°С до температуры 400-450°С со скоростью нагрева не более 15°С/час. При такой температуре происходит релаксация возникших в процессе сварки напряжений.
При достигнутой всеми преобразователями температуры 400-450°С начинают отсчет времени выдержки. Выдержку при заданной температуре обеспечивают в течение 20-25 час. Время начала выдержки считается с момента достижения заданной температуры всеми термопарами, установленными в зоне равномерного нагрева, а также установленных температур в зонах дополнительного нагрева, если таковые назначены для термообрабатываемого сварного соединения. Выдержка в течение 20-25 час способствует наиболее полному снятию напряжений и повышению надежности сварных соединений.
После окончания выдержки производят охлаждение изделия с регламентированной скоростью не более 20°С/час до температуры 250°С, что позволяет избежать деформации обрабатываемого изделия.
Требуемую скорость охлаждения обеспечивают путем снижения напряжения на нагревателях. При отключении нагрева в процессе выдержки повторный нагрев выполняют с регламентированной скоростью, время выдержки продлевают, включая время пребывания сварного соединения при заданной температуре в процессе охлаждения.
Далее проводят охлаждение на воздухе до температуры не более 45°С.
При выполнении операций термической обработки и оценки качества изделий контролируют температуру металла в зоне термообрабатываемых швов, скорость нагрева (охлаждения) до заданной температуры, температуру выдержки, время выдержки при заданной температуре.
Температура 250°С и 400°С являются точками принятия решения о проведении дальнейшего нагрева. При достижении этих температур разбег по показаниям всех ТЭП в зоне нагрева не должен превышать установленных допустимых значений при выдержке. В случае, если разбег по точкам контроля температуры превышает установленные значения, прекращают подъем температуры и делают выдержку до одного часа. При вхождении разбега в заданный интервал температур продолжают нагрев. В противном случае нагрев прекращают. При необходимости, охлаждают изделие, отключив нагреватели, выявляют и устраняют причину неравномерного нагрева, и только после этого продолжают нагрев. Время начала выдержки отсчитывают с момента достижения заданной минимальной температуры выдержки (400°С) всеми ТЭП, установленными на изделии. При отключении нагрева в процессе выдержки, повторный нагрев выполняют с регламентированной скоростью (не более 15°С/час), выдержку продолжают, включая время пребывания сварного соединения при заданной температуре до охлаждения. Временем окончания выдержки считается достижение в процессе охлаждения минимального значения температуры выдержки (20°С-25°С) первым термоэлектрическим преобразователем, установленным в зоне равномерного нагрева. Температура нагрева изделия не превышает 450°С. Физические параметры нагрева (скорость, температура, время) задаются программатором для каждой из зон нагрева индивидуально, исходя из технологической функции определенной зоны нагрева.
После проведения термической обработки проводят разборку садки. Для этого охлаждают изделие ниже 45°С. При охлаждении изделия ниже 45°С производят отключение от нагревательных элементов, удаляют кабельные сборки с разъемами и путевые кабели-разделители, демонтаж теплоизоляции, нагревательных элементов и термоэлектрических преобразователей в обратном порядке к произведенному монтажу. Демонтируют термоэлектрические преобразователи, нагревательные элементы, теплоизоляцию. Места крепления термоэлектрических преобразователей зачищают заподлицо с основным металлом. Места зачистки контролируют методом неразрушающего контроля. Далее производят контроль внешнего вида и состояние поверхности изделия после термической обработки и зачистки мест установки термоэлектрических преобразователей, контролируют результаты неразрушающего контроля (методом ЦД) после зачистки мест установки термоэлектрических преобразователей.
Изобретение можно проиллюстрировать следующим примером.
На предприятии-заявителе была проведена местная низкотемпературная термическая обработка коллекторов парогенератора методом местного нагрева поверхности коллекторов гибкими нагревателями сопротивления. Изделие установили на роликовый стенд, разметили места установки термоэлектрических преобразователей на поверхности. Далее установили сектора приспособлений с предварительно смонтированными теплоизоляцией и гибкими нагревательными ковриками. Зафиксировали сектора с помощью распорных колец, обеспечив, таким образом, плотное прилегание к обрабатываемой поверхности нагревательных элементов и теплоизоляции. Термоэлектрические преобразователи установили с помощью прижимного комплекта для термопар, а на участке сплошного металла с применением машинки аккумуляторной конденсаторной с энергией разряда не более 60 Дж. На установленный на сплошной металл ТЭП нанесли пасту для изоляции термопар, вывели холодные концы ТЭП для его подключения к проводам компенсационным. Нагреватели подключили к кабелям-разделителям с тефлоновым покрытием. Далее со стороны фланцев коллекторов установили фиксаторы со смонтированной теплоизоляцией. Для контроля температуры воздуха в процессе термообработки ввели свободно свисающие термопары.
Нагревательные коврики, термопары, термоизоляцию смонтировали на наружной поверхности корпуса парогенератора. Провели контроль правильности установки термоэлектрических преобразователей (ТЭП), нагревателей и теплоизоляции для исключения воздушных зазоров между нагревателями и теплоизоляцией. По окончании работ по монтажу нагревательных элементов, ТЭП и теплоизоляции и перед кабельным подключением нагревательных элементов, произвели замер электрического сопротивления каждого нагревательного элемента с целью выявления возможного короткого замыкания на корпус. После удовлетворительных результатов произведенных замеров электрического сопротивления нагревательных элементов, произвели их силовое подключение к установке для местной термической обработке сварных соединений (модель РТ 800/6) в соответствии со схемой расположения зон нагрева и мест установки термопар при низкотемпературной термообработке парогенератора. Произвели подключение управляющих (регистрирующих) термоэлектрических преобразователей при помощи кабеля компенсационного с термопарными разъемами к соответствующим входам нагревательной установки РТ 800/6.
Местную термическую обработку проводили по графику: Температура изделия перед нагревом составила 20°С. Далее изделие нагревали со скоростью не более 15°С/час до 400°С-450°С. Измерение температуры в процессе местной термической обработки проводили термоэлектрическими термометрами (термопарами). Термопары располагали в контрольных точках, количество и положение которых выбрано в зависимости от размеров зоны нагрева, количества каналов нагрева. Общая зона контролируемого нагрева состоит из основной зоны контролируемого нагрева и дополнительных зон контролируемого нагрева и включает сварной шов и примыкающие к его краям участки основного металла на расстояниях не менее номинальных толщин сваренных деталей (т.е. величина сварного шва зависит от номинальных диаметров и толщин сварных деталей).
При достигнутой температуре (400°С-450°С) изделие выдержали 20-25 час. Далее охладили с регламентированной скоростью не более 20°С/час до температуры не более 250°С. Последующее охлаждение на воздухе провели до температуры не более 45°С без демонтажа теплоизоляции. Физические параметры нагрева (скорость, температура, время) задавались программатором. После проведения термической обработки провели разборку садки. Отключили изделие от нагревательных элементов, удалили кабельные сборки с разъемами и путевые кабели-разделители. Далее произвели демонтаж теплоизоляции, нагревательных элементов и термоэлектрических преобразователей, установленных с применением теплоизоляционных шпилек и специальных приспособлений на корпусе изделия. Демонтировали термоэлектрические преобразователи, распорные кольца, удалили сектора приспособления с закрепленными на них нагревателями и теплоизоляцией. Места крепления конденсаторной сваркой термоэлектрических преобразователей и теплоизоляционных шпилек зачистили заподлицо с основным металлом, места зачистки проконтролировали методом неразрушающего контроля. Произвели контроль внешнего вида и состояние поверхности изделия после термической обработки и зачистки мест установки термоэлектрических преобразователей, мест крепления теплоизоляционных шпилек. Контролировали методом неразрушающего контроля (методом ЦД) после зачистки мест установки термоэлектрических преобразователей и мест крепления теплоизоляционных шпилек.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет оптимизировать процесс термообработки за счет исключения всех видов потерь, повысить эффективность производства при термообработке сложных криволинейных поверхностей крупногабаритных изделий размерами от 2,0 м до 4,5 м в диаметре и повысить прочностные свойства сварных соединений и эксплуатационную надежность крупногабаритных изделий.