Способ местной термической обработки сварных соединений
METHOD OF LOCAL HEAT TREATMENT OF WELDED JOINTS

Изобретение относится к металлургии, а именно к области термической обработке сварных соединений крупногабаритных изделий, преимущественно сварного шва приварки днища к корпусу, снятия напряжений, возникающих в процессе сварки, и может быть использовано в энергетической, нефтеперерабатывающей, 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 термообработки 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 C21D 9/50, C21D 1/30, приоритет от 16. 11.2005, опуб. 20.05.2007).
Недостатком известного способа является выполнение термической обработки после сварки всего изделия целиком, что ведет к окалинообразованию на всех поверхностях обрабатываемого изделия, в том числе и на внутрикорпусных устройствах, значительным температурным деформациям для аппаратов со сложными внутри корпусными устройствами из сталей различных классов, невозможности полного удаления на внутренних поверхностях окалины, что ведет к снижению прочностных и пластических 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 до определенной температуры с последующим охлаждением на воздухе, (патент RU №2566241 С1, МПК C21D 9/50, приоритет от 08.07.2014, опуб. 20.10.2015).
Известный способ также сопряжен с температурными деформациями при термообработке изделий со сложными внутрикорпусными устройствами из сталей разных структурных классов, с образованием недопустимой на внутрикорпусных поверхностях окалины, в результате чего прочностные и пластические свойства изделия снижаются.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочностных и пластических свойств сварных соединений изделий за счет снятия напряжений, возникающих в процессе сварки, исключение значительных температурных деформаций при термообработке изделий со сложными внутрикорпусными устройствами и образования отслаивающейся окалины на поверхностях изделия недоступных для зачистки.
(
Технический результат достигается тем, что способ местной термической обработки сварных соединений, включающий нагрев зоны сварного соединения, выдержку при заданной температуре, охлаждение с регламентированной скоростью до определенной температуры с последующим охлаждением на воздухе, согласно изобретению, нагрев зонысварного соединения осуществляют до температуры 300°С со скоростью не более 40°С/час, затем со скоростью не более 30°С/час до заданной температуры выдержки 620-660°С, выдержку при заданной температуре выполняют в течение 8-10 час для окончательного отпуска, охлаждение осуществляют с регламентированной скоростью не более 30°С/час до температуры 300°С, последующее охлаждение на воздухе осуществляют до температуры ниже 50°C с отключением зон нагрева.
Нагрев зоны приварки днища к корпусу крупногабаритного изделия с регламентированной скоростью: не более 40°С/час до 300°С и далее не более 30°С/час до заданной температуры выдержки 620-660°С, обеспечивает эффективное проведение процесса термической обработки, позволяющей снять напряжения, возникающие в процессе сварки, избежав температурных деформаций, что позволяет повысить прочностные и пластические свойства сварных соединений и тем самым обеспечить эксплуатационную надежность крупногабаритного изделия.
Нагрев зоны приварки днища к корпусу изделия со скоростью, превышающей заданную, не обеспечивает исключение температурных деформаций в процессе термообработки и максимальное снятие напряжений, возникающих в процессе сварки, что снижает эффективность проведения процесса термической обработки и, как следствие, снижаются прочностные свойства сварного соединения и эксплуатационная надежность изделия.
Выдержка при заданной температуре (620-660°С) в течение 8-10 час, способствует наиболее полному снятию напряжений, возникающих в процессе сварки, улучшению структуры сварных соединений, что позволяет повысить прочностные и пластические свойства сварных соединений изделия.
Уменьшение длительности выдержки менее 8-10 часов не обеспечивает наибольшего снятия напряжений, возникающих в процессе сварки, структурных изменений в полном объеме, в результате чего снижаются прочностные и пластические свойства сварного соединения.
Охлаждение изделия до температуры 300°C с регламентированной скоростью не более 30°С/час с последующим охлаждением изделия на воздухе до температуры ниже 50°С и отключением зон нагрева, позволяет исключить вероятность деформаций обрабатываемого изделия.
При охлаждении изделий со скоростью более 30°С/час до температуры не выше 300°С возникают деформации обрабатываемого изделия, что сказывается на прочностных и пластических свойствах сварного соединения.
Местную термическую обработку сварных соединений проводят после окончания сварочных операций.
Сущность предложенного способа состоит в следующем: Для проведения местной термической обработки сварных соединений предварительно на корпусе изделия наносят разметку для точного совмещения нагревательных элементов с зонами нагрева термообрабатываемого изделия. Производят разметку мест установки и монтаж внутрикорпусных термоэлектрических преобразователей (ТЭП). Холодные концы ТЭП выводят наружу корпуса для последующего подключения к кабелям компенсационным. Далее производят монтаж внутрикорпусной теплоизоляции с применением комплектов матов и приспособлений для крепления. Далее на поверхность изделия укладывают сегменты с нагревателями и теплоизоляцией, обеспечив плотность их прилегания к поверхности термообрабатываемого изделия. Затем производят установку ТЭП, выводят холодные концы ТЭП за пределы зон нагрева для последующего их подключения к кабелям компенсационным. 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 подключение нагревательных элементов к установкам для местной термической обработке сварных соединений. Подключают ТЭП при помощи кабеля компенсационного к соответствующим входам нагревательных установок.
По окончания всех операций по установке и закреплению нагревательных элементов, теплоизоляции, термообработку проводят в два этапа. На первом этапе осуществляют нагрев сварного шва до температуры 300°С со скоростью не более 40°С/час. А затем (на втором этапе) -проводят нагрев до температуры 620-660°С со скоростью не более 30°С/час. При достигнутой всеми преобразователями температуры (620-660°С) начинают отсчет времени выдержки. Выдержку при заданной температуре выполняют в течение 8-10 час для окончательного отпуска. 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 шва. После окончания выдержки при заданной температуре производят охлаждение сварного шва до температуры 300°C с регламентированной скоростью не более 30°С/час. Требуемую скорость охлаждения обеспечивают путем соответствующего программирования каждого канала (зоны) нагрева. 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 ниже 50°C с отключением зон нагрева.
При выполнении операций термической обработки и оценки качества изделий контролируют температуру металла в зоне термообрабатываемых швов, скорость нагрева (охлаждения) до заданной температуры, температуру и время выдержки при заданной температуре.
После проведения термической обработки проводят разборку садки. При охлаждении изделия ниже 50°С производят демонтаж съемных нагревательных конструкций в обратном порядке к произведенному монтажу. Производят демонтаж внутренней теплоизоляции, внутренних и внешних термоэлектрических преобразователей в обратном порядке к произведенному монтажу. Места крепления термоэлектрических преобразователей зачищают заподлицо с основным металлом. Места зачистки контролируют «методом неразрушающего контроля. Далее проводят контроль внешнего вида и состояние поверхности изделия после термической обработки и зачистки мест установки термоэлектрических преобразователей, контролируют результаты неразрушающего контроля после зачистки мест установки термоэлектрических преобразователей.
Изобретение можно проиллюстрировать следующим примером.
На предприятии-заявителе была проведена местная термическая обработка сварного шва приварки днища к корпусу крупногабаритного изделия (парогенератора). Изделие установили на роликовый стенд, на корпусе нанесли осевую разметку для совмещения нагревательных элементов с зонами нагрева изделия. Разметили места установки и монтаж внутрикорпусных ТЭП, установили ТЭП (ТХА/К/1/0,711/600), вывели холодные концы ТЭП наружу корпуса и подключили их к кабелям компенсационным. Произвели монтаж внутрикорпусной теплоизоляции с применением матов (3 слоя прошитого и обшитого по торцам тканью КТ-11-13 керамического волокна). Уложили сегменты на поверхность изделия, прижали сегменты с нагревателями к корпусу изделия с помощью винтовых прижимов, обеспечив, таким образом, плотность их прилегания к поверхности, обрабатываемого изделия. Установили ТЭП (ТХА/К/1/0,711/3000), вывели холодные концы ТЭП за пределы зон нагрева и подключили их к кабелям компенсационным. Нагревательные элементы подключили к установкам для местной термической обработки сварных соединений (модель РТ 800/6-1, РТ 800/6-2). Подключили ТЭП при помощи кабеля компенсационного к соответствующим входам нагревательных установок (модель РТ 800/6-1, РТ 800/6-2).
Местную термическую обработку проводили по графику: Нагрев сварного шва проводили в два этапа. Сначала сварной шов изделия нагрели до температуры 300°С со скоростью не более 40°С/час. 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). После нагрева сварного шва до 300°С провели второй этап и нагревали сварной шов до заданной температуры 620°С-660°С со скоростью не более 30°С/час. При достигнутой заданной температуре изделие выдержали в течение 8-10 час для окончательного отпуска. Далее охладили до температуры 300°C с регламентированной скоростью не более 30°С/час. По достижении температуры 300°С произвели охлаждение на воздухе до температуры ниже 50°С и отключили зоны нагрева. Физические параметры нагрева (скорость, температура, время) задавались программатором. После проведения термической обработки провели демонтаж съемных нагревательных конструкций на изделии и демонтаж внутренней теплоизоляции, внутренних и внешних ТЭП в обратном порядке к произведенному монтажу. Места крепления термоэлектрических преобразователей 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. Проконтролировали методом неразрушающего контроля (методом ЦД) после зачистки мест установки термоэлектрических преобразователей.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет оптимизировать процесс термообработки за счет исключения тепловых потерь, повысить эффективность производства при термообработке сложных криволинейных поверхностей крупногабаритных изделий от 2,0 м до 4,5 м в диаметре и повысить прочностные и пластические свойства сварных соединений и эксплуатационную надежность крупногабаритных изделий за счет применения равномерного (многоканального нагрева), улучшения структуры сварного соединения, исключения значительных температурных деформаций при термообработке аппаратов со сложными внутрикорпусными устройствами.