СПЛАВ ДЛЯ МОНТАЖНОЙ СВАРКИ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА Российский патент 2005 года по МПК C22C38/08 C22C30/00 B23K35/30 

Изобретение относится к сварке, в частности к дуговой сварке трубопроводов (теплоэнергетика, нефтяная и газовая промышленность, строительство и др.) из высокопрочного чугуна.

Цель и задачи изобретения - создание сплава, обеспечивающего равнопрочное, равнопластичное и равнокоррозионно-стойкое сварное соединение при электродуговой сварке трубопроводов из высокопрочного чугуна.

Заявляемый сплав может быть получен в виде сварочной проволоки методом металлургического передела или как композиция при плавлении сварочной проволоки и электродного покрытия.

Применяемые для холодной сварки чугуна никелевые, железоникелевые, железомедные и медноникелевые сплавы не обеспечивают равнопрочность, равнопластичность и равную коррозионно-стойкость сварного соединения при сварке высокопрочного чугуна[1-4].

Наиболее близки к поставленным нами задачам композиция сварочной проволоки Св-08Н50(ГОСТ 2246-70) и химический состав сварного шва электродов ОЗЖН-1 (ТУ14-4-318 -73 АО «Спецэлектрод»).

Сварочная проволока Св-08Н50(ГОСТ 2246-70) как наиболее близкий аналог выбрана в качестве прототипа.

Однако опыт применения сварочной проволоки Св-08Н50 при аргонодуговой сварке и сварке штучными электродами (например, ОЗЖН-1 электродный стержень - Св-08Н50), показал, что как при сварке серого, так и особенно высокопрочного чугуна, не обеспечивается равнопрочность, равнопластичность и равная коррозионная стойкость сварного соединения по причине:

- большой зоны отбела чугуна,

- наличия в переходной зоне цементита,

- большой склонности сварного шва к образованию горячих трещин,

- весьма низкой технологичности при сварке без подогрева и отжига сварных соединений, операций дорогостоящих и трудно реализуемых при монтаже трубопроводов,

- недостаточной коррозионной стойкости сварного соединения.

Цель и задачи изобретения - устранение недостатков, присущих сплаву-прототипу.

Состав сплава для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна определен экспериментально исходя из следующих предпосылок:

- достижение минимальной зоны отбела,

- получение в переходной зоне структуры графит + перлит,

- обеспечение равнопрочности и равнопластичности сварного соединения,

- повышение технологичности сварки без подогрева и отжига сварных соединений,

- повышение коррозионной стойкости сварного соединения.

Основываясь на нашем большом опыте разработки сплавов для сварки чугуна [2-4], в качестве базового сплава приняли систему 50Ni-50Fe (например, сварочная проволока Св-08Н50 по ГОСТ 2246-70).

Оптимальное содержание углерода установили экспериментально на основе зависимости: содержание углерода в сплаве - величина зоны отбела сварного соединения труб из ВЧШГ.

Содержание углерода в сплаве варьировали в диапазоне 0,5-2,5% за счет изменения углерода в сварочной проволоке (лабораторные плавки в индукционной печи) или содержания графита в электродном покрытии основного типа.

Исходили из концепции: для достижения химической однородности сварного соединения содержания углерода в сплаве и чугуне должно быть одного порядка (содержание углерода в чугуне 3,2-3,9 вес.%).

Минимальную зону отбела наблюдали при содержании углерода в сплаве 1,5-1,7% -таблица 1.

Уменьшение зоны отбела увеличивает пластичность сварного соединения: рост угла загиба при статическом изгибе.

Влияние содержания углерода в сплаве 170Н45ГС на протяженность зоны отбела и угол загиба сварного соединения (трубы 200х6 из ВЧШГ).

Таблица 1Содержание С в сплаве, вес.%0,1 прототип1,51,61,71,8Протяженность зоны отбела, мкм500705050100Угол загиба при статическом изгибе,°2080909040

Для обеспечения перлитной (перлитно-ферритной) структуры в зоне сплавления изучили влияние соотношения углерода и кремния (элементов, конкурирующих при графитизации) на структуру зоны сплавления, протяженность зоны отбела и механические свойства сварных соединений.

Влияние содержания углерода, кремния и их соотношения в сплаве 170Н45ГС на структуру зоны сплавления, протяженность зоны отбела и механические свойства сварных соединений.

Таблица 2Содержание С, вес.%Прототип 0,081,21,51,61,72,0Содержание, Si вес.%0,51,00,90,80,70,6Соотношение С/ Si0,161,21,672,02,433,33Структура зоны сплавленияЦ+П+ФЦ+ПП+ФП+ФПЦ+ППротяженность зоны отбела, мкм320170606570120Прочность σ_в МПа342374455461444482Удлинение δ,%3,14,27,46,97,33,8Угол загиба при статическом изгибе, °442890809333

С целью сохранения наиболее благоприятной с позиций механических свойств перлитной (или ферритно-перлитной) структуры зоны сплавления необходимо соблюдать соотношение графитизаторов С и Si в пределах 1,67-2,43. Появление в зоне сплавления цементита снижает пластичность сварного соединения.

В развитие наших исследований [2] о влиянии содержания никеля в сварном шве на свойства сварных соединений при сварке серого чугуна (это количество определено как 32-37%) установлено (таблица 3) оптимальное содержание никеля в сплаве для сварки центробежно-литых труб из высокопрочного чугуна, которое равно 43,5-45,5%.

Влияние содержания никеля в сплаве 170Н45ГС на свойства сварных соединений.

Таблица 3Содержание Ni, вес.%37,043,544,045,546,0Прототип
50,5Структура зоны сплавленияП+Ф+ЦП+ФП+ФППП+ФПротяженность зоны отбела, мкм854844386155Прочность σ_в, МПа340465453444'360293Текучесть σ_0.2, МПа183390392388361265Удлинение, δ%1,87,78,18,35,83,6Угол загиба при статическом изгибе, °128690783438

43,5-45,5% никеля в сплаве 170Н45ГС обеспечивают равнопрочность и равнопластичность сварного соединения труб из ВЧШГ. Уменьшение содержания никеля снижает пластичность сварного соединения, увеличение Ni - уменьшает прочность: σ_в и особенно σ_0.2.

Содержание в сплаве 43,5-45,5 вес.% Ni обеспечивает легирование никелем сварного шва в диапазоне 32-37 вес.%.

Далее определили влияние марганца в сплаве на склонность к горячим трещинам сплава 170Н45ГС. Увеличение содержания марганца до 0,7-0,8% (против ≤0,50% в прототипе) повышает сопротивляемость сплава образованию горячих трещин (таблица 4).

Таблица 4
Влияние содержания марганца на склонность к горячим трещинам сплава 170Н45ГС.^х)Содержание Mn, вес.%0,5 прототип0,60,70,80,9Оценка склонности к горячим трещинам по методике МВТУ, Δмм/мин^хх)81015181 1Оценка склонности к горячим трещинам при сварке натурных образцов, количество трещин21нетнет2

^Х) S≤0,025 и Р≤0,025;

^ХХ) Критическая скорость растяжения свариваемых пластин -скорость перемещения зажимов испытательной машины, приводящая к образованию горячих трещин.

Коррозионную стойкость заявляемого сплава 170Н45ГС и сварочной проволоки Св-08Н50 - прототипа оценили при испытаниях сварных образцов из высокопрочного чугуна в средах: в среде по стандарту NACE ТМО 1-77(96), содержащей H₂S, и в среде, содержащей CO₂. Результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5Наименование сплаваСкорость коррозии, мм/годH₂SСО₂170Н45ГС0,3100,32408Н500,6930,493

Как видно, коррозионная стойкость заявляемого сплава существенно превышает аналогичную характеристику прототипа.

Промышленные испытания в реальных нефтепромысловых средах, содержащих Н₂S и СО₂, подтвердили результаты лабораторных исследований.

В результате исследований, стендовых и промышленных испытаний разработан сплав для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, серу, фосфор и железо в следующем соотношении, в вес.%:

Углерод1,5-1,7Кремний0,70-0,90Марганец0,70-0,80Никель43,5-45,5Серане более 0,025Фосфорне более 0,025Железоостальное,

при этом отношение содержания углерода к содержанию кремния находится в пределах 1,67-2,43.

Источники информации

1. Электроды для дуговой сварки и резки. Каталог АО «Спецэлектрод».

2. Авторское свидетельство №1050837 В 23 К 35/365.

3. Авторское свидетельство №1074691 В 23 К 35/365.

4. Авторское свидетельство №833407 В 23 К 35/365.

Изобретение относится к сварке, в частности к дуговой сварке трубопроводов из высокопрочного чугуна, и может быть использовано в теплоэнергетике, нефтяной и газовой промышленности, в строительстве и др. Сплав для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна содержит элементы в следующем соотношении, в вес. %: углерод 1,50 - 1,70; кремний 0,70 - 0,90; марганец 0,70 - 0,80; никель 43,5 - 45,5; сера не более 0,025; фосфор не более 0,025; железо - остальное, при этом отношение содержания углерода к содержанию кремния находится в пределах 1,67 - 2,43. Сплав может быть получен в виде сварочной проволоки путем металлургического передела или в виде композиции при плавлении сварочной проволоки и электродного покрытия. Техническим результатом изобретения является получение высокой эксплуатационной надежности сварных соединений, достижение минимальной зоны отбела, получение в переходной зоне структуры графит+перлит, повышение технологичности процесса при сварке без подогрева и отжига сварных соединений, а также повышение коррозионной стойкости сварного соединения. 5 табл.

1. Сплав для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что он содержит элементы в следующем соотношении, вес. %:

Углерод1,50 - 1,70Кремний0,70 - 0,90Марганец0,70 - 0,80Никель43,5 - 45,5СераНе более 0,025ФосфорНе более 0,025ЖелезоОстальное

при этом отношение содержания углерода к содержанию кремния находится в пределах 1,67 - 2,43.