СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ СТЫКОВЫХ СВАРНЫХ ШВОВ НА ТРУБАХ Российский патент 2006 года по МПК B23K9/167 B23K31/02 B23K37/00 B23K101/10 B23P11/02 B21D39/04 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, и в частности к процессам образования стыковых сварных швов при получении трубных шпилек U-образных пучков с использованием эффекта локализованного горячего пластического деформирования сварного шва и прилегающих к нему околошовных зон.

Известен способ образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающий подготовительные операции на трубах к сварке, их сборку и последующую аргонодуговую сварку сопрягаемых концов труб с присадочным материалом неплавящимся электродом с использованием присадочного материала, отрезку мерных длин труб для прямолинейных участков шпильки, мерной длины трубы для изготовления гибкой на заданный радиус калача, зачистку внешней поверхности сопрягаемых концов соединяемых элементов, последующую их сварку с образованием двух сварных швов в получаемой шпильке (см. ГОСТ 14245-79. Теплообменники кожухотрубчатые с U-образными трубами).

К главным недостаткам известного способа образования стыковых сварных швов следует отнести незащищенность внутренней поверхности стыка от воздействия агрессивной рабочей среды при эксплуатации трубного пучка, а также повышенную себестоимость их производства. Во-первых, большие отходы трубных заготовок из-за не кратности используемых рабочих длин. И во-вторых, повышенная себестоимость, определяемая и большим процентом брака сварных швов из-за дефектов, определяемых присутствием в процессе сварки атмосферного газа (кислорода и азота). Качество неразъемных соединений при этом всецело определяется профессиональными навыками и умением сварщика интенсивно выполнять необходимые при сварке действия. Следует подчеркнуть и такие недостатки, как наличие околошовных зон с пониженными механическими характеристиками и внутреннего грата, уменьшающего поперечное сечение стыка относительно исходного поперечного сечения соединяемых труб.

Известен также способ образования стыковых сварных швов на трубах при получении трубных шпилек, включающий подготовительные операции на трубах к сварке, их сборку и последующую аргонодуговую сварку сопрягаемых концов труб неплавящимся электродом с использованием присадочного материала (см. РД 153-34.1-003-01. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования, Москва, ПИО ОБТ 2001 - прототип).

Недостатком известного способа является то, что сварной шов и околошовные зоны формируются без плакирования внутренней поверхности стыка с целью повышения антикоррозионных его свойств, а также не подвергаются финишной пластической деформации, устраняющей возможные дефекты в сварных швах и упрочняющих материал в околошовных зонах. В результате возможны дефекты в сварных швах и подобные шпильки выбраковываются. При сварке контролю не поддается процесс образования внутреннего грата и каждый раз получаемый стык имеет свои геометрические размеры по внутреннему диаметру, что требует проведения контролирующей операции - обкатывание шпильки контрольным шариком с диаметром, составляющим 0,8 Д, где Д - внутренний диаметр трубы.

Задачей изобретения является разработка такого способа образования стыковых сварных швов при получении трубных шпилек U-образных пучков, который бы локализовал объемы расплавления материала труб, позволял защищать внутреннюю и внешнюю поверхности стыка от воздействия агрессивных сред при эксплуатации трубного пучка, а также устранял дефекты в сварных швах их финишной горячей штамповкой.

Технический результат достигается тем, что в способе образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающем подготовительные операции на трубах к сварке, их сборку и последующую аргонодуговую сварку сопрягаемых концов труб неплавящимся электродом с использованием присадочного материала, согласно изобретению в качестве присадочного материала используют промежуточный элемент в виде ступенчатого кольца, который устанавливают между сопрягаемыми торцами труб при сборке, при этом перед сборкой сопрягаемые концы труб раздают из цилиндра в цилиндр, собирают трубы с промежуточным элементом на оправке, прикладывают осевое усилие к сопрягаемым торцовым поверхностям калиброванных раздачей труб, обеспечивая контакт между ними и торцовыми поверхностями ступенчатого кольца, осуществляют сварку, расплавляя ступени ступенчатого кольца с обеих их сторон с образованием двух стыковых сварных швов, осуществляют дополнительный подогрев стыка труб с последующим горячим радиальным обжимом, достигая внешнего диаметра стыка, равного исходному внешнему диаметру свариваемых труб и концентрируя деформации в поверхностных слоях по местоположению кольцевых ступеней, сварных швов и околошовных зон.

Осуществление предлагаемого способа образования стыковых сварных швов на трубах при получении шпилек U-образных трубных пучков позволяет локализовать объем расплавленного материала труб, а значит устранять возможность выгорания углерода и создавать эффект сварки-пайки, плакировать внешнюю и внутреннюю поверхности стыка, обеспечивая повышенные антикоррозионные их характеристики, а также устранять дефекты в сварных швах их финишной горячей пластической деформацией, изменять структуру и механические свойства в околошовных зонах, формировать внутреннюю поверхность стыка без грата.

Это объясняется тем, что:

- присадочный материал выбирают с условием повышенных его антикоррозионных свойств, а также механических свойств не ниже соответствующих свойств материала труб;

- осуществляют активацию пластической деформацией (раздачей) объемов сопрягаемых концов труб, свариваемых впоследствии;

- используя промежуточный элемент в виде ступенчатого кольца из плакирующего материала (например, нержавеющей стали), достигают эффективного плавления присадочного материала с реактивным плавлением материала труб в ограниченных объемах;

- плакируют поверхности стыка при уменьшенных деформирующих усилиях, что увеличивает ресурс работы технологической оснастки;

- пластическое деформирование сварного шва и околошовных зон устраняет возможные дефекты в сварных швах и упрочняет материал в околошовных зонах (скорость упрочнения материала в околошовных зонах превышает скорость его разупрочнения от горячей деформации).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны сопрягаемый в сборке конец трубы, прошедший подготовительные операции к сварке, и жесткий пуансон перед выполнением операции раздачи трубы из цилиндра в цилиндр; на фиг.2 - окончание стадии раздачи конца трубы жестким пуансоном; на фиг.3 - сопрягаемые концы труб, ступенчатое кольцо из присадочного материала на оправке после приложения осевого усилия сжатия; на фиг.4 - калиброванные концы труб и промежуточный элемент после формирования сварных швов преимущественным расплавлением присадочного материала; на фиг.5 - подогретый стык труб, размещенный в разъемной (3-х сегментной) матрице горизонтального гидравлического пресса; на фиг.6 - стадия горячей штамповки промежуточного элемента во внешних его слоях; на фиг.7 - окончание горячей штамповки промежуточного элемента, сварных швов и околошовных зон с формированием внутренней и внешней поверхностей стыка труб; на фиг.8 - высококачественное сварное соединение.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.

На прямолинейных теплообменных трубах 1 (фиг.1) выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности каждого из концов к сварке: правку труб на косовалковой правильной машине, отрезку их мерных длин и зачистку внешних поверхностей до металлического блеска.

Далее производят калибровку сопрягаемых концов труб операцией их раздачи из цилиндра в цилиндр посредством жесткого пуансона 2.

Изгиб образующих труб формирует в пределах толщины их стенки пластические шарниры, выделенные в виде конических областей многоточиями (фиг.2).

Сборку труб на оправке 3 перед сваркой производят с применением ступенчатого кольца 4 из присадочного материала, например нержавеющей стали марки Х18Н10Т. На внешней поверхности кольца выполнены две ступени, внешний диаметр которых превышает внешний диаметр калиброванных участков концов труб.

Посредством приложения осевого сжимающего усилия к сопрягаемым концам труб достигают требуемого контакта между их торцовыми поверхностями и торцовыми поверхностями промежуточного элемента из присадочного материала (фиг.3).

Формирование сварных швов по обеим сторонам кольца проводят сплавлением (фиг.4) по режимам, регламентируемым технической документацией. При этом осуществляют преимущественное расплавление объемов присадочного материала, формируя электрическую дугу неплавящимся электродом по площадям ступеней. Плавление же материала труб осуществляется реактивно (с учетом осевого сжимающего усилия, приложенного к трубам) воздействием расплавленного присадочного материала на торцовую поверхность калиброванных участков труб. Другими словами, имеет место локализация объемов расплавления в материале труб, что не вызывает негативного влияния нагрева на легирующие элементы материала труб.

Относительно большие размеры ступенчатого кольца по его длине требуют дополнительного подогрева стыка труб до оптимальных температур горячего деформирования. Контроль температуры осуществляют переносной термопарой.

Горячий стык труб размещают в разъемной (3-х сегментной) матрице 5 горизонтального гидравлического пресса (фиг.5).

Сообщение сегментам матрицы радиального перемещения в направлении оси первоначально вызывает воздействие гребешков рабочей поверхности матрицы на боковую поверхность ступенчатого кольца из присадочного материала. Уменьшенные габаритные размеры кольца обуславливают локализацию деформации присадочного элемента первоначально во внешних его объемах с формированием зоны затрудненной деформации (фиг.6).

Реактивное усилие со стороны оправки на упомянутое воздействие приводит к локализации деформации промежуточного элемента во внутренних его слоях (фиг.7). Наблюдается деформация промежуточного элемента с одновременным плакированием внутренней поверхности стыка труб.

Таким образом, перемещение сегментов матрицы в радиальном направлении связано с горячей деформацией присадочного материала и посредством его пластического течения - деформацией сварных швов и околошовных зон. Подчеркнем, что горячая деформация материала сварного шва осуществляют по 3-х осной схеме напряжений неравномерного сжатия, предотвращающей разрушение сварного шва. При этом осевые сжимающие напряжения проявляются на стадии деформации труб в переходных кольцевых зонах, отмеченных многоточиями.

Минимизированные объемы сварных швов, подверженные всестороннему неравномерному сжатию, интенсивно прорабатываются, что не вызывает потери в механических свойствах. Кроме того, в стыке труб наблюдается формирование осевых сжимающих остаточных напряжений первого рода.

Формирование внутренней поверхности стыка достигают пластическим течением присадочного материала относительно сварного шва, обеспечивая плакирование последнего.

Неразъемное соединение (фиг.8) отличается высокими механическими свойствами (существенную роль здесь играет и материал ступенчатого кольца, воспринимающего действие рабочей среды), формируемыми остаточными сжимающими осевыми напряжениями, достаточной точностью для подобных изделий, высокой технологичностью, что предопределяет и повышенную производительность. Отсутствие внутреннего грата устраняет необходимость проведения контрольного обкатывания шпилек шариком.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа образования стыковых сварных швов прошла при изготовлении одношовных шпилек из труб, полученных из стали 10.

Исходные геометрические размеры труб составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,6 мм и длины 9 и 3,6 м.

Правку труб, резку в меру и зачистку поверхностей сопрягаемых труб производили на соответствующем оборудовании с достижением требуемых параметров.

Ступенчатые кольца с размерами 26,2×18,3×12 мм изготавливались из нержавеющей стали марки Х18Н10Т, стали 10 путем деформации трубных заготовок на соответствующий диаметр и необходимых операций резания. На внешних поверхностях колец выполняли ступени шириной в 3 мм (от торцов) и диаметром, равным 25,8 мм.

Раздача-калибровка сопрягаемых концов труб проводилась на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия конструкции "Ремонтно-механического завода" НК ЮКОС при усилиях в пределах 35-40,0 кН.

Длина калиброванного участка трубы составляла 25 мм при наибольшем внешнем диаметре, равном 25,5 мм. Максимальный диаметр стальной оправки был равен 18,25 мм.

Формирование сварных швов выполняли аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом по известным режимам. Горячий обжим стыка труб производили в диапазоне температур, характерных для стали 10, а именно (1200-850)°С, также на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия при усилиях, не более 300 кН.

Удаление оправки из длинномерной трубы производили с применением производственного комплекса, когда длинномерную трубу горячим стыком размещали в механическом зажиме, фиксировали от осевых перемещений и, прикладывая тянущее усилие к оправке, вызывали ее осевое перемещение. При этом ход оправки с осевым усилием не превышал 20 мм.

В дальнейшем выполняли гибку труб на заданный радиус.

Установлено, что технологический процесс формирования стыковых сварных швов с применением промежуточного элемента в виде ступенчатого кольца из нержавеющей стали или стали 10 эффективно плакирует поверхности стыка труб, упрочняет материал труб в околошовных зонах, позволяет более рационально выполнять раскрой трубных заготовок, уменьшает и численность рабочих из-за сокращения объема ручных работ, не сопровождается возникновением дефектов типа пор, включений и т.п.

Изобретение применимо при изготовлении трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к процессам образования стыковых сварных швов на трубах при получении трубных шпилек U-образных пучков с использованием эффекта локализованного горячего пластического деформирования сварного шва и прилегающих к нему околошовных зон. На соединяемых трубах выполняют подготовительные операции, раздавая концы труб из цилиндра в цилиндр. Собирают трубы посредством оправки с установкой между их торцами промежуточного элемента из присадочного материала в виде ступенчатого кольца. Прикладывают осевое усилие для достижения контакта между сопрягаемыми торцовыми поверхностями концов калиброванных раздачей труб и торцовыми поверхностями ступенчатого кольца. Получают сварные швы аргонодуговой сваркой путем расплавления материала промежуточного элемента с обеих сторон, примыкающих к торцам труб. Производят подогрев промежуточного элемента. Осуществляют горячий радиальный обжим промежуточного элемента, концентрируя первоначально его деформацию в поверхностных слоях по местоположению кольцевых ступеней, сварных швов и околошовных зон на оправке, придавая их внешнему диаметру размер, равный исходному внешнему диаметру труб. Это позволит повысить качество получаемых сварных швов. 8 ил.

Способ образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающий подготовительные операции на трубах к сварке, их сборку и последующую аргонодуговую сварку сопрягаемых концов труб неплавящимся электродом с использованием присадочного материала, отличающийся тем, что в качестве присадочного материала используют промежуточный элемент в виде ступенчатого кольца, который устанавливают между сопрягаемыми торцами труб при сборке, при этом перед сборкой сопрягаемые концы труб раздают из цилиндра в цилиндр, собирают трубы с промежуточным элементом на оправке, прикладывают осевое усилие к сопрягаемым торцовым поверхностям калиброванных раздачей труб, обеспечивая контакт между ними и торцовыми поверхностями ступенчатого кольца, осуществляют сварку, расплавляя ступени ступенчатого кольца с обеих его сторон с образованием двух стыковых сварных швов, осуществляют дополнительный подогрев стыка труб с последующим горячим радиальным обжимом, достигая внешнего диаметра стыка, равного исходному внешнему диаметру свариваемых труб и концентрируя деформации в поверхностных слоях по местоположению кольцевых ступеней, сварных швов и околошовных зон.