СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА Российский патент 2012 года по МПК B23K35/30 C22C38/00 

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимии и атомном энергетическом машиностроении.

Для обеспечения надежности и долговечности оборудования металл сварного шва должен обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупковязкого перехода (Т_к0), стойкостью против тепловой хрупкости.

Значительная часть нефтехимического и энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2МФА, ТУ 108-131-86, которая содержит 2,5-3,0% Cr, 0,6-0,8% Mo, 0,25-0,35% V, обладает высокой прочностью и пластичностью при температуре эксплуатации до 450°C. Для сварки этой стали предусматривается применение сварочной проволоки марки Св-10ХМФТУ по ТУ 14-1-4914-90, содержащая в своем составе:

Углерод 0,07-0,12 Сера не более 0,012 Кремний не более 0,35 Фосфор не более 0,010 Марганец 0,4-0,7 Никель не более 0,3 Хром 1,4-1,8 Медь не более 0,06 Титан 0,05-0,12 Алюминий не более 0,05 Молибден 0,4-0,6 Азот не более 0,015 Ванадий 0,20-0,35 Железо Остальное

Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки по патенту Российской Федерации RU 2194602 C2, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %

Углерод 0,07-0,12 Кислород 0,001-0,005 Кремний 0,15-0,40 Олово 0,0001-0,001 Марганец 0,30-1,20 Сурьма 0,001-0,008 Хром 1,5-2,5 Мышьяк 0,001-0,01 Никель 0,01-0,20 Кобальт 0,005-0,02 Молибден 0,4-1,2 Азот 0,003-0,012 Титан 0,01-0,15 Сера 0,001-0,006 Ванадий 0,05-0,25 Фосфор 0,001-0,006 Алюминий 0,005-0,05 Свинец 0,001-0,01 Медь 0,01-0,06 Железо Остальное

В настоящее время наблюдается тенденция к повышению рабочих параметров установок глубокой переработки нефтепродуктов с целью повышения их КПД, а именно увеличения давления и температуры до 450°C. При этом в основном металле, применяемом, в настоящее время, снижение прочностных характеристик при увеличении рабочих температур до 450°C практически не наблюдается. В то же время, в металле сварного шва, выполненного упомянутыми сварочными материалами при повышении рабочей температуры до 450°C, наблюдается значительное падение прочностных характеристик.

Недостатком указанного состава являются низкие прочностные характеристики при температурах эксплуатации нефтехимического оборудования 400-450°C.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочностных характеристик металла сварных швов при рабочих температурах до 450°C, с сохранением стойкости металла шва к тепловому охрупчиванию и высокого уровня пластичных и вязких характеристик.

Технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки ниобия и увеличением содержания углерода.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

Углерод 0,13-0,18 Кислород 0,001-0,005 Кремний 0,15-0,40 Олово 0,0001-0,001 Марганец 0,30-1,20 Сурьма 0,001-0,008 Хром 1,5-2,5 Мышьяк 0,001-0,01 Никель 0,01-0,20 Кобальт 0,005-0,02 Молибден 0,4-1,2 Азот 0,003-0,015 Титан 0,01-0,15 Сера 0,001-0,006 Ванадий 0,05-0,25 Фосфор 0,001-0,006 Алюминий 0,005-0,05 Свинец 0,001-0,01 Медь 0,01-0,06 Железо Остальное Ниобий 0,001-0,01    

Нормирование содержания легирующих элементов выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень важнейших механических свойств. Кроме того, для избежания повышенного охрупчивания при технологических отпусках и эксплуатации сварных конструкций вводится следующее соотношение:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13

Увеличение прочностных характеристик достигается за счет повышения углерода в металле шва. Высокое содержание углерода обеспечивает получение закалочных структур и увеличение объемной доли карбидной фазы, что обеспечивает необходимые прочностные характеристики. При содержании углерода в проволоке более 0,18% наблюдается значительное снижение пластических и вязких характеристик металла сварного шва. Уменьшение содержания углерода менее 0,13% приводит к снижению прочностных характеристик металла шва при рабочих температурах, ниже требуемого уровня.

Как правило, повышение прочностных характеристик ведет к снижению вязких и пластических показателей металла шва. Для предотвращения этого явления металл шва модифицируется ниобием. В указанных пределах такое легирование способствует возникновению дополнительной мелкодисперсной фазы (карбиды ниобия) и измельчению зерен, увеличению протяженности их границ и, как следствие, более равномерному распределению примесей по объему. Дальнейшее повышение содержания ниобия приводит к укрупнению карбидов ниобия, что приводит к значительному охрупчиванию металла шва в ходе послесварочных отпусков и эксплуатации при рабочих температурах. При содержании ниобия в металле шва менее 0,001% его влияние практически не прослеживается.

На основании экспериментальных исследований было установлено оптимальное соотношение между углеродом и такими карбидообразующими элементами как хром, ванадий и ниобий, которое позволяет обеспечить высокую стойкость металла к тепловому охрупчиванию:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13

Невыполнение этого соотношения приводит к сильному охрупчиванию металла шва в результате длительных тепловых выдержек за счет того, что со временем легирующие элементы, не связанные в прочные карбиды, образуют хрупкие межзеренные интерметаллидные прослойки.

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения высоких прочностных характеристик при температуре эксплуатации сварных конструкций (400-450°C) и стойкости к охрупчиванию под воздействием длительных тепловых выдержек на металл сварных швов при сохранении требуемых характеристик вязкости и пластичности.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к тепловому охрупчиванию, или снижению характеристик прочности, пластичности и вязкости металла шва.

На производственной базе ОАО «МЗ «Электросталь» ЦНИИ КМ "Прометей" провел комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки. Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» были изготовлены сварные пробы в натурном сечении из стали марки 15Х2МФА и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств металла шва и основного металла представлены в табл. №2-5.

Из приведенных таблиц видно, несоблюдение соотношения в химическом составе проволоки карбидообразующих элементов и углерода ведет к значительному охрупчиванию металла шва после тепловых выдержек «Step Cooling», а при снижении содержания углерода ниже заявленного предела предел прочности при рабочих температурах не отвечает предъявляемым требованиям. В то же время превышение содержания ниобия привело к значительному снижению вязких и пластических свойств по сравнению с заявленными пределами.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов нефтехимического оборудования с высокими рабочими параметрами выразится в повышении КПД оборудования при обеспечении его повышенной безопасности.

Таблица 1 Требования, предъявляемые к механическим свойствам металла сварных швов, установок с повышенными рабочими параметрами.   +20°C +450°C Критическая температура хрупкости Т_к0 σ_в σ_0,2 δ ψ σ_в σ_0,2 δ ψ МПа % МПа % °C Требования к сварному шву 585 415 18 45 461 392 14 50 ≤-18

Таблица 2 Химический состав плавок № плавки Массовая доля элементов, % С Si Mn Cr Ni Mo Ti V Cu Al Nb N 1 0,20 0,32 0,25 1,6 0.01 0,35 0,07 0,06 0,02 0,007 0,0003 0,007 2 0,16 0,40 1,20 2,5 0,20 1,20 0,15 0,25 0,06 0,050 0,0100 0,015 3 0,18 0,25 0,98 1,9 0,14 0,83 0,09 0,18 0,04 0,010 0,0080 0,005 4 0,13 0,15 0,30 1,5 0.01 0,40 0,01 0,05 0,01 0,005 0,0010 0,003 5 0,11 0,30 0,85 2,4 0,15 0,93 0,10 0,23 0,02 0,007 0,0130 0,007 6 (прототип) 0,10 0,28 0,80 2,0 0,15 0,80 0,08 0,30 0,02 0,010 - 0,010 № плавки Массовая доля элементов, % Sb Sn As Co S P O Pb Fe (0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13 1 0,002 0,0002 0,004 0,006 0,002 0,002 0,002 0,002 Остальное   3,91   2 0,008 0,0010 0,010 0,020 0,006 0,006 0,005 0,01   13,00   3 0,002 0,0020 0,005 0,010 0,003 0,005 0,002 0,006   8,33   4 0,001 0,0001 0,001 0,005 0,001 0,001 0,001 0,001   5,47   5 0,003 0,002 0,005 0,010 0,001 0,002 0,003 0,002   18,42   6 (прототип) 0,004 0,0005 0,005 0,015 0,004 0,003 0,003 0,005   -  

Таблица 3 Механические свойства металла шва № плавка Механические свойства Т_к0 Т_исп=+20°C Т_исп=+450°C σ_в α_0,2 δ ψ σ_в σ_0,2 δ ψ МПа МПа % % МПа МПа % % °C 1 720 650 12,5 47,5 590 550 12,0 43,0 +10   700 640 13,0 48,0 610 550 11,0 40,0   2 700 580 16,5 58,0 590 450 15,0 52,5 -18   710 590 15,5 57,0 590 460 15,5 53,0   3 650 510 23,5 71,0 530 425 20,3 62,0 -30   635 500 24,0 72,5 540 425 19,5 59,5   4 600 480 22,0 64,0 500 410 18,5 57,0 -25   590 475 22,5 65,0 495 405 18,5 55,0   5 580 430 18,0 62,0 430 345 19,5 62,0 +5   580 460 17,5 65,5 425 320 19,5 60,0   6 590 452 24,8 69,5 410 325 21,0 61,0 -25 (прототип) 580 450 24,0 75,0 410 335 23,0 65,0  

Таблица 4 Механические свойства основного металла (15Х2МФА) № плавка Механические свойства Т_к0 Т_исп=+20°C Т_исп=+450°C σ_в σ_0,2 δ ψ σ_в σ_0,2 δ ψ МПа МПа % % МПа МПа % % °C С-20023 680 590 25,4 72 550 450 20 61 -20   680 580 26,0 72 540 440 20 60  

Таблица 5 Значения критической температуры хрупкости Т_к0 металла шва и основного металла до и после Step Cooling, сдвиг Т_к0 в результате тепловых выдержек № плавки Значения Т_к0 ΔТ_к0 После сварки и высокого отпуска После тепловых выдержек 1 +10 +15 5 2 -18 -8 10 3 -30 -25 5 4 -25 -20 5 5 +5 +35 30 6 (прототип) -25 -15 10 Основной металл -20 -5 15

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимическом и энергетическом машиностроении. Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса содержит, мас.%: углерод 0,13-0,18, кремний 0,15-0,40, марганец 0,30-1,20, хром 1,5-2,5, никель 0,01-0,20, молибден 0,4-1,2, титан 0,01-0,15, ванадий 0,05-0,25, алюминий 0,005-0,05, медь 0,01-0,06, ниобий 0,001-0,01, кислород 0,001-0,005, олово 0,0001-0,001, сурьма 0,001-0,008, мышьяк 0,001-0,01, кобальт 0,005-0,02, азот 0,003-0,015, сера 0,001-0,006, фосфор 0,001-0,006, свинец 0,001-0,01, железо - остальное, при следующих ограничениях по соотношению элементов в сварочной проволоке: (0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13. Технический результат - повышение прочностных характеристик металла сварных швов при рабочих температурах до 450°C, с сохранением стойкости металла шва к тепловому охрупчиванию и высокого уровня пластичных и вязких характеристик. 5 табл.

Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, ванадий, алюминий, медь, кислород, олово, сурьма, мышьяк, кобальт, азот, сера, фосфор, свинец и железо, отличающаяся тем, она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,13-0,18 Кислород 0,001-0,005 Кремний 0,15-0,40 Олово 0,0001-0,001 Марганец 0,30-1,20 Сурьма 0,001-0,008 Хром 1,5-2,5 Мышьяк 0,001-0,01 Никель 0,01-0,20 Кобальт 0,005-0,02 Молибден 0,4-1,2 Азот 0,003-0,015 Титан 0,01-0,15 Сера 0,001-0,006 Ванадий 0,05-0,25 Фосфор 0,001-0,006 Алюминий 0,005-0,05 Свинец 0,001-0,01 Медь 0,01-0,06 Железо остальное, Ниобий 0,001-0,01