Способ местной термической обработки сварных соединений крупногабаритных толстостенных изделий Российский патент 2024 года по МПК C21D9/50 

Изобретение относится к металлургии, точнее к области термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий из сталей перлитного класса, преимущественно сварных швов приварки полукорпусов (компенсатора), снятия напряжений, возникающих в процессе сварки, и может быть использовано в энергетической, нефтеперерабатывающей, химической промышленности.

Сварные соединения, выполненные электродуговым способом 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.

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 №2729488 С1, МПК C21D 9/50, приоритет от 03.02.2020, опуб. 07.08.2020).

Недостатком известного способа являются несоответствие термических режимов отпуска сталям перлитного класса.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является 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, (патент RU №2745915 С1, МПК C21D 9/50, приоритет от 25.03.2020, опуб. 02.04.2021).

Известный способ отчасти сопряжен с температурными деформациями и образованием нежелательных внутренних термических напряжений околошовной зоны и зоны шва, в связи с неравномерным прогревом при термообработке изделий из сталей перлитных классов, в результате чего могут снижаться прочностные и пластические свойства изделия.

Техническим результатом настоящего изобретения является равномерный прогрев, практически полное исключение внутренних термических напряжений околошовной зоны и зоны шва при термообработке, повышение прочностных и пластических свойств сварных соединений изделий за счет снятия напряжений, возникающих в процессе сварки.

Технический результат достигается тем, что способ местной термической обработки сварных соединений крупногабаритных толстостенных изделий, включающий нагрев зоны сварного соединения, выдержку при заданной температуре, охлаждение с регламентированной скоростью до определенной температуры с последующим охлаждением, согласно изобретению, осуществляют двусторонний нагрев зоны сварного соединения сначала до температуры 300°С со скоростью не более 60°С/час, затем со скоростью не более 30°С/час до заданной температуры выдержки 620-660°С, выдержку при заданной температуре выполняют в течение 8-8,5 часов для окончательного отпуска, охлаждение осуществляют с регламентированной скоростью не более 30°С/час до температуры 300°С, последующее охлаждение осуществляют под слоем теплоизоляции до температуры ниже 50°C с отключением зон нагрева.

Указанный интервал температуры выдержки относится к конкретной марке стали, конкретного изделия. Для иных изделий и марок сталей интервал температур будет иной.

Двусторонний нагрев зоны сварного соединения полукорпусов крупногабаритного изделия позволяет предотвратить рост внутренних напряжений в металле шва и околошовной зоны и опасность появления трещин, за счет уменьшения градиента температуры по толщине стенки, обеспечивает равномерное прогревание сварочного шва и околошовной зоны.

Нагрев зоны сварки полукорпусов крупногабаритного изделия с регламентированной скоростью: не более 60°С/час до 300°С не допускает критического перепада температур (температурный градиент) между соседними участками полукорпусов в околошовной зоне, существенно сокращает  рост внутренние напряжения в металле и опасность появления трещин, обеспечивает эффективное проведение процесса термической обработки, экономию временного и энергетического ресурса.

Нагрев зоны сварки полукорпусов крупногабаритного изделия с регламентированной скоростью не более 30°С/час до заданной температуры выдержки 620-660°С, исключает значительные внутренние термические напряжения околошовной зоны, что позволяет получить заданные пластические свойства сварных соединений и тем самым обеспечить эксплуатационную надежность крупногабаритного изделия.

Нагрев зоны сварки полукорпусов крупногабаритного изделия со скоростью, превышающей заданную, увеличивает термические напряжения околошовной зоны и риск появления микротрещин, возникающие в результате 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 8-8,5 часов, способствует практически полному снятию термических напряжений сварного шва и околошовной зоны, возникающие в процессе сварки, улучшению структуры сварных соединений, что позволяет повысить прочностные и пластические свойства сварных соединений изделия, экономию временного и энергетического ресурса.

Уменьшение длительности выдержки менее 8 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, 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.

Последующее охлаждение изделия под слоем теплоизоляции до температуры ниже 50°С и отключением зон нагрева сужает разбег температур толстостенного изделия по толщине металла, снижает термические напряжения в структуре металла.

Местную термическую обработку сварных соединений проводят после окончания сварочных операций.

Термообработка сварного соединения по указанному способу позволяет получить отпускную структуру в указанных зонах и пластические показатели свойств металла (ударная вязкость, относительные удлинение, сужение) значительно превышающие показатели, полученные на металле шва и зоны термического влияния до проведения термической обработки.

Сущность предложенного способа состоит в следующем: для проведения местной термической обработки сварных соединений предварительно снаружи корпуса и внутри корпуса 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 из зоны нагрева наружу корпуса для последующего подключения к кабелям компенсационным.

Далее на внутреннюю поверхность изделия укладывают и закрепляют нагреватели с теплоизоляцией (теплоизоляционные маты, 3 слоя прошитого и обшитого по торцам тканью КТ-11-13 керамического волокна), обеспечив плотность их прилегания к поверхности термообрабатываемого изделия.

Затем снаружи корпуса изделия производят разметку мест установки и монтаж наружных корпусных термоэлектрических преобразователей (ТЭП). Холодные концы ТЭП выводят из зоны нагрева для последующего подключения к кабелям компенсационным.

Далее на наружную поверхность изделия укладывают и закрепляют с нагреватели с теплоизоляцией (теплоизоляционные маты, 3 слоя прошитого и обшитого по торцам тканью КТ-11-13 керамического волокна), обеспечивая плотность их прилегания к поверхности термообрабатываемого изделия.

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 источникам питания для местной термической обработки 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 соединения до температуры 300°С со скоростью не более 60°С/час. А затем,

на втором этапе – проводят нагрев до температуры 620-660°С со скоростью не более 30°С/час, требуемую скорость обеспечивают программированием.

При достигнутой всеми преобразователями температуры (620-660°С) начинают отсчет времени выдержки. Выдержку при заданной температуре выполняют в течение 8-8,5 часов 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 под слоем теплоизоляции 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, при охлаждении изделия ниже 50°С проводят разборку садки, демонтаж съемных нагревательных конструкций в обратном порядке к произведенному монтажу. Выполняют демонтаж внутренних и внешних нагревателей и теплоизоляции, внутренних и внешних термоэлектрических преобразователей в обратном порядке к произведенному монтажу. Места крепления термоэлектрических преобразователей зачищают заподлицо с основным металлом. Места зачистки исследуют методом неразрушающего контроля. Проводят визуальный контроль состояния поверхности изделия после термической обработки и зачистки мест установки термоэлектрических преобразователей.

Изобретение можно проиллюстрировать следующим примером.

На предприятии-заявителе была проведена местная термическая обработка сварного шва полукорпусов крупногабаритного изделия (компенсатора). Изделие установили на роликовый стенд, на корпусе нанесли осевую разметку для совмещения нагревательных элементов с зонами нагрева изделия.

Разметили места установки и монтажа наружных и внутрикорпусных ТЭП, установили ТЭП (ТХА/К/1/0,711/600), вывели холодные концы ТЭП из зоны нагрева и подключили их к кабелям компенсационным. Установили ТЭП (ТХА/К/1/0,711/3000), вывели холодные концы ТЭП за пределы зон нагрева и подключили их к кабелям компенсационным.

Уложили нагреватели на внутреннюю и наружную поверхность изделия, прижали нагреватели к корпусу изделия с помощью шпилек, клипс, прижимов и бандажной ленты, обеспечив таким образом плотность их прилегания к поверхности обрабатываемого изделия.

Произвели монтаж внутренней и наружной теплоизоляции с применением матов (3 слоя прошитого и обшитого по торцам тканью КТ-11-13 керамического волокна).

Нагревательные элементы подключили к установкам для местной термической обработки сварных соединений (моделей РТ 800/6 и РТ 960).

Подключили ТЭП при помощи кабеля компенсационного к соответствующим входам нагревательных установок (модель РТ 800/6).

Местную термическую обработку проводили по графику: Нагрев сварного шва проводили в два этапа.

Сначала выполнили нагрев до температуры 300°С со скоростью не более 60°С/час. Измерение температуры в процессе местной термической обработки проводили термоэлектрическими преобразователями (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 в себя сварной шов и примыкающие к его краям участки основного металла на расстояниях не менее номинальных толщин сваренных деталей (т.е. зона нагрева зависит от толщин сварных деталей).

После нагрева сварного шва до 300°С провели второй этап и нагревали сварной шов до заданной температуры 620-660°С со скоростью не более 30°С/час. При достигнутой заданной температуре изделие выдержали в течение 8-8,5 часов для окончательного отпуска. Фактический разбег температур выдержки в зонах равномерного нагрева составил 633-648°С.

Далее охладили до температуры 300°C с регламентированной скоростью не более 30°С/час.

По достижении температуры 300°С отключили зоны нагрева и произвели охлаждение под слоем теплоизоляции до температуры ниже 50°С.

Физические параметры нагрева (скорость, температура, время) задавались программаторами на каждом канале нагрева.

После проведения термической обработки провели демонтаж внутренней и наружной теплоизоляции и демонтаж съемных внутренних и наружных нагревательных элементов на изделии, 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 состояния 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, указанный способ, температура, длительность отпуска позволяют сохранить уровень механических свойств металла, полученный в процессе основной термической обработки, в пределе заданных нормативной и конструкторской документацией. Температура выдержки назначена не выше температуры отпуска при основной термообработке основного металла изделия, длительность выдержки, скоростные режимы нагрева/охлаждения способствует наиболее полным структурным превращениям в зоне термообрабатываемого сварного соединения, снятию напряжений, возникших в процессе сварки, и предотвращению появления напряжений и деформаций, связанных с нагревом/охлаждением в процессе термообработки сварного соединения.

В процессе сварки в металле шва и зоны термического влияния образуются структуры, имеющие игольчатое строение (характерные для закаленного состояния металла), что является причиной низкой пластичности металла шва и зоны термического влияния. Термообработка сварного соединения по предложенному способу позволяет получить отпускную структуру в указанных зонах и пластические показатели свойств металла (ударная вязкость, относительные удлинение, сужение, жаропрочность) значительно превышающие показатели, полученные на металле шва и зоны термического влияния до проведения термической обработки. Предложенный способ местной термообработки сварных швов наиболее оптимальный для крупногабаритных толстостенных крупногабаритных изделий (в том числе с внутрикорпусными устройствам, при наличии которых исключается возможность проведения объемного печного нагрева, позволяющий получить заданный эксплуатационными характеристиками комплекс свойств сварных соединений при минимальных термических напряжениях и деформациях в процессе обработки. Изменение параметров выдержки в сторону увеличения приводит к снижению прочностных показателей свойств металла сварных соединений, в сторону снижения – к снижению пластических показателей. Увеличение скоростного режима нагрева и охлаждения в процессе обработки увеличивает термические деформации аппарата и напряженное состояние металла в зоне нагрева. Выбранный способ и режим нагрева с охлаждением в процессе местной термической обработки сварных соединений минимизирует термические деформации крупногабаритного изделия и напряженное состояние металла в зоне нагрева, позволяет уменьшить допустимый интервал температуры в зонах равномерного нагрева до уровня обработки в термических печах, обеспечивает экономию временного и энергетического ресурса.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для местной термической обработки сварных соединений крупногабаритных толстостенных изделий. Способ местной термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий включает нагрев зоны сварного соединения, выдержку при данной температуре и охлаждение. Осуществляют двусторонний нагрев зоны сварного соединения сначала до температуры 300°С со скоростью не более 60°С/ч, затем до температуры в диапазоне 620-660°С со скоростью не более 30°С/ч, при этом выдержку выполняют при данной температуре в течение 8-8,5 ч для окончательного отпуска, охлаждение осуществляют до температуры 300°С со скоростью не более 30 °С/ч, а последующее охлаждение проходит под слоем теплоизоляции до температуры ниже 50°C. Технический результат заключается в обеспечении повышения прочностных и пластических свойств сварных соединений изделий и исключении значительных температурных деформаций при термообработке крупногабаритных толстостенных изделий.

Способ местной термической обработки сварных соединений крупногабаритных толстостенных изделий, включающий нагрев зоны сварного соединения сначала до температуры 300°С, затем до температуры в диапазоне 620-660°С со скоростью не более 30°С/ч, выдержку, охлаждение до температуры 300°С со скоростью не более 30°С/ч, последующее охлаждение до температуры ниже 50°C, отличающийся тем, что осуществляют двусторонний нагрев зоны сварного соединения, нагрев до температуры 300°С производят со скоростью не более 60°С/ч, а выдержку выполняют в течение 8-8,5 часов для окончательного отпуска, а последующее охлаждение производят под слоем теплоизоляции.