Корпуса аппаратов на заводах нефтяного машиностроения сваривают на установках автоматической сварки. Компоновка такой установки по данным академика Патона [21]:
Для крупногабаритных изделий единичного производства характерна стапельная сборка, то есть изделие в основном находится на одном месте и операции осуществляются на изделии без его перемещения (более подробно в работе [23]).
Ручная дуговая сварка выполняется для деталей небольших габаритов на одиночных сварочных постах, компоновка которых согласно работе академика Патона [21]:
Сварка разнородных сталей
Разнородными соединениями являются соединения сталей разных структурных классов или одинакового структурного класса, но разных марок, то есть с различными легирующими добавками, и биметаллические соединения. Кроме того, если для соединения сталей одного класса применяется металл шва другого класса, такое соединения будет являться разнородным.
Сварка и наплавка разнородных сталей может выполняться всеми существующими способами сварки. Сварка крупногабаритных оболочек аппаратов выполняется электродуговой сваркой. Для выполнения сварки необходим правильный выбор электродов и технологических режимов. Выбор электродов осложнен тем, что разнородные соединения имеют неоднородную структуру. Неоднородность структуры определяет надежность сварного шва.
Стали условно разделим на:
– углеродистые и низколегированные (перлитные),
– высокохромистые (феррритные и феррито-мартенситные),
– хромоникелевые (аустенитные и аустенито-ферритные).
В разнородных соединениях можно комбинировать:
– углеродные с низколегированными (перлитные с перлитными),
– высокохромистые (ферритные и феррито-мартенситные с такими же),
– хромоникилевые (аустенитные с феррито-аустенитными),
– углеродистые или низколегированные с высокохромистыми (перлитные с ферритными или феррито-мартенситными),
– углеродистые или низколегированные с хромоникелевыми (перлитные с аустенитными или феррито-аустенитными),
– высокохромистые с хромоникелевыми (феррритные с аустенитными).
Выбор сварочного материала обеспечивает:
– прочность соединения по уровню основного металла,
– сплошность сварного соединения, заключающуюся в отсуствии пор и включений,
– отсутствие трещин,
– соответствие свойств металла сварного шва заданным для металла оболочки таким как жаропрочность, коррозионная стойкость (для легированных сталей).
Металл сварного шва представляет собой сплав, полученный перемешиванием основного свариваемого металла (расплавленного при сварке) с наплавленным металлом. Доля основного металла, участвующего в формировании шва зависит от формы разделки, режима сварки. Доля основного металла изменяется между слоями и, соответственно, меняются физико-химические свойства по сечению шва.
Металл сварного шва должен иметь высокую пластичность вместе с равнопрочностью. Электроды могут быть подобраны с меньшей прочностью, но большей пластичностью [15,с.13]. При этом равнопрочность сварного шва получается за счет явления контактного упрочнения металла.
При растяжении металл сварного шва деформируется раньше основного металла. Но пластические деформации в шве являются стесненными и поэтому усилие для деформации увеличивается по сравнению с усилием для свободной деформации сварного шва (за счет контактного упрочнения металла сварного шва, являющегося прослойкой между свариваемыми основными металлами). Равнопрочность сварного шва достигается при более низкой прочности металла шва по сравнению с основным металлом, но при высокой пластичности шва и соответствующей толщине шва.
Термическая обработка
Изменения в структуре стали
Приведем теорию термообработки по данным работы [17].
В большинстве случае стали нагревается до перестроения кристаллической решетки сплава в аустенит. Например, в перлите (феррито-цементитная структура) при нагревании растворяется цементит по линии предельной растворимости на диаграмме железо-углерод. С дальнейшем нагревом концентрация углерода растет и неустойчивая структура переходит в устойчивый аустенит. В аустенит углерод поступает из карбида. Сначала происходит сдвиг границ α→γ перестроения, затем происходит механизм роста зерна. Затем происходит диффузия углерода от цементита к аустениту и тем самым сплав стабилизируется.
Добавление в сплав карбидообразующих хрома, молибдена, вольфрама, ванадия затрудняет аустенизацию так как образуется цементит с легированными добавками и карбиды легирующих элементов, которые мало растворимы в аустените. Процесс гомогенизации с легированными сталями требуется большего времени.
Зародыши аустенита образуются на границах раздела феррита с карбидом. С увеличением времени выдержки и с повышением температуры зерна увеличиваются (зерна растут за счет переходов атомов через большеугловые границы в решетке структуры). При охлаждении размер зерна не изменяется. По размерам зерен стали делятся на мелкозернистые и крупнозернистые. Карбидообразующие легирующие добавки замедляют рост зерен аустенита так как их карбиды являются барьером для диффузии. При неправильном режиме стали возможен исправимый дефект перегрева и неисправимый дефект пережога с образованием окислов на границах зерен.
При охлаждении аустенита до точки мартенсита, диффузионные процессы перехода в цементит и феррит подавляются и сталь переходит в мартенсит , то есть происходит бездиффузиозное превращение.
Аустенит может перейти в перлит по диффузионному механизму. Зародыши цементита образуются на границах зерен аустенита. Полиморфное превращение γ → α происходит по сдвиговому механизму. Затем начинается рост пластин феррита. Два процесса протекают одновременно с образованием перлита.
Мартенсит имеет структуру пресыщенного раствора твердого внедрения углерода в α-решетку железа. Кристаллы мартенсита зарождаются в дислокационных узлах решетки аустенита и в местах обедненных углеродом. Кристаллы мартенсита ориентированно связанны с аустенитом, поэтому имеют форму пластин, которые в аустените имеют упорядоченную ориентацию.
Мартенсит делится на два типа: пакетный и пластинчатый. Пакетный получается в углеродистых и легированных сталях с высокой температурой мартенситного перехода на диаграмме. В зерне мартенсита образуется несколько пакетов из параллельных кристаллов. Пластинчатый мартенсит получается для высокоуглеродистых сталей при низкой температуре мартенситного перехода на диаграмме.
Аустенит стабилизируют задержкой охлаждения при температуре выше мартенситного перехода. При охлаждении после выдержки переход в мартенсит происходит мало интенсивно.
Технологические процессы термической обработки
Термообработка сваренных оболочек корпусов аппаратов проводится в печах, при высоких габаритах колонн, проводится внепечная термообработка.
Местная термообработка широко применяется в полевых условиях монтажными организациями.
Основными технологическими процессами в термическом производстве являются :
– отжиг I и II рода,
– нормализация,
– закалка,
– отпуск.
Приведем краткое описание технологических процессов. Более подробная информация указана в работе [18].
Отжиг I рода и состоит из процессов диффузии, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений, протекающих вне зависимости от протекания фазовых превращений в стали.
Диффузоинный отжиг I рода проводится при температурах 1100-1200°С, применяется для легированных сталей для снижения дендритной ликвации. Дендритная ликвация в стали при обработке давлением увеличивает хрупкий излом, слоистый излом, внутренние трещины (флокены). После диффузионного отжига в стали выравниваются физико-химические свойства (происходит гомогенизация). Крупное зерно послед иффузионного отжига уменьшается обработкой давлением.
Рекристаллизационнм отжигом I рода при 650-760°С устраняют наклеп и повышают пластичность. Применяется как промежуточная операция между операциями холодного деформирования и в качестве операции окончательной термообработки. Вместе с рекристаллизацией феррита может протекать процесс коагуляции цементита, в результате чего повышается пластичность стали.
Отжиг I рода для снятия остаточных напряжений при температуре 160-700°С с медленным охлаждением используют для после сварочной термообработки сварных швов, отливок, после станочных операций обработки резанием. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерности проведения процессов обработки, например, сварки. Отжиг сварных швов проводится при температуре 650-700°С, близкой к ректристаллизационному отжигу.
При такой же температуре проводят отжиг после основных механических операций, после операции окончательной шлифовки отпуск проводят при 160°С.
Отжиг II рода используется как подготовительная термообработка поковок, отливок и проката для снижения прочности и твердости стали, увеличению пластичности перед последующими операциями обработки. Для отливок отжиг II рода может являться окончательной операцией.
При отжиге II рода после медленного охлаждения, сталь имеет структуру, близкую к равновесной, например, феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали и в заэвтектоидных сталях перлит и цементит. Перекристаллизация вызывает уменьшение размеров зерна.
Полный отжиг II рода проводят для полной перекристаллизации стали с образованием мелкозернистой структуры. Сталь (доэвтектоидную) нагревают также как при нормализации выше точки Ас3 на 50°, при этом образуется аустенит с мелкозернистой структурой. После рекристаллизации зерна аустенита теряют связь с ориентацией в первоначальной структурой. Выдержка производится в печи, скорость охлаждения медленная для распада аустенита. После превращения аустенита в перлит, охлаждение может продолжаться на воздухе.
Неполный отжиг II рода применяется для снижения твердости стали для доэвтектоидной стали. Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу [17].