научная статья по теме СТАБИЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНОГО ШВА ПО ДЛИНЕ ТРУБЫ, СВАРИВАЕМОЙ КОНТАКТНО-СТЫКОВОЙ СВАРКОЙ ТВЧ Металлургия

Текст научной статьи на тему «СТАБИЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНОГО ШВА ПО ДЛИНЕ ТРУБЫ, СВАРИВАЕМОЙ КОНТАКТНО-СТЫКОВОЙ СВАРКОЙ ТВЧ»

НАУКА, ТЕХНИКА, ПРОИЗВОДСТВО

Ь УДК 621.791.053:621.791.76

СТАБИЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНОГО ШВА

ПО ДЛИНЕ ТРУБЫ, СВАРИВАЕМОЙ КОНТАКТНО-СТЫКОВОЙ СВАРКОЙ ТВЧ

© Ю.И.Пашков, В.А.Иванов, С.А.Савельев

ООО НТЦ "Трубметпром", ОАО "Первоуральский новотрубный завод"

Производство электросварных труб малого и среднего диаметров, свариваемых контактной стыковой сваркой с применением токов высокой частоты (трубы ТВЧ), занимает одно из ведущих мест в трубной отрасли как по объемам производства, так и по сферам их применения. Их ежегодный выпуск составляет около 25% общего объема стальных труб. Трубы ТВЧ широко используются для сооружения магистральных газонефтепроводов, промысловых и технологических трубопроводов, газораспределительных и тепловых сетей и других трубопроводных систем с высокими рабочими давлениями (до 10 МПа и более) и при температуре эксплуатации от 350 °С до минус 60 °С. Поэтому при эксплуатации техногенноопасных трубопроводных систем к трубам ТВЧ предъявляются чрезвычайно высокие требования по качеству, их гарантированной безопасности и надежности.

Отличительная особенность технологического процесса изготовления труб ТВЧ - его непрерывность при высоких скоростях сварки (до 150 м/мин). В этих условиях необходимо обеспечить высокую свариваемость и гарантированную равнопрочность сварного соединения по всей длине трубы. Стабильность механических свойств сварного шва по длине трубы является многофакторной функцией, зависящей в первую очередь от стабильности режимов сварки, от качества исходного рулонного проката (ширина, толщина, серпо-видность кромок и др.), а также от правильности настройки формовочных и калибровочных узлов трубосварочных агрегатов. Немаловажное значение в обес-

Рис. 1. Образец трубы из СтЗсп (76X3,5 мм), испытанный на раздачу до разрушения

печении стабильности свойств сварного соединения труб ТВЧ отводится профессиональной подготовке сварщиков-операторов сварочных станов. При отклонении каких-либо из перечисленных факторов от нормальных условий в процессе непрерывной сварки на трубе могут возникать отдельные зоны (участки) с пониженными свойствами сварного шва.

Это наглядно иллюстрирует результат испытаний на раздачу кольцевого образца из электросварной трубы ТВЧ размером 76x3,5 мм (рис. 1). Образец испытывали на раздачу до разрушения. При величине раздачи, равной 51%, разрушение образца произошло на торце по основному металлу вдали от сварного шва. Одновременно произошло сквозное раскрытие сварного шва в двух зонах длиной 11 и 20 мм при величине раздачи 33 и 14% соответственно. До испытаний сварное соединение данной трубы контролировали ультразвуковым дефектоскопом; несплошностей в сварном шве и примыкающих к нему зонах выявлено не было. В то же время в испытанном образце выявлена зона сварного соединения, по прочности превышающая прочность основного металла, и две зоны (по-видимому, из-за неудовлетворительной свариваемости шва), значительно уступающие основному металлу по уровню сопротивляемости разрушению.

Стабильность механических свойств сварного шва по всей длине трубы согласно требованиям стандартов или технических условий контролируется при гидравлических испытаниях. Трубы испытываются при максимальном давлении не более 6 МПа (ГОСТ 10705) и не более 12 МПа (ГОСТ 20295, ГОСТ Р 52079). При таких давлениях в стенках трубы возникают окружные напряжения, не превышающие 0,15от или 0,3от. Как показывают исследования, при таких относительно невысоких напряжениях при гидроиспытаниях труб не могут быть выявлены дефекты в сварном соединении (трещины, непровары), особенно внутренние, длиной до 100 мм и более и глубиной до 80-90% толщины стенки. При гидроиспытаниях труб на заводах такие дефекты в сварных швах практически не обнаруживаются. Кроме того, механические свойства сварных соединений контролируются при испытании плоских и кольцевых образцов на растяжение, а также при испытании образцов на раздачу и сплющивание. Для каждого вида испытания отбирается не более 2-3 образцов от партии труб из 200-1000 шт. Естественно, в этом случае невозможно с высокой степенью гарантировать стабиль-

НАУКА, ТЕХНИКА, ПРОИЗВОДСТВО g 55

■t

Длина трубы,м

Рис. 2. Уровень стабильности свойств сварного шва по длине труб, изготовленных на различных предприятиях: 1, 2, 3, 4, 5 - номера труб (см. таблицу)

Характеристика труб (см. рис. 2)

Номер Размер Сталь Производитель

трубы трубы, мм

1 60x3 J Фирма из Японии

2 33,5x3 СтЗ ПНТЗ, г. Первоуральск

3 159x5 10 Южуралстальпрокат, г. Миасс

4 108x4 СтЗпс УфаПромГаз, г. Уфа

5 114x5 30 Южуралстальпрокат, г. Миасс

ность свойств сварного соединения не только на всю суммарную длину труб в партии, но и по всей длине отдельной трубы. Кроме того, следует отметить, что ряд стандартов вообще не устанавливают нормативных требований по механическим свойствам сварных соединений труб (например, ГОСТ 10707 на электросварные холоднодеформированные трубы диам. от 5 до 110 мм и ГОСТ 10705 на трубы диам. менее 50 мм). По-видимому, одна из возможных причин - отсутствие методов испытаний на растяжение сварных соединений для труб малого диаметра.

Отмеченные в существующих нормативных актах недостатки по определению свойств сварного соединения труб ТВЧ и обусловили постановку и проведение исследований с целью разработки метода оценки свойств сварного шва по длине трубы ТВЧ любых диаметров.

При сварке труб ТВЧ в сварном соединении под воздействием термического цикла сварки происходят структурные превращения, обусловливающие механическую неоднородность зон сварного шва, зоны сплавления и участков зоны термического влияния. Непосредственно к сварному шву примыкают участки с повышенными прочностными характеристиками. Размеры зоны сварного шва в зависимости от толщины стенки трубы могут колебаться от 0,08 до 0,3 мм. Структура металла шва на шлифе выделяется в виде "светлой прослойки", а по механическим свойствам классифицируется как "мягкая прослойка". Появление мягкой прослойки в сварном соединении труб ТВЧ связывают с диффузией углерода к нагреваемым поверхностям, выгоранием его, а также с выдавливанием из зоны двухфазного состояния жидкой фазы, обогащенной углеродом. В данном случае мягкая прослойка становит-

ш о

о м

ся базовым участком в сварном соединении труб ТВЧ, £ определяющим гарантированное обеспечение пре- е« дельной несущей способности не только сварного со- ь единения, но и всей трубы в условиях ее нагружения 3 внутренним давлением.

С учетом данного положения и был разработан метод оценки механических свойств сварного шва труб ТВЧ, позволяющий определить характеристики сварного шва не только в локальных зонах, но и по всей длине трубы.

Методика исследования образцов с целью оценки стабильности свойств сварного шва по длине трубы заключается в испытании кольцевого образца длиной, равной одному (для труб диам. более 114 мм) или двум диаметрам (для труб диам. до 114 мм вкл.). На торце образца по оси сварного шва фрезерованием наносят \/-образный надрез глубиной 5 мм. Подготовленный образец испытывается на раздачу конусом при распространении трещины в зоне сварного шва на заданную длину. Контролируется угол раскрытия трещины сварного шва (норматив - угол 10°, при котором разрушение трубы происходит вне зоны сварного соединения).

Для оценки стабильности свойств сварного шва по длине трубы она предварительно разрезается на отдельные образцы, которые испытываются на раздачу с последующим определением угла раскрытия трещины, по которому устанавливается стабильность свойств сварного шва по всей длине трубы. Нормативный коэффициент вариации раскрытия трещины сварного шва должен быть не более 0,25. Испытания кольцевых образцов конусной оправкой на раздачу можно проводить для труб практически любых диаметров.

Разработанный метод оценки свойств сварного шва труб ТВЧ, как в локальных зонах, так и по всей длине трубы находит широкое применение в исследовательской и заводской практике. Данная методика может быть использована для:

- проведения приемосдаточных испытаний труб;

- оценки пригодности новых сталей и технологий производства труб ТВЧ;

- выбора оптимальных режимов сварки, формовки, калибровки и термической обработки труб ТВЧ или сварных соединений;

- аттестации сварщика-оператора стана ТЭСА;

- анализа причин разрушения труб при их производстве и эксплуатации.

Некоторые результаты исследований по оценке стабильности свойств сварного шва труб ТВЧ, изготовленных на различных трубных заводах, представлены на рис. 2 и в таблице. Испытывались трубы длиной до 6 м и труба из Японии длиной около 2 м. Из каждой трубы изготовлялось и испытывалось по 10 и 30 образцов соответственно.

Анализ данных свидетельствует о том, что самый высокий уровень свойств сварного шва по длине труб характерен для труб ТВЧ, изготовленных в Японии и на ПНТЗ. Для труб размером 60x3 мм (Япония) средний

56 [ НАУКА, ТЕХНИКА, ПРОИЗВОДСТВО ИИИИИИИИИИИИИИИИИИИММ11И11111111111111|||||1Ш II.....

ю о о <м

ь угол раскрытия сварного шва - 30°, а трубы размером § 33,5x3 мм (ПНТЗ) - 28°. Соответственно коэффициент £ вариации, характеризующий стабильность свойств ^ сварного шва, равняется 0,12 и 0,17.

Относительно более низкий уровень сопротивляемости разрушению сварного шва присущ трубам ТВЧ размером 159x5 мм предприятия "Южуралстальпро-кат" (средний угол раскрытия сварного шва около 20° при коэффициенте вариации 0,21). Самый низкий уровень качества труб ТВЧ выявлен на предприятиях "Уфа-ПромГаз" и "Южуралстальпрокат" (трубы размером 108x4 мм и 114x5 мм соответственно). При испытаниях образцов из трубы размером 114x5 мм наблюдалось

ее хрупкое разрушение, трещина распространялась с большой скоростью и угол раскрытия трещины во многих случаях не фиксировался (имел нулевое значение). Установлены причины низких свойств сварного шва этих труб. Для трубы размером 108x4 мм основная причина - неоптимальные режимы сварки, а для трубы размером 114x5 мм ошибочно использовалась средне-углеродистая сталь 30 с неудовлетворительной свариваемостью. Как показала повторная проверка, после отработки технологии и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком