УДК 669.14.018.295:621.791
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЗОНУ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ТРУБНОЙ СТАЛИ К70 ПРИ ДВУХПРОХОДНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМ
© Круглова Александра Анатольевна, канд. техн. наук; Орлов Виктор Валерьевич, д-р техн. наук; Шарапова Динаида Михайловна
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». Россия, Санкт-Петербург. E-mail: victorm@crism.ru Статья поступила 23.07.2013 г.
Имитационное моделирование использовано для исследования структуры металла в зоне термического влияния (ЗТВ) при сварке под флюсом труб. Установлена взаимосвязь между наблюдаемыми низкими значениями работы удара и особенностями формирования структуры в ЗТВ при сварке под флюсом труб из низколегированных сталей категории прочности К70. Показано, что появление хрупких выделений с повышенным содержанием основных легирующих элементов на границах крупных зерен является причиной низкой работы удара в области крупного зерна ЗТВ при сварке стали К70. Появление таких участков связано с повторным нагревом (имитирующим второй проход при прокатке) в область температур несколько ниже точки Aev Понижение скорости охлаждения в первом термическом цикле (что соответствует росту погонной энергии при сварке) способствует укрупнению выделений по границам зерен. Для повышения и стабилизации работы удара в ЗТВ сварного соединения следует рекомендовать многопроходную сварку и снижать погонную энергию прохода для исключения образования данных областей.
Ключевые слова: низколегированные стали; термический цикл; имитационное моделирование; структура; свойства; трубы; сварка; зона термического влияния (ЗТВ).
Трубопроводы для транспортировки углеводородного сырья - это крупные потенциально экологически опасные сооружения, для строительства которых применяются материалы, обеспечивающие при эксплуатации высокую работоспособность магистральных труб и экологическую безопасность объектов в целом. Используемый в последние десятилетия подход к повышению пропускной способности магистралей за счет увеличения диаметров труб практически исчерпал себя. Дальнейший рост эффективности трубопроводов возможен за счет повышения рабочего давления в магистралях, что может быть реализовано только благодаря широкому применению трубных сталей высокой прочности. К газо- и нефтепроводам высокого давления предъявляются самые высокие требования по обеспечению надежности и безопасности их функционирования [1-3].
ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с ЦНИИ-чермет и ЧерМК ОАО «Северсталь» разработан ряд высокопрочных трубных сталей различных классов прочности [4-8], применение которых в магистральных трубопроводах не может быть осуществлено без всестороннего изучения их свариваемости, в частности, чувствительности основного металла к термическому воздействию при сварке.
В соответствии с принятой технологией изготовления трубы имеют один продольный шов.
Для увеличения производительности процесса изготовления труб применяется многодуговая сварка под флюсом. Сварку кромок листа осуществляют в следующем порядке:
- предварительный технологический шов;
- первый проход с внутренней стороны трубы;
- второй проход с наружной (лицевой) стороны.
До сварки внешнего и наружного швов выполняется предварительный технологический шов за один проход с целью устранения зазоров в стыке перед автоматической сваркой для предупреждения дефектов в виде прожогов и вытекания сварочной ванны. Этот шов впоследствии удаляется (выплавляется) при сварке наружного шва. Сварку внутреннего и наружного сварных швов ведут четырьмя и пятью дугами с погонной энергией порядка 4,4-5,5 кДж/мм в зависимости от сечения и расположения шва (внутренний или наружный). Повышение погонной энергии сварки приводит к формированию более широкой зоны термического влияния (ЗТВ).
Для обеспечения высоких требований, предъявляемых к трубам, были проведены исследования сварных соединений высокопрочных трубных сталей, в частности, металла в области ЗТВ. Анализ структур ЗТВ реальных сварных соединений труб позволил выявить некоторые особенности ЗТВ: в структуре металла ЗТВ, подвергшегося термическому воздействию при сварке наружно-
Рис. 1. Микроструктура стали марки К70 в ЗТВ около линии сплавления
Таблица 1. Результаты испытаний на ударный изгиб сварных соединений труб категории прочности К70
Характеристики
Температура испытаний, °С Металл шва Линия сплавления Линия сплавления + 2 мм в ЗТВ
работа удара КУ, Дж КУ , ср Дж работа удара КУ, Дж КУ , ср Дж работа удара КУ, Дж КУ , ср Дж
171,4 70,0 205,9
-30 166,6 173,4 61,9 66,3 210,6 202,3
182,2 66,9 190,4
160,5 44,6 -
-40 167,3 165,0 39,4 40,5 -
167,1 37,5 -
133,6 34,9 36,7
-60 143,8 142,0 43,5 38,3 48,0 45,5
148,6 36,6 51,7
Требуемые значения КУ на образцах, вырезанных из металла сварного шва, линии сплавления и ЗТВ труб категории прочности К70 толщиной до 27 мм: среднее значение из трех испытаний КУ = 65 Дж; минимальное значение КУ = 47 Дж.
Рис. 2. Макро (а) и микрошлиф (б) сварного соединения при двухпроходной сварке
го прохода после сварки внутреннего, наблюдаются выделения в виде сплошных окантовок зерен, схожие с выделениями карбидов, которые по мере приближения к линии сплавления постепенно исчезают (рис. 1). Следует отметить, что при однопроходной сварке такие выделения в структуре ЗТВ отсутствуют.
Испытания на ударный изгиб в диапазоне (-30)-(-60) °С образцов, вырезанных из ЗТВ сварных соединений труб*, показали, что отдельные значения не соответствуют действующим требованиям нормативной документации (табл. 1). На основе сопоставления этих фактов было выдвинуто предположение о возможной взаимосвязи между наблюдаемыми низкими значениями работы удара (КУ) в ОШЗ и особенностями формирования структуры под воздействием термического цикла в ЗТВ при двух-проходной сварке. При Х-образной разделке и принятой для труб технологии автоматической многоэлектродной двухпроходной сварке под флюсом в ОШЗ существуют области основного металла, где температура дважды повышается выше критических точек. Такой областью является средняя часть ОШЗ (корень шва), что хорошо иллюстрируется фотографиями шлифов (рис. 2).
При исследовании ЗТВ высокопрочных низколегированных сталей в зависимости от температуры нагрева ее условно делят на четыре области [9, 10]:
- крупного зерна (Ттах > 1200 °С);
- полной перекристаллизации (Т = 1200 °С-
- Асз); тах
- частичной перекристаллизации (Ттах = Ас3 - Ас:);
- отпуска (Ттах < Ас1).
Непосредственно к шву примыкает узкая область, в которой металл нагревается выше темпе-
* Работа выполнена совместно с О.П.Виноградовым.
ратуры солидус Т, но ниже температуры ликвидус, и находится в процессе сварки в состоянии неполного расплавления, - это зона сплавления, ширина которой редко превышает 0,1 мм [9].
С другой стороны к зоне сплавления примыкает первый участок ЗТВ - область перегрева, в которой металл нагревается выше 1200 °С, что приводит к образованию крупнозернистой структуры.
В области нагрева, ограниченной интервалом Ас3-Тс, по мере удаления от зоны сплавления крупнозернистая структура ОШЗ постепенно измельчается. Конечная структура металла, нагревающегося выше Ас3, зависит от времени пребывания металла при температуре выше Ас3, и от скорости охлаждения, причем при многопроходной сварке металл в этой области может претерпевать многократный отпуск.
Третья область ЗТВ нагревается при сварке до температур, находящихся в интервале от Ас1 до Ас3. Здесь в структуре стали наряду с крупными зернами могут наблюдаться и более мелкие, расположенные по границам крупных зерен, в целом же участок можно определить как область, имеющую максимально дисперсную структуру.
В четвертой области ЗТВ, нагрев которой происходит до температуры выше 500 °С, но несколько ниже Ас1, может происходить разупрочнение металла, связанное с процессами отпуска, где происходят аннигиляция и полигонизация дислокаций, а также возможна коагуляция карбидных фаз [11, 12].
Цель работы - исследование влияния воздействия термических циклов при имитационном моделировании двухпроходной сварки на структуру металла ЗТВ сварных соединений продольных стыковых швов труб из стали категории К70.
Имитационное моделирование термических циклов при сварке осуществляли на образцах из стали К70 следующего химического состава, мас. %: С 0,06; 0,28; Мп < 2,0; М+Си+Мо+Сг <0,1; Т1+ЫЬ+У 0,085; Б 0,001; Р 0,006; С 0,45%; Р 0,2%. Требования по механическим свойствам
ст *
приведены ниже:
а, МПа 590-690
т'
а , МПа 690-790
в
а /а <0,90
тв
А5, % >16
XV, среднее значение из трех испытаний, Дж 80
XV . , Дж 60
Ш1П ' '
Металлургический показатель свариваемости С и параметр трещино стойкости Р для
экв * * * ' ст ^
этой стали позволяют вести сварку без подогре-
14 20 16 12 8 4
Т= 1520°С
Шов 1
0
4
8
12
16 у, мм
Рис. 3. Схема распределения температуры в ЗТВ при двухпроходной сварке (точками на схеме указаны области исследования) [10]
ва [10] (в противном случае подогрев нужно было бы учитывать при моделировании термических циклов).
Учитывая, что влияние термического цикла второго прохода должно в максимальной степени повлиять на изменение свойств области крупного зерна в ЗТВ первого прохода, исследовали образцы после имитации термических циклов, характерных для различных точек участка, где ЗТВ от первого прохода перекрывается ЗТВ от второго прохода (область соединения, в которой изотермы ЗТВ образуют сетку - см. схему на рис. 3).
Поскольку имитационное моделирование проводили применительно к трубам одной толщины, то изменения скоростей охлаждения образцов-имитаторов коррелируют с изменением погонной энергии 0 :
0 = и I /и , п
^п д д св'
где ид - дуговое напряжение, 1д - сварочный ток, исв - скорость сварки.
При постоянной погонной энергии увеличение толщины трубы приводит к росту скорости охлаждения металла в ОШЗ и уменьшению протяженности ЗТВ. Рост погонной энергии и увеличение ширины ЗТВ (и, соответственно, каждой из областей ЗТВ) вызывает снижение скорости охлаждения. В связи с этим представляло интерес исследование структуры металла при сравнительн
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.