Термообработка сварных швов и соединений

 Для создания крупных магистральных трубопроводов используют коллекторы с большим внутренним диаметром. Это применяется в теплосетях и системах водоснабжения. Из-за большого веса проходящей жидкости возрастает и давление на стенки коммуникации. Поэтому последние выполняются из материалов достаточной толщины, чтобы выдерживать большие нагрузки. Но это создает новую проблему — сложно качественно сварить стороны с такой толщиной, обеспечив длительную последующую эксплуатацию. При такой массе изделия прогрев достигает сравнительно небольшой зоны, что приводит к ряду физических процессов, неблагоприятно сказывающихся на дальнейшем использовании материала. Для решения этой проблемы разработана и применяется термообработка сварных соединений. Что это такое? В каких случаях необходима термообработка после сварки? Каким оборудованием и как выполняется процесс?

Суть и предназначение процесса

Сварочный шов создается электрической дугой и присадочным материалом с электрода при температуре от 1500 до 5000 градусов. Это приводит к нескольким негативным явлениям на толстом металле. А именно:

• Непосредственно в месте соединения основного и присадочного материалов происходит значительный перегрев. Это содействует кристаллизации металла с крупной зернистой структурой, что снижает его пластичность. Выгорание марганца и кремния тоже подвергает эту область преобразованию в жесткий участок, плохо взаимодействующий, при естественных расширениях, со всей конструкцией.
• Немного дальше от шва образуется зона закалки. Она испытывает значительный, но меньший перегрев, чем предыдущий участок, поэтому в ней происходит закаливание некоторых элементов. Этот участок характеризуется включениями с высокой твердостью и сниженной пластичностью. Ухудшаются показатели металла и по ударной вязкости.
• На удаленном расстоянии от шва появляется зона разупрочнения. Благодаря непродолжительному воздействию умеренной температуры от электрической дуги, данный участок сохраняет высокую пластичность, но снижаются характеристики по прочности.

Общим дефектом после сварки являются остаточные напряжения в металле, которые способны деформировать изделие. Из-за этого возникают трудности при монтаже объемных конструкций, где требуется точность при стыковке новых узлов. Остаточное напряжение вызывает и последующее образование трещин, что недопустимо для швов трубопроводов. В сочетании с высокой температурой, это способствует снижению коррозионной устойчивости, циклической прочности, и способности сопротивляться хрупким разрушениям в условиях холода.

Термообработка сварных швов выполняется при температуре от 700 до 1000 градусов. Это позволяет устранить последствия неравномерного прогрева при дуговой сварке на толстых металлах, чем повышает надежность будущих коллекторов и магистралей трубопроводов. Труба и наложенный шов приобретают более похожую структуру, и лучше взаимодействуют во время естественных физических процессов (расширения и сужения материалов, воздействия влаги и т.д.).

Термообработка сварных соединений трубопроводов происходит в три этапа:

• нагрев околошовной зоны или всего изделия одним из нескольких видов оборудование;
• выдержка материала на заданной температуре в течении определенного времени;
• последующее планомерное охлаждение до нормальных температур.

Это нейтрализует остаточные явления от сварки, выравнивая структуру металла, и снимая напряжение в металле, способствующее деформации. Процесс может выполняться несколькими способами, а технология разнится в зависимости от типа и толщины металла. Не все сварные соединения необходимо подвергать термообработке, но в некоторых случаях она является обязательной.

Что и когда подвергается термической обработке

Нейтрализации остаточных явлений от электродуговой сварки необходимо подвергать все трубопроводы диаметром от 108 мм, имеющими стенку 10 мм и более. Для этого используют индукционный нагрев изделия током с частотой 50 Гц. Термообработка способна воздействовать на металл трубы со стенкой 45-60 мм, для чего применяют гибкие электронагревательные проволоки или муфельные печи. Если толщина стенки конструкции не более 25 мм, то можно использовать газопламенный способ нагрева. Во всех случаях важен фактор равномерности распределения температуры во все стороны от сварочного соединения.

Стыки, выполненные с применением труб из стали 12XIMФ и ее разновидности 15XIMIФ, имеющие толщину стенки магистрали 45 мм должны подвергаться термической обработке сразу после окончания сварочных работ. Охлаждение материала не должно допускаться до температуры 300 градусов. Стыки из аналогичных сталей на трубах с диаметром 600 мм, при стенке 25 мм, обрабатываются в этот же временной период. В случае невозможности выполнить процесс, соединение необходимо укрыть слоем теплоизоляции 15 мм, а при первой же возможности произвести обработку. Максимальный срок на проведение этих работ составляет трое суток.

Термообработке необходимо подвергать не только кольцевые швы на трубопроводе, но и вваренные отводы, краны, заглушки. Крепление под участок трубы, которое присоединялось посредством сварки, тоже необходимо обработать нагревом.

Режимы процесса

Разные виды стали подвергаются термообработке в конкретный временной промежуток. Влияет на режим и толщина стенки изделия. На хромомолибденовых сталях и их сплавах с ванадием применяется нагрев индукционным способом, с частотой тока в 50 Гц и выше, или радиационным методом по следующим показателям:

Толщина стенки, мм	Радиационный способ, минуты	Индукционный способ, минуты
До 20	40	25
21-25	70	40
26-30	100	40
31-35	120	60
36-45	140	70
46-60	160	90
61-80	160	110
81-100	160	140

Виды оборудования

Термообработка выполняется несколькими видами средств, выбор которых зависит от толщины свариваемых труб и местной доступности оборудования. Выделяются три основные способа нагрева околошовной зоны.

Индукционный

На рабочем месте устанавливается аппарат, вырабатывающий переменное высокочастотное напряжение. К нему подсоединяется нагревательный элемент, которым служит гибкий провод. Последний наматывают на сварочное соединение, предварительно укутанное асбестом для теплоизоляции. Эту технологию можно применять независимо от положения трубы в пространстве (вертикального или горизонтального).

Намотку провода производят вплотную к изолятору, а между витками оставляют зазор в 25 мм. Таким образом должно быть покрыто по 250 мм участка трубы с каждой стороны шва. После правильного наложения витков аппарат включается на время, предназначенное для конкретной толщины стенки трубопровода. Напряжение, проходя через витки провода, создает индукцию и разогревает изделие. Похожим способом выполняется и накладка цельных поясов, содержащих внутри себя ряд проводов, которые сразу покрывают нужную ширину трубы.

https://www.youtube.com/watch?v=IjuKarv04Ec

Радиационный

Вторым распространенным способом термической обработки сварных соединений является радиационный метод. Здесь тепловой эффект исходит от специальных нихромовых проводов, по которым идет напряжение, и околошовную зону греет непосредственно тепло от провода, а не индукция тока, как в первом способе. Тэн укладывают на основу из теплоизоляции.

Газопламенный

Самым дешевым способом выполнить термическую обработку сварного шва является пламя от горения смеси ацетилена и кислорода. Это подходит для труб с диаметром не более100 мм. На горелку устанавливается мундштук с крупным отверстием. Для равномерности подачи тепла от пламени на сопло одевается асбестовая воронка, распределяющая пламя по ширине в 250 мм. Правильный нагрев производится одновременно двумя горелками, работающими с каждой стороны.

Виды термообработки

Тепловое воздействие на сварочное соединение и прилегающую зону может выполняться по разной технологии для достижения определенных целей. Вот основные процессы и их влияние на изделие:

• Термический отдых. Трубопровод подвергают нагреву до 300 градусов с удержание этой температуры до 120 минут. Это действие способствует снижению содержания водорода в шве, и частичному снятию остаточного напряжения. Метод применяется на особо толстостенных изделиях, где невозможно выполнить другие техники термообработки.
• Высокий отпуск. Трубу и сварной шов нагревают до температуры 600-700 градусов. Выдержка происходит в течении 1-3 часов в зависимости от толщины стенки. Вследствие чего остаточное напряжение снижается до 90%. В низколегированных сталях разрушается закалочная структура, а карбиды становятся крупнее. Это приводит к повышению пластичности и ударной вязкости. Чаще всего этот вид термообработки применяют на сталях перлитного класса.
• Нормализация. Шов и трубу нагревают до 800 градусов, но на короткое время (выдержка от 20 до 40 минут). Это частично убирает напряжение в металле, но главным образом придает однородность и мелкозернистую структуру, что улучшает механические свойства. Такая технология используется на тонкостенных трубах небольшого диаметра.
• Аустенизация. Разогрев материала до 1100 градусов с длительным удержанием температуры (около двух часов) и последующим остыванием на воздухе. Реализуется на высоколегированных сталях для снижения остаточного напряжения и повышения пластичности.
• Стабилизирующий отжиг. Трубопровод с наложенным швом разогревают до 970 градусов с выдержкой до 180 минут. Охлаждение выполняется естественным образом на воздухе. Метод предупреждает возникновение межкристаллической коррозии на высоколегированных сталях.

Применение термообработки на трубопроводах из различных металлов значительно продлевает их срок эксплуатации. Для успешного использования метода важно правильно подбирать температуру, время выдержки и способ нагрева.