5.3 Физические свойства сталей основного и плакирующего слоя двухслойного проката

Параметры	Температура, °С	Марка стали
			15К	12МХ	Х18Н10Т	Х17Н13М2Т
Коэффициент линейного растттирениа D • 106	20 - 100 20 - 200	11,6 12,6	11,8 12,1		16,6 17,0	16,5

расширения а • 106	20 - 300	-	13,1	12,7	17,2	-
	20 - 400	13,0	13,3	12,9	17,5	-
	20 - 500	-	13,7	13,2	17,8	-
	20 - 600	14,6	13,85	13,5	18,1	-
	0 - 100	0,111	0,112	-	0,12	0,12
Теплоемкость	0 -200 0 -400 0 -600	0,114 0,122 0,135	0,115 0,125 0,136	-	-	-
		0,136	0,136	0,12	0,039	0,04
Теплопроводность	200 400	0,126 0,107	0,126 0,107	0,12 0,116	0,042 0,051	-
		0,090	0,090	0,110	0,059	-
Удельный вес	-	7,85	7,85	7,85	7,90	7,95

Для аппаратов общего назначения обычно используют материалы, скорость коррозии которых в данной среде не превышает 1,0 мм/год.

Листовая двухслойная сталь поставляется и может быть применена для изготовления аппаратов только в термически обработанном состоянии и при отсутствии отслоения плакирующего слоя от основного. Качество свариваемости слоев (прочность сцепления) определяется испытаниями на срез по установленным методикам испытаний. Данный показатель, как правило, устанавливается не ниже 150 МПа.

Поверхность плакирующего слоя рекомендуется иметь травленой, чистой, без раковин и закатов. Для защиты этой поверхности от повреждений при транспортировке, изготовлении и эксплуатации рекомендуется покрывать ее специальной пленкой полимерной структуры.

Наибольшей коррозионной стойкостью при прочих равных условиях обладает полированная или тонкошлифованная поверхность. При нарушении целостности пассивной пленки возникают очаги местной коррозии.

При конструировании и изготовлении аппаратов с применением двухслойных сталей особое значение приобретают температурные деформации в результате термических напряжений, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации изделий, а также вследствие существенной разницы в коэффициентах линейного расширения основного и плакирующего слоев. С этой стороны более благоприятен плакирующий слой из хромистой стали, например 12МХ, чем из аустенитных хромоникелевых или хромоникельмолибденовых сталей (Х18Н10Т, Х17Н13М2Т). Как видно из табл. 5.3 коэффициент линейного расширения хромистой стали примерно такой же, как и у основного углеродистого слоя, тогда как у хромоникелевых сталей этот параметр отличается почти на 50 %.

Исследования последних лет дают основание рекомендовать применение биметалла с плакирующим слоем из аустенитных хромоникелевых сталей для аппаратов, работающих при температуре до 450 °С, а иногда и выше.

Так, по данным иностранных источников, в США более 250 биметаллических аппаратов эксплуатируются в нефтяной промышленности с рабочей температурой до 540 °С.

5.3.2 ОСОБЕННОСТИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Все заготовительные операции, выполняемые методами холодной и горячей обработки, производят в основном теми же способами и на том же оборудовании, что для обычных углеродистых конструкционных сталей. Отличием являются особые меры, применяемые в целях предохранения плакирующего слоя от механических повреждений, загрязнения окалиной и ржавчиной от углеродистой стали. Поэтому для проведения заготовительных операций (правка, разметка, резка), а так же при проведении межоперационной транспортировки листы двухслойной стали располагают плакированным слоем вверх. В противном случае их защищают деревянными или алюминиевыми прокладками.

Перед проведением работ с биметаллическими материалами необходимо провести контроль возможного отслоения плакирующего слоя любыми известными способами. При обнаружении отслоения эти участки вырубают, а затем восстанавливают, например, наплавкой соответствующими электродами с зачисткой заподлицо с поверхностью плакирующего слоя.

Правку листов двухслойных сталей проводят на листоправильных вальцах, при чем листы располагают плакированным слоем вверх, а верхние валки дополнительно очищают от ржавчины и обезжиривают. Допускается ручная правка со стороны основного слоя без нагревания и с защитой плакирующего слоя алюминиевыми или медными листами.

Разметку ведут на столах, имеющих деревянное покрытие. При разметке с последующей резкой на гильотинных ножницах ее производят со стороны слоя с обязательным удалением разметочных рисок и кернов при последующей механической обработке.

Резку листов двухслойной стали можно производить как механическим, так и огневым способами.

Наиболее рациональным представляется механическая резка на гильотинных или дисковых ножницах. Лист при этом размещают плакирующим слоем вверх для предохранения его от отслоения при резке. Заусенцы образуются после резки на основном металле, в то время как на плакирующем образуется лишь небольшая вмятина.

Обычно после резки проводят механическую обработку кромок (строгание, фрезерование, точение), поэтому в большинстве случаев (особенно для толстолистового материала) биметалл подвергают газовой (кислородной) резке. Поверхность биметалла в зоне разделения готовят путем частичного удаления плакирующего слоя (рис.

5.24).

Процесс кислородной резки без местного удаления плакирующего слоя затрудняется вследствие образования тугоплавкого окисла Сг₂0₃, который препятствует проникновению кислорода к основному металлу и нарушает непрерывность процесса газовой резки. Поэтому в этом случае резку ведут со стороны основного слоя.

После резки термическим способом кромки биметалла обязательно подвергают механической обработке, при этом снимают припуск не менее 5 ... 10 мм. Это позволяет удалить дефекты, возникающие при резке, а также зоны термического воздействия на плакирующий слой.

Двухслойные стали и биметаллы требуют особого подхода при создании технологии их обработки давлением (гибка). Ранее отмечалось, что для этих материалов характерно различие механических и физических свойств слоев, а также наличие в зоне сварки промежуточной зоны, отличающейся по своим свойствам от составляющих композиции.

Различие механических свойств слоев биметалла вызывает образование из-за различных напряжений таких дефектов, как гофры, складки, расслоения, а также служит причиной коррозионного растрескивания.

Различные значения коэффициентов линейного расширения и теплопроводности могут явиться причиной коробления и расслоения при нагреве заготовок. При нагреве возникает также термобиметаллический эффект, проявляющийся в изменении геометрии изделий при пластическом изгибе.

Причиной трещин и расслоений может стать зона с особыми свойствами (повышенная хрупкость из-за наличия интерметаллов) на границе слоев биметалла.

Процесс пластического изгиба двухслойного листа существенно отличается от процесса изгиба однослойных металлов. Основные параметры пластического изгиба (изгибающий момент, пружинение, положение нейтрального слоя) зависит от соотношения механических свойств и толщин основного и плакирующего слоев, а также от варианта гиба, т.е. в сжатой или растянутой зоне находится плакирующий слой. Пластические деформации начинают развиваться прежде в материале с более низким пределом текучести и более отдаленных от нейтрального слоя волокнах материала. Как видно на рис. 5.25 эпюры распределения напряжений характеризуются наличием скачка тангенциальных напряжений на границе слоев.

На положение нейтральной линии оказывает влияние отношение радиуса гиба к толщине листа, а также различие механических свойств основного и плакирующего слоев. Радиус нейтральной линии при гибке двухслойной стали определяется:

растяжение

5.4 Значение коэффициента т

5.4 Значение коэффициента т

	т	5г_ 5	т		т
0,1	0,32		0,455	5 - 8	0,49
0,25	0,35		0,47	8 - 12	0,495
0,5	0,38		0,475	Свыше 12	0,5
	0,42		0,48

Время нагрева заготовок перед гибкой принимается из расчета 2 мин на 1мм толщины, но не менее 15 мин.

При стыковом соединении двухслойных сталей различной толщины предусматривается плавный переход от одного элемента к другому. Угол скоса (не более 15°) выполняют со стороны основного слоя.

Смещение кромок в соединениях из биметалла не должно превышать 10 % номинальной толщины более тонкого листа, но не более 3 мм со стороны основного слоя и не более 50 % толщины коррозионностойкого слоя. При наложении сварочных прихваток при сборке биметаллов их выполняют со стороны основного слоя.

Обработку кромок биметаллических листов под сварку проводят, как правило, механическим способом: прямолинейных - на кромкострогальных и кромкофрезерных станках, цилиндрических - на токарно-карусельных и токарно-лобовых станках.

Определенную сложность вызывает обработка торцевых кромок биметаллических конусов и днищ, которые имеют значительные отклонения от цилиндрической формы. Для обработки таких деталей аппаратов используют специальное копирующее устройство, показанное на рис. 5.26.

Если при обработке кромки, например днища, копирующий ролик 1 катится по увеличивающемуся диаметру, то пружина 2 прижимает его к кромке борта, и он движется от центра планшайбы. При движении по уменьшающемуся диаметру кромка днища смещает ролик к центру планшайбы, сжимая пружину. Копируя все отклонения от цилиндричности по кромке днища, резец 3, жестко соединенный с роликом, с достаточной точностью производит обработку фаски.

При снятии двусторонней фаски применяют оправку с полукруглой образующей ролика большего диаметра и резцедержателем на два резца. При этом ролик катится не по кромке, а по борту детали

(рис. 5.27).

Рис. 5.26 Копирующее устройство для снятия односторонней фаски

Рис. 5.26 Копирующее устройство для снятия односторонней фаски

Если применение копирующих устройств затруднено, например, при обработке лепестковых днищ из-за наличия усилений швов, то применяют пневматические зубила или газопламенную обработку.

5.3.3 СВАРКА ДВУХСЛОЙНЫХ СТАЛЕЙ

Все сварные швы биметаллических обечаек и других деталей аппаратов выполняют только стыковыми. Для обеспечения необходимого качества сварки на размеры двухслойных обечаек и днищ установлены жесткие допуски. Величины предельных отклонений по длинам окружности приведены в табл. 5.5.

Трудности, возникающие при сварке двухслойных сталей, определяются необходимостью применения различных технологических приемов для сварки основного и плакирующего слоев. Необходимо также выполнение не только требований механической прочности, но и коррозионной стойкости соединения.

Наличие в сварном соединении двух разнородных металлов с различными свойствами, которые в процессе сварки неизбежно перемешиваются, вызывают образования в структуре материала шва малопластичных интерметаллидных структур.

При сварке со стороны основного слоя возможно некоторое проплавление металла плакирующего слоя и легирование шва хромом и никелем, что нередко вызывает трещины и потерю прочности соединения.

При сварке со стороны плакирующего слоя высоколегированный слой разбавляется углеродистой сталью, что приводит к снижению коррозионной стойкости и появлению кристаллизационных трещин. В целях предотвращения проплавления плакирующего слоя для сварки основного углеродистого слоя при подготовке кромок удаляют часть плакировки или прибегают к наложению так называемого разделительного шва (рис. 5.28).

5.5 Допуски на изготовление обечаек и днищ из двухслойных сталей, мм

Толщина листа	Допускаемые отклонения по длине окружности обечайки при диаметре
	до 2000	свыше 2000
До 20	± 3	± 5
22 - 28	± 4
30 - 38	± 6
Свыше 40	± 8

Для сохранения степени легирования при сварке со стороны легирующего слоя применяют присадочные материалы с повышенным содержанием легирующих добавок хрома и никеля. Доля основного металла в составе плакирующего шва не должна превышать 20 . 30 %.

Сварку продольных и кольцевых швов аппаратов из двухслойных сталей выполняют следующими методами:

• ручной сваркой основного и плакирующего слоя;

• автоматической сваркой обоих слоев;

• автоматической сваркой основного слоя и ручной сваркой разделительного и плакирующего слоев (комбинированный способ).

Ручная сварка является трудоемким и низкопроизводительным методом. Однако он незаменим при монтаже и ремонте оборудования.

Разделку кромок выполняют со стороны основного слоя: при толщине листа до 20 мм с 9-образной разделкой и с 8-образной при больших толщинах (табл. 5.6).