книги из ГПНТБ / Биметаллические трубы

углеродистой стали от воздействия кислот (в случае высоких требо­ ваний к качеству поверхности). Во избежание ржавления поверх­ ности углеродистой стали из армко-железа должна применяться межоперационная и окончательная консервация, особенно на предготовом и готовом размерах.

Отделка готовых труб

Готовые биметаллические трубы подвергают термической обра­ ботке в проходных печах с защитной атмосферой (сталь + цветной

с наружным слоем армко-железа], на электроконтактных установ­ ках с продувкой внутреннего канала защитным газом [ЭИ847 + армко-железо (внутри) при толщине стенки менее 0,5 мм] и в вакуум­ ных печах. Термически обработанные трубы правят на косовалковых правильных станах. Правка значительно уменьшает овальность труб со стенкой менее 0,5 мм, а кривизна труб после правки состав­ ляет 0,1—0,2 мм на длине 500 мм. Кривизна труб всех сочетаний металлов с толщиной стенки более 0,5 мм после правки достигает 1,5 мм на длине 1 м. Контроль качества готовых биметаллических труб производится ОТК заводов-изготовителей в соответствии с тре­ бованиями соответствующих ГОСТов и ТУ. Внутренняя поверх­ ность труб контролируется перископом или визуально. Контроль качества и сплошности сварки производится при испытании на сплющивание концов труб по ГОСТ 8695—58 и ультразвуковым мето­ дом по всей длине. Кроме этого, трубы подвергаются испытанию на раздачу по ГОСТ 8694—58 и на загиб по ГОСТ 3728—66. При этом не допускается отслоение плакирующего слоя от основного. Эти испытания служат также критерием технологических свойств металла труб.

Кроме того, осуществляется контроль суммарной толщины стенки и толщины плакирующего слоя приборами по всей длине (трубы высокой точности) или микрометром по торцам (трубы обычной точ­ ности). Биметаллические трубы с плакирующим или основным слоем из нержавеющих сталей аустенитного класса подвергаются испыта­ ниям на склонность к межкристаллитной коррозии по методу AM ГОСТ 6032—58.

Толщина стенки труб высокой точности выдерживается в допу­ сках (±0,03)-=-(±0,05) (в зависимости от толщины стенки), а труб обычной точности (сталь + цветной металл) — (±0,15)-^(±0,3) мм. Толщина плакирующего слоя соответственно — (±0,01)н-(±0,03) и (±0,08)н~(±0,2 мм). В случае изготовления труб из горячепрессо­ ванной или горячекатаной заготовки предельные отклонения по суммарной толщине стенки возрастают примерно в 1 , 1— 1 , 2 раза, а по толщине плакирующего слоя до 1,5 раза.

Основными видами брака являются:

расслоение как следствие попадания на контактную поверхность

112

труб жидкости при переделах (химическая подготовка, смазка, травление) и неправильного подбора свойств сочленяемых в двух­ слойные заготовки металлов;

локальное расслоение (пузыри) — от попадания на поверхность загрязнений, масла, жира, продуктов травления, неправильного изготовления заготовки, грубого ремонта;

задиры, риски — применение некачественного инструмента и смазки; некачественная подготовка заготовки (окалина, продукты травления, заусенцы и пр.);

вмятины, плены, трещины — применение некачественной смазки, дефекты металла, перегрев металла.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ ТЕРМОДИФФУЗИОННОЙ СВАРКОЙ

Как уже отмечалось, в отечественной и зарубежной промышлен­ ности применяется несколько технологических схем производства биметаллических труб термодиффузионной сваркой, отличающихся главным образом сочетанием операций и последовательностью их осуществления.

Так, на Оснабрукском медном заводе для получения прочной диффузионной сварки слоев сочлененные исходные трубы подвер­ гают многократному волочению на короткой оправке с промежуточ­ ными термическими обработками. По такому способу изготовляются трубы из углеродистой стали, плакированной медью или бронзой, диаметром 20—40 мм с толщиной стенки 2—5 мм при толщине пла­ кирующего слоя до 1 мм.

В США при изготовлении биметаллических труб нержавеющая сталь + медь (изнутри) применяется следующая технология термо­ диффузионной сварки. Внутренний канал собранной двухслойной трубы герметизируют и заполняют воздухом или инертным гдйом под давлением. При нагреве в индукционной печи внутренний тонко­ стенный слой под давлением газа прижимается к наружному слою, обеспечивая протекание диффузионных процессов. При расположе­ нии медного тонкостенного суіоя снаружи, а нержавеющего — вну­ три, собранную двухслойную трубу помещают в штамп и нагревают с помощью внутреннего индуктора. Штамп препятствует расширению наружного слоя при нагреве и возникающее между слоями давление способствует их сварке.

Недостатком такого способа является наличие зазора между слоями, что приводит к образованию пузырей. Кроме того, внутрен­ нее расположение индуктора ограничивает длину труб, а несоблю­ дение соосности трубы и индуктора приводит к местным перегревам и оплавлению границ зерен. В процессе последующей деформации биметаллических труб в этих местах возникают поверхностные трещины.

В 60-х годах широкое применение для изготовления биметалли­ ческих изделий получила диффузионная сварка в вакууме, разра­ ботанная Н. Ф. Казаковым [43]. Сущность этого способа заклю­

чается в том, что свариваемые детали помещают в вакуумную камеру и нагревают до температуры, способствующей интенсивному проте­ канию диффузионных процессов. При нагреве в вакууме контактные поверхности очищаются от адсорбированных на них газов и окисных пленок, препятствующих контакту. К свариваемым изделиям прикла­ дывают усилие, обеспечивающее лишь плотный повсеместный контакт свариваемых поверхностей, что ускоряет диффузионные процессы.

Другой разновидностью диффузионной сварки в вакууме яв­ ляется диффузионная сварка труб в камере с аэростатическим дав­ лением. Указанный способ отличается тем, что исходные трубы вставляют одна в другую с зазором. В пространстве между трубами создается вакуум, после чего они подвергаются всестороннему сжа­ тию инертным газом в камере высокого давления и одновременному нагреву, причем индуктор или другой источник тепла перемещается вдоль оси трубы.

Преимущество этого способа по сравнению с описанным выше — возможность получения биметаллических передельных труб боль­ шой длины.

В период 1959—1967 гг. при выполнении ряда научно-исследо­ вательских работ авторами данной книги разработана новая техно­ логия изготовления биметаллических труб термодиффузионной свар­ кой, нашедшая применение в промышленном производстве биметал­ лических труб.

В настоящее время этим способом получают биметаллические трубы нержавеющая сталь + углеродистая сталь, углеродистая сталь + нержавеющая сталь или цветные металлы (медь, бронза) внутри и др.

Отличительной чертой этого способа является то, что для полу­ чения прочной связи слоев применяется предварительная холодная деформация сочлененной заготовки (волочение, проталкивание, раз­ дача), обеспечивающая вытеснение воздуха и газов из зазора между слоями и притирание контактных поверхностей свариваемых труб, а затем термодиффузионная обработка в защитной атмосфере или вакууме, обеспечивающая прочную диффузионную связь между слоями.

Способ деформации при сочленении исходных труб должен обес­ печить получение плотного контакта сопряженных поверхностей, создание начальных контактных давлений, а также удаление воз­ духа и газов из межслойного пространства и др. Для этого холодное деформирование следует осуществлять со стороны более пластичного и менее упругого слоя, что обеспечит создание начального натяга между слоями и полное заполнение микрошероховатостей контакт­ ной поверхности более прочного металла менее прочным (мягким).

В табл. 19 представлены результаты исследования влияния спо­ соба деформирования и состояния металла слоев на величину на­ чального натяга и прочность сварки.

После сочленения труб проводят термодиффузионную обработку при температуре интенсивной диффузии,

114

Если коэффициент термического расширения а„ металла наруж­ ного слоя меньше коэффициента термического расширения металла внутреннего слоя ав, то при нагреве такой заготовки создается кон­ тактное давление — термический натяг, способствующий проте­ канию диффузионных процессов.

В случае неблагоприятной разницы коэффициентов термического расширения (ав <Дан) ПРИ термодиффузионной обработке между слоями возникает зазор, препятствующий диффузии.

Для предотвращения образования зазора и с целью создания контактного давления во внутренней трубе после соответствующей герметизации создается давление, достаточное для ее пластической деформации и сжатия контактных поверхностей в процессе термо­ диффузионной обработки. В этом случае наружный слой сочленен­ ной трубы играет роль удерживающего кожуха.

Для достижения той же цели термодиффузионную сварку можно проводить в специальных штампах. Однако применение штампов значительно усложняет процесс.

Изготовление труб из заготовок с а „> ав

При нагреве двухслойной заготовки, наружный слой которой имеет ан больший, чем ав внутреннего слоя, между свариваемыми поверхностями образуется зазор

А Д г = ( а « — « в ) Д Д р ,

где Т — разность между конечной и начальной температурами заготовки.

Для устранения зазора, препятствующего диффузионным про­ цессам, внутренняя труба должна быть роздана, а контакт поверх­ ностей сохранен в процессе нагрева и выдержки.

Рабочие давления для пластического деформирования заготовки и ликвидации образовавшегося зазора можно определить, сделав

деформации.

Перемещения точек тела под действием давления определяется из дифференциального уравнения

где г — текущий радиус;

1

Ur- («н

Компоненты деформаций будут:

Интенсивность деформации сдвига выразится как

Г = е | / ГЛ1 + ( 4 - ) 4 В1>

где е — коэффициент,

г.

“« Г ’

А= з

Давление определится из условия равенства работы внешних и внутренних сил:

А = А в.

Работа внешних и внутренних сил соответственно:

А = 4пі ARTRpPр,

Л „ = Я Ь FdV,

116

где Pp — рабочее внутреннее давление.

После интегрирования и ряда преобразований получим выраже­ ние для определения работы внутренних сопротивлений:

ния усилия деформации внутренней трубы к наружной в процессе термодиффузионной обработки

Величина а!в определена путем решения трансцендентного урав­ нения, полученного исследованием на минимум работы внутренних сопротивлений:

_д_ да Ив — Л) =0 .

Величина а/в = / (а3) представлена на рис. 50. Для удобства пользования формулой (17) на рис. 51 приведены графики зависи­ мости Рр = f (<тх, а 3).

Предел пластического сопротивления трубы под действием вну­

На рис. 51 кривая 1 построена по формуле (18).

Рабочие давления, подсчитанные по формуле (17), превышают предел пластического сопротивления трубы и обеспечивают пласти-

117

ческое деформирование внутренней трубы в течение всего времени

2. Внутренняя труба пластически деформирована, а наружная находится в состоянии неустойчивого упруго-пластического равно­ весия.

Контактное давление

а3

ат . в . т — предел текучести материала внутреннего слоя при

температуре термодиффузионной обработки. Подставляя в равенство (19) значение рабочего давления (17),

получим

118

Превышение предельных значений давлений Рр может привести к разрушению двухслойной трубы или к ее значительным пласти­ ческим деформациям, нежелательным для одного или обоих свари­ ваемых металлов, которым свойственно образование трещин при деформации в определенном интервале температур.

Для обеспечения надежной работы трубы, сохранения ее разме­ ров контактные давления не должны превышать предел пластиче­ ского сопротивления наружной трубы. С другой стороны, при рабо­ чем давлении, равном пределу пластического сопротивления внутрен­ ней трубы, контактные давления будут равны нулю.

Граничные условия можно записать так:

работать в области упругих деформаций, можно записать следую­ щие неравенства:

контактные давления, имеющие место в этой области, будут

о < д к< д пл.„.

Со снижением предела текучести металла наружной трубы в обла­ сти температур термодиффузионной обработки оТ,НТ и увеличе­ нием отношения а 4 = Rp/Ro допустимое давление Я р=^РПл.в + + Р пл.н уменьшится:

Следовательно, область целесообразного применения внутреннего давления при отсутствии наружного ограничения перемещений двух­ слойной трубы зависит от свойств и размеров наружной трубы, играющей в этом случае роль наружной матрицы.

Очевидно, что допустимое внутреннее давление'для термодиффу­ зионной обработки двухслойной трубы с учетом сохранения ее це­ лостности

Рц — Рр РрП-2,

где н2 — коэффициент запаса прочности, который на основании экспериментальных данных с достаточной степенью на­ дежности может быть принят равным 1,5.

Получим неравенство

119

Решая уравнение (21) относительно величины а4, определим допустимое соотношение размеров наружного слоя, при которых он

является опорной матрицей в процессе термодиффузионной обра­ ботки:

Из выражения (22) следует, что с увеличением предела текучести внутреннего слоя и соответствующего роста внутреннего рабочего давления Рр уменьшается подкоренное выражение и, следова­ тельно, оЦ смещается в сторону меньших значений, т. е. процесс

а;

0 , 8 -

0,6 -

0,4 -

0,2 -

термодиффузионной обработки будет стабилен при увеличении тол­ щины наружного слоя.

С ростом же предела текучести наружного слоя ох.„.т значение подкоренного выражения увеличивается, что соответствует возра­ станию а 4. В этом случае термодиффузионную обработку можно проводить при более тонком наружном слое. Аналогичное влияние на сц оказывает изменение размеров внутреннего слоя. Так, с уве­

значение подкоренного выражения и процесс становится возмож­ ным при меньших значениях а.\, т. е. при больших толщинах стенки наружной трубы.

кривой, термодиффузионную обработку можно проводить при лю­ бых значениях а 3 и сгт в т/ат н. т, соответствующих данной об­ ласти.

120