книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

ностями чугуна: низкими пластическими свойствами, которые являются причиной значительных остаточных напряжений и появления трещин при сварке; склонностью к образованию зака­ ленных и отбеленных структур при недостаточно медленном охла­ ждении, что придает чугуну высокую твердость и хрупкость и часто исключает возможность механической обработки после сварки; значительной разнородностью химического состава и структуры как различных отливок, так и в пределах одной и той же отливки; наличием графита, легко соединяющегося с кис­ лородом, проникающим в металл шва и вызывающим склонность к пористости шва, и т. д.

Существует несколько способов заваривания дефектов чугуна, однако ни один из них не может быть признан вполне удовлетвори­ тельным для всех случаев, встречающихся на практике. Приме­ няют холодную и горячую сварку чугуна. Холодную сварку вы­ полняют с применением электродов: чугунных, стальных мало­ углеродистых со стабилизирующими обмазками, медножелезных и из монель-металла. Химический состав в % прутков для сварки чугуна (марка А для газовой сварки и для стержней электродов

Технология сварки и состав обмазок должны быть выбраны так, чтобы скорость охлаждения шва была меньшей, и с обмазкой в шов вводились элементы, способствующие получению структуры серого чугуна. Чтобы увеличить прочность соединения при ре­ монте толстостенных изделий, в свариваемых кромках устанавли­ вают шпильки из малоуглеродистой стали. Количество шпилек должно быть таково, чтобы суммарная их площадь составляла не более 25% площади излома свариваемой детали. Диаметр шпилек d обычно равен 0,3—0,4 толщины стенки, глубина вверты­ вания 1,0— 1,5d, высота выступающей части 0,5— 1,0d. Первона­ чально обваривают шпильки, а затем заплавляют всю разделку.

Горячая заварка — весьма совершенный метод устранения пороков чугунных отливок, однако выполнение ее трудоемко и дорого. Пороки, подлежащие горячей заварке, тщательно выру­ бают. Форма вырубки U-образная. Место вокруг вырубленного участка формуют специальными графитовыми, угольными или коксовыми пластинами, или формовочным песком, замешанным на жидком стекле. Цель такой формовки — предотвратить возмож­ ность вытекания жидкого металла. Иногда формовку для горячей сварки выполняют в опоках.

Детали, подлежащие исправлению, нагревают в печи или в горне до 600—700° С. Сварку ведут в нижнем положении, так как ванна довольно значительного объема в течение всего процесса

222

заварки остается жидкой. Если подлежащий исправлению участчЖ деталей велик, то при формовке объем наплавки делят на два или более участков графитовыми перегородками и заваривают участок за участком с повторными нагревами. Для горячей сварки при­ меняют чугунные электроды или чугунные присадочные прутки (при сварке с угольным электродом). Сила тока и диаметр элек­ тродов при горячей сварке значительно больше, чем при холодной.

Пороки чугунных отливок можно исправлять газовой сваркой. В качестве присадочного материала применяют литые чугунные прутки с содержанием кремния до 3—3,5%. Сварку ведут с пред­ варительным подогревом до 300—400° С. Охлаждение изделия после сварки должно быть замедленным.

СВАРНО - ЛИТЫЕ И СВАРНОЛИСТОВЫЕ Ц И Л И Н Д Р Ы

Из углеродистых, хромомолибденованадиевых, упрочненных высокохромистых и других сталей производят как цельнолитые, так и сварно-литые заготовки верхних и нижних половин цилин­ дров высокого и среднего давления в многокорпусных паротурбин­ ных агрегатах большой мощности и соответствующие отсеки цилиндров однокорпусных турбин. Применение сварно-литых ци­ линдров, как показал опыт, является весьма целесообразным и эффективным с технической и экономической точки зрения.

В большинстве конструкций современных паровых турбин участки цилиндра, где имеют место наиболее высокие температуры и давления, выполняют в виде отдельных отливок или поковок из специальных сталей. Таким образом изготовляют, например, клапанные и сопловые коробки. Это позволяет упростить конфи­ гурацию и уменьшить массу отливок цилиндров или отсеков высокого давления, существенно облегчить механическую обра­ ботку цилиндров, уменьшить ее трудоемкость, сократить произ­ водственный цикл, так как паровые и сопловые коробки могут быть полностью или почти полностью механически обработаны независимо друг от друга до их соединения с цилиндрами.

Разница температур по длине цилиндра может быть весьма значительной. В связи с этим требования, которые предъявляют к металлу цилиндра в высокотемпературной его части, оказываются излишними для металла части цилиндра на стороне выпуска пара. Поэтому технически и экономически целесообразно выполнять цилиндры сваренными из отливок, металл которых имеет различ­ ные характеристики жаропрочности. Большие возможности, от­ крывшиеся в направлении создания таких цилиндров для многих типов турбин, обусловлены значительными успехами, достигну­ тыми в области сварки сталей разнородных марок. В современных паровых турбинах большой мощности сварными из отливок, изго­ товленных из сталей различных марок, выполняют цилиндры высокого и среднего давления. Например, часть цилиндра, рабо­ тающую при температурах до 565° С, изготовляют из стали

223

15Х1М1ФЛ, а часть, испытывающую воздействие температур, не превышающих 400° С, — из углеродистой стали. Такое решение позволяет снизить стоимость металла цилиндра на 20—30%. Кроме того, облегчается производство отливок, так как размеры и масса каждой из них уменьшаются, а форма упрощается.

Цилиндры низкого давления в турбинах большой мощности достигают значительных размеров и массы. Так, длина нижней половины цилиндра низкого давления турбины мощностью 300 тыс. кВт составляет более 9,8 м, ширина 9 м, а высота — около 3 м. По условиям службы цилиндр низкого давления для такой турбины мог бы быть выполнен из чугуна, однако производ­ ство отливки таких размеров представляет существенные труд­ ности, особенно при относительно тонких стенках цилиндра. Поэтому цилиндры и отсеки низкого давления в современной прак­ тике турбостроения изготовляют в основном сварными из листо­ вого проката. Сварнолистовыми выполняют обоймы низкого давления, опоры подшипников и многие другие детали и узлы паровых и газовых турбин.

Применение сварно-литых, сварно-кованых, сварно-штампован­ ных и сварнолистовых конструкций в производстве деталей и узлов статоров турбин дает значительный технический и экономи­ ческий эффект, снижает трудоемкость производства, затраты на исправление дефектов литья и пр. Сварка позволяет осуществлять рациональные конструкции требуемой конфигурации и проч­ ности, выполнять монолитные детали статоров турбины практи­ чески любых необходимых размеров. Детали, из которых свари­ вают конструкции крупных габаритных размеров, можно предва­ рительно подвергать механической обработке, что наряду с сокра­ щением цикла производства позволяет уменьшить загрузку круп­ ного и уникального металлорежущего оборудования — карусель­ ных станков с большим диаметром планшайбы, крупных про­ дольно-строгальных и других станков.

При проектировании сварных конструкций деталей и узлов статоров турбин предусматривают изготовление каждой из их составных частей наиболее рациональными технологическими приемами. Например, элементы конструкции, которые характе­ ризуются сложностью формы, выполняют различными методами литья; детали, требующие высокой степени чистоты поверхности в заготовке без механической обработки, изготовляют штампов­ кой и т. д.

Разработку конструкции и технологического процесса про­ изводства сварных изделий, имеющих крупные габаритные раз­ меры, как например, цилиндры, выпускные патрубки и др., осуществляют обычно на основе формирования их из отдельных свариваемых между собой узлов. Эти узлы представляют собой сварные, сварно-литые или сварно-кованые изделия, сварные швы которых могут быть выполнены в удобном положении с мини­ мальным количеством кантовок. Деление на узлы и последова-

224

тельность сварочных операций должны обеспечить минимальные напряжения деформаций сварной конструкции. Узлы должны быть достаточно жесткими, чтобы их можно было стыковать с необхо­ димой точностью со смежными узлами, транспортировать, под­ вергать механической обработке и пр.

Сварные конструкции деталей и узлов статоров турбин выпол­ няют с применением различных методов сварки плавлением — ручной дуговой сварки электродами с различными покрытиями, полуавтоматической и автоматической сварки под слоем флюса, сварки в газовых средах (углекислый газ, аргон), электрошлаковой сварки и др. Ввиду относительно небольшой серийности произ­ водства турбин ручную дуговую электросварку используют весьма широко.

Сварные конструкции выполняют из сталей различных классов и марок. При выборе металлов сварных конструкций необходимо учитывать их свариваемость — способность образовывать сварное соединение, могущее работать в требуемых условиях эксплуата­ ции. Оценивают свариваемость на основе анализа широкого ком­ плекса разносторонних характеристик свойств металла, опреде­ ляемых различными методами. В. П. Фоминых отмечает, что опи­ сано более 150 методов оценки свариваемости, которые можно разбить на две основные группы:

исследования, проводимые при разработке новых марок стали, новых способов сварки и сварочных материалов и пр.;

испытания, применяемые при проверке уже изученной марки стали для изготовления новых видов сварных конструкций.

Важное значение для оценки свариваемости имеют следующие характеристики: стойкость различных зон сварного соединения к образованию при сварке трещин и хрупких или разупрочненных участков в зоне термического влияния сварки; уровень прочности и, особенно, пластичности сварного соединения; длительная проч­ ность сварного соединения в условиях высоких температур, в частности при циклически изменяющихся температурах.

Свариваемость перлитных сталей, наиболее широко приме­ няемых в сварных конструкциях паровых и газовых турбин, зависит от содержания углерода и уровня легирования стали. Необходимо стремиться к тому, чтобы содержание углерода в свариваемых сталях этого класса не превышало 0,2—0,3%. Стали с 12% хрома обладают наиболее удовлетворительной сва­ риваемостью при содержании углерода в пределах 0,1—0,2%.

Существуют различные методы приближенной оценки свари­ ваемости стали в зависимости от ее химического состава, например по так называемому «эквивалентному содержанию углерода»

4 KD — ^ - т 6 ^ 3 ' 15 ^ 4 ^ 5 '

Для определения Сэкв данной стали в правую часть формулы вместо символов элементов вписывают их процентное содержание

в стали. Практика показала, что удовлетворительно свариваться могут те стали, для которых значение Сэкв не превышает 0,45.

Аналогичная формула может быть использована для приблизи­ тельной оценки склонности стали к образованию околошовных трещин:

можно выполнять без предварительного подогрева. При большей толщине свариваемого металла и Сэкв > 0,45% рекомендуется предварительный подогрев.

55.Оценка свариваемости стали

взависимости от содержания элементов (в %)

На основе практических данных предложена оценка (табл. 55) свариваемости стали по сумме содержащихся в ней марганца, кремния, хрома и никеля в сопоставлении с содержанием угле­ рода. При наличии в стали молибдена последний также вводят в расчет суммы элементов с множителем 4, так как действие его весьма энергично. Малые добавления ванадия и титана не учиты­ вают. Эти рекомендации можно использовать лишь для ориенти­ ровочной, предварительной оценки свариваемости сталей. Если же речь идет о сварке конструкций ответственного назначения для паровых и газовых турбин, то выбор сталей и сварочных мате­ риалов, а также разработка технологических процессов сварки, предварительной и последующей термической обработки должны базироваться в каждом конкретном случае на тщательной теоре­ тической и экспериментальной проработке.

Отечественная промышленность изготовляет в широкой номен­ клатуре стальную сварочную проволоку для сварки и наплавки сталей различных марок. Для этих целей используют несколько десятков марок сварочной проволоки диаметром 0,3— 12 мм,

226

углеродистой, легированной хромом, никелем, молибденом, тита­ ном, вольфрамом и др. Для сварки сталей, применяемых в тур­ бостроении, используют проволоку марок Св-08, Св-08А, Св-08ХГСМФА, Св-08Х 1М1ГСФА и др. (в обозначении марки проволоки: Св — означает сварочная; первое число — содержа­ ние углерода в сотых долях процента; буквы с последующими цифрами — содержание легирующих элементов в процентах; буква А — повышенную чистоту и качество). В практике энерго­ машиностроения используют и другие марки сварочной проволоки, например, Св-08Х 11ВФ, Св-08ХГСМА, Св-08ХПН, Св-08ХГСМФА и др.

Для ручной дуговой сварки и наплавки сталей применяют электроды из сварочной проволоки соответствующей марки с по­ крытиями различного состава. Эти покрытия создают газовую за­ щиту сварочной ванны, образуемой в результате плавления основ­ ного металла и электродной проволоки, от влияния кислорода и азота, содержащихся в окружающей атмосфере, раскисляют рас­ плавленный металл, вводят в сварной шов легирующие элементы, повышающие его прочность и пластичность, образуют защитную корку шлака на поверхности шва, способствующую замедленному его остыванию. Покрытия повышают устойчивость горения элек­ трической дуги, стабилизируют процесс сварки.

Состав покрытий электродов для качественной сварки углеро­ дистых и легированных сталей может быть весьма разнообразным в зависимости от химического состава свариваемых металлов, требований, предъявляемых к сварному соединению, простран­ ственного положения, в котором протекает процесс сварки, и дру­ гих условий. Компоненты, выбираемые различными исследова­ телями при формировании состава покрытия для решения одних и тех же задач, также характеризуются значительным разнообра­ зием. Например, в качестве газообразующих компонентов в покры­ тиях различных марок используют мрамор или крахмал, целлю­

Для образования шлаков в состав покрытий вводят гранит, плавиковый шпат, кварцевый песок, каолин, титановый кон­ центрат, марганцевые руды и пр. Шлакообразующие компоненты подбирают таким образом, чтобы плотность шлаков была ниже плотности металла сварочной ванны, так как иначе будет за­ труднено всплывание шлака на поверхность ванны, а оставшиеся в затвердевшем сварном шве частицы шлака будут снижать проч­ ность и пластичность шва.

К составляющим, которые вводят в покрытие для раскисления расплавленного металла сварочной ванны, относят ферросилиций или ферромарганец, титан, алюминий и другие элементы. Для стабилизации дуги в покрытия вводят поташ, полевой шпат, гранит. Если легирование металла шва, осуществляемое преиму­

щественно подбором сварочной проволоки соответствующего химического состава, по тем или иным причинам должно быть дополнено за счет покрытия, то в состав последнего вводят фер­ росплавы и металлические порошки. Для связывания составляю­ щих покрытия между собой и с проволокой, на которое его на­ носят, чаще всего применяют жидкое стекло.

Для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей ГОСТом 9467—60 предусмотрено 15 различных типов электродов, обеспечивающих предел прочности при разрыве ме­ талла шва или наплавленного металла от 34 до 145 кгс/мм2. Типы этих электродов обозначают индексами, содержащими букву Э (электрод) и число, соответствующее минимальному значению ав, требуемому указанным стандартом, например, Э50, Э60 и т. д. Для сварки и наплавки теплоустойчивых сталей рекомендовано семь типов электродов. В табл. 56 приведены химический состав и механические свойства металла швов или наплавок, выполнен­ ных этими электродами.

Около 30 типов электродов для дуговой сварки высоколеги­ рованных сталей аустенитного, аустенито-ферритного, мартенсито­ ферритного, мартенситного классов и специальных конструк­ ционных сталей рекомендует ГОСТ 10052—62, регламентиру­ ющий химический состав, механические свойства и стойкость против межкристаллитной коррозии металла шва, выполненного указанными электродами. Для значительной части рекомендо­ ванных стандартом электродов ограничивается содержание в на­ плавленном металле ферритной фазы, оказывающей существен­ ное влияние на его свойства. В табл. 57 приведены некоторые типы электродов, которые могут быть использованы в практике турбостроения. Наиболее часто применяют электроды, диаметр проволоки которых равен 3—6 мм, а длина 250—450 мм.

Покрытие электрода должно быть прочным и плотным, без комков неразмешанных компонентов. Толщина и состав покрытия не регламентируются стандартами. Покрытие должно распола­ гаться концентрично относительно стального стержня. Для каж­ дого типа электродов могут быть применены покрытия различного состава. Для толстообмазанных электродов, применяемых при сварке и наплавке конструкционных и теплоустойчивых сталей, установлено четыре вида покрытия.

1. Рудно-кислые (по ГОСТу 9467—60 обозначаются буквой Р). Электроды с рудно-кислым покрытием пригодны для сварки во всех пространственных положениях и характеризуются большой скоростью расплавления. По механическим свойствам металла шва такие электроды обычно относят к типу Э42. Кислые шлаки, образующиеся при сварке электродами с рудно-кислыми покры­ тиями, состоят из силикатов и титанатов марганца и железа и различных окислов. В случаях увеличенного содержания в покры­ тии марганца, применения ферромарганца с повышенным содер­ жанием углерода и кремния, а также при сварке металла с высо-

228

229

57. Характеристики металла, наплавленного различными электродами

ким содержанием кремния в швах наблюдается пористость. К числу электродов с рудно-кислыми покрытиями, нашедших значитель­ ное применение для сварки углеродистых и низколегированных сталей, относятся используемые в практике турбостроения элек­ троды ОММ-5, ЦМ-7 и др. Состав (в % по массе) покрытий этих электродов приведен в табл. 58.

2. Рутиловые (обозначаются буквой Т). Рутилом называют при­ родный минерал, состоящий в основном из двуокиси титана,

230

В состав рутиловых покрытий входят концентрат рутила, кремне­ зем, карбонаты кальция и магния, ферромарганец. Рутиловое покрытие обеспечивает хорошее формирование шва, стабильное горение дуги, возможность выполнения сварки во всех простран­ ственных положениях. По механическим свойствам металла шва электроды с рутиловым покрытием относят обычно к типу Э46. Например, состав рутилового покрытия электрода ЦМ-9 следую­ щий: рутила —50%, полевого шпата ~30% , ферромарганца

—15%, магнезита ~5% . Связующими являются декстрин —2% и жидкое стекло —10— 15% от массы сухой смеси.

3. Фтористо-кальциевые (обозначаются буквой Ф). Они обра­ зуют основные шлаки из фтористого кальция, силикатов магния и кальция. Металл, наплавляемый электродами с таким покры­ тием, обычно содержит незначительное количество кислорода, водорода и азота, а серы и фосфора не более, чем по 0,035%. Ме­ талл шва устойчив к образованию кристаллизационных трещин, развитию старения и имеет высокую ударную вязкость. Электроды допускают сварку во всех пространственных положениях. К числу электродов с фтористокальциевым покрытием относят широко применяемые в турбостроении электроды типа УОНИ. В табл. 59 приведен состав покрытий нескольких электродов этого типа.

Кэтому же типу относят и покрытия электродов ЦЛ-18, ЦЛ-19

имногих других.4

59.Состав (в %) покрытий для электродов типа УОНИ-13

4. Органические (обозначаются буквой О). В состав таких по крытий вводят большое количество горючих органических мате­ риалов (крахмал, оксицеллюлозу), обеспечивающих газовую за­ щиту расплавленного металла. В качестве шлакообразующих ком­ понентов в состав органических покрытий входят титановый кон­ центрат, рутил, марганцевая руда. Для раскисления металла введен ферромарганец.

231