книги из ГПНТБ / Лившиц Л.С. Сварка легированных сталей на монтажных работах в строительстве

Хотя длительные испытания при высокой температуре не мо­

гут проводиться лабораториями строительно-монтажных органи­ заций, необходимо их рассмотреть, поскольку характеристики,

определяемые этими испытаниями, являются основными показа­ телями работоспособности металла в условиях нагрева.

Необходимость проведения -длительных испытаний обуслов­ ливается тем, что поведение стали при высоких температурах и продолжительном воздействии нагрузки существенно отличает­ ся от поведения при кратковременном нагружении. В ус­ ловиях длительного нагружения разрушение металла про­ исходит при напряжениях ниже предела текучести, оп­ ределяемого кратковременными испытаниями при той же теп-

пературе.

Определение длительной прочности металла при температуре,

характерной для эксплуатации, проводится испытанием серии образцов под различными нагрузками, отличающимися между собой на небольшую величину. Задача испытания состоит в том, чтобы найти максимальное напряжение в образце, которое при температуре испытания не вызывает разрушения металла в ус­ ловиях определенной обусловленной длительности нагружения.

Длительность нагружения при испытании сталей, предназначае­ мых для изготовления объектов промышленного строительства, чаще всего устанавливается от 1 до 10 тыс. час. и лишь очень редко проводят более длительные испытания. Данные по проч­

ности при длительных испытаниях для продолжительности нагру­ жения 100 тыс. час. ,находят расчетным путем, причем за основу берутся испытания, проведенные при менее длительном нагруже­ нии. Реже значения прочности при испытаниях в течение 100 тыс. час. получают опытным путем.

Таким образом, длительная прочность металла при данной температуре характеризуется максимальным напряжением, ко­ торое образец выдерживает в течение обусловленного времени —

ɑ κ,Γ!мм?

10 θfʧ' час. Imm •

Ползучесть или относительная деформация металла (ча­ ще всего относительное удлинение) характеризует способность

металла сопротивляться формоизменению при длительном нагру­ жении во время нагрева.

Испытание сопротивления металла ползучести проводится принципиально так же, как испытание на ¡прочность при длитель­ ном нагружении. Образец нагревается в печи до требуемой тем­ пературы и нагружается для создания в нем определенной вели­ чины напряжений. Деформация образца измеряется в процессе испытания при помощи специальных ¡приборов (экстензометров). Путем подбора при нескольких испытаниях напряжение в образ­ це (нагрузка) выбирается таким, чтобы относительное удлине­ ние образца за определенное время испытания не превышало заданной величины — например 0,1 % за 10000 час. Таким обра-

41

зом, сопротивление ползучести определяется напряжением, вы­ зывающим при данной температуре нагрева установленную ве­ личину относительной деформации при определенной продолжи-

тельности нагружения.

Испытанию при длительном нагружении на изгиб при высо­

кой температуре подвергаются бруски квадратной, круглой или

ства по всей длине. Образцы с неоднородными свойствами по длине в разных участках будут иметь различное сопротивление

деформации и разную скорость ползучести. Деформация на

таком образце будет сосредоточиваться в наиболее «слабом» участке, а рассчитываться будет на всю длину образца, что даст, таким образом, неправильную характеристику сопротивления ползучести. В связи с этим испытывать сварные соединения на сопротивление ползучести на образцах, вырезанных поперек сварного шва, нерационально. Можно определять сопротивление ползучести отдельно металла шва, зон теплового влияния и сва­ риваемой стали на образцах, вырезанных из соответствующего участка вдоль оси шва.

Показательными являются испытания сварных соединений на прочность при длительном нагружении. В этом случае разруше­ ние происходит по наименее прочному участку и устанавливае­ мые значения длительной прочности характеризуют работоспо­ собность сварного соединения в целом, а место разрушения ука­ зывает на наиболее слабый участок.

Важное значение имеет расположение зоны сварного соеди­ нения на расчетной части образца при испытании длительной прочности. Для получения правильных результатов на расчетной части образца должны разместиться все зоны сварного со­

42

Сопротивление коррозии

Сопротивление коррозии участка сварного соединения может иметь решающее значение для надежной эксплуатации конст­ рукций, работающих в условиях химически активных сред. Как правило, такие конструкции изготовляются из специальных кис­ лотостойких сталей.

Независимо от механизма процесса — химического или элек­

трохимического характера коррозии — различают, как было ука­ зано ранее, два основных вида коррозионных поражений метал­

ла— общую и местную коррозию.

Общая, или сплошная, коррозия распространяется по всей поверхности металла. Такая коррозия может быть равномерной или неравномерной в соответствии с ее распределением по по­ верхности. Если же коррозионное разрушение не поражает всей поверхности металла, а распространяется предпочтительно по каким-либо определенным участкам, то такое коррозионное по­ ражение называют местным.

К местным коррозионным поражениям относится и так назы­ ваемая межкристаллитная коррозия, представляющая собой, как уже говорилось, наиболее опасный вид коррозии сварных сое­

динений специальных легированных сталей. При межкристаллит­

ной коррозии разрушение идет по очень тонким прослойкам гра­ ниц зерен металла, не затрагивая основной массы зерен (рис. 20). Поэтому внешне изделие не носит никаких признаков пораже­ ния, а в то же время нарушение нормальной связи между отдель­ ными зернами приводит к резкому снижению его механических свойств и разрушению при незначительных нагрузках. В этом и

кроется особая опасность межкристаллитного коррозионного по­ ражения металла.

Сопротивление нержавеющей стали общей коррозии опреде­ ляется, как правило, химическим составом стали. Необходимое содержание хрома, никеля и некоторых других легирующих эле­

ментов, в пределах требований на данную сталь, определяет соп­ ротивление общей коррозии, характерное для рассматриваемой

марки. Сопротивление межкристаллитной коррозии зависит не только от состава стали, но и от ее структурного состояния. Не­ большие изменения в содержании углерода, титана и ниобия, воздействие тепла сварочной дуги на свариваемый металл вблизи шва и на металл слоев и валиков шва, сваренных пер­ выми, может вызвать неблагоприятное изменение микрострук­ туры стали, образование карбидных выделений по границам зерен, изменение состава зерна в пограничном участке и, как следствие этого, понижение устойчивости против межкристал­

литной коррозии.

Таким образом, если сопротивление сварных соединений об­ щей коррозии в производственных условиях не требует специ-

43

-альной проверки, сопротивление межкристаллитной коррозии даже при выполнении строительно-монтажных работ является часто одним из необходимых и обязательных видов контроля. Это вызывается также и тем, что устойчивость сварных соеди­ нений против межкристаллитной коррозии в определенной сте­ пени зависит и от условий сварки (увеличение степени разогрева

металла при сварке будет способствовать понижению стойкости против межкристаллитной коррозии).

Рис. 20. Микрофотография участка сварного соединения стали 1Х18Н9Т, [пораженного межкристаллитной коррозией (×200)

Оценка стойкости сварных соединений против межкристал­ литной коррозии производится в соответствии с ГОСТ 6032—58.

Эти испытания в основном сводятся к следующему. Для изго­

товления образцов сваривается контрольная планка или конт­ рольный стык отрезков труб из металла, из которого должен свариваться данный объект. Сварка производится теми же элек­ тродами, которыми будет производиться сварка на монтаже, и теми же сварщиками, которые будут вести сварочные работы.

Пространственное положение при сварке контрольного стыка или контрольной планки, а также другие условия (температура окружающего воздуха, условия охлаждения и др.) должны от­ вечать реальным условиям ведения работ на свариваемом объ­ екте.

44

Из сваренных контрольных планок вырезаются образцы (рис. 21). При толщине контролируемого металла до 10 мм тол­ щина образца должна быть меньше толщины металла на 1 мм, с тем, чтобы контрольная поверхность образца подвергалась на эту глубину механической обработке — строжке и доводке до чистоты V 7 (ГОСТ 2789—59).

При малой толщине контролируемого металла (до 1,5 мм)

приведенные размеры образца могут быть несколько изменены

поверхность

при условии сохранения отношения сторон примерно 1 :2. Конт­ рольную поверхность на таких образцах можно не обрабаты­ вать, а лишь слегка почистить шкуркой.

Из каждого контролируемого соединения, кроме образцов, испытываемых на стойкость против межкристаллитной коррозии,

изготовляют также два образца-свидетеля. Образцы-свидетели

изгибают на 90° по испытуемому участку, не прибегая ни к ка­ ким испытаниям в химически активной среде. Загиб должен про­ изводиться вокруг оправки радиусом не менее трехкратной тол­ щины образца, но не более 10 мм. Полученное на этих образцах состояние поверхности в месте изгиба служит эталоном для об­

разцов, подвергнутых испытанию в химически активной среде. ■Образцы, испытываемые в химически активной среде, обезжи­ риваются бензином или спиртом и помещаются в кипящий рас­ твор, который состоит из 160 г сернокислой меди (CuSO ∙ 5H2O), 100 мл серной кислоты (уд. вес 1,835) и 1 л воды. В раствор

45

также помещают небольшое количество медной стружки (ме­ тод AM по ГОСТ 6032—58). Раствор помещают в колбу с обрат­ ным холодильником, на дно колбы помещают слой медной струж­ ки, на которую укладывают образцы. Образцы должны омы­

ваться раствором со всех сторон. Раствор должен покрывать

образцы на высоту 20 мм. Кипячение образцов в растворе про­ изводится в течение 24 час. (иногда испытания ужесточают, дово-

телей, вокруг оправки. Два образца с одним поперечным швом загибаются так, чтобы область изгиба охватывала металл всех

зон сварного соединения. Образцы с перекрещивающимися швами загибают — два по поперечному и два по продольно­ му шву.

Поверхность образца в области деформации при изгибе тща­ тельно контролируется сначала невооруженным глазом, а затем с помощью лупы, дающей 8—10-кратное увеличение, и сравни­ вается с поверхностью образцов-свидетелей. Если образцы-сви­ детели трещин не имеют, а на контролируемой поверхности испы­ тываемых образцов есть трещины (рис. 22), значит металл скло­ нен к межкристаллитной коррозии и непригоден для

эксплуатации.

Склонность к межкристаллитной коррозии может определять­

ся также по микроструктуре металла образцов, подвергнутых кипячению. Для этого на торцовой поверхности образца, со сто­ роны сварного соединения, изготовляется микрошлиф (предва­ рительно с торца снимается слой металла толщиной около 2 мм), который исследуется при увеличении в 300—400 раз. Признаком межкристаллитной коррозии является разрушение границ зерен

46

Твердость и микростроение

Твердость и микростроение являются одними из важных по­ казателей свойств сварных соединений легированных сталей.

Как уже отмечалось, легированные стали перлитного и іполуферритного классов в процессе нагрева и-охлаждения при сварке могут обнаруживать в шве и околошовных зонах полное или ча­ стичное превращение аустенита в структуры, придающие метал­ лу повышенную твердость и прочность и пониженную плас­ тичность и вязкость. Такое состо­

яние стали в сварном соединении,

Условия, определяющие необходимость проведения термиче­ ской обработки, подробно излагаются в -главе IV.

Практика показала, что сварные соединения легированных

сталей, имеющие твердость не более 200 НВ, как правило, об­

ладают удовлетворительной вязкостью и пластичностью. В неко­ торых случаях в сварных соединениях среднеуглеродистых ста­ лей (0,2—0,4% С), подвергаемых термической обработке, может быть допущена и более высокая твердость — до 260 HBr поэтому проверку твердости следует отнести к рациональным

видам контроля свойств сварных соединений легирован­

ных сталей.

Проверка твердости, как правило, должна осуществляться по методу Бринелля с шариком диаметром 10 или 5 мм. Твердость должна измеряться на металле шва и в околошовной зоне, в не­ посредственной близости от іШва.Твердость шва и околошовных зон проверяется на специально вырезанных из сварного, соеди­ нения образцах (рис. 23). Приближенные-значения твердости

могут быть получены'на сварных соединениях без вырезки спе­ циальных образцов, с использованием для этого какого-либо-

переносного прибора типа Польди.

Следует иметь в виду, что при испытании твердости по Бри­ неллю толщина металла (образца, изделия) должна быть не

менее 5 мм. Отпечаток должен быть удален от края не менее чем

на 3 мм. Если эти условия по каким-либо причинам выдержать не удается, твердость приходится измерять другим методом

(Роквелл, Виккерс).

47

В сварных соединениях легированных сталей структурные

превращения, происходящие в околошовных зонах и металле шва, оказывают несомненное влияние на свойства и поведение ■сварной конструкции в эксплуатации. Поэтому среди прочих ви­

дов испытания определенное значение имеет проверка микро­ структуры.

Для сталей перлитного класса структурным превращением, оказывающим наиболее существенное влияние, является обра­ зование элементов мартенситной структуры (рис. 24), сообщаю-

нелегированной стали

щей металлу повышенную прочность и пониженную вязкость и пластичность.

. В узких участках околошовной зоны испытаниями свойств не всегда можно обнаружить наличие таких зон с низкой пластич­ ностью, поэтому имеет значение оценка микроструктуры сварных

соединений.

Свойства сталей с мартенситной структурой зависят от содер­ жания в металле углерода. При низком содержании углерода в

стали (примерно до 0,15%) мартенсит сохраняет достаточную вязкость и пластичность. Опыт показал, что в сварных соедине­ ниях низкоуглеродистых сталей могут быть допущены в отдель­ ных непротяженных участках элементы мартенситной структу­ ры—например, в узких областях околошовной зоны, в узкой прослойке участка сплавления и т. іп. при твердости'этих зон до

'360 НВ. В тех случаях, когда в стали с мартенситной структурой

содержание углерода более 0,15%, сварное соединение должно подвергаться термической обработке, приводящей к распаду мартенсита.

Рациональна иногда проверка микроструктуры сварных со­ единений аустенитных сталей. В этом случае внимание должно быть обращено на то, чтобы границы аустенитных зерен были тонкими, без большого количества карбидных выделений, сни­

48

жающих пластичность металла и его стойкость против межкри­ сталлитной коррозии. Наиболее благоприятно наличие равно­ осных некрупных аустенитных зерен однородной величины

(рис. 25).

В сварных соединениях полуферритных и ферритных сталей недопустимо наличие крупных ферритных зерен и элементов мар­

тенситной структуры.

Рассмотренные методы оценки свойств сварных соединений из легированных сталей являются, конечно, дополнением к обыч­ ным видам контрольных испытаний сварных соединений на ра­ стяжение, угол загиба, ударную вязкость и др., предусмотренных Г'ОСТ 6996—54 и изложенных ранее более подробно [26].

ПІ. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Для разных марок легированных сталей, для различных объ­ ектов из одних и тех же марок сталей и даже для отдельных уз­ лов одних и тех же конструкций применяют часто различные методы сварки.

В настоящее время при производстве монтажных работ в строительстве применяют ручную дуговую сварку покрытыми электродами, автоматическую сварку под флюсом, газовую аце­ тилено-кислородную сварку, газоэлектрические способы сварки. Наиболее распространенным видом пока остается ручная дуго­ вая сварка. Примерное назначение перечисленных способов сварки дано в табл. 9.

Таблица 9

Примерное назначение различных способов сварки легированных сталей при монтажных работах

и аппаратов на месте монтажа (свар­ ка в нижнем положении)

1. ПОДГОТОВКА ИЗДЕЛИЙ К СВАРКЕ

Для легированных сталей выполнение подготовительных опе­ раций перед сваркой является весьма важным фактором, опре­ деляющим качество и свойства сварного соединения. В условиях производства монтажных работ важно знать обоснования тех или иных требований по подготовительным операциям, чтобы, с

одной стороны, разобраться в существе этих требований, а с дру­ гой— найти приемлемое решение для их выполнения.

Резка и подготовка кромок является одной из ¡первых подго­

товительных операций. В условиях производства монтажных ра­

бот разделительная газовая, ацетилено-кислородная резка мо­ жет быть ограниченно использована только для обработки изде­ лий из легированных сталей перлитного класса.

Ограниченные возможности использования газовой резки для

этих сталей по сравнению с углеродистыми связаны с их пони­ женной теплопроводностью, с возможностью мартенситногопревращения в области пониженных температур ¡при малых ско­ ростях охлаждения и, как следствие этого, с повышенной склон­ ностью легированных сталей к образованию трещин в процессе

быстро протекающего нагрева и охлаждения.

От теплопроводности стали зависит образование трещин как

при быстро протекающем нагреве, так и при охлаждении. Чем ниже теплопроводность стали, тем более резки перепады темпе-

50