Сосуды и аппараты сварные стальные соединения из разнородных сталей
Обновлено: 29.04.2024
ГОСТ Р 54803-2011
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СОСУДЫ СТАЛЬНЫЕ СВАРНЫЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Общие технические требования
High-pressure welded steel vessels. General technical requirements
Дата введения 2012-07-01
1 РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом "Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения" (ОАО "ИркутскНИИхиммаш")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 023 "Техника и технология добычи и переработки нефти и газа"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2011 г. N 1167-ст
4 Настоящий стандарт разработан с учетом основных нормативных положений европейского регионального стандарта ЕН 13445:2002* "Сосуды, работающие под давлением без огневого подвода теплоты" (EN 13445:2002 "Unfired Pressure Vessels", NEQ)
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
1 Область применения
1.1 Настоящий стандарт распространяется на стальные сварные сосуды и аппараты, работающие под внутренним избыточным давлением до 130 МПа (1300 кгс/см) при температуре стенки не менее минус 70 °С и не более плюс 525 °С, и устанавливает общие технические требования к проектированию, материалам, изготовлению, реконструкции, ремонту, методам контроля и испытаний, приемке и поставке сосудов и аппаратов, применяемых на опасных производственных объектах.
Настоящий стандарт не ограничивает действие ГОСТ Р 52630 в рамках области его применения при проектировании и изготовлении стальных сварных сосудов и аппаратов.
Нормы и правила проектирования и изготовления должны быть определены в соответствии с технологическими параметрами эксплуатации сосуда и согласованы с заказчиком.
1.2 В дополнение к требованиям настоящего стандарта следует также руководствоваться нормами и правилами промышленной безопасности [1].
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 2.901-99 Единая система конструкторской документации. Документация, отправляемая за границу. Общие требования
ГОСТ Р 12.4.026-2001 Система стандартов безопасности труда. Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сигнальная. Назначение и правила применения. Общие технические требования и характеристики. Методы испытаний
ГОСТ Р 50460-92 Знак соответствия при обязательной сертификации. Форма, размеры и технические требования
ГОСТ Р 50599-93 Сосуды и аппараты стальные сварные высокого давления. Контроль неразрушающий при изготовлении и эксплуатации
ГОСТ Р 52222-2004 Флюсы сварочные плавленые для автоматической сварки. Технические условия
ГОСТ Р 52376-2005 Прокладки спирально-навитые термостойкие. Типы. Основные размеры
ГОСТ Р 52630-2012 Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия
ГОСТ Р 52857.1-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования
ГОСТ Р 52857.2-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек
ГОСТ Р 52857.3-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер
ГОСТ Р 52857.4-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений
ГОСТ Р 52857.5-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок
ГОСТ Р 52857.6-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках
ГОСТ Р 52857.7-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты
ГОСТ Р 52857.9-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение напряжений в местах пересечений штуцеров с обечайками и днищами при воздействии давления и внешних нагрузок на штуцер
ГОСТ Р 52857.10-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты, работающие с сероводородными средами
ГОСТ Р 52857.11-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Метод расчета на прочность обечаек и днищ с учетом смещения кромок сварных соединений, угловатости и некруглости обечаек
ГОСТ Р 53442-2009 (ИСО 1101:2004) Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Допуски формы, ориентации, месторасположения и биения
ГОСТ Р 53677-2009* (ИСО 16812:2007) Нефтяная и газовая промышленность. Кожухотрубчатые теплообменники. Технические требования
* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ 31842-2012, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.
ГОСТ Р 53684-2009* Аппараты колонные. Технические требования
ГОСТ 2.109-73 Единая система конструкторской документации. Основные требования к чертежам
ГОСТ 2.601-2006 Единая система конструкторской документации. Эксплуатационные документы
ГОСТ 9.014-78 Единая система защиты от коррозии и старения. Временная противокоррозионная защита изделий. Общие требования
ГОСТ 9.032-74 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Группы, технические требования и обозначения
ГОСТ 9.104-79 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Группы условий эксплуатации
ГОСТ 9.105-80 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Классификация и основные параметры методов окрашивания
ГОСТ 9.401-91 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Общие требования и методы ускоренных испытаний на стойкость к воздействию климатических факторов
ГОСТ 9.402-2004 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Подготовка металлических поверхностей к окрашиванию
ГОСТ 10-88 Нутромеры микрометрические. Технические условия
ГОСТ 162-90 Штангенглубиномеры. Технические условия
ГОСТ 427-75 Линейки измерительные металлические. Технические условия
ГОСТ 550-75 Трубы стальные бесшовные для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Технические условия
ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия
ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) Металлы. Методы испытаний на растяжение
ГОСТ 1577-93 Прокат толстолистовой и широкополосный из конструкционной качественной стали. Технические условия
ГОСТ 2246-70 Проволока стальная сварочная. Технические условия
ГОСТ 2601-84 Сварка металлов. Термины и определения основных понятий
ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики
ГОСТ 2991-85 Ящики дощатые неразборные для грузов массой до 500 кг. Общие технические условия
ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу
ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия
ГОСТ 5264-80 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры
ГОСТ 5520-79 Прокат листовой из углеродистой, низколегированной и легированной стали для котлов и сосудов, работающих под давлением. Технические условия
ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки
ГОСТ 5640-68 Сталь. Металлографический метод оценки микроструктуры листов и ленты
ГОСТ 5949-75 Сталь сортовая и калиброванная коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия
ГОСТ 5959-80 Ящики из листовых древесных материалов неразборные для грузов массой до 200 кг. Общие технические условия
ГОСТ 6032-2003 (ИСО 3651-1:1998, ИСО 3651-2:1998) Стали и сплавы коррозионно-стойкие. Методы испытаний на стойкость к межкристаллитной коррозии
ГОСТ 6533-78 Днища эллиптические отбортованные стальные для сосудов, аппаратов и котлов. Основные размеры
ГОСТ 6996-66 (ИСО 4136-89, ИСО 5173-81, ИСО 5177-81) Сварные соединения. Методы определения механических свойств
ГОСТ 7062-90 Поковки из углеродистой и легированной стали, изготовляемые ковкой на прессах. Припуски и допуски
ГОСТ 7350-77 Сталь толстолистовая коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия
ГОСТ 7502-98 Рулетки измерительные металлические. Технические условия
ГОСТ 7505-89 Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски
ГОСТ 7512-82 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод
ГОСТ 7564-97 Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний
ГОСТ 7829-70 Поковки из углеродистой и легированной стали, изготовляемые ковкой на молотах. Припуски и допуски
Настоящий руководящий технический материал распространяется на ручную и автоматическую сварку под флюсом соединений из разнородных сталей и сплавов на железоникелевой основе сосудов и аппаратов для нефтеперерабатывающей, химической, газовой и других смежных отраслей промышленности.
Руководящий технический материал не распространяется на сварку сосудов, предназначенных для транспортирования нефтяных и химических продуктов (железнодорожных и автомобильных цистерн и т.д.); баллонов для сжатых и сжиженных газов; специальных сосудов и аппаратов военных ведомств; трубчатых печей и трубопроводов.
1. Общие положения
2. Особенности сварки разнородных сталей
3. Требования к выполнению сварных соединений
4. Сварочное оборудование
5. Сварочные материалы
6. Требования, предъявляемые к сварщикам
7.1. Ручная электродуговая сварка
7.2. Автоматическая сварка под флюсом
8. Требования к качеству сварных соединений из разнородных сталей
9. Исправление дефектов сварных швов
10. Указания по технике безопасности и санитарно-гигиеническим условиям при сварке
Перечень использованной литературы и технической документации
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящий руководящий технический материал распространяется на ручную и автоматическую сварку под флюсом соединений из разнородных сталей и сплавов на железоникелевой основе, перечисленных в табл.1, сосудов и аппаратов для нефтеперерабатывающей, химической, газовой и других смежных отраслей промышленности. Руководящий технический материал содержит необходимые сведения для разработки технологических процессов и инструкций на ручную сварку разнородных сталей толщиной до
60 мм и автоматическую – до 30 мм.
1.2. Сосуды и аппараты из разнородных сталей должны изготавливаться в соответствии с требованиями ОСТ 26-291-71 “Сосуды и аппараты стальные и сварные. Технические требования” и технической документации, утвержденной в установленном порядке.
1.3. Подготовка кромок и сборка деталей под сварку должны производиться по технологическим процессам, разработанным на основании рабочих чертежей, технических условий и настоящего руководящего технического материала.
2. ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ
2.1. В настоящем РТМ под разнородными сталями понимаются стали разных структурных классов, а также одного структурного класса, но требующие применения различных марок (типов) сварочных материалов или условий сварки (подогрева, термообработки и т.п.).
Разнородные сварные соединения подразделяются на следующие основные группы:
а) из сталей разных структурных классов;
б) из сталей одного структурного класса различного уровня прочности или легирования (разных марок);
в) из сталей одного структурного класса со швом другого структурного класса;
г) из биметаллов;
д) комбинированные сочетания из перечисленных выше четырех групп.
Классификация сталей и сплавов на железоникелевой основе в зависимости от их структуры
Класс стали
ВСт3кп, ВСт3пс, ВСт3сп, ВСт3Гпс10, 15, 20.
15К, 16К, 18К, 20К
09Г2С, 16ГС, 10Г2С1, Г7ГС
Примечание : Условия применения сталей определяются в соответствии с ОСТ 26-291-71.
Примечание . На сварные соединения из биметаллов настоящий РТМ не распространяется.
Классификация сталей и сплавов в зависимости от их структуры и перечень марок, характерных для химического и нефтяного машиностроения, приведены в табл.1.
2.2. Сварные соединения из разнородных сталей, характеризуются наличием структурной, механической и химической неоднородности, существенно влияющей на их технологическую и эксплуатационную прочность.
2.3. При сварке разнородных сталей в слоях шва, примыкающих к основному металлу другого легирования, за счет проплавления образуются участки переходного состава, свойства которых могут значительно отличаться от свойств свариваемых сталей. Образование, строение и свойства зоны сплавления разнородных сталей зависят от процессов, связанных с кристаллизацией сварочной ванны, определяющих структуру зоны и образование кристаллизационных прослоек переходного состава, которые могут иметь мартенситную структуру и высокую твердость. Ширина кристаллизационных прослоек при заданных условиях сварки зависит от состава металла шва, определяемого долями участия присадочного и основного металлов, допустимая степень проплавления которых предварительно оценивается диаграммой Шеффлера.
В зоне сплавления разнородных сталей наряду с кристаллизационными прослойками могут образоваться и развиваться диффузионные прослойки в процессе сварки, термической обработки и эксплуатации изделия при повышенных температурах, что может явиться причиной разрушения разнородных соединений в зоне сплавления. В результате диффузионного перераспределения углерода, как наиболее подвижного из легирующих элементов в α и γ - твердых растворах, в зоне сплавления со стороны менее легированных сталей или шва образуется обезуглерожанная мягкая прослойка, а со стороны легированной – науглероженная хрупкая прослойка высокой твердости.
Степень развития диффузионных прослоек, их структура, свойства находятся в зависимости от различия в содержании активных карбидообразующих и других легирующих элементов в металле шва и основном металле, условий сварки, термообработки, температурных условий эксплуатации.
В зависимости от размеров прослоек и их физических свойств (твердости, вязкости, прочности и т.п.) в той или иной мере снижается работоспособность сварных соединений. Критические значения отмеченных параметров прослоек могут обусловить разрушение сварных соединений как при изготовлении разнородных конструкций, так и в процессе их эксплуатации.
2.4. Основными мерами предотвращения образования диффузионных прослоек, снижающих механические свойства, являются:
а) использование в конструкциях стабильных перлитных сталей с достаточным содержанием карбидообразующих элементов;
б) снижение температуры эксплуатации в месте сварного стыка;
в) отказ от термической обработки сварного изделия или снижение температуры отпуска и времени выдержки;
г) применение сварочных материалов с повышенным содержанием легирующих элементов, тормозящих диффузию углерода.
2.5. Сварные соединения из разнородных сталей, существенно отличающихся теплофизическими свойствами (коэффициентом линейного расширения, модулем упругости и др.) характеризуются тем, что в них невозможно снять внутренние напряжения. В таких соединениях вместо сварочных напряжений после термообработки возникают новые “отпускные” остаточные внутренние напряжения, которые отличаются более неблагоприятным распределением, чем в состоянии после сварки (скачкообразный переход от сжимающих к растягивающим, расположение “пиков” напряжений в области прослоек и т.п.).
Поэтому в проектировании таких разнородных конструкций и технологии их изготовления целесообразно принимать меры, позволяющие отказаться от термической обработки (если она требовалась по каким-то причинам), а в случае ее неизбежности предусматривать сварочные материалы или вставку, обеспечивающие постепенное (ступенчатое) изменение теплофизических свойств, невозможностью снять внутренние напряжения термической обработкой.
Сосуды и аппараты сварные стальные соединения из разнородных сталей
ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ
3.1. Сварные конструкции должны проектироваться с учетом рационального применения сочетаний разнородных сталей и выполнения максимального объема сварочных работ на заводе – изготовителе.
3.2. При проектировании ответственных (нагруженных) конструкций из разнородных сталей разных структурных классов рекомендуется:
а) предпочитать стыковые соединения другим видам угловым, тавровым, нахлесточным (черт.1,2).
Расположение швов должно обеспечивать удобство сварки, надежность ее выполнения;
б) располагать разнородные соединения в наименее нагруженных областях конструкций и в зонах пониженных температур;
в) максимально возможно исключить в области разнородных швов концентраторы напряжений;
г) предусмотреть эффективный контроль внешних и внутренних недопустимых дефектов;
д) принимать конструктивные и другие решения, исключающие необходимость термической обработки;
D – диаметр трубы;
S – толщина стенки трубы;
1 – сталь аустенитного класса (12Х18Н10Т);
2 – сталь перлитного класса (ВСт3сп)
1 – сталь перлитного класса;
2 – сталь аустенитного класса (12Х18Н10Т).
е) для повышенных температур и сложных условий эксплуатации вводить в соединение промежуточные конструктивные элементы (черт.3) из более стабильных сталей или наплавок (черт.4-5) с целью ограничения развития хрупких прослоек;
ж) в случае неизбежности проведения термообработки предусматривать сварочные материалы, наплавку кромок или вставки, обеспечивающие ступенчатое изменение коэффициента линейного расширения.
1 – углеродистая или низколегированная перлитная сталь;
2 – вставка из стабильной перлитной стали;
3 – сталь аустенитного класса.
Подготовка кромок Выполненный шов
х ) Наплавка выполняется только при S ≥ 10 мм
3.3. В случае если термическая обработка (необходимая для закаливающихся сталей, для низкоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной более 36 мм или по другим причинам) вызывает снижение коррозионной стойкости высоколегированной стали, конструкцией должна быть предусмотрена возможность термической обработки части изделия с приварной переходной частью из коррозионностойкой стали.
3.4. При разработке технологического процесса сварки разнородных сталей необходимо учитывать:
а) технологические особенности (свариваемость) сталей, специальные требования (к подогреву, термообработке и т.п.), которые принимаются для разнородного соединения по действующей нормативно-технической документации на сварку обеих сталей, составляющих разнородное соединение;
б) возможность образования дефектов, особенно холодных и горячих трещин, специфических для каждой из свариваемых сталей;
в) возможность развития структурной неоднородности;
г) необходимость и достаточность обеспечения механических свойств соединения и коррозионной стойкости в соединениях сталей равной (примерно равной) толщины не ниже, чем у стали, обеспечивающей меньшими показателями указанные свойства.
3.5. Максимальная температура эксплуатации разнородных сварных соединений не должна быть выше, чем меньшая из допускаемых для обеих сталей, но не выше 550 0 С, предельная минимальная температура не должна быть ниже, чем большая из допустимых для каждой стали, но не ниже – 40 0 С. Рекомендуется при проектировании расчет изделий на прочность производить с учетом наличия разнородных соединений.
3.6. При определении конструктивных элементов подготовки кромок следует руководствоваться ГОСТ 5264-69, ГОСТ 8713-70, СП 1513-72, а также настоящей или другой нормативно-технической документацией, обеспечивающей служебные свойства сварных соединений, требуемые для данной конструкции.
3.7. Подготовка кромок под сварку выполняется механической обработкой, плазменной, воздушно-дуговой или кислородно-флюсовой резкой.
На деталях из легированных и высоколегированных сталей после плазменной, воздушно-дуговой или кислородно-флюсовой резки необходимо оставлять припуск на механическую обработку не менее 1 мм, а на деталях из теплоустойчивых хромомолибденовых сталей типа 12ХМ – не менее 4-5 мм.
3.8. Перед сборкой кромки и прилегающие к ним поверхности должны быть зачищены до металлического блеска с двух сторон на ширину не менее 20 мм и обезжирены ацетоном, уайт-спиритом и другими растворителями с применением протирочных материалов из хлопчатобумажной ткани.
3.9. Фиксацию деталей при сборке конструкций производить прихватками, электродами соответствующих марок (см. табл.2), предназначенными для сварки данных сочетаний сталей.
3.10. Размеры прихваток и расстояния между ними устанавливаются технологическим процессом или другой нормативно-технической документацией завода-изготовителя.
3.11. Прихватки рекомендуется располагать со стороны, противоположной выполнению первого прохода. Постановка прихваток на пересечении швов не допускается.
3.12. Прихватки перед сваркой должны быть тщательно зачищены, имеющиеся недопустимые дефекты (трещины, газовые поры и др.) должны быть исправлены.
3.13. Сварку деталей и узлов разрешается производить только после приемки качества сборки отделом технического контроля.
3.14. Сварка должна производиться согласно технологическим процессам, разработанным на основании чертежей и настоящего РТМ.
3.15. При выполнении сварочных работ на открытых площадках должны быть приняты меры защиты места сварки от воздействия атмосферных осадков и ветра.
3.16. Минимально допустимая температура окружающего воздуха и подогрева устанавливается с учетом свариваемости менее технологичной стали, входящей в данное сварное соединение.
3.17. Температура подогрева контролируется приварными термопарами (термощупами), термокарандашами и термокрасками.
Замеры температуры производятся в пределах зоны равномерного нагрева на расстоянии не менее 100 мм от свариваемых кромок (по обе стороны) в точках, указанных в технологическом процессе.
4. СВАРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
4.1. Для выполнения сварочных работ может применяться оборудование любого типа, обеспечивающее заданные настоящим РТМ режимы сварки и надежность работы.
4.2. Для автоматической сварки применяются сварочные автоматы типа ТС-17МУ, ТС-32, ТС-35 и другие серийно выпускаемые промышленностью.
4.3. В качестве источников питания применяются выпрямители и преобразователи постоянного тока, параметры которых позволяют обеспечить режимы сварки.
4.4. Установки и аппараты для автоматической сварки должны быть снабжены исправными контрольно-измерительными приборами для измерения силы сварочного тока и напряжения.
4.5. Посты ручной сварки следует оборудовать амперметрами или другими устройствами (приборами), обеспечивающими надежный контроль величины сварочного тока.
4.6. Колебания напряжения питающей сети, к которой подключено сварочное оборудование, допускаются в пределах ±5% от номинального значения.
4.7. Электродержатели для ручной сварки должны удовлетворять требованиям ГОСТ 14651-69.
4.8. Электросварщик должен быть снабжен комплектом вспомогательного инструмента, в который входят: молоток с заостренным концом, стальная щетка, набор шаблонов для промера размеров швов, личное клеймо для клеймения швов, слесарный молоток и зубило.
4.9. Электросварщики при выполнении автоматической сварки под флюсом также должны быть снабжены комплектом вспомогательного инструмента, в который входят: набор гаечных ключей, отвертка, напильник, плоскогубцы, молоток, зубило, стальная щетка, личное клеймо для клеймения швов и т.д.
5. СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
5.1. При выборе сварочных материалов для сварки разнородных сталей необходимо учитывать вероятность развития в сварных соединениях структурной, химической и механической неоднородности, которая может снизить работоспособность изделия. Выбор сварочных материалов следует производить по табл.2 и 3 с учетом требований и рекомендаций настоящего раздела.
5.2. При сварке между собой сталей одного структурного класса разных марок следует применять один из сварочных материалов, рекомендуемых действующей нормативно-технической документацией для сварки каждой из этих марок сталей.
5.3. При сварке разнородных малоуглеродистых и низколегированных сталей перлитного класса (разных марок) следует отдавать предпочтение более технологичным сварочным материалам, которыми, как правило, являются менее легированные, обеспечивающие более низкий предел прочности и более высокую пластичность.
Например, если для сварки стали ВСт3сп рекомендуются электроды типа Э42А, а для стали 09Г2С-Э50А, то для сварки этих сталей между собой следует предпочитать электроды Э42А.
5.4. Режимы предварительного и сопутствующего подогрева при сварке, режимы сварки, а также термической обработки должны применяться с учетом свариваемости менее технологичной стали, входящей в данное соединение, и выполняться в соответствии с РТМ 26-44-71 [24].
а) при сварке стали ВСт3сп со сталью 12ХМ особые условия сварки (режим подогрева, термообработка и т.п.) должны быть приняты по рекомендациям для стали 12ХМ. При этом сварочные материалы принимаются, как указано в п.5.2, 5.3;
б) при сварке стали 12Х18Н10Т со сталью 03Х21Н21М4ГБ (ЗИ-35) должны быть приняты режимы и приемы сварки, рекомендуемые для стали 03Х21Н21М4ГБ, склонной к горячим трещинам.
5.5. При сварке разнородных высоколегированных коррозионностойких сталей аустенитно-ферритного и ферритного классов следует предпочитать менее легированные сварочные материалы (п.5.2), но обеспечивающие аустенитную структуру металла шва с некоторым количеством ферритной фазы. Исключение могут составлять случаи сварки сталей разной толщины (п.5.5).
Технология сварки разнородных сталей
Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК- решетку или принадлежат к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аустенитные), а также стали с однотипной решеткой, относящиеся к различным группам по типу и степени легирования (низколегированные, легированные, высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и других легирующих элементов соответственно.
В табл. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных конструкций.
Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей
Класс сталей и сварочных материалов
Характеристика сталей
Марки (примеры)
Перлитные и бейнитные
09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА
30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ
Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V)
12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169
Мартенситные, ферритные, ферритно-мартенситные, аустенитно-мартенситные, ферритно-аустенитные
12 %-ные хромистые, жаростойкие
08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2
12 %-ные хромистые, жаропрочные
Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе
Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные
Жаропрочные никелевые сплавы
Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).
Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов
Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенитной сталей - образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования металла снижается, приближаясь к перлитной стали. Образование этой прослойки объясняется ухудшением перемешивания жидкого металла в пристеночных слоях. При небольшом запасе аустенитности металла шва толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой происходит хрупкое разрушение сварного соединения.
Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочтение технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна. Этого достигают следующими методами:
- Применением высококонцентрированных источников тепла (электронный луч, лазер, плазма);
- Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), уменьшающей долю участия сталей;
- Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;
- Переходом к дуговой сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное перемешивание металла ванны.
Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах связаны с увеличением температуры расплавленного металла, снижением поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением интенсивности его перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и увеличением кинетической энергии переноса капель электродного металла и плазменного потока в дуге.
Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает отмеченные преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем, что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом.
При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ванны, что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температуры плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и марганца. Применение таких электродов является наиболее радикальным мероприятием и при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 2).
При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Однако рост этих параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации (увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличивает риск образования горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч. Интенсивному электромагнитному перемешиванию ванны препятствует наличие шунтирования магнитного поля перлитной сталью, а также нарушение шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 3), также снижающей температуру ванны.
Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами
Группа свариваемых сталей (см. табл. 1)
Композиция наплавленного металла
Предельная температура эксплуатации, °С
Термическая обработка
VI – VIII + XI – XIII
При формировании следующего слоя 2 со стороны перлитной стали в нем участвует основной металл (т. П), и корневой шов (отрезок а - в), образуя ванну состава т. Д, а также входящий в нее электрод (т. В), что в сумме создает металл слоя со структурой в - г, соответственно долей их участия. Аналогично слой 3 со стороны аустенита характеризуется отрезком е - д.
Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить образование малопластичных участков с мартенситной или карбидной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в условиях неизбежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта технологии будет характерна высокая склонность к возникновению горячих трещин в однофазном аустенитном металле шва, образующихся по границам зерен, сформированных в результате миграции. Для их предотвращения в швах со стабильно аустенитной структурой наплавленный металл легируют элементами, снижающими диффузионные процессы при высоких температурах, применяют электроды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2 . 0,3 % N. Они препятствуют развитию высокотемпературной ползучести и межзеренного проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом пластичность в температурном интервале хрупкости и тем самым предотвращают образование горячих трещин. Более сложный вариант технологии необходим при сварке жестких узлов из аустенитной и среднеуглеродистой стали мартенситного класса, когда в корневых слоях из-за увеличения до 0,5 доли участия основного металла возможно образование горячих трещин, а в верхних слоях - холодных трещин типа "отрыв" и "откол". В этом случае корневые слои выполняют электродами, содержащими до 60 % Ni и 15 % Мо.
Указанные электродные материалы с однофазной аустенитной структурой шва применяют и при сварке перлитных сталей с термоупрочняемыми жаропрочными аустенитными сталями и никелевыми сплавами.
В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неупрочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитно-ферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10 . 12 % ферритной фазы и допускающий долю участия перлитной стали в металле шва до 30 %. При смешивании материала электрода и расплава в том же соотношении будет получен шов, содержащий 4 . 6 % дельта-феррита, что исключает образование горячих трещин, но несколько увеличивает толщину кристаллизационной прослойки.
Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразователи для ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма малое количество углерода путем его частичной замены азотом.
Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, необходимо применение высоконикелевых электродов типа ХН60М15. Швы, выполненные такими электродами хорошо работают в условиях теплосмен из-за равенства коэффициента линейного расширения с перлитной сталью (см. табл. 10.2). Этими электродами заваривают дефекты литья сталей групп IV и V без последующей термообработки.
При недостаточности или неприемлемости указанных технологических вариантов прибегают к сварке через проставки или к предварительной, в том числе комбинированной (см. рис. 10.9) наплавке кромки перлитной стали аустенитным металлом, с последующей сваркой таких заготовок аустенитно-ферритными сварочными материалами с регламентированным количеством ?-Fe (2 . 6 %).
При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых ферритных сталей (гр. VIII) с аустенитными (гр. XI . XIII) принципиально возможно применение как аустенитных, аустенитно-ферритных, так и высокохромистых электродов, поскольку при перемешивании в ванне указанных сталей с электродным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет такую же структуру, как и у наплавленного указанными электродами. При этом с повышением температуры эксплуатации выше 500 °С предпочтительны высокохромистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования необходимо сваривать указанные сочетания сталей аустенитными электродами на никелевой основе, поскольку их коэффициент линейного расширения близок с высокохромистой сталью. Для удовлетворения требований жаростойкости шва следует применять электроды с высоким содержанием хрома (25 . 27 %) и никеля (12 . 14 %), что позволяет их эксплуатировать при 1000 °С.
При неагрессивных рабочих средах соединения указанных сталей, подвергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа Э-08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание с основным металлом без образования горячих трещин. Если термообработка невозможна, рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на никелевой основе.
Третий вариант технологии предусматривает предварительную наплавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при которой производится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспечивающий необходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском для устранения закалки. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней.
Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процесса является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и температуры прокалки электродов. Водород вызывает пористость швов и способствует развитию зародышей всех указанных выше типов холодных трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять низководородистые электроды с основным покрытием и флюсы на фтористо-кальциевой основе.
Другое сочетание сталей разнородных структурных классов в сварных конструкциях - сварка перлитных и высокохромистых сталей. При сварке перлитных сталей с 12 %-ными хромистыми сталями необходимо предотвратить образование мартенсита и холодных трещин, а также развития диффузионных прослоек при отпуске и высокотемпературной эксплуатации. При выборе сварочных материалов следует исключить образование хрупких переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса (табл. 3). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая пластичность, вязкость, а также длительная прочность соединения в целом. Для снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться определенным количеством более активных, чем хром, карбидообразующих элементов.
Табл. 3 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных сталей с мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными
Сварка разнородных сталей: основные типы сталей и применяемые технологии сварочных процессов
В настоящее время в различных отраслях промышленности нередко встречается сварка разнородных сталей. Такое действие необходимо чаще всего в тех случаях, когда возникает необходимость создать соединения из сталей, различающихся по своим свойствам: например, соединить в одном изделии деталь из высоколегированной стали, которая будет подвергаться агрессивному воздействию в процессе эксплуатации, и деталь из низколегированной стали, на которую нагрузка в процессе эксплуатации будет значительно меньше.
Понятие разнородных сталей и особенности их сварки
Разнородные стали – это стали, которые различаются по своему химическому составу, степени легирования, классам, типам, степени теплопроводности и подверженности сваривания между собой.
При осуществлении сварки разнородных сталей следует учитывать ключевую особенность, которая присуща подавляющему большинству создаваемых сварных соединений: в процессе сварки могут образовываться интерметаллидные структуры, то есть соединения двух и более металлов, обладающих более высокой температурой плавления, нежели те исходные стали, что были использованы для создания изделия. Однако такие структуры могут быть очень хрупкими, и это может привести к разрушению сварного шва при несоблюдении технологии сварки.
Для того чтобы полученный шов был максимально плотным и качественным, края свариваемых деталей необходимо предварительно подогревать с помощью газовой горелки или паяльной лампы. Это не только позволит выпарить лишнюю влагу на подготовительном этапе, но также и подготовить деталь к сварке в соответствии с ее физико-химическими параметрами.
Типы разнородных сталей по признакам разнородности структур
По содержанию углерода в составе сталей происходит их деление на следующие виды:
- углеродистые стали. Они являются наиболее распространенными, так как создаются на основе сплава железа и углерода. В зависимости от количества углерода в составе сплава делятся на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые, теплоустойчивые, хладостойкие;
- легированные стали. В зависимости от включенных в состав стали химических элементов выделяют низколегированные, высоколегированные стали.
В зависимости от наличия в химическом составе сталей серы и фосфора выделяют:
- красноломкие стали (в химическом составе которых находится сера);
- хладноломкие стали (в химическом составе таких сталей присутствует фосфор);
- тепло- и холодоустойчивые стали (из которых методом раскисления удалены примеси серы и фосфора, либо введены химические элементы, которые нейтрализуют их действие).
Способы и технологии сварки в зависимости от разнородности сталей
Выбор способа сварки тех или иных разнородных сталей зависит, в первую очередь, от их физико-химических свойств. В настоящее время чаще всего встречаются следующие виды соединений разнородных сталей:
- стали низкоуглеродистые, низколегированные, инструментальные и стали неизвестного состава. Для оценки свариваемости разнородных сталей следует обратить внимание на эквивалент углерода Се. Когда свариваются стали с различным Се, параметры сварки подбираются по стали с большим Се, а присадочный материал — по стали с меньшим Се. При правильно выбранных режимах и присадочном материале твёрдость и механические свойства наплавленного металла будут находиться в диапазоне между свариваемыми сталями. В противном случае высока вероятность образования трещин. Выбор температуры подогрева перед сваркой также зависит от эквивалента углерода и подбирается по стали с большим Се. При сварке сталей со значительной разницей в значениях Се рекомендуется произвести отпуск для снятия напряжений. Контролируемое остывание свариваемых деталей или снижение скорости их остывания уменьшают риск образования трещин;
- нержавеющие стали с низкоуглеродистыми сталями. Сварка таких сталей приводит к одновременному образованию в сварочном шве твёрдых и хрупких структур, что может быть вызвано нарушением технологий сварки. При этом при сварке нержавеющей стали с низкоуглеродистой или низколегированной сталью сварочные швы получаются высокого качества при условии тщательного соблюдения всех технологических требований к процессу. Однако следует обратить внимание на то, что многообразие комбинаций этих сталей не позволяет сформулировать общих рекомендаций по их сварке, которые для всех случаев гарантировали бы хороший результат. Для сварки высоколегированной и низколегированной сталей обычно используют присадочный материал повышенного легирования или на основе никеля. Также предварительно перед сваркой можно наплавить на кромку из низкоуглеродистой или низколегированной стали переходной слой из нержавеющей стали. Затем сварка ведётся с присадкой, аналогичной нержавеющему металлу;
- чугун со сталью. Чугун обладает ограниченной свариваемостью, это является основным критерием выбора сварочных материалов и параметров сварки. Если к сварочному шву не предъявляются особые требования, то сварка ведётся с применением присадочных материалов на основе никеля. Нежелательно применять сварочные процессы, связанные с высоким тепловложением или образованием большой сварочной ванны. Белый чугун и некоторые другие виды чугуна с высоким содержанием углерода являются несвариваемыми из-за их склонности к образованию трещин. В некоторых случаях целесообразно на чугунные кромки наплавить переходной слой с присадочным материалом на основе никеля. Небольшие детали перед сваркой подвергают общему нагреву, большие заготовки подогреваются вокруг зоны сварки. Немаловажным является тот факт, что чугун обладает низкой пластинчатостью и низким коэффициентом линейного расширения. Для решения этой проблемы необходимо снизить усадочные напряжения. Лучшим способом достижения этого является проковка сварного шва сразу после сварки ударным инструментом со скруглённым бойком. Также во время сварки рекомендуется применять электроды меньшего диаметра. Для наплавки переходного слоя на чугунную кромку применяют ручную дуговую сварку и дуговую сварку порошковой проволокой. Для сварки со стальной кромкой применяют ручную дуговую сварку и сварку плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
- низколегированные стали с низкоуглеродистыми сталями. Ограниченная миграция легирующих элементов при сварке из низколегированной стали обычно не приводит к повышению склонности наплавленного металла к закалке для всех основных видов сварки. Сварочные материалы подбирают под низкоуглеродистую сталь, а режимы сварки – под низколегированную. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка под флюсом, плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
- различные низкоуглеродистые стали друг с другом. Если обе свариваемые кромки относятся к одному типу легирования, но при этом имеют различные эквиваленты углерода Се, то сварка ведётся с использованием сварочных материалов идентичного типа легирования. Для сварки сталей с высокой склонностью к закалке рекомендуется применять ручную дуговую сварку. Во избежание образования холодных трещин в зоне термического влияния желательно уменьшить удельное тепловложение при сварке и избегать медленной скорости сварки. Высокопрочные стали, обладающие очень высокой склонностью к закалке, требуют предварительного подогрева до достаточно высоких температур, а также послесварочную обработку. Альтернативой может быть применение специальных аустенитных присадочных материалов с минимальным предварительным подогревом. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка порошковой проволокой, дуговая сварка под флюсом, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
- инструментальные, пружинные стали с углеродистыми и низколегированными сталями. По причине полиморфных фазовых превращений, происходящих при нагреве и охлаждении, эти стали являются тяжело свариваемыми. Сварка таких сталей требует применения специальных приёмов. При сварке изделий небольшой толщины сварку можно осуществлять без предварительного подогрева. В остальных случаях требуется подогрев до температуры около 300 градусов, которую необходимо поддерживать во время всего сварочного процесса. Необходимо минимальное тепловложение в сварочную ванну. Рекомендуемые способы сварки: ручная электродуговая покрытыми электродами, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
- высоколегированные нержавеющие стали с инструментальными и пружинными сталями. Основное требование при сварке таких сталей – применение сварочных материалов, которые дают аустенитную нержавеющую сталь или сплав на основе никеля. Рекомендуемые способы сварки: ручная электродуговая покрытыми электродами, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
- разнородные высоколегированные нержавеющие стали друг с другом. При сварке таких сталей сварочные швы получаются высокого качества. Однако когда свариваются карбидостабилизированные нержавеющие высоколегированные стали с нестабилизированными нержавеющими сталями, следует применять карбидостабилизированные сварочные материалы или сварочные материалы с пониженным содержанием углерода. Также необходимо ограничить тепловложение в сварочную ванну. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
- стали неизвестного или вызывающего сомнения состава с другими сталями. При ремонте стальных конструкций не всегда представляется возможным проанализировать химический состав сталей. Выполняя сварочные работы со сталями неизвестного химического состава, следует подбирать сварочные материалы и режимы как для тяжелосвариваемых сталей. Предпочтительным способом сварки является ручная дуговая сварка штучным покрытым электродом. Высокое качество сварных соединений при сварке разнородных сталей обеспечивается соблюдением технологии сварки, применяемыми сварочными материалами, способами и режимами сварки. Даже незначительные отклонения от требований, предъявляемых к сварке таких соединений, приводит к образованию дефектов и трещин.
Оборудование для сварки
Вне зависимости от того, о каких свариваемых разнородных сталях идет речь, оборудование для выполнения сварочных работ делится на две группы:
- Рабочее оборудование, которое включает в себя: источник сварочного тока, силовые кабели питания источника от электрической сети или генераторов; кабели для подведения сварочного тока к свариваемым изделиям и создания сварочной цепи, в случае использования технологий с защитным газом – баллоны с газом или специальные устройства-генераторы, сварочные молотки, щетки по металлу, электроинструмент (болгарки и угловые шлифовальные машинки) для итоговой обработки сварных соединений. Кроме того, в качестве оборудования для сварки следует рассматривать присадочные материалы (сварочная проволока, электроды), а также механизмы для их направления в сварочную зону (машинки для подачи проволоки, электродержатели для электродов). . Данный вид оборудования является чаще всего индивидуальным и включает в себя: защитную одежду, прошедшую пропитку с целью огнезащиты, сварочную маску с темным стеклом или самозатемняющуюся маску, краги или перчатки, защитную обувь.
В качестве дополнительного оборудования сварочного поста рассматривается сварочный стол, а также инструменты для закрепления свариваемых деталей в необходимых пространственных положениях.
Читайте также: