Термообработка стыков трубопроводов после сварки

Обновлено: 13.05.2024

Для создания крупных магистральных трубопроводов используют коллекторы с большим внутренним диаметром. Это применяется в теплосетях и системах водоснабжения. Из-за большого веса проходящей жидкости возрастает и давление на стенки коммуникации. Поэтому последние выполняются из материалов достаточной толщины, чтобы выдерживать большие нагрузки. Но это создает новую проблему — сложно качественно сварить стороны с такой толщиной, обеспечив длительную последующую эксплуатацию. При такой массе изделия прогрев достигает сравнительно небольшой зоны, что приводит к ряду физических процессов, неблагоприятно сказывающихся на дальнейшем использовании материала. Для решения этой проблемы разработана и применяется термообработка сварных соединений. Что это такое? В каких случаях необходима термообработка после сварки? Каким оборудованием и как выполняется процесс?

Суть и предназначение процесса

Сварочный шов создается электрической дугой и присадочным материалом с электрода при температуре от 1500 до 5000 градусов. Это приводит к нескольким негативным явлениям на толстом металле. А именно:

Непосредственно в месте соединения основного и присадочного материалов происходит значительный перегрев. Это содействует кристаллизации металла с крупной зернистой структурой, что снижает его пластичность. Выгорание марганца и кремния тоже подвергает эту область преобразованию в жесткий участок, плохо взаимодействующий, при естественных расширениях, со всей конструкцией.
Немного дальше от шва образуется зона закалки. Она испытывает значительный, но меньший перегрев, чем предыдущий участок, поэтому в ней происходит закаливание некоторых элементов. Этот участок характеризуется включениями с высокой твердостью и сниженной пластичностью. Ухудшаются показатели металла и по ударной вязкости.
На удаленном расстоянии от шва появляется зона разупрочнения. Благодаря непродолжительному воздействию умеренной температуры от электрической дуги, данный участок сохраняет высокую пластичность, но снижаются характеристики по прочности.

Общим дефектом после сварки являются остаточные напряжения в металле, которые способны деформировать изделие. Из-за этого возникают трудности при монтаже объемных конструкций, где требуется точность при стыковке новых узлов. Остаточное напряжение вызывает и последующее образование трещин, что недопустимо для швов трубопроводов. В сочетании с высокой температурой, это способствует снижению коррозионной устойчивости, циклической прочности, и способности сопротивляться хрупким разрушениям в условиях холода.

Термообработка сварных швов выполняется при температуре от 700 до 1000 градусов. Это позволяет устранить последствия неравномерного прогрева при дуговой сварке на толстых металлах, чем повышает надежность будущих коллекторов и магистралей трубопроводов. Труба и наложенный шов приобретают более похожую структуру, и лучше взаимодействуют во время естественных физических процессов (расширения и сужения материалов, воздействия влаги и т.д.).

Термообработка сварных соединений трубопроводов происходит в три этапа:

нагрев околошовной зоны или всего изделия одним из нескольких видов оборудование;
выдержка материала на заданной температуре в течении определенного времени;
последующее планомерное охлаждение до нормальных температур.

Это нейтрализует остаточные явления от сварки, выравнивая структуру металла, и снимая напряжение в металле, способствующее деформации. Процесс может выполняться несколькими способами, а технология разнится в зависимости от типа и толщины металла. Не все сварные соединения необходимо подвергать термообработке, но в некоторых случаях она является обязательной.

Что и когда подвергается термической обработке

Нейтрализации остаточных явлений от электродуговой сварки необходимо подвергать все трубопроводы диаметром от 108 мм, имеющими стенку 10 мм и более. Для этого используют индукционный нагрев изделия током с частотой 50 Гц. Термообработка способна воздействовать на металл трубы со стенкой 45-60 мм, для чего применяют гибкие электронагревательные проволоки или муфельные печи. Если толщина стенки конструкции не более 25 мм, то можно использовать газопламенный способ нагрева. Во всех случаях важен фактор равномерности распределения температуры во все стороны от сварочного соединения.

Стыки, выполненные с применением труб из стали 12 XIM Ф и ее разновидности 15 XIMI Ф, имеющие толщину стенки магистрали 45 мм должны подвергаться термической обработке сразу после окончания сварочных работ. Охлаждение материала не должно допускаться до температуры 300 градусов. Стыки из аналогичных сталей на трубах с диаметром 600 мм, при стенке 25 мм, обрабатываются в этот же временной период. В случае невозможности выполнить процесс, соединение необходимо укрыть слоем теплоизоляции 15 мм, а при первой же возможности произвести обработку. Максимальный срок на проведение этих работ составляет трое суток.

Термообработке необходимо подвергать не только кольцевые швы на трубопроводе, но и вваренные отводы, краны, заглушки. Крепление под участок трубы, которое присоединялось посредством сварки, тоже необходимо обработать нагревом.

Режимы процесса

Разные виды стали подвергаются термообработке в конкретный временной промежуток. Влияет на режим и толщина стенки изделия. На хромомолибденовых сталях и их сплавах с ванадием применяется нагрев индукционным способом, с частотой тока в 50 Гц и выше, или радиационным методом по следующим показателям:

Толщина стенки, мм	Радиационный способ, минуты	Индукционный способ, минуты
До 20	40	25
21-25	70	40
26-30	100	40
31-35	120	60
36-45	140	70
46-60	160	90
61-80	160	110
81-100	160	140

Виды оборудования

Термообработка выполняется несколькими видами средств, выбор которых зависит от толщины свариваемых труб и местной доступности оборудования. Выделяются три основные способа нагрева околошовной зоны.

Индукционный

На рабочем месте устанавливается аппарат, вырабатывающий переменное высокочастотное напряжение. К нему подсоединяется нагревательный элемент, которым служит гибкий провод. Последний наматывают на сварочное соединение, предварительно укутанное асбестом для теплоизоляции. Эту технологию можно применять независимо от положения трубы в пространстве (вертикального или горизонтального).

Намотку провода производят вплотную к изолятору, а между витками оставляют зазор в 25 мм. Таким образом должно быть покрыто по 250 мм участка трубы с каждой стороны шва. После правильного наложения витков аппарат включается на время, предназначенное для конкретной толщины стенки трубопровода. Напряжение, проходя через витки провода, создает индукцию и разогревает изделие. Похожим способом выполняется и накладка цельных поясов, содержащих внутри себя ряд проводов, которые сразу покрывают нужную ширину трубы.

Радиационный

Вторым распространенным способом термической обработки сварных соединений является радиационный метод. Здесь тепловой эффект исходит от специальных нихромовых проводов, по которым идет напряжение, и околошовную зону греет непосредственно тепло от провода, а не индукция тока, как в первом способе. Тэн укладывают на основу из теплоизоляции.

Газопламенный

Самым дешевым способом выполнить термическую обработку сварного шва является пламя от горения смеси ацетилена и кислорода. Это подходит для труб с диаметром не более100 мм. На горелку устанавливается мундштук с крупным отверстием. Для равномерности подачи тепла от пламени на сопло одевается асбестовая воронка, распределяющая пламя по ширине в 250 мм. Правильный нагрев производится одновременно двумя горелками, работающими с каждой стороны.

Виды термообработки

Тепловое воздействие на сварочное соединение и прилегающую зону может выполняться по разной технологии для достижения определенных целей. Вот основные процессы и их влияние на изделие:

Термический отдых. Трубопровод подвергают нагреву до 300 градусов с удержание этой температуры до 120 минут. Это действие способствует снижению содержания водорода в шве, и частичному снятию остаточного напряжения. Метод применяется на особо толстостенных изделиях, где невозможно выполнить другие техники термообработки.
Высокий отпуск. Трубу и сварной шов нагревают до температуры 600-700 градусов. Выдержка происходит в течении 1-3 часов в зависимости от толщины стенки. Вследствие чего остаточное напряжение снижается до 90%. В низколегированных сталях разрушается закалочная структура, а карбиды становятся крупнее. Это приводит к повышению пластичности и ударной вязкости. Чаще всего этот вид термообработки применяют на сталях перлитного класса.
Нормализация. Шов и трубу нагревают до 800 градусов, но на короткое время (выдержка от 20 до 40 минут). Это частично убирает напряжение в металле, но главным образом придает однородность и мелкозернистую структуру, что улучшает механические свойства. Такая технология используется на тонкостенных трубах небольшого диаметра.
Аустенизация. Разогрев материала до 1100 градусов с длительным удержанием температуры (около двух часов) и последующим остыванием на воздухе. Реализуется на высоколегированных сталях для снижения остаточного напряжения и повышения пластичности.
Стабилизирующий отжиг. Трубопровод с наложенным швом разогревают до 970 градусов с выдержкой до 180 минут. Охлаждение выполняется естественным образом на воздухе. Метод предупреждает возникновение межкристаллической коррозии на высоколегированных сталях.

Применение термообработки на трубопроводах из различных металлов значительно продлевает их срок эксплуатации. Для успешного использования метода важно правильно подбирать температуру, время выдержки и способ нагрева.

Термообработка сварных швов

При сварке структура металла шва и прилегающей зоны под действием высокой температуры изменяется. Это может привести к преждевременному разрушению деталей. Для устранения негативных последствий сильного нагрева после наложения швов выполняют термообработку сварных соединений.

Для чего нужна термообработка

При сварке в зоне нагрева происходят негативные изменения кристаллической решетки и свойств металла:

Из-за перегрева в месте горения дуги структура становится крупнозернистой, что приводит к снижению пластичности. Процесс сопровождается выгоранием марганца и кремния, что также способствует преобразованию структуры. После остывания шов становится жестким, склонным к образованию трещин при изменении нагрузки во время эксплуатации. Например, к сварным соединениям технологических трубопроводов прилагаются дополнительные воздействия, возникающие при температурном расширении/сжатии.
В зоне возле сварного соединения металл нагревается до температуры достаточной для закалки. Поэтому происходит снижение пластичности и стойкости к ударным нагрузкам.
На более удаленных участках с умеренным нагревом происходит разупрочнение металла, но пластичность остается на прежнем уровне.
Из-за неравномерности нагрева происходит образование внутренних напряжений, приводящих к деформации деталей с образованием трещин.

После проведения термообработки сварных швов и прилегающих участков восстанавливается структура и характеристики металла по прочности, пластичности, коррозионной стойкости. Термическую обработку сварных соединений для снятия напряжений в обязательном порядке выполняют при монтаже объемных конструкций из тонкостенного металла.

Термообработка защищает сварной шов от коррозии и улучшает механические свойства.

Особенности проведения

Термообработку выполняют поэтапно:

нагревают только шов или вместе с участками возле него;
поддерживают температуру в течение определенного времени;
планомерно охлаждают до температуры окружающей среды.

В зависимости от решаемых задач термообработку после сварки выполняют при температуре от 600 до 1100⁰C. Разработано несколько методов обработки с разными графиками нагревания, временем выдерживания, охлаждения. Способ и оборудование выбирают в зависимости от марки металла, толщины и конфигурации деталей.

Термообработке должны подвергаться сварные швы трубопроводов большой протяженности, соединения на грузоподъемных механизмах, сосуды и емкости, работающие под давлением. Процедуру нельзя откладывать на срок больше трех суток. Для повышения стойкости к коррозии термообработку проводят сразу после завершения сварки.

Из достоинств отмечают:

увеличение надежности и долговечности сварных соединений;
возможность улучшения нужных параметров.

К недостаткам термообработки относят:

Невозможность исправления брака при нарушении технологии термообработки. Соединение придется заново переваривать.
Большую цену и габариты оборудования.
Для выполнения термообработки нужен квалифицированный персонал.
Повышенный расход энергоресурсов.

Продолжительность процесса

Длительность термической обработки сварных соединений зависит от вида и толщины металла. Хромомолибденовые марки стали и ее сплавы с включением ванадия нагревают радиационным или индукционным способом. Длительность процесса определяют по таблице:

Толщина, см	Радиационный, минуты	Индукционный, минуты
До 2.0	40	25
2.1 — 2.5	70	40
2.6 — 3.0	100	40
3.1 — 3.5	120	60
3.6 — 4.5	140	70
4.6 — 6.0	160	90
6.1 — 8.0	160	110
8.1 — 10	1600	140

Перед нагревом сварной шов очищают от шлака. Индукционным способом процедура выполняется быстрее, но расход электроэнергии больше.

Важно!

Длительность термической обработки сварных соединений зависит от вида и толщины металла.

Применяемое оборудование

Для термической обработки сварных швов применяют следующие виды оборудования:

Индукционное. Принцип работы основан на нагреве металла вихревыми токами, создаваемыми индукционной катушкой (индуктором), подключенной к высокочастотному генератору. Нагреваемый участок предварительно накрывают асбестом. Поверх него гибким проводом наматывают витки катушки с шагом 2,5 см на расстоянии 25 см по обе стороны от стыка. В качестве индуктора также используют накладки с расположенными внутри проводами. Технология обеспечивает быстрый, равномерный нагрев участка соединения независимо от положения деталей.
Радиационное. Нагрев осуществляется теплом от проводов из нихрома, по которым проходит электроток. Гибкие нагревательные элементы удобны для обработки соединений сложной формы. Радиационное оборудование эффективней индукционного при работе с металлами с низкими электромагнитными характеристиками.
Газовое выгодно для применения, так как не нуждается в электроэнергии. Однако на нагрев уходит много времени. Поэтому оборудование используют на небольших конструкциях. Для обеспечения равномерного прогрева соединения работу выполняют двумя многопламенными ацетиленовыми горелками одновременно с обеих сторон.
Для работы с деталями небольшого размера применяют муфельные печи. Их также используют на трубопроводах малого диаметра.

Виды термической обработки

Способ термообработки сварного шва выбирают в зависимости от поставленной цели:

После термического отдыха уменьшается остаточное напряжение и количество водорода внутри шва. Процесс проводят при температуре до 300⁰C с выдержкой в течение 1,5 — 2 часов. Этим способом обрабатывают сварные соединения на толстостенных конструкциях, когда нет возможности применить другие виды.
Отпуском за счет разрушения закалочных структур добиваются уменьшения напряжения на 90%, увеличения пластичности и стойкости к ударным нагрузкам. Нагрев до 600 — 700⁰C, выдержка до 3 часов. Метод применяют на перлитных сталях.
Нормализацию выполняют при 800⁰C с выдержкой 20 — 40 минут на тонкостенных деталях. После завершения процесса структура становится мелкозернистой и однородной.
Аустенизацию проводят на высоколегированных видах стали для снятия напряжений и восстановления пластичности. Нагрев до 1100⁰C, двухчасовая выдержка с последующим естественным охлаждением.
Для отжига после сварки термообработку выполнят при 970⁰C с выдержкой в течение 3 часов и остыванием в естественных условиях. Используют при работе с высоколегированными сталями для улучшения стойкости к коррозии.

Температуру контролируют по изменению цвета меток, нанесенных на поверхность деталей термокарандашом или термокраской. Однако точность измерения этим способом невысока, поэтому чаще пользуются пирометрами и тепловизорами. Они могут быть ручными или встроенными в системы автоматического поддержания температуры на заданном уровне.

Если к качеству сварных соединений предъявляются высокие требования, выполнение термообработки обязательно. После ее проведения на швах не появятся трещины, разломы, коррозия. При использовании современного оборудования термообработка не займет много времени.

Термообработка швов

Как выполнить термообработку сварных соединений

Помимо подготовительных действий, рабочего процесса и контроля качества существуют дополнительные этапы, которые просто обязательны в условиях крупномасштабного производства. Существуют отрасли, где качество сварных швов играет очень большую роль, и каждая ошибка может стоит дорого. На первый план выходит защита сварных швов от коррозии. Также нужно защитить сварочный шов от преждевременного разрушения.

Чтобы достичь наилучшего качества составляются подробные чертежи, подбираются оптимальные комплектующие и работа поручается настоящим профессионалам. Но есть еще один действенный способ — обработка сварного соединения. Существует несколько типов обработки, в этой статье мы поговорим о термической.

Общая информация

Термическая обработка сварных соединений — это метод обработки швов, основанный на применении высоких температур. Благодаря термообработке осуществляется защита сварных швов от коррозии, снижается вероятность появления трещин, улучшаются механические свойства шва, повышается жароустойчивость. Этот метод можно сравнить с обжигом глины, которая приобретает особые свойства благодаря высоким температурам.

Термообработке подвергается только сварной шов или также прилегающая к нему область. Сварное соединение нагревается до определенной температуры и выдерживается в нагретом состоянии определенное количество времени, затем охлаждается. Для процесса обработки используется специальная установка для термообработки сварных швов или отдельные приспособления, о которых мы поговорим позже.

Существует несколько методов термообработки. Все они отличаются температурой, используемой для нагрева шва. Температура нагрева может быть от 650 до 1125 градусов по Цельсию, выбирается в зависимости от типа стали и свойств, которые должна получить сталь. Детали могут прогревать от 1 до 5 часов. Затем металл охлаждается естественным путем, без применения дополнительных методов.

В результате улучшается пластичность и ударная вязкость сварного соединения, улучшаются механические свойства, снижается остаточное напряжение от сварки. Зачастую необходима термообработка сварных соединений технологических трубопроводов. Поскольку именно трубы формируют важнейшие узлы. Они должны быть прочными и долговечными.

Методы нагрева швов

Сварочные швы и соединения могут нагреваться несколькими способами. Среди наиболее распространенных можно выделить специальные гибкие нагревательные изделия, муфельные печи, индукционные и газопламенные приспособления.

Метод нагрева шва выбирается исходя из возможности установки дополнительного оборудования, доступа к трубам, диаметра детали и прочих субъективных факторов. Проще говоря, выбор метода нагрева не регламентируется нормами и правилами. Самое главное — нагревательные приспособления должны беспрепятственно монтироваться на деталь, весить немного и осуществлять равномерный нагрев, без перепадов температур. Такая обработка называется локальной или местной.

Локальная термообработка с помощью гибких нагревательных элементов — это самый простой и недорогой способ обработки шва. Ранее такие нагреватели выпускал завод «Минмонтажспецстрой», сейчас этим занимается «Корпорация Монтажспецстрой». Такие элементы легко подстраиваются под диаметр трубы и их монтаж не вызывает трудностей.

Также используются муфельные печи. Они вполне эффективны при работе с трубами небольшого диаметра. Но здесь есть один нюанс: чтобы прогрев был равномерным нужно устанавливать печь так, чтобы ее ось вращения не совпадала с геометрической осью.

Индукционные приспособления также довольно распространены. Они недорогие и эффективные. Широко применяются при нагреве швов как раз на трубах. В качестве нагревательного элемента здесь выступают многожильные медные кабели, которые охлаждаются с помощью воздуха. При нагреве шва труб нужно оставить небольшой зазор между самой трубой и кабелями. Такая установка для термообработки сварных швов позволяет прогреть соединения равномерно и быстро. Ниже представлена таблица с характеристиками индукторов.

Газопламенный метод нагрева предполагает использование многопламенных газовых горелок. Принцип работы такой специальной горелки ничем не отличается от обычной бытовой зажигалки, разве что каналов выхода пламени в десять раз больше. Здесь пламя образуется при сгорании кислорода и горючего газа. Газопламенный метод хорош в труднодоступных местах, но может занимать больше времени.

Технология термообработки

При проведении термической обработки учитывается длина шва, соблюдается равномерность прогрева соединения и прилегающих областей, выбирается подходящая скорость и температура нагрева, устанавливается время продолжительности нагрева (также называется выдержкой) и устанавливается скорость охлаждения.

Термообработка сварных швов трубопроводов начинается с того, что шов изолируют с помощью теплоизоляционного материала. Например, при применении газопламенной горелки шов обматывается слоем листового асбеста толщиной 2-3 сантиметра. Только затем происходит монтаж самой горелки. Тот же принцип и при сварке индукционными приспособлениями или нагревательными элементами.

Чтобы сварные швы не теряли тепло изоляционные материалы должны быть прочными и теплостойкими одновременно. При этом они должны иметь малый вес, легко изгибаться. В таблице ниже описаны основные теплоизоляционные материалы, применяемые при термообработке. Также указана из температурная область.

Обработка сварного шва доверяется только специалистам. Специалист проходит предварительное обучение и только после этого приступает к работе. При этом процессом должен руководить старший мастер. Специалист обязан не только правильно подобрать и установить нагревательное оборудование, но еще и проверить, насколько хорошо слесари подготовили металл.Термообработка сварных швов трубопроводов не начнется без тщательной подготовки.

После обработки можно осуществить термоотдых. Пусть деталь остынет. Затем производится шлифовка сварных швов болгаркой. Зачистка сварного шва после сварки необходима для удаления ненужных включений, образовавшихся при сварке. Например, шлака.

Вместо заключения

Термообработка сварных соединений технологических трубопроводов — обязательный этап, если качество шва стоит на первом месте. С помощью обработки возможна полная защита сварных швов от коррозии, трещин и разлома. Это простой, но вместе с тем эффективный метод. С помощью современных приспособлений можно быстро и равномерно обработать сварной шов. Делитесь этой статьей в социальных сетях и оставляйте комментарии к этой статье. Желаем удачи в работе!

Читайте также: