Особенности сварки теплоустойчивых сталей
Что такое теплоустойчивая сталь? Основные марки теплоустойчивых сталей и их свариваемость. Основные методы сварки и сварочные материалы для сварки реакторных сталей 15Х2МФА и 15Х2НМФА. Трудности при сварке и чем они вызваны. Холодные трещины. Требования к сварочным материалам и металлу швов реакторных сталей. Радиационное охрупчивание швов и методы его снижения на стадии изготовления сварных узлов и при эксплуатации оборудования.
С начала создания атомных электростанций в США и других странах для корпусов реакторов с водой под давлением применялись простые по составу стали, которые широко использовались в теплоэнергетике. Все эти стали имели сравнительно низкую прочность и радиационную стойкость, но обладали достаточной технологичностью и хорошей свариваемостью[2, 3]. В середине 50-х прошлого века для корпусов реакторов в США использовалась листовая сталь марки SА212В легированная небольшим содержанием Mn и Si и содержанием углерода 0,30-0,35% (см. таблицу). Невысокая прочность и ударная вязкость привели к быстрой замене ее на сталь SA302В более легированную марганцем и дополнительно молибденом. Эта марка стали была более прочной и с начала 60-х годов стала основным конструкционным материалом при производстве реакторов за рубежом. Однако содержание примесных элементов в ней сохранялось высоким, как и в стали SА212В. Для поковок С и Mn были заменены Ni и Mo. Так, появилась сталь SA336 с добавкой небольшого количества Cr. В дальнейшем эта сталь (с 1989 г.) стала обозначаться SA508. В связи с увеличением толщины полуфабрикатов сталь SA302В была модифицирована никелем. Этот материал впоследствии получил обозначение SA533 и нашел широкое применение для корпусов реакторов под давлением. В Германии наибольшее распространение получила сталь 22NiMoCr37, близкая по составу SA508, а во Франции - SA508. Листы из этих марок стали с различным уровнем прочности поставляются после нормализации и отпуска в улучшенном состоянии. Это относится и для металла поковок, предназначенных для изготовления обечаек. Для этих сталей по всему сечению полуфабриката имеет место более оптимальная структура отпущенного бейнита по сравнению с ферритно-перлитной структурой стали SA212В. Радиационная стойкость этих сталей достаточно подробно представлена в обзоре [4].
Таблица. Химический состав реакторных сталей
| Марка | Годы прим | С | Mn | Cr | Mo | Ni | Др. эл. | P | S | Cu |
| Зарубежные стали | ||||||||||
| SA212B | 1 950 | £0,31 | 0,85-1,20 | - | - | 0,15-0,30Si | £0,035 | £0,040 | ||
| SA302B | £0,25 | 1,15-1,50 | £0,35 | 0,45-0,60 | - | - | £0,035 | £0,035 | - | |
| SA336 | 0,19-0.25 | 1,10-1,30 | 0,25-0.45 | 0,50-0,60 | 0,40-0,50 | - | £0,025 | £0,025 | - | |
| SA533 | £0,27 | 1,15-1,55 | - | 0,45-0,60 | 0,40-0,70 | - | £0,035 | £0,040 | £0,10 | |
| SA508 | £0,25 | 1,20-1,50 | £0,25 | 0,55-0,70 | 0,40-1,00 | - | £0,015 | £0,015 | 0,10-0,15 | |
| Российские стали | ||||||||||
| 15X2МФА | 0,13-0,18 | 0,30-0,60 | 2,50-3,00 | 0,60-0,80 | £0,40 | 0,10-0,12V- | £0,020 | £0,020 | £0,30 | |
| 15Х2НМФА | 0,12-0,20 | 0,40-0,90 | 1,6-2,7 | 0,40-0,75 | 1,0-1,5 | 0,25-0,35V | £0,025 | £0,020 | £0,20 | |
| 15Х2В2ФА | 0,13-0,18 | 0,30-0,60 | 2,5-3,5 | £0,025 | £0,04 | 1,2-1,6 | £0,006 | £0,006 | £0,06 |
В нашей стране работы по созданию энергетических атомных реакторов для первых энергоблоков АЭС были начаты в 1956 году. Разработка концепции создания первых крупных атомных энергоблоков осуществлялось Институтом атомной энергии под руководством академика А.П. Александрова. В рамках этой большой общей проблемы на наш институт была возложена задача создания корпусов реакторов диаметром 3,5-4,2 м, высотой 11-12 м [5]. Поскольку изготовление таких габаритов корпусов без применения сварки было невозможно, то для решения поставленной задачи потребовалась разработка свариваемой теплоустойчивой стали. По существу необходимо было разработать не только сталь, но и технологию всего ее металлургического передела – выплавки, ковки из отливок большой массы и термической обработки основных заготовок.
Основной научно-технической задачей, которая решалась при выполнении этого большого комплекса работ, было обеспечение высокой стойкости основного металла и металла сварных швов против теплового и радиационного охрупчивания. Для обеспечения транспортировки изготовленных на заводе реакторов по железной дороге было необходимо ограничить диаметр корпуса, что приводило к более высоким интегральным потокам нейтронов на стенку корпуса реактора по сравнению с зарубежными аналогами. Кроме того, были выдвинуты более высокие требования к материалу по уровню прочности. Работы по созданию стали осуществлялось коллективом института в период с 1956 по 1960 года под руководством И.В. Горынина. Была разработана сталь Cr-Mo-V композиции как для цилиндрической части корпуса реактора, где на металл воздействует максимальный поток нейтронов, так и для более толстостенных элементов реактора - крышки и фланца. Созданная композиция более чем на 20 лет опередила мировые разработки. За рубежом стали такого типа под названием «суперхролой» стали появляться лишь в 80-е годы. В настоящее время предпринимаются попытки использовать сталь такой композиции и для новых европейских реакторов мощностью свыше 1000 МВт.
Сталь марки 15Х2МФА постоянно совершенствовалась и в настоящее время является лучшим конструкционным материалом по радиационной стойкости. Эволюция химического состава сталей для корпусов атомных реакторов детально описана в работе [6] и представлена на рис.1.
Особенности сварки теплоустойчивых сталей
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ И ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
СВАРКА ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ
Теплоустойчивыми называют стали, длительно работающие при температуре до 600 °С. К ним относятся перлитные низколегированные хромомолибденовые стали 12МХ, 12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ, работающие при температуре 450. 550 °С и хромомолибденованадиевые стали 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20МФЛ, работающие при температуре 550. 600 °С в течение 100 000 ч (10 лет). Они дешевы и технологичны, из них делают отливки, прокат, поковки для изготовления сварных конструкций: турбин, паропроводов, котлов и т.п.
Теплоустойчивость сварных соединений оценивают отношением длительной прочности металла соединения и основного металла - коэффициентом теплоустойчивости.
Чтобы работать при высоких температурах, стали должны обладать жаростойкостью, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и сопротивлением ползучести: их пластическая деформация при постоянной нагрузке с течением времени должна возрастать незначительно. Все это достигается введением в состав сталей 0,5. 2,0% хрома, 0,2. 1,0 % молибдена, 0,1 . 0,3 % ванадия и — иногда — небольших добавок редкоземельных элементов. Хорошее сочетание механических свойств изделий из теплоустойчивых сталей достигается термообработкой: нормализацией или закалкой с последующим высокотемпературным отпуском. Это обеспечивает мелкозернистую структуру, состоящую из дисперсной ферритокарбидной смеси. После 100000 ч работы обработанная таким образом сталь 15ХМ имеет прочность 260 МПа (26,5 кгс/мм2) при температуре 450 °С и 62 МПа (6,3 кгс/мм2) при температуре 550 °С, а сталь 12X1МФ - 154 МПа (15,7 кгс/мм2) при температуре 500 °С и 58 МПа (5,9 кгс/мм2) при температуре 580 °С.
Физическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая отношением металла к плавлению, металлургической обработке и к последующей кристаллизации шва не вызывает затруднений. Современные сварочные материалы и технология сварки обеспечивают требуемые свойства и стойкость металла шва против горячих трещин. Однако сварные соединения склонны к холодным трещинам и к разупрочнению металла в ЗТВ - зоне термического влияния. Поэтому нужно применять сопутствующий сварке местный или предварительный общий подогрев изделия. Это уменьшает разницу температур в
зоне сварки и на периферийных участках, что снижает напряжения в металле. Уменьшается скорость охлаждения металла после сварки больше аустенита превращается в мартенсит при высокой температуре, когда металл пластичен. Напряжения, возникающие из-за разницы объемов этих фаз, будут меньше, вероятность образования холодных трещин снизится. Применяя подогрев, нужно учитывать, что излишне высокая температура приводит к образованию грубой ферритно-перлитной структуры, не обеспечивающей необходимую длительную прочность и ударную вязкость сварных соединений. Уменьшить опасность возникновения холодных трещин можно, производя отпуск деталей, выдерживая их при температуре 150. 200 °С сразу после сварки в течение нескольких часов. За это время завершится превращение остаточного аустенита в мартенсит и удалится из металла большая часть растворенного в нем водорода.
Разупрочнение теплоустойчивых сталей в ЗТВ зависит также от параметров режима сварки. Повышение погонной энергии сварки увеличивает мягкую разупрочняющую прослойку в ЗТВ, которая может быть причиной разрушения жестких сварных соединений при эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках. Основные способы сварки конструкций из теплоустойчивых сталей - это дуговая и контактная стыковая. Последнюю используют для сварки стыковых соединений труб нагревательных котлов в условиях завода.
Дуговую сварку производят электродами с покрытием, в защитных газах и под флюсом. Подготовку кромок деталей при всех способах дуговой сварки производят механической обработкой. Допускается применение кислородной или плазменной резки с последующим удалением слоя поврежденного металла толщиной не менее 2 мм.
Дуговую сварку производят при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С с предварительным и сопутствующим сварке местным или общим подогревом. Температура подогрева зависит от марки стали и толщины свариваемых кромок. Хромомолибденовые стали при толщине кромок до 10 мм, а хромомолибденованадиевые - до 6 мм можно сваривать без подогрева. Сталь 15ХМ, например, толщиной 10. 30 мм надо подогревать до температуры 150. 200 °С, а больше 30 мм - до температуры 200. 250 °С. До 250. 300 °С подогревают сталь 12Х1МФ толщиной 6. 30 мм, а свыше 30 мм требуется ее подогрев до температуры 300. 350 °С. При многопроходной автоматической сварке под флюсом минимальную температуру подогрева можно снижать на 50 °С. Аргонодуговую сварку корневого шва стыков труб выполняют без подогрева.
После сварки производят местный отпуск сварных соединений или общий отпуск всей сварной конструкции. Хромомолибденовые стали нагревают при отпуске до температуры 670. 700 °С с выдержкой при этой температуре 1 . 3 ч в зависимости от толщины сваренных кромок,
хромомолибденованадиевые - до температуры 740. 760 °С с выдержкой 2. 10 ч. Чем больше в стали хрома, молибдена, ванадия, тем больше должны быть температура и время отпуска. Отпуск стабилизирует структуру и механические свойства соединений, снижает остаточные напряжения, однако он не позволяет полностью выровнять структуру и устранить разупрочненную прослойку в ЗТВ.
Ручную дуговую сварку теплоустойчивых сталей ведут электродами из малоуглеродистой сварочной проволоки с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, через которое вводят в шов легирующие элементы. Этот тип покрытия хорошо раскисляет металл шва, обеспечивает малое содержание в нем водорода и неметаллических включений, надежно защищает от азота воздуха. Это позволяет получать высокую прочность и пластичность шва. Однако для электродов с таким покрытием характерна повышенная склонность к образованию пор при удлинении дуги, наличии ржавчины на поверхности свариваемых кромок и при небольшом увлажнении покрытия. Поэтому нужно сваривать предельно короткой дугой, тщательно очищать кромки и сушить электроды перед их применением при температуре 80. 100 °С. Хромомолибденовые стали сваривают электродами типа Э-09Х1М (ГОСТ 9467-75) марки ЦУ-2ХМ диаметром 3 мм и более, а также ЦЛ-38 диаметром 2,5 мм, хромомолибденованадиевые - электродами типа Э-09Х1МФ марок ЦЛ-39 диаметром 2,5 мм, ЦЛ-20, ЦЛ-45 диаметром 3 мм и более. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности узкими валиками без поперечных колебаний электрода с тщательной заваркой кратера перед обрывом дуги. Когда подогрев свариваемых изделий и их термообработка после сварки невозможны или если необходимо сваривать перлитные теплоустойчивые стали с аустенитными, допускается использование электродов на никелевой основе марки ЦТ 36 или проволоки Св 08Н60Г8М7Т при аргонодуговой сварке.
Теплоустойчивые стали сваривают дуговой сваркой плавящимся электродом в углекислом газе и вольфрамовым электродом в аргоне. Сварку в С02 из-за опасности шлаковых включений между слоями используют обычно для однопроходных швов и для заварки дефектов литья. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности с присадочной проволокой (ГОСТ 2246-70) Св 08ХГСМА для хромомолибденовых сталей или Св 08ХГСМФА для хромомолибденованадиевых сталей. Для проволоки диаметром 1,6 мм сила сварочного тока 140. 200 А при напряжении дуги 20. 22 В, а диаметром 2 мм 280. 340 А при 26. 28 В.
Ручная аргонодуговая сварка используется для выполнения корневого шва при многопроходной сварке стыков труб. Автоматической сваркой в аргоне сваривают неповоротные стыки паропроводов в условиях монтажа. При аргонодуговой сварке хромомолибденовых сталей.
Автоматическую дуговую сварку под флюсом используют на поворотных стыках трубопроводов, коллекторов котлов, корпусов аппаратов химической промышленности и других изделиях с толщиной стенки 20 мм и более. Применяют низкоактивные по кремнию и марганцу флюсы ФУ-11, ФУ-16, ФУ-22. Этим достигается стабильность содержания Si и Мп в многослойных швах и низкое содержание в них оксидных включений - продуктов процесса восстановления марганца. Сварку под флюсом ведут со скоростью 40. 50 м/ч на постоянном токе обратной полярности силой 350. 400 А при напряжении дуги 30. 32 В. Высокая скорость сварки уменьшает погонную энергию, что снижает разупрочнение хромомолибденованадиевых сталей в околошовной зоне. Применяют проволоку диаметром 3 мм Св 08МХ и Св 08ХМ для хромомолибденовых сталей и Св 08ХМФА для хромомолибденованадиевых сталей. Можно применять проволоку диаметром 4 и 5 мм, увеличив соответственно силу тока до 520. 600 А и 620. 650 А при напряжении дуги 30. 34 В.
| Разработка конструкции и технологии производства сварного изделия |
|
Особенности сварки теплоустойчивых сталей Теплоустойчивые стали предназначены для работы при температуре до 600° С, имеют легирующие элементы: хром, молибден, ванадий (12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ, 12Х1МФ, 15Х1М1ФЛ и др.). При сварке теплоустойчивых сталей могут возникать хрупкие структурные составляющие вследствие частичной закалки околошовной зоны. Для предотвращения образования трещин эти стали перед сваркой необходимо подогреть до температуры 150 . 400° С. После сварки целесообразна термическая обработка для снятия внутренних напряжений и стабилизации твердости в зоне сварки — отпуск до температуры 600 . 900° С. Особенности сварки коррозионностойких сталей Основным легирующим элементом коррозионностойких сталей является хром, его содержание составляет около 13% (08X13, 12X13, 20X13 и др.). Одновременно они обладают жаростойкостью (до 650° С) и жаропрочностью (480 . 500° С). Эти стали, имеют низкую теплопроводность, поэтому конструкции из них склонны к поводке и короблению. Хром способен окисляться и образовывать тугоплавкий шлак, что затрудняет сварку. Сварку хромистых нержавеющих сталей ведут на мягких тепловых режимах, т. е. с малой плотностью тока, на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде), с малой скоростью охлаждения (при отсутствии сквозняков). Применяют электроды с фтористокальциевыми покрытиями. Рассматриваемые стали относят к мартенситному и мартенситно-ферритному классам, поэтому в зоне сварки в обычных условиях должна произойти закалка. При этом вероятность образования трещин очень высока, особенно на толстостенных и жестких конструкциях. Для улучшения свариваемости используют местный подогрев до 200 . 300° С изделий с толщиной более 8. 10 мм. Верхний предел подогрева и время пребывания при этой температуре ограничены проявлением хрупкости или синеломкости. После сварки зона шва имеет повышенную твердость, поэтому сварные изделия через определенное время подвергают отпуску до температуры 700 . 760° С. Отпуск способствует также восстановлению стойкости против межкристаллитной коррозии. Особенности сварки жаростойких и жаропрочных сталей Стали, являются высоколегированными, содержат хром (18,% и более), никель (8%. и более), молибден, ниобий и другие элементы. Одновременно данные стали, являются и коррозионностойкими. Большинство сталей относят к аустенитному классу, они имеют высокую пластичность, и, следовательно, низкую склонность к холодным трещинам. Однако наличие большого количества различных элементов при сварке ряда сталей может вызвать горячие трещины. Их вероятность снижается применением особо высококачественных сварочных материалов, полученных вакуумно-дуговым или электрошлаковым переплавом, когда содержание вредных примесей фосфора и серы ничтожно, а также введением марганца, молибдена, вольфрама. Стали данного класса склонны к сильному короблению, что необходимо учесть при разработке конструкции и технологии сварки; свариваемые детали следует жестко закреплять. В процессе сварки вследствие сильного разогрева наблюдается выпадение карбидов хрома, что снижает коррозионную стойкость, стали и повышает склонность к межкристаллитной коррозии. Для предотвращения отмеченного явления используют, стали с очень малым содержанием углерода и наличием активных карбидообразующих элементов, например, титана. Сварку ведут при малых погонных энергиях с отводом тепла путем медных подкладок и водяного охлаждения, что позволяет ограничить время пребывания стали в зоне температуры активного выпадения карбидов хрома. Снять внутренние сварочные напряжения и сформировать аустенитную структуру позволяет термическая обработка после сварки — аустенизация, заключающаяся в нагреве до 1000. 1100° С, и быстром охлаждении в воде или для тонкостенных изделий на воздухе. Положительное воздействие оказывает проковка сварного шва сразу же после сварки, что приводит к измельчению структуры. Однако этот процесс трудоемок и возможен только на мелких изделиях простой формы в индивидуальном производстве. Сварка теплоустойчивых сталейЧитайте также:
|