Надежность - одно из свойств качества продукции. Это свойство изделий проявляется в процессе использования изделий по назначению и рассматривается нередко как свойство изделия сохранять качество (значения основных эксплуатационных и потребительных характеристик) во времени.
Терминология, используемая в теории надежности, регламентирована ГОСТ 27.002 “Надежность в технике. Термины и определения”. Под надежностью понимают “свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования”. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий эксплуатаций может включать свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости (табл. 2.1).
| Свойства надежности | Состояние объекта | События | Временные понятия | Виды объектов | Показатели надежности |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Безотказность | Работоспособное | Повреждения | Наработка | Обслуживаемый | Безотказность |
| Долговечность | Неработоспособное | Отказ | Ресурс | Необслуживаемый | Долговечность |
| Ремонтопригодность | Предельное | Сбой | Срок службы | Восстанавливаемый | Ремонтопригодность |
| Сохраняемость | Исправное | Исчерпание ресурса | Срок сохраняемости | Невосстанавливаемый | Сохраняемость |
| Неисправное | Ремонтируемый | Комплексность | |||
| Неремонтируемый |
В зависимости от вида изделия его надежность может включать только часть составных свойств надежности. Так, например, если изделие не подлежит ремонту , то для таких изделий в свойство надежности не включаются долговечность и ремонтопригодность, для них важно только свойство безотказности, а подлежащих длительному хранению - еще и свойство сохраняемости.
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Наработка - это временное понятие, служащее для количественной оценки надежности объекта. Она может измеряться в часах, числах циклов нагружения, километрах пробега и других величинах, определяемых специфическими особенностями изделия.
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние изделия до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению предотказных состояний, отказов и повреждений, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта.
Сохраняемость - свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования.
С позиций надежности различают следующие состояния объекта: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное, предельное. Исправным называется такое состояние объекта, при котором он соответствует всем требования нормативно-технической и конструкторской документации. Если имеет место несоответствие хотя бы одному из требований, то такое состояние называется неисправным.
Признаком неисправного состояния является наличие или появление технического дефекта или повреждения при эксплуатации.
Работоспособным называется такое состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.
Если изделие перешло в состояние, при котором оно не способно выполнять заданные функции, то такое состояние называется неработоспособным. Переход объекта из работоспособного в неработоспособное состояние происходит при наступлении события, называемого отказом.
По характеру утраты работоспособности отказы могут быть внезапными и постепенными. При этом внезапность отказа при эксплуатации аппарата ввиду скрытности процесса разрушения еще не означает, что такой отказ может быть квалифицирован как внезапный. Спецификой внезапного отказа является независимость момента его наступления от длительности предыдущей работы элемента. К внезапным отказам можно отнести потерю устойчивости, хрупкое разрушение и другие случаи потери работоспособности. К постепенным отказам относятся большинство отказов элементов машин и аппаратов. Они связаны с процессами износа, общей коррозии, усталости и ползучести материалов.
Неисправное изделие может быть работоспособным. Например, повреждение окраски автомобиля означает его неисправное состояние, но такой автомобиль работоспособен.
Неработоспособное изделие является одновременно и неисправным.
Предельным называется состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Предельное состояние наступает после исчерпания ресурса. После наступления предельного состояния изделие списывается или направляется в ремонт.
В зависимости от того, предусмотрены или не предусмотрены нормативно-технической и конструкторской документацией для данного изделия операции технического обслуживания, изделия подразделяются на обслуживаемые и необслуживаемые, а в зависимости от того, предусмотрены или нет операции ремонта - на ремонтируемые и неремонтируемые. В зависимости от того, возможно или невозможно у данного изделия восстановление работоспособного состояния в рассматриваемой ситуации и предусмотрено или не предусмотрено такое восстановление в нормативно-технической и конструкторской документации, они подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Одно и то же изделие может быть как восстанавливаемым так и невосстанавливаемым, в зависимости от его целевого назначения и условий эксплуатации.
Для количественной характеристики каждого из свойств надежности отдельного объекта служат такие временные понятия, как наработка, наработка до отказа, наработка между отказами, ресурс, срок службы, срок сохраняемости, время (трудоемкость) восстановления. Значения этих характеристик, обычно полученные по экспериментальным данным, служат основой для последующего вычисления оценок таких показателей надежности, как средняя наработка на отказ, средний ресурс и т.д. Наработка до отказа исчисляется от начала эксплуатации объекта до возникновения первого отказа, наработка между отказами исчисляется от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа.
Ресурс исчисляется как суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возникновения после ремонта до перехода в предельное состояние. Срок службы выражается в единицах календарной продолжительности и исчисляется так же, как и ресурс: от начала эксплуатации объекта или ее возобновления до перехода в предельное состояние. Таким образом, отличие ресурса и срока службы состоит только в единицах измерения.
Срок сохраняемости исчисляется как календарная продолжительность хранения и транспортирования объекта, в течение и после которой значения показателей надежности сохраняются в установленных пределах.
Время восстановления характеризует календарную продолжительность операций по восстановлению работоспособного состояния объекта или продолжительность операций по техническому обслуживанию и ремонту.
Для количественной характеристики надежности используются показатели надежности. Их классификация приведена в табл. 2.2.
| Признак классификации | Вид показателя надежности |
|---|---|
| Число характеризуемых свойств надежности | Единичные Комплексные |
| Вид характеризуемого свойства надежности | Показатель безотказности Показатель долговечности Показатель сохраняемости Показатель ремонтопригодности |
| Способ определения | Расчетный Экспериментальный Эксплуатационный Экстраполяционный |
| Область распространения | Индивидуальный Групповой |
| Область использования | Нормативный Оценочный |
Единичные показатели характеризуют одно из свойств надежности и в зависимости от этого подразделяются на показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Комплексные показатели характеризуют одновременно несколько свойств. Номенклатура основных показателей приведена в табл. 2.3.
| Характеризуе- мые свойства надежности | Наименование показателя | Обозначение |
|---|---|---|
| Безотказность | Вероятность безотказной работы Интенсивность отказов Установленная безотказная наработка Средняя наработка на отказ Средняя наработка до отказа Параметр потока отказов Гамма-процентная наработка до отказа | Р(t) l(t) Tу To Tср w(t) Tg |
| Долговечность | Средний ресурс Гамма-процентный ресурс Назначенный ресурс Установленный ресурс (ресурс) Средний срок службы Гамма-процентный срок службы Назначенный срок службы Установленный срок службы (срок службы) | Тр Тр.у Тр.н Тр.у Тсл Тсл.у Тсл.н Тсл.у |
| Сохраняемость | Средний срок сохраняемости Гамма-процентный срок сохраняемости Назначенный срок хранения Установленный срок сохраняемости (срок сохраняемости) | Тс Тс.g Тс.н Тс.у |
| Ремонтопри- годность | Среднее время восстановления работоспособного состояния Вероятность восстановления работоспособного состояния | Тв Рв(t) |
| Несколько свойств | Коэффициент сохранения эффективности Коэффициент оперативной готовности Коэффициент технического использования Коэффициент готовности Удельная суммарная трудоемкость (продолжительность) технических обслуживаний Удельная суммарная трудоемкость (продолжительность) ремонтов | Кэф Ко.г Кт.и Кг S Sт.о(Sр) |
По способу получения различают: расчетные показатели, получаемые на основе расчетных методов; экспериментальные, определяемые по данным испытаний; эксплуатационные, получаемые по данным эксплуатации; экстраполированные, получаемые методами экстраполирования на различные условия эксплуатации или на большую продолжительность эксплуатации (наработки).
По области использования показатели надежности могут подразделяться на нормативные и оценочные. Нормативными называются показатели надежности, регламентированные в нормативно-технической или конструкторской документации. В качестве нормативного может выступить любой из приведенных в табл. 2.3 показателей. К оценочным относятся показатели, используемые для различных сравнительных оценок при научно-исследовательских и проектно-технологических разработках. К оценочным относятся фактические значения показателей надежности опытных образцов и серийной продукции, получаемые по результатам испытаний или по данным эксплуатации.
По области распространения показатели надежности подразделяются на индивидуальные и групповые. К индивидуальным относятся такие показатели надежности, используя которые можно по результатам испытаний или эксплуатации делать вывод, соответствует или не соответствует данный объект регламентированным требованиям по надежности. Показатели, на основе которых вывод о соответствии регламентированным требованиям можно делать только относительно некоторой совокупности (партии) изделий, называются групповыми. Как правило, индивидуальные показатели надежности являются одновременно и нормативными.
Индивидуальными показателями надежности являются установленная безотказная наработка, установленный ресурс (срок службы), назначенный ресурс.
К индивидуальным могут относиться и такие показатели, как средняя наработка на отказ, параметр потока отказов, коэффициент технического использования, если при нормировании этих показателей указывается, что они должны обеспечиваться для каждого изделия.
Под установленной безотказной наработкой понимается технико-экономически обоснованная или заданная наработка, обеспечиваемая конструкцией, технологией и эксплуатацией, в пределах которой изделие должно находиться в работоспособном состоянии.
Под установленным ресурсом (сроком службы) понимается технико-экономически обоснованная или заданная величина ресурса (срока службы), обеспечиваемая конструкцией, технологией и эксплуатацией, в пределах которой изделие не должно достигать предельного состояния.
Изделия, которые не удовлетворяют индивидуальным показателям надежности, относятся к категории нестандартных (дефектных) по данному показателю.
Назначенный ресурс (срок службы) - суммарная наработка (календарная продолжительность эксплуатации), при достижении которой применение объекта по назначению должно быть прекращено независимо от его технического состояния.
Отличие назначенных показателей от установленных состоит в том, что после истечения назначенных показателей эксплуатация изделий прекращается, а после истечения установленных показателей - может продолжаться.
Переход изделия из работоспособного состояния в неработоспособное осуществляется при наступлении такого события, как отказ. Классификация видов отказов приведена в табл. 2.4.
Критерием отказа называется признак или совокупность признаков неработоспособного состояния объекта, установленные в нормативно-технической или технической документации.
Критерием предельного состояния является признак или совокупность признаков предельного состояния объекта, установленные в нормативно-технической или технической документации.
| Признак классификации | Вид отказа |
|---|---|
| По значимости | Критический Существенный Несущественный |
| Значимость отказов | Зависимый Независимый |
| Характер возникновения | Внезапный Постепенный |
| Характер обнаруживаемости | Явный Скрытый |
| Причина возникновения | Конструктивный Производственный Эксплуатационный Деградационный |
Если в 30-40-х годах прошедшего столетия более остро стояли вопросы обеспечения надежности и прочности строительных конструкций, то в последние десятилетия важное значение получили проблемы прочностной надежности объектов машиностроения. Наука о прочностной надежности конструктивных элементов аппаратов находится в стадии становления.
Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами изготовления оборудования и полным периодом его эксплуатации. Надежность формируется еще на стадии исследований, конструкторских расчетов и проектирования оборудования и обеспечивается в процессе его изготовления на основе правильного выбора технологии производства и контроля за качеством изготовления. Надежность поддерживается также соблюдением установленных требований к эксплуатации, технологическому обслуживанию и ремонту оборудования.
С позиции надежности конструктивных элементов оборудования, работающего под внутренним давлением, одним из важнейших свойств является обеспечение и поддержание его работоспособного состояния.
Работоспособное состояние (работоспособность по ГОСТ 27.002) оборудования - это такое состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации.
Причина отказа - это явление, процессы, события и состояния, обусловившие возникновение отказа объекта. Исследование причин отказа невозможно без привлечения физической теории надежности и ряда инженерных дисциплин. Действительно к явлениям, вызывающим отказы изделий машиностроения, могут быть отнесены: пластическая деформация, химическое воздействие среды, охрупчивание или разупрочнение поверхностей и т.п. Отдельные явления приводят к появлению процессов и событий, вызывающих отказы. К процессам могут быть отнесены: изнашивание, рост трещин, коррозия, старение материалов и т.п. Событиями, приводящими к отказам, могут являться: появление перегрузок, изменения напряжения в сети коррозионной защиты, попадание абразива в масло, схватывание сопрягаемых поверхностей, нарушение установленных режимов и правил эксплуатации и т.п.
Состояниями изделий, являющимися причиной отказов, могут быть: отсутствие защиты от попадания коррозионно-активной среды и влаги, наличие остаточных напряжений или концентраторов напряжений, макро- и микротрещины, дефекты сборки, наличие рисок и т.п.
При установлении причин отказа необходимо устанавливать явления, процессы, события и состояния, приводящие к их появлению, а также возможное сочетание этих факторов. В зависимости от причин отказов, последние могут быть классифицированы на конструкционные, производственные и эксплуатационные.
К конструкционным относятся отказы, возникающие в результате несовершенства или нарушения установленных правил и норм конструирования объекта (наличие концентраторов напряжений, ошибки в учете распределения напряжений, неправильный выбор материалов, незащищенность элементов от коррозии и т.п.).
К производственным относятся отказы, возникшие в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта, выполнявшегося на ремонтном предприятии. К наиболее типичным дефектам технологии следует отнести:
К эксплуатационным относятся отказы, возникшие в результате нарушения установленных правил и условий эксплуатации объекта (неправильное техническое обслуживание, низкое качество запасных частей, появление перегрузок, использование не по назначению и т.д.).
На основе физической теории надежности создаются методы расчета надежности нефтехимических аппаратов, методы ускоренных испытаний, устанавливаются режимы защиты и упрочнения поверхностей аппаратов. Интеграция теории надежности с вышеназванными физико-техническими дисциплинами привела к появлению таких направлений в теории надежности, как прочностная надежность, трибологическая, коррозионная надежность. В этих направлениях решаются задачи расчета, испытаний и обеспечения надежности на основе методов теории прочности, трибологии и коррозии металлов, а также в условиях воздействия на изделия соответственно механических нагрузок, агрессивных сред, трения и изнашивания.
При исследовании причин отказов в первую очередь должен быть проведен анализ режимов и условий эксплуатации и действующих нагрузок. Нагрузки, воздействующие на аппарат, могут быть подразделены на две группы:
Для аппаратов наиболее типичны механические и тепловые нагрузки, а для элементов электроприборов - электрические и тепловые. Укрупненно виды нагрузок подразделяют на механические, электрические, акустические, тепловые, гидравлические (пневматические), радиационные, электромагнитные, магнитные, биологические, климатические и химические. Нефтехимические аппараты одновременно подвергаются влиянию, как правило, нескольких видов нагрузок. Действие различных видов нагрузок взаимозависимо. Так, электрические нагрузки деталей электроприборов, как правило, являются следствием появления тепловых нагрузок. В свою очередь, сравнительно большая тепловая инерция материалов приводит к неравномерному распределению температуры по отдельным конструктивным элементам аппаратов, что является причиной неравномерной деформации и, как следствие этого, появления механических нагрузок.
Процесс действия нагрузок на аппараты является основной причиной их отказов, поэтому анализ причин отказов невозможен без учета вида воздействующих нагрузок, длительности воздействия и закономерностей изменения нагрузок во времени.
Анализ причин отказов проводится с целью обоснованной разработки мероприятия по их предотвращению, а также обоснованного выбора методов повышения ресурса и надежности аппаратов.
Результаты анализа причин отказов аппарата могут использоваться для:
В РД 50-514-84 “Надежность в технике. Порядок проведения анализа причин отказов изделий” рекомендуется следующий порядок установления причин отказов: установление факта отказа, внешних проявлений отказа, вида отказа, технической сущности отказа и причин отказа.
Факт отказа определяют на основании критериев отказа, установленных в нормативно-технической документации. Вид отказа устанавливают после проведения диагностических работ.
Классификация частоты отказов приведена в табл. 2.5. Частота отказов характеризуется цифрой от 1 до 10. При выборе квалификационного номера следует учитывать вероятность того, что потенциальные причины отказа будут иметь место, что они не будут обнаружены существующей системой контроля.
| Классифика-ционный номер | Критерий | Вероятностьотказа |
|---|---|---|
| 1 | Практически недостоверное событие; отказа в течение времени t ожидать не следует | 0 |
| 2 | Низкая вероятность отказа | 0,00005 |
| 3 | Возможность появления отказа ассоциируется только с методами расчета | 0,0001 |
| 4 | Умеренная вероятность отказа | 0,0005 |
| 5 | Возможность появления отказа ассоциируется только с методами расчета | 0,01 |
| 6 | Практически отказы можно ожидать | 0,05 |
| 7 | Высокая вероятность отказа | 0,01 |
| 8 | Ассоциируется с методами расчета аналогов и отказами в небольших количествах при предыдущих наблюдениях | 0,05 |
| 9 | Высокая вероятность отказа | 0,1 |
| 10 | Известно, что будет иметь место большое число отказов | 0,5 и более |
Оценивается также значимость отказа с точки зрения заказчика (потребителя), которая выбирается в соответствии с табл. 2.6 и характеризуется одной из цифр от 1 до 10.
| Классификационный номер (значение показателя) | Критерий значимости |
|---|---|
| 1 | Отказ не приводит к заметным последствиям; заказчик (потребитель), вероятно, не обнаружит и не заметит такой отказ |
| 2-3 | Последствия отказа незначительны; у заказчика (потребителя) он может вызывать только неудовольствие |
| 4-6 | Отказ приводит к неудобству использования изделия, вызывает у заказчика (потребителя) раздражение, он замечает снижение эксплуатационных характеристик изделия |
| 7-8 | Высокая степень недовольства заказчика (потребителя), изделие не работает или непригодно к использованию из-за отказа. Отказ не связан с безопасностью человека |
| 9-10 | Отказ связан с угрозой опасности человеку или окружающей среде |
Оценка обнаруживаемости дефекта проводится в предположении, что причина отказа имеет место. Классификация степени обнаружения дефекта приведена в табл. 2.7.
| Оценка (значение показателя) | Критерий | Вероятность необнаружения дефекта и его наличия в изделии, поставленного потребителю |
|---|---|---|
| 1 | Практическая малая вероятность, что дефект не будет выявлен при контроле, сборке или испытаниях | 0-0,05 |
| 2 3 | Небольшая вероятность того, что дефект не будет выявлен, а дефектное изделие поставлено потребителю | 0,06-0,07 0,08-0,15 |
| 4 5 6 | Умеренная вероятность того, что дефектное изделие дойдет до потребителя | 0,26-0,35 0,36-0,45 0,46-0,55 |
| 7 8 | Высокая вероятность того, что дефектное изделие достигнет потребителя | 0,56-0,65 0,66-0,75 |
| 9 10 | Очень высокая вероятность того, что дефектное изделие достигнет потребителя | 0,76-0,85 0,86-1,00 |
Рассмотрим анализ причин отказов нефтегазохимической аппаратуры на основных технологических установках высокотемпературной переработки нефти, изготовленной применением жаропрочных хромомолибденовых сталей типа 15Х5М.
Промышленно широко освоенные стали типа 15Х5М (1Х2М1, 15Х5М, 15Х5ВФ, Х9М) выгодно отличаются от высоколегированных аустенитных сталей более низкой стоимостью, лучшей деформируемостью в горячем состоянии и обрабатываемостью резанием, более высокой теплопроводностью и меньшим температурным коэффициентом линейного расширения, большей релаксационной способностью и возможностью изменения механических свойств в широких пределах посредством термической обработки. Они работают в тяжелых условиях эксплуатации одновременного воздействия высоких температур (до 600°С), давлений и рабочих сред, коррозионная активность которых обусловлена наличием водорода, растворами хлоридов и сероводорода. Так, трубы печных змеевиков изнутри подвержены коррозионному воздействию рабочих сред, а снаружи - огневому обогреву углеводородных окислительных газов.
Однако при термической резке и сварке небольшая скорость хромистого аустенита, вызывающая склонность к закалке, и фазовые превращения мартенситного характера существенно усложняют технологический процесс изготовления сварных конструкций с применением хромомолибденовых сталей. Наличие хрупких с пониженной трещиностойкостью участков металла с неравновесной мартенситной структурой (твердых прослоек) может привести к возникновению трещин в процессе сварки, к разрушениям при сборке узлов или гидравлических испытаниях, в процессе монтажа, пуска и длительной эксплуатации технологического оборудования.
Наиболее подвержены образованию трещин при сварке сварные соединения, выполненные однородными (типа Э-10Х5МФ) перлитными электродами марки ЦЛ-17 (Св-10Х5МФ). При этом металл шва и околошовной зоны имеет значительно более высокую твердость, чем основной металл. Наибольшую твердость до 380-410 HV имеют околошовные зоны по линии сплавления, и структура этих участков наиболее крупноигольчатая троститомартенситовая. Склонность к закалке и фазовые превращения мартенситного характера не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-450°С. Наличие таких широких участков с высокой твердостью и возникающих остаточных сварочных напряжений в локальных микрообъемах свежезакаленной структуры вызывают необходимость проведения незамедлительной термической обработки. При сварке толстостенных трубопроводов термообработка по режиму высокого отпуска с нагревом до 720-760°С в течение до 2,5-5 часов должна проводиться сразу после окончания сварки. Длительность или время выдержки при высокотемпературном отпуске зависит от толщины металла и конструктивных размеров объекта.
Анализ фактического материала по разрушенным однородным соединениям позволяет определить причины растрескивания и преждевременного разрушения, которые сводятся в основном к несоблюдению непрерывного цикла “сварка-термообработка” и некачественной термообработке.
Так, например, отсутствие надлежащей термообработки после сварки явилось причиной аварийных разрушений трубопроводов из стали 15Х5М на ряде нефтеперерабатывающих заводов с пропуском рабочей среды в печное пространство. Такие пропуски привели к взрыву печи с трагическими последствиями. На рис. 2.1 представлены результаты выполненных нами исследований разрушенного сварного стыка печного змеевика диаметром 325?9 мм из стали марки 12СrMo20,5 (отечественный аналог сталь 15Х5М) на Уфимском нефтеперерабатывающем заводе. Замер твердости вырезанного образца из разрушенного стыка показал (см. кривые I-I и II-II на рис. 2.1, б), что твердость в сварном шве (33-35 HRC) и в ЗТВ (37 HRC) значительно выше допустимой. В последующем исследуемый образец был подвергнут высокому отпуску нагревом до 700-720°С в течение 15 минут. Результаты измерения твердости соединения, подвергнутого такой термообработке (см. кривую III-III рис. 2.1, б) показали, что максимальная твердость в этих случаях находится в пределах допустимой. При рассмотрении микрошлифа в металле сварного шва была обнаружена магистральная трещина, расположенная во втором слое, и многочисленные разветвления микротрещины. На фотографии (рис. 2.1, в) показаны микротрещины, расположенные вблизи линии сплавления с основным металлом.
Усугубляющим снижение надежности при сварке однородными электродами является то, что возникшие холодные трещины имеют микроскопическое раскрытие (слипшиеся трещины), поэтому они не всегда могут быть обнаружены методами неразрушающего контроля и могут явиться следствием развития трещин при термической обработке изделия. Процесс эксплуатации таких сварных соединений опасен. В особенности опасны околошовные зоны перегрева по линии сплавления, имеющие наиболее крупнозернистое строение,обладающее наименьшей стойкостью против образования трещин по сравнению с другими участками сварного соединения. При наличии хрупких участков во избежание трещинообразования особое внимание необходимо уделить качественному выполнению корневого слоя шва. На рис. 2.2 показано развитие трещин от непровара в корне шва сварного соединения трубы диаметром 426?16 мм стали 15Х5М, выполненного электродами марки ЦЛ-17 (типа Э-10Х5МФ). Сварка выполнялась с подогревом 350-400°С. После сварки проводился высокий отпуск при 720-740°С, выдержка 2,5-3 часа, затем охлаждение с печью до 500°С и далее охлаждение с печью на спокойном воздухе.
Рис. 2.1. Вид поперечного сечения, схема измерения твердости и расположения фотографии микроструктуры (а); результаты измерения твердости (б) и микротрещины вблизи линии сплавления второго слоя шва с основным металлом (в, ×200) образца, вырезанного из разрушенного сварного соединения трубопровода стали 12СчМо20,5 (15Х5М)
Рис. 2.2. Развитие трещин от непровара в корне шва сварного соединения из стали 15Х5М, выполненного электродамимарки ЦЛ-17 (а - ×3; б - ×10)
В некоторых случаях вследствие склонности к трещинообразованию возможность выполнения сварочных работ без промежуточной термической обработки каждого стыка может исключаться. Так, при изготовлении трубчатых змеевиков и толстостенных штампосварных отводов из стали 15Х5М на Салаватском машиностроительном заводе обнаруживались трещины в зоне сварных соединений при вторичном рентгенопросвечивании после термической обработки готовых изделий.
С позиции деформационных критериев разрушения наиболее слабыми участками таких сварных соединений являются зоны с повышенной твердостью, но с низкой пластичностью и сопротивляемостью хрупкому разрушению. Для получения качественных сварных соединений необходимо исключить отрицательное воздействие твердых структурных образований. Низкая сопротивляемость к хрупким разрушениям твердых прослоек ставит проблему облагораживания вязкопластических свойств или вовсе исключения их из состава сварных соединений.
Одним из рациональных методов решения этой задачи при изготовлении сварных изделий из хромомолибденовых сталей является использование высоколегированного аустенитного структурного класса сварочных материалов. Однако при этом получается разнородное сварное соединение, и в околошовных зонах присутствуют закаленные хрупкие прослойки.
При сварке аустенитными сварочными материалами повышается предрасположенность швов к образованию горячих трещин. Они могут возникать при неблагоприятном сочетании факторов, связанных с понижением деформационной способности металла шва вследствие наличия в структуре легкоплавких эвтектик, дефектов кристаллического строения, выделения хрупких фаз, а также под действием внутренних и внешних напряжений. Методы повышения стойкости против горячих трещин обычно сводятся к уменьшению содержания элементов, способствующих их возникновению, снижению содержания неметаллических включений, уменьшению химической неоднородности, формированию благоприятной первичной структуры и т.п. Другой причиной разрушения подобных стыков является чрезмерное перемешивание корневого слоя. Наличие дефектов в корневом слое в виде непроваров усугубляет трещинообразование, и они могут иметь более закалочный характер. На рис. 2.3 показан характер развития трещин от непровара в металле сварного шва стали 15Х5М. Сварка выполнена электродами марки ОЗЛ-6 (типа Э-10Х25Н13Г2) с предварительной наплавкой кромок в два слоя этими же электродами при толщине листового проката в 16 мм.
Рис. 2.3. Развитие трещин (отмечены стрелками) от непровара в металле сварного шва, выполненного электродами марки ОЗЛ-6
Обобщение сведений о повреждениях конструктивных элементов нефтехимического оборудования с разнородными сварными стыками из хромомолибденовых сталей показывает, что наличие в околошовных зонах хрупких с пониженной трещиностойкостью участков металлов с неравновесной мартенситной структурой связано с вероятностью их отказов. Большинство разрушений при длительной эксплуатации инициируются по закаленным участкам или в местах возникновения термодиффузионной структурно-механической неоднородности. Данные по отказам за 15 лет эксплуатации по более 4000 стыков технологических линий на различных установках ПО “Салаватнефтеоргсинтез” (табл. 2.8) были сгруппированы по их конструктивному исполнению кольцевых стыков соединений труб на прямых участках, переходах, отводах и фланцевых соединений, а также угловых неповоротных сварных стыков ответвлений в виде приварки штуцеров, тройников или непосредственного соединений труб.
Были также проанализированы данные ВНИКТИнефтехимоборудование по обследованию за 10 лет эксплуатации 118.560 сварных стыков трубных элементов печных змеевиков из сталей типа 15Х5М, сваренных аустенитным электродами, по ряду нефтехимических предприятий (табл. 2.9). Анализ этих статистических данных показывает, что стимулирующую, а в отдельных случаях самостоятельную роль в обеспечении их работоспособности может играть ярко выраженная структурно-механическая неоднородность. Усиливается эффект перенапряжения металла в локальных областях с неравновесными закалочными структурами, имеющими максимальные скопления несовершенств кристаллического строения, особенно работающими в условиях сложного напряженного состояния, присущего эксплуатации нефтехимического оборудования. Анализ разрушений показывает, что повреждения, как правило, инициируются в перенапряженных областях конструктивных элементов. Одной из основных причин преждевременных хрупких разрушений конструкций из сталей типа 15Х5М является наличие развитых закаленных участков (твердых прослоек) сварных соединений.
| Тип стыковых соединений | Установка эксплуатации | Применяемые электроды | Условия эксплуатации | Среда | Количество стыков | Разрушение | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Температура, | Давление, МПа | кол-во | % | |||||
| 1. Прямой участок | АВТ, термический крекинг, гидроочистка | ЭНТУ-3 ОЗЛ-8 ОЗЛ-6 | 35-380 | 0.4-2.5 | Рефлюкс, отбензиненная нефть, диз. топливо и водород | 370 | 5 | 1,35 |
| 2. Переход | Термический крекинг | ОЗЛ-8 | 50-450 | 0.7-2.5 | Гидрогенизат, тяжелая флегма | 144 | 3 | 2,1 |
| 3. Фланец | АВТ, термический крекинг, гидроочистка, платформинг | ОЗЛ-8 | 105-550 | 0,4-6 | Крекинг-остаток, мазут, диз. топливо и водород, гидрогенизат, отбензиненая нефть | 1066 | 5 | 0,47 |
| 4. Отвод | АВТ, термический крекинг, гидроочистка | ЭНТУ-3 | 40-390 | 0,4-6 | -//- тяжелая флегма | 1900 | 10 | 0,53 |
| 5. Ответвление | АВТ, термический крекинг, гидроочистка, каталитический крекинг | ЭНТУ-3 ОЗЛ-8 ОЗЛ-6 | 40-50 | 0,5-6 | -//- вакуумный газойль углеводородный газ | 420 | 14 | 3,4 |
| ИТОГО: | 3900 | 37 | 0,95 | |||||
| Нагреваемый в змеевике продукт | Температура нагрева продукта | Время эксплуатации | Кол-во исследованных шлифов | Причина отказа | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| МКК в корне металла шва | МК трещины по границам зерен (с выделением второй фазы) | Транскристал- литные трещины в корне шва | МК трещины по обезуглероженной прослойке от внутр. поверх. | МК трещины по обезуглероженной прослойке связанной с внутр. поверх. | Коррозионные фитинги в ОШЗ под подкладным кольцом | Микротрещины от шлаковых включений в корне шва | Микротрещины в зоне сплавления, в т.ч. с переходом в металле шва | ||||
| Отбензиненная нефть | 200...540 | 8250... 87120 | 124 | 3 | 4 | 2 | - | 1 | 2 | 2 | 1 |
| Мазут | 340...450 | 15840... 79500 | 120 | 1 | 5 | 3 | 2 | - | 1 | - | 2 |
| Дизельное топливо | 340...450 | 15840... 110880 | 60 | 5 | - | 1 | - | - | 1 | 1 | 1 |
| Тяжелая флегма | 420...550 | 23760... 67320 | 100 | 2 | 1 | - | 1 | 1 | - | 3 | 2 |
| Бензиноводородная (газопродуктовая) смесь | 420...530 | 15790... 85700 | 48 | - | - | - | - | 2 | - | - | - |
| ИТОГО: | - | - | 352 | 11 | 10 | 6 | 5 | 4 | 4 | 6 | 6 |
Во многих случаях разрушения происходят поперек сварного шва. В качестве примера разрушения труб на рис. 2.4 приведена фотография макрошлифа сварного соединения стали 15Х5М, выполненного аустенитными электродами марки ОЗЛ-8, разрушившегося после 3600 часов работы на установке гидроочистки. Разрушение проходило по сварному шву отвода диаметром 152 ×6 мм, работавшего при температуре 45 - 50°С и давлении 5 - 6 МПа в среде газосырьевой смеси дизельного топлива с водородом. Как видно на снимке сечения, вырезанного из неразрушившейся части сварного соединения, ширина околошовных зон подкалки имеет значительные размеры. Твердость зон термического влияния (ЗТВ), снижающая сопротивляемость металла этих зон образованию трещин, относительно высокая и составляет от 350 до 441 НВ (заключение № 3М-69, ПО “Салаватнефтеоргсинтез”). При этом наиболее вероятным местом хрупких разрушений с повышением температуры и длительности эксплуатации становятся околошовные зоны вблизи линии сплавления с мартенситной структурой. На рис. 2.5 показан характер развития трещин в зоне термовлияния со стороны приварки отвода к трубе диаметром 219 ×8 мм линии пирогаза. Твердость металла этих зон была повышенной и составляла 45 - 47 HRC.
Рис. 2.4.Макроструктура сварного соединения отвода и трубы Ø152 ×6 мм из стали 15Х5М после 3,6 тыс. ч работы
Рис. 2.5. Характер развития трещин в зоне термовлияния отвода Ø 219×8 мм из стали 15Х5М
При рассматриваемой технологии сварки закаленные хрупкие прослойки сохраняют высокие значения твердости значительное время в зависимости от реальных температурных условий эксплуатации. Данные замера твердости по другим случаям отказа сварных стыков технологических трубопроводов показали завышенные их значения в околошовных зонах до 388 НВ и после 15 лет эксплуатации. Разрушение при этом произошло вследствие эрозионного износа основного металла в околошовной зоне сварной катушки диаметром 152×8 мм на трансферной линии установки АВТ (Заключение № 13М-71, ПО “Салаватнефтеоргсинтез”) при режиме работы: температура отбензиненной нефти на выходе из печи 375°С, давление 0,4 МПа. Повышенные твердости ЗТВ в пределах 373-415 НВ сохранились и при более жестких условиях эксплуатации. Разрушение при этом произошло по сварному шву диаметром 108×7 мм на врезке в коллектор диаметром 219×10 мм линии газопродуктовой смеси установки гидроочистки после 1 года 8 месяцев эксплуатации при 550°С и давлении 6 МПа (заключение № 1М-67, ПО “Салаватнефтеоргсинтез”).
Учитывая механохимическую неоднородность, к основным факторам, определяющим уровень работоспособности разнородных сварных соединений сталей типа 15Х5М при высокотемпературной эксплуатации в агрессивных средах, можно отнести длительную прочность и пластичность сварных соединений, стабильность структуры металла шва и зоны сплавления металлов разного легирования, коррозионную стойкость отдельных участков сварных соединений.
Стали типа 15Х5М относятся к числу термически стабильных. Однако при длительном воздействии высокой температуры в сварных разнородных соединениях могут образовываться переходные прослойки, обусловленные диффузионным перераспределением в них диффузионноподвижных элементов.
Помимо термических напряжений действуют также напряжения, возникающие вследствие наличия закаленных участков в околошовных зонах. Мартенситная пересыщенная структура закалки всегда обладает более высокой свободной энергией, чем равновесные фазы с таким же номинальным составом, т.е. околошовные зоны термического влияния закаливающейся стали характеризуются более структурно-напряженным состоянием.
Таким образом, при эксплуатации сварных соединений закаливающихся сталей, имеющих в околошовных зонах широкие хрупкие прослойки и по зонам сплавления различные зародышевые дефекты в виде микротрещин и микронадрывов, можно ожидать преждевременного разрушения стыков. Вероятность разрушения повышается в стыках с конструктивными и технологическими концентраторами напряжений. Исходя из вышеизложенного анализа работоспособности сварных соединений жаропрочных сталей 15Х5М в эксплуатационных условиях, вопрос об уровне свойств соединений заслуживает специального рассмотрения.
Типичным представителем аппаратуры нефтегазохимического производства являются цилиндрические сосуды с люками, лазами, штуцерами, с днищами сферической и эллиптической формы. Из них вертикальные аппараты по массе составляют 60-70 % всей аппаратуры.
В нефтегазохимическом аппаратостроении используется широкая гамма конструкционных материалов: углеродистые и низколегированные стали (около 80-85 %), легированные стали, биметаллические материалы, а также специальные сплавы. Типичные толщины корпусных деталей аппаратов - 10-100 мм и выше (до 500 мм - в процессах вторичной переработки).
Характерным для нефтегазохимического аппаратостроения является мелкосерийный тип сварочного производства, что наряду с крупногабаритной номенклатурой изделий оболочкового типа предопределяет особенности основных операций: заготовительных (разметка, резка, деформирование), сборочно-сварочных, контрольных.
Работоспособность и технологичность аппаратуры зависят от качества применяемых материалов, совершенства конструкции и уровня основных технологических операций изготовления. Из последних наиболее существенное влияние на работоспособность аппарата оказывают сборочно-сварочные операции. В этой связи наиболее важными разработками в области сварки в аппаратостроении являются: 1) создание и освоение ресурсосберегающих технологий производства аппаратуры, обеспечивающих повышение ее качества, надежности и долговечности с учетом эксплуатационных условий; 2) создание и освоение производства высокоэффективного оборудования для механизации и автоматизации технологических процессов аппаратостроения, в том числе автоматических манипуляторов и других робототехнических средств, комплексов оборудования для сварки и создания на их основе автоматизированных переналаживаемых систем с учетом мелкосерийного и единичного типа производства.
На сегодня в аппаратостроении вопросы механизации и автоматизации сварки кольцевых и продольных швов обечаек, приварка днищ принципиально решены на основе создания типовых поточных линий с комплексом типового оборудования. Однако для указанных типов соединений имеются серьезные проблемы при решении вопросов точности и взаимозаменяемости, свариваемости новых материалов, разработки более совершенных технологий и др.
Вместе с тем, в нефтегазохимической аппаратуре различного функционального назначения широко применяются сварные люки, штуцеры и патрубки с внутренним диаметром от 25 до 500 мм и толщиной стенки 4-40 мм. Практика показала, что при эксплуатации от 30 до 70 % аварий или незапланированных отказов аппаратов происходит вследствие разрушений или повреждений в местах соединений штуцер-вставка. Одной из основных причин этого является сложное двухосное напряженное состояние таких соединений с наличием конструктивных и технологических концентраторов напряжений. Это в значительной степени связано с недостатками конструкции и технологии изготовления таких соединений: изготовление патрубков, штуцеров и люков из труб обычной точности или вальцовкой листов, широкое поле отклонений по размеру диаметра, круглости и форме полученного сечения готовых патрубков, вырезка отверстий в корпусах аппаратов преимущественно ручным способом (приводящим к недопустимым зазорам или натягам) и др.
Решение проблемы надежности соединений штуцер-вставки может заключаться в следующих основных мероприятиях:
В проблеме повышения работоспособности нефтегазохимического оборудования можно выделить две главные задачи: обеспечение сопротивляемости хрупкому разрушению и механокоррозионной прочности. Успешное решение этих задач зависит от свойств применяемых материалов, уровня технологии изготовления конструкций, напряженного состояния в конструкции, эксплуатационных условий.
В сварной аппаратуре, в металле, подвергнутом сварке, возникают необратимые физико-химические процессы, определяющим образом влияющие на надежность конструкции в целом. Под действием сварки происходит:
Без учета указанных факторов нельзя гарантировать надежность сварной аппаратуры.
Отмеченные при сварке процессы значительно снижают сопротивляемость хрупкому разрушению и механокоррозионную прочность сварных соединений по сравнению с основным металлом. Это развитие проявляется тем сильнее, чем более легирован и прочен основной металл.
Неблагоприятные структурно-химические изменения, вызванные сваркой, одна из основных причин пониженной сопротивляемости разрушению сварных соединений. Например, в сероводородсодержащих средах (нефти, природных газах, содержащих сероводород) весьма опасны фазово-структурные изменения металла при сварке низколегированных сталей, сопровождающиеся образованием структур закалочного типа, склонных в водородному охрупчиванию и растрескиванию.
Первопричиной хрупких разрушений нефтегазохимической аппаратуры является сложность напряженного состояния металла конструктивных элементов корпуса аппарата: объемность напряженного состояния, особенно в местах концентраторов напряжений; пониженные (хладноломкость) или повышенные (химическая неоднородность и ползучесть) температурные условия эксплуатации и повышенные эксплуатационные нагрузки.
Применение конструкционных низколегированных сталей повышенной и высокой прочности, теплоустойчивых и жаропрочных хромомолибденованадиевых, нержавеющих хромоникелевых сталей, биметаллов и композиционных материалов для изготовления аппаратов актуализирует проблему механической неоднородности. Механическая неоднородность, заключающаяся в различии механических характеристик зон (шва Ш, зоны термического влияния ЗТВ и основного металла) сварного соединения, является, с одной стороны, следствием локализованных температурных полей при сварке структурно-неравновесных сталей, с другой - применения технологии сварки отличающимися по свойствам сварочных материалов с целью повышения технологической прочности.
Степень механохимической неоднородности зависит от исходных свойств металла, способа и режимов сварки, применяемых сварочных материалов и др. Механическая и электрохимическая неоднородность взаимосвязаны между собой. Под действием термодеформационного цикла сварки в сталях и других сплавах образуются характерные зоны, различающиеся пластической деформацией и дислокационной структурой. Происходит изменение свойств металла вследствие процессов плавления и кристаллизации в сварном шве (III), структурных и фазовых изменений от сварочного нагрева в зоне термического влияния (ЗТВ).
Механохимическая неоднородность свойственна практически всем сварным соединениям, даже при сварке углеродистых сталей (Ст3сп) с благоприятной реакцией к термическому циклу сварки (рис. 2.6, а). Наиболее ярко выраженной механохимической неоднородностью обладают легированные стали со специальными свойствами: нержавеющие (рис. 2.6, б), разнородные соединения жаропрочной хромомолибденовой стали (рис. 2.8), сварные соединения термоупрочненных низколегированных конструкционных сталей повышенной прочности, паяные соединения и др.
Наиболее систематизированные исследования механической неоднородности сварных соединений приведены в работа О.А. Бакши и его учеников Р.С. Зайнуллина, М.В. Шахматова и др. Вопросы электрохимической неоднородности сварных соединений освещены О.И. Стекловым.
Жаропрочные малоуглеродистые стали на основе 2-12% хрома благодаря сравнительно низкой стоимости, высокой теплопроводности, малого температурного коэффициента линейного расширения и хорошей релаксационной способности, возможности регулирования механических свойств в широких пределах посредством термической обработки и относительно высокой коррозионно-механической стойкости являются наиболее приемлемыми и отвечают эксплуатационным требованиям, предъявляемым к конструктивным элементам технологических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. Повышение содержания хрома и дополнительное легирование карбидообразующими присадками оказывают положительное влияние на коррозионную стойкость этих сталей в горячих средах основных процессов переработки нефти, коррозионная активность которых прежде всего обусловлена наличием водорода, растворов хлоридов и сероводорода.
Рис. 2.6. Кривая распределения характеристик сварных соединений Однако небольшая скорость распада хромистого аустенита при термической резке и сварке существенно усложняют технологический процесс изготовления сварных изделий. Неблагоприятная реакция на термодеформационный цикл сварки, выражающаяся в образовании закалочных структур и соответственно возникновении твердых хрупких прослоек в зонах сварки, оказывают отрицательное влияние на свариваемость и эксплуатационную надежность сварных конструкций. Наличие хрупких, с пониженной трещиностойкостью участков металлов с неравновесной мартенситной структурой (твердых прослоек) может привести к возникновению трещин непосредственно в процессе сварки или термической их обработки, к разрушениям при сборке узлов или гидравлических испытаниях, а также в процессе пуска и длительной эксплуатации технологического оборудования. В связи с отсутствием приемлемых технологических решений изготовления надежного в эксплуатации сварного нефтегазохимического оборудования из хромомолибденовых сталей мартенситного класса актуально исследование влияния структурно-механической неоднородности на склонность сварных соединений этих сталей к хрупкому разрушению и на этой основе разработка научно обоснованных технологических мероприятий по ограничению отрицательного влияния факторов неоднородностей для обеспечения их работоспособности. При выборе и разработке рациональной технологии изготовления и ремонта сварных изделий из рассматриваемого структурного класса жаропрочных сталей первостепенное значение имеют:
в поперечном сечении образца:
I - максимальные температуры: II - твердость HV; размер зерна μ
III - электродный φ и термоэлектрический Е потенциалы; IV - оста-
точные продольные
а) - Ст3сп; б) - 12Х18Н10Т
На основе исследования закономерности напряженно-деформированного состояния твердых прослоек в условиях плоского напряженного состояния нами разработаны теоретические предпосылки для прогнозирования допустимых параметров хрупких твердых прослоек в сварном соединении.
Особенностью напряженно-деформированного состояния твердых прослоек является реализация в них эффекта контактного разупрочнения, заключающегося в возникновении благоприятной “мягкой” схемы напряженного состояния и приводящей к улучшению деформационных характеристик сварного соединения (удлинения, сужения, трещиностойкости и др.). На основе установленных закономерностей изменения касательных напряжений на контактной плоскости твердой прослойки, при которой ее металл полностью перейдет в пластическое состояние, получены уточненные формулы.
Распределение касательных напряжений tху от свойств и размеров представлено в следующем виде:
(2.1)
; 
относительная ширина твердой прослойки; h - относительная координата (рис. 2.7); с - константа.
Рис. 2.7. Схема сварного соединения с твердой прослойкой
Значение относительной критической толщины твердой прослойки, при которой она полностью будет вовлечена в пластическую деформацию, определяется:
. (2.2)Таким образом, несмотря на то, что номинальные напряжения в сварном соединении меньше предела текучести твердого металла, прослойка полностью вовлекается в пластическую деформацию. В связи с этим трещиностойкость твердой прослойки может быть выше, чем образца, изготовленного из металла с такими же исходными свойствами. Кроме того, уменьшение в объеме закаленного металла снижает вероятность возникновения технологических трещин, уменьшаются их размеры и область распространения.
Чем шире зона мартенситных превращений, тем больше и объемы металлов, подверженных термодеформационным изменениям при сварке, следовательно, тем выше и суммарные напряжения структурно неравновесного состояния в этих участках.
Очевидно, сужение закалочных участков должно приводить к уменьшению суммарных внутренних напряжений (свободной энергии) в зонах сварного соединения.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые ресурсосберегающие технологические процессы электродуговой сварки с регулированием термического цикла (РТЦ) за счет сопутствующего принудительного охлаждения малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартенситного класса. Показано, что интенсивный отвод тепла из зоны теплового воздействия дуги значительно влияет на геометрические размеры твердых прослоек в ЗТВ. Это обеспечивает уменьшение объема металла, претерпевающего закалочные превращения, и требуемое высокое качество сварных соединений достигается за счет формирования специфической структуры металла околошовных зон с минимальной чувствительностью к образованию трещин. При сварке аустенитными электродами размеры хрупких прослоек в ЗТВ получаются меньше критических величин, при которых их наличие не сказывается на несущей способности сварных соединений.
Выявлены закономерности формирования структуры сварных соединений из жаропрочных хромомолибденовых сталей типа 15Х5М, изучена кинетика фазовых и структурных превращений в околошовных зонах при регулировании термических циклов сварки.
Установлено, что воздействие на термические циклы сварки малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартенситного класса позволяет регулировать перераспределение углерода и основных карбидообразующих компонентов между твердым раствором и фазами выделения, чем достигается формирование мелкозернистой более равновесной структуры бейнитного характера с минимальной чувствительностью к образованию трещин.
Обычная сварка стали 15Х5М аустенитными электродами с подогревом до 300-350°С приводит к образованию развитых (до 8-10 мм) твердых прослоек (рис. 2.8, 1-а). Макро- и микроструктура аустенитного шва грубая (дендритная) столбчатая и транскристаллитная, склонная к образованию горячих трещин. У такого металла более низкий предел текучести sт и низкие показатели пластических свойств по показателям относительного удлинения ð и сужения y.
Структура околошовной зоны, особенно участков перегрева и полной закалки, крупноигольчатая, мертенситного характера (рис. 2.8, 1-в) с твердостью до 365-415 единиц по Виккерсу.
Подогрев при сварке (до 350-400°С), хотя и играет определенную позитивную роль с точки зрения кинетики структурных напряжений в области температур мартенситных превращений, способствует перегреву металла шва и околошовной зоны. Причем подогрев при сварке практически не снижает твердость участков подкалки (твердых прослоек). Интенсивный отвод тепла при сварке с регулированием термического цикла за счет сопутствующего охлаждения водо-воздушной смесью существенно сужает область распространения закалочных температур и уменьшает ширину участков подкалки до 1-2 мм (рис. 2.8, 2-а).
Рис. 2.8. Макроструктура (а), твердость (б) и микроструктура
(в) при сварке стали 15Х5М аустенитными электродами:
1 - с подогревом до 350°С;
2 - с сопутствующим охлаждением
Это способствует повышению деформационной способности сварных соединений и сопротивляемости распространению холодных трещин.
При этом обеспечивается сочетание двух существенных положительных эффектов. Во-первых, геометрические размеры твердых хрупких участков в околошовных зонах сварных соединений получаются меньше относительной критической толщины твердой прослойки cтк, при которой исключается их отрицательное влияние на деформационные характеристики и трещиностойкость. Во-вторых, структура металла в околошовных участках ЗТВ получается мелкозернистой, имеет более равновесное бейнитное строение (рис. 2.8, 2-в) и происходит снижение твердости участков подкалки на 30...40 единиц по Виккерсу (рис. 2.8, б - линия 2).
Одновременно за счет ускоренного охлаждения происходит естественная закалка на аустенит металла шва, образуется более однородная мелкодисперсная структура (см. рис. 2.8, 2-в). У такого металла выше сопротивляемость пластическим деформациям по показателю предела текучести sт и, что весьма существенно, деформационная способность металла шва более чем в 1,5 раза выше, чем при сварке с подогревом.
Сварка стали 15Х5М аустенитными электродами с сопутствующим охлаждением позволяет обеспечивать равнопрочность сварных соединений и основного металла при одноосном и двухосном растяжениях, а также в условиях малоциклового нагружения сварных сосудов.
Результаты испытаний до разрушения натурных сварных сосудов и дисковых образцов с диаметральным швом методом гидравлического выпучивания показали, что в случае применения предлагаемой технологии сварки аустенитными электродами их прочность и деформативность не ниже таковых, выполненных по существующей технологии сварки перлитными электродами, регламентирующей предварительный подогрев и последующую термическую обработку в стационарной печи.
Сопутствующее принудительное охлаждение приводит к повышению показателей сопротивляемости на замедленное разрушение при образовании холодных трещин и к хрупкому разрушению (рис. 2.9). Достигнутые положительные структурно-механические изменения способствуют повышениютехнологической трещиностойкости сварных соединений, что обеспечивает при сварке однородными перлитными электродами возможность увеличения времени между сваркой и последующей термической обработкой. Вследствие реализации эффекта контактного разупрочнения тонких твердых прослоек они имеют большую трещиностойкость, чем трещиностойкость образцов из металла со свойствами ЗТВ (рис. 2.9). Формирование более благоприятной структурно-механической неоднородности при сварке с РТЦ обуславливает повышение показателей сопротивляемости хрупким разрушениям как при пониженных, так и при высоких температурах эксплуатации и снижение степени электрохимической гетерогенности сварного соединения.
Рис. 2.9. Зависимость показателей трещиностойкости от температуры: 1 - основной металл; 2 - сварка с охлаждением; 3 - сварка с подогревом
Применение сварки с регулированием термических циклов сопутствующим охлаждением повышает длительную прочность сварных соединений (рис. 2.10), стойкость к развитию термодиффузионной структурной неоднородности, термической усталости и прочность в коррозионных средах (рис. 2.11). В частности, установлено, что сварка с принудительным охлаждением приводит к снижению разности электродных потенциалов металла шва и околошовной зоны примерно в 2-3 раза, что повышает в 2-3 раза коррозионно-механическую прочность такого сварного соединения по сравнению с соединениями, выполненными с предварительным подогревом.
Для практической реализации предлагаемой технологии изготовления нефтехимической аппаратуры из жаропрочной стали типа 15Х5М разработаны технологические оснастки и подобрано соответствующее типовое или специально изготовленное сборочно-сварочное оборудование. Разработана схема автоматического управления системой принудительного охлаждения при сварке.
Рис. 2.10. Длительная прочность при 550°С основного металла и сварных соединений стали 15Х5М: 1 - основной металл ( • ); 2 - швы Св-08Х20Н9Г7Т полуавтоматической сваркой с сопутствующим охлаждением ( Δ ); 3 - швы электродов марки АНЖР-2 (-х-); 4 - швы электродов марки ОЗЛ-6 (-·-Δ-·-)
Рис. 2.11. Рис. 2.11. долговечность сварных соединений стали 15Х5М при сварке: I - аустенитный с подогревом; II - перлитный с охлаждением; III - аустенитный с охлаждением; IV - перлитный с термообработкой
- испытание на воздухе; - испытания в 3%-ном растворе NaCl
На основе проведенных исследований и результатов опытно-промышленного опробования подготовлены нормативные технологические инструкции по ручной электродуговой сварке, по полуавтоматической сварке в среде углекислого газа и по автоматической сварке под флюсом регламентирующие применение разработанных технологий сварки. В этих руководящих документах регламентированы конструктивные формы и размеры элементов подготовки кромок, последовательность и требования к сборке, допустимые параметры твердых прослоек во взаимосвязи с геометрическими размерами и степенью их механической неоднородности, порядок выполнения сварки, выбор сварочных материалов и рекомендуемые режимы сварки, параметры сопутствующего охлаждения с учетом толщины металла свариваемых элементов и рабочих условий эксплуатации.
Внедрение полученных результатов позволило повысить технологическую прочность сварных соединений, исключить трудоемкую операцию подогрева и выполнять сварку на формированных режимах, повысить производительность и улучшить условия труда, расширить область применения технологии сварки закаливающихся сталей без термической обработки при производстве нефтехимической аппаратуры и трубопроводов. При этом себестоимость выполнения сварочных работ 1 пог. м сварочного шва по изменяющимся основным расходам от применения ручной электродуговой сварки с РТЦ снижается в 1,5...2,4 раза; автоматической сварки под флюсом с РТЦ - в 3...3,3 раза.
1. Бабаев С.А. Надежность нефтепромыслового оборудования. - М.: Недра, 1987. - 264 с.
2. Бакши О.А. Механическая неоднородность сварных соединений. - Челябинск: ЧПИ, 1981. - 56 с.
3. Зайнуллин Р.С. Механика катастроф. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. - М.: МИБ СТС, 1997. - 426 с.
4. Зайнуллин Р.С. Механика катастроф. Оценка трещиностойкости газонефтепроводных труб. - М.: ГНТП “Безопасность”, 1997. - 75 с.
5. Зайнуллин Р.С., Халимов А.Г. Работоспособность механически неоднородных сварных соединений. - Уфа: Изд-во УНИ, 1989. - 56 с.
6. Гутман Э.М. Механизация металлов и защита от коррозии. - М.: Металлургия, 1981.
7. ГОСТ 27.002. Надежность в технике. Термины и определения.
8. ГОСТ 27.003. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.
9. ГОСТ 27.302. Надежность в технике. Методы определения допускаемого отклонения параметра технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса составных частей агрегатов и машин.
10. ГОСТ 27.518. Диагностирование изделий. Общие положения.
11. ГОСТ 20911. Техническая диагностика. Термины и определения.
12. Надежность в технике. Порядок проведения анализа причин отказов изделий. (РД 50-514-84).
13. РД 26-10-87. Методические указания. Оценка надежности химического и нефтеоборудования при поверхностном разрушении. - М.: НИИХИММАШ, 1987.
14. РД 26-11-20-88. Надежность изделий химического и нефтяного машиностроения. Система контроля и оценки надежности машин в эксплуатации. Контроль нормированных показателей надежности изделий единичного и мелкосерийного произ0водства. - М.: НИИХИММАШ.
15. ОСТ 26-02-2086-87. Надежность химического и нефтяного машиностроения. Оборудование нефтепромысловое, буровое. Номенклатура надежности нормируемых показателей надежности и правила задания их в нормативно-технической документации. - М.: ВНИИНЕФТЕМАШ.
16. РТМ 26-01-135-81. Надежность изделий химического и нефтяного машиностроения. Химическое оборудование. Номенклатура нормируемых показателей.
17. РТМ 26-02-60-81. Надежность изделий химического машиностроения. Оборудование нефтеперерабатывающее и нефтехимическое. Сбор, обработка и прохождение информации. - Уфа: ВНИИнефти.
18. РД 26.260.005-91. Руководящий документ. Методические указания. Оборудование химическое. Номенклатура показателей и методы оценки надежности.
19. Стеклов О.И. Стойкость материалов и конструкций и коррозий под напряжением. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.
20. Кубарев А.И. Надежность в машиностроении. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 224 с.
21. Халимов А.Г., Бакиев А.В., Зайнуллин Р.С. Работоспособность сварных соединений из стали 15Х5М. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. - 84 с.
22. Халимов А.Г. Теоретические основы ресурсосберегающей технологии сварки сталей 15Х5М с регулированием термических циклов. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996 - 57 с.
23. РТМ 26-17-076-87. Ручная электродуговая сварка с регулированием термических циклов конструктивных элементов нефтехимического оборудования из закаливающихся сталей типа 15Х5М / А.В. Бакиев, А.Г. Халимов, Р.С. Зайнуллин и др. - М.: Минхиммаш, 1987. - 26 с.
24. Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа стали типа 15Х5М (временная инструкция) / Ю.С. Медведев, Н.М. Королев, А.Г. Халимов и др. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1992. - 8 с.
25. Технологическая инструкция по автоматической сварке элементов нефтехимической аппаратуры и трубопроводов из жаропрочных сталей 15Х5М // Ю.С. Медведев, Н.М. Королев, А.Г. Халимов, А.В. Бакиев и др. - М.: ВНИИнефтемаш, 1992. - 16 с.
26. Халимов А.Г. Влияние структурно-механической неоднородности на работоспособность сварных соединений стали 15Х5М // Проблемы технической диагностики и определения остаточного ресурса оборудования: Материалы Всероссийской научно-техн. конф. - Уфа, 1995. - С. 10-22.
27. Халимов А.Г. Обеспечение качества нефтехимических аппаратов из хромомолибденовых жаропрочных сталей на стадии их изготовления // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. - Уфа: УГНТУ, 1997. - С. 30-42.