Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

выполненными различными видами, электродуговой сварки. ,В

частности, при газовой сварке труб поверхностей нагрева па-

ровых котлов в эксплуатации относительно часто наблюдались

свищи.

Для сварки обычно применяют нормальное пламя, т. е. пла-

мя,

образующееся при стехиометрическом соотношении, кисло-

рода и ацетилена. Для резки металла используют окислитель-

ное пламя, имеющее избыток кислорода.

Ядро ацетилено-кислородного пламени, примыкающее к го-

релке, имеет форму конуса с закругленным концом, и ярко-бе-

лой светящейся оболочкой., В ядре происходит, неполное, сгора-

ние ацетилена с образованием гемиоксида углерода и,водорода.

Ядро раскисляет ванну жидкого металла. Затем идет зона пол-

ного сгорания, она светится менее ярко. Газ в этой зоне состоит

из оксида углерода и водорода. Эта зона защищает ванну рас-

плавленного металла от азота и кислорода воздуха. Наиболее

высокая температура пламени находится в точке, отстоящей от

конца ядра зоны неполного сгорания на 2—-4-мм. Здесь тем-

пература достигает 3100—3200°, С., Этой частью пламени про-

изводят нагрев и расплавление металла в процессе сварки. Ос-

тальная часть пламени, называемая факелом и обозначенная

на рисунке буквой с, состоит из диоксида углерода, паров воды

и свободного кислорода.

При газовой сварке газосварщик пламенем горелки нагре-

вает кромки свариваемых деталей и расплавляет голую приса-

дочную проволоку. Капли присадочного металла через пламя

горелки попадают в сварочную ванну. Для образования свароч-

ного шва сварщик совершает поперечные колебания свароч-

ной горелкой и присадочной проволокой, а также перемещает

их вдоль шва.

В процессе газовой сварки расплавленный металл подвер-

гается воздействию продуктов сгорания пламени горелки и мо-

жет вступить с ними во взаимодействие.

При газовой сварке применяются инжекционные горелки.

Кислород и ацетилен поступают по шлангам к раздольным

патрубкам горелки. Соотношение и количество подаваемых га-

зов регулируется клапанами, расположенными на патрубках.

Кислород проходит через инжектор в смесительную камеру и,

создавая разрежение перед ацетиленовым клапаном, засасы-

вает ацетилен через отверстие в инжекторе., Газы перемешива-

ются в смесительной камере и через мундштук выходят в ат-

мосферу, где происходит их сгорание с образованием высоко-

температурного факела.

Во время работы регулируют поступление кислорода и аце-

тилена при помощи вентилятора, чтобы пламя было нейтраль-

ным. Кислород при соединении с расплавленным металлом вы-

зывает его окисление, а ацетилен — науглероживание. В обоих

случаях произойдет ухудшение качества металла

шва.

Сварка

малоуглеродистых

низколегированных сталей

избытком аце-

тилена

пламени приводит

образованию трещин

металле

шва. Пластичность наплавленного металла резко снижается.

Сварка окислительным пламенем приводит

перегреву

ме-

талла

шва и

загрязнению

его

неметаллическими включениями.

Строгое соотношение газов

сварочном пламени

тече-

ние рабочей смены трудно выдержать.

Ацетилен должен быть чистым. Содержание фосфористого

водорода

в нем не

должно превышать

0,08%, а

сернистых

соединений

пересчете

на

сероводород

— 0,15%.

Кислород должен быть только сорта

А,

чистотой

не ме-

нее

99,2%.

Состав присадочной проволоки обычно близок

составу

свариваемых деталей.

Каждая партия проволоки должна иметь сертификат

ука-

занием завода-изготовителя, марки стали, диаметра проволоки,

номера плавки

химического состава.

каждому мотку прово-

локи должна быть прикреплена металлическая бирка

наиме-

нованием завода-изготовителя, номера плавки, диаметра

мар-

ки проволоки.

При

отсутствии бирки проверяют химический

со-

став проволоки

механические свойства металла

шва.

Важно, чтобы проволока имела чистую поверхность,

без

окалины, ржавчины, масла

грязи

производят очистку про-

волоки наждачной шкуркой.

Присадочная проволока

во

всех случаях

до ее

использова-

ния

качестве материала

для

сварки объектов Котлонадзора

должна быть проверена

на

технологичность опытным сварщи-

ком

условиях, аналогичных производственным

по

характеру

свариваемых материалов

типу сварного соединения.

При

сварке проволока должна спокойно плавиться,

не

давая брызг

не

образуя

пор на

поверхности

шва.

Механические свойства

шва проверяют

на

материале двух пластин

из

малоуглеродис-

той стали, сваренных встык.

При газовой сварке труб поверхностей нагрева применяют-

ся V-образная симметричная разделка кромок

общим углом

раскрытия

80—90% и

притуплением

0,5 —1 мм.

Сборку осу-

ществляют

зазором

1,5—2 мм.

Заполнение

шва

производится

в 2—3

слоя,

что

повышает

эксплуатационную надежность сварных соединений (снижает-

ся вероятность образования крупных газовых

пор,

трещин

свищей).

Особенность сварного соединения, выполненного газовой

сваркой,— широкая зона термического влияния. Металл около-

шовной зоны относительно долго находится

при

высокой тем-

пературе.

результате может происходить рост зерна

и об-

разование грубой видманштеттойой структуры.

ЗЛ.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка применяется в котлостроении пре-

имущественно для сварки за один проход продольных швов

обечаек барабанов котлов высокого давления. Реже она исполь-

зуется для сварки кольцевых *швов, соединяющих обечайки с

днищами.

При электрошлаковой сварке расплавление электродной

проволоки и кромок свариваемых листов происходит под воз-

действием телоты, выделяющейся при прохождении сварочно-

го тока через шлаковую ванну (через расплавленный электро-

проводный флюс).

При сварке продольного шва свальцованная обечайка ста-

вится так, чтобы ее ось располагалась вертикально. Между

свариваемыми кромками оставляется равномерный зазор 25—

35 мм. Снаружи и изнутри зазор перекрывается медными ох-

лаждаемыми водой пластинами-ползунками. Перед началом

сварки внизу устанавливают сухарь, который образует дно бу-

дущей шлаковой ванны. Пространство между кромками лис-

та, медными ползунами и сухарем заполняется гранулирован-

ным флюсом. Для электрошлаковой сварки используется обыч-

ная сварочная проволока. Между электродной проволокой, по-

даваемой с равномерной скоростью через слой флюса, и су-

харем в начальный момент возбуждается электрическая дуга,

которая расплавляет флюс и поверхностный слой металла

сухаря.

После, образования ванны металла, покрытой слоем рас-

плавленного флюса, электродуговой процесс прекращается.

Оплавление кромок обечайки и плавление электродной прово-

локи осуществляются в дальнейшем теплотой, выделяемой за

счет электрического сопротивления при прохождении тока че-

рез расплавленный шлак. Температура жидкого шлака при

этом превышает температуру плавления металла листов обе-

чайки и электродной проволоки.

По мере подъема уровня расплавленного металла автома-

тически вместе с механизмом подачи проволоки поднимаются

медные ползуны со скоростью 0,6 до 3,5 м/ч. Под ванной

жидкого металла происходит его затвердевание. Так образу-

ется сварной шов.

При сварке листов толщиной до 150 мм применяется обыч-

но один электрод. При больших толщинах используется не-

сколько электродов. Применяется обычная электродная прово-

лока, которая используется и при автоматической сварке под

;

слоем флюса. Расход флюса при электрошлаковой сварке при-

мерно в 20 раз меньше, чем при многослойной автоматической;

расход электроэнергии — меньше в

1,5^—2

раза. Резко увеличи-

вается производительность. Сварное соединение, как правило,

получается высокого качества — без пор, шлаковых включе-

ний и трещин. Но оборудование для электрошлаковой сварки

дороже и менее универсально, чем для автоматической мно-

гослойной сварки под флюсом.

При электрошлаковой сварке кольцевых швов применяет-

ся неподвижный сварочный аппарат; обечайка при этом враща-

ется со скоростью сварки кантующим роликовым приспособ-

лением.

3.8. Кислородная резка

При кислородной резке металл в месте реза нагревают

пламенем газовой горелки и сжигают в потоке кислорода.

Для резки можно использовать любой горячий газ, пары

бензина или керосина. Чаще всего применяют ацетилен. Сталь,

нагретая до 1000—1200° С, сгорает в потоке кислорода. В про-

цессе горения металла выделяется теплота, нагревающая ни-

жележащие слои металла, которые также сгорают в режу-

щем кислороде. При сгорании металла образуется шлак, ко-

торый в расплавленном состоянии выдувается кислородной

средой из разреза. По мере образования сплошного реза резак

перемещают по заданной линии.

Для нормального протекания процесса кислородной рез-

ки необходимо, чтобы выполнялись следующие условия. Тем-

пература воспламенения металла должна быть ниже темпера-

туры плавления. Температура плавления оксидов металла дол-

жна быть ниже температуры плавления самого металла. Ок-

сиды должны быть жидкотекучими. Теплота, выделяющаяся при

сгорании металла, должна быть достаточно большой для под-

держания непрерывного процесса. Этим условиям полнос-

тью отвечают малоуглеродистые стали. Низколегированные

конструкционные стали режутся удовлетворительно. Высоколе-

гированные хромистые и хромоникелевые стали, чугун, а' так-

же цветные металлы не поддаются обычной газо-кислородной

резке. Для газовой резки этих металлов применяются флюсы,

которые растворяют относительно тугоплавкие оксиды и по-

вышают тепловыделение при резке.

Резку начинают обычно с кромки листа. Сначала зажигают

греющее пламя. Когда металл кромки раскалится до бела,

пускают кислород.

Чистота кислорода влияет на эффективность и качество

резки. С понижением чистоты кислорода уменьшается скорость

резки, увеличивается расход кислорода и ухудшается чистота

кромок разрезаемой заготовки.

После резки металл, примыкающий к кромке реза, бывает

покрыт коркой шлака. Под шлаком находится подкаленный

слой металла. Глубина зоны термического влиянии резки в

малоуглеродистых сталях обычно не превышает 2—5 мм.

Кислородная резка применяется для вырезки деталей из

листа, обрезки труб, подготовки разделки кромок под сварку

и удаления дефектных мест. При подготовке кромок под сварку

газовой резкой на деталях из малоуглеродистых и низколе-

гированных котельных сталей необходимо зачистить поверх-

ность до металлического блеска. Последующая механическая

обработка для снятия подкаленного слоя не обязательна, так

как этот слой не сказывается на качестве сварного соединения.

3.9. Термическая обработка сварных соединений

Сварные соединения трубопроводов, поверхностей нагрева

и других деталей объектов Котлонадзора могут подвергаться

термической обработке с целью снятия остаточных напряже-

ний, повышения пластичности и получения структуры, обеспе-

чивающей высокую эксплуатационную надежность.

В заводских условиях термическую обработку обычно выполняют в газо-

вых пламенных или электрических печах.

Продукты сгорания в пламенных печах содержат газы: СО, СО2, СН

, Н

Н2,

и др., они различным образом взаимодействуют с металлом. Поверх-

ность стальных деталей окисляется под воздействием кислорода, водяных па-

ров,

диоксида углерода. Кроме того, водяные пары, водород и кислород обез-

углероживают поверхность стали. Метан и гемиоксид углерода, наоборот, на-

углероживают ее. Азот не взаимодействует со сталью. При высоких темпе-

ратурах интенсивность процессов окисления, обезуглероживания и науглеро-

живания быстро увеличивается. В атмосфере пламенных печей преобладают

газы, которые вызывают окисление и обезуглероживание, так как сгорание

топлива происходит с небольшим избытком кислорода. При недостаточном

количестве кислорода резко увеличиваются потери газа или мазута. Это эко-

номически невыгодно. Точно выдержать необходимое соотношение между топ-

ливом и воздухом трудно.

Образование окалины на поверхности детали требует последующей песко-

струйной очистки или травления. Вследствие обезуглероживания снижается

твердость и износостойкость поверхностного слоя., В обезуглероженном слое

легко зарождаются усталостные трещины. Это опасно для таких изделий, как

пружины и другие детали, работающие при циклических нагрузках.

В электрических печах с нагревателями сопротивления окисление и обез-

углероживание происходят в меньшей степени, чем в пламенных.

Можно подобрать такое соотношение окисляющих, обезуглероживающих

и науглероживающих газов, при котором атмосфера печи практически не бу-

дет взаимодействовать с нагреваемой сталью. Такая атмосфера называется

защитной контролируемой. После нагрева в защитной контролируемой атмосфере

детали сохраняют светлую неокислившуюся поверхность. Печи с такой атмосферой

имеют специальные установки для приготовления нейтрального газа. При этом

нагрев осуществляют электрическими нагревателями сопротивления или газами

134

через стенки муфеля. В последнем случае продукты сгорания топлива омывают му-

фель снаружи, а нейтральные газы подают в середину муфеля.

Большое значение имеет скорость нагрева. При увеличении

скорости нагрева сокращается длительность термической об-

работки, увеличивается <пропускная способность оборудования,

уменьшается, угар металла и т. д. Но при быстром нагреве в

деталях возникают большие внутренние напряжения. Нагрев

деталей происходит в результате омывания их горячими газами

в печи или излучения теплоты, от стенок муфеля либо нагре-

вательных элементов печей сопротивления, а также за счет

теплопередачи от жидкого расплава.

В любом из перечисленных случаев наружные слои нагре-

ваются быстрее внутренних. Наружные слои стремятся расши-

риться, а внутренние, относительно более холодные, препятст-

вуют этому. В наружных слоях возникают напряжения сжа-

тия,

во внутренних,— растяжения. В нагреваемых слитках и

сварных соединениях могут возникать и остаточные напряже-

ния, которые суммируются с температурными внутренними на-

пряжениями. Внутренние и остаточные напряжения могут при-

вести к образованию трещин.

: Передача теплоты от наружных слоев к внутренним осуще-

ствляется теплопроводностью. Легированные стали обладают

меньшей теплопроводностью, чем углеродистые. Разница в тем-

пературах по сечению в одинаковых условиях нагрева получа-

ется больше у легированной стали. В то же время коэффици-

ент теплового расширения легированных сталей выше. Обе эти

причины определяют более высокие тепловые напряжения в

легированной стали. Положение усугубляется низкой пластич-

ностью многих легированных сталей при высоких температу-

рах. Большие местные напряжения в пластичном металле мо-

гут быть сняты в результате малых местных пластических де-

формаций. В хрупком материале большие местные напряже-

ния могут привести к образованию трещин.

Для уменьшения напряжений при нагреве применяются за-

грузка изделий в холодную печь и медленный нагрев их вме-

сте с печью. Так термически обрабатывают барабаны и коллек-

торы паровых котлов, блоки трубопроводов, состоящие из пря-

мых участков труб, сварных соединений и гибов, литые сосуды

и др. Иногда применяются ступенчатые нагревы с промежуточ-

ными остановками для выравнивания температуры.

Мелкие детали типа пружин, шпилек, гаек для ускорен-

ного нагрева помещают в печь, нагретую до требуемой конеч-

ной температуры или даже несколько более высокой.

После нагрева детали до заданной температуры необходи-

ма выдержка в течение определенного промежутка времени для

выравнивания температуры по сечению детали и завершения

превращений.

В условиях ремонта или монтажа- термическая обработка

осуществляется при помощи индукционных нагревателей с ис-

точниками тока повышенной или промышленной частоты, элек-

трическими печами сопротивления и газопламенным способом.

' Индукционный,-способ нагрева является основным при.тер-

мической обработке стыков трубопроводов из углеродистых и

низколегированных сталей с наружным диаметром 108. мм и

более при толщине стенки свыше 10 мм. Ток промышленной

частоты используется для нагрева . стыков любой толщины,

повышенной частоты — для нагрева стыков труб толщиной до

45 мм включительно. Эти способы обеспечивают высокую рав-

номерность нагрева. При толщине стенки трубы до 25 мм при-

меняется термическая обработка соединений при помощи му-

фельных печей сопротивления, и кольцевых многопламенных

газовых горелок.

Для индукционного нагрева сварных соединений труб могут

применяться гибкие водоохлаждаемые и неохлаждаемые мно-

говитковые индукторы, изготавливаемые из медного голого ка-

беля типа МГГ, и жесткие разъемные неохлаждаемые индук-

торы. . • •

Для электропитания индуктора током промышленной час-

тоты могут применяться трансформаторы ТСД-1000, ТСД-2000,

ОСУ-8,

ОСУ-10, ТШС-1000-3, ТШС-3000-3 с жесткой харак-

теристикой. В установках, питающих индуктор током повы-

шенной частоты, применяются машинные преобразователи ти-

пов ВПЧ и ПВС и тиристорные преобразователи типа СЧН.

Мощность преобразователя — 50 или 100 кВт.

При отсутствии оборудования для индукционного нагрева

или недостаточной мощности электрической сети допускается

проводить термическую обработку стыков труб с толщиной

стенки до 45 мм электрическими муфельными печами сопротив-

ления или гибкими проволочными нагревателями. В этом случае

должна обеспечиваться достаточная равномерность нагрева.

. Электрическая муфельная печь сопротивления обычно исполь-

зуется для термической обработки сварных соединений труб

диаметром от 194 мм и выше. Печь имеет разъем по образую-

щей. Половинки печи соединяются замком. Нагревательные

элементы печи соединяются между собой при помощи медных

перемычек. Нагреватели изготовлены из нихрома Х20Н80

или Х15Н60.

Источником питания электрической печи сопротивления

служат сварочные трансформаторы , ТС-300, ТС-500, СТН-500,

СТШ-500, ТСД-1000, а также, сварочные генераторы постоян-

ного тока и выпрямители, позволяющие получить ток в нагре-

вателе печи

400^-500

А.

' Находят применение кольцевые многопламенные горелки,

состоящие из стального корпуса и двух газоподводящих сме-

сительных труб с эжекторами. Горелка работает на, смеси

природного газа или пропан-бутана и воздуха.

Сварные соединения должны подвергаться термической

обработке не позднее чем через 3 сут после завершения сварки.

Особо толстостенные детали из легированной Стали должны

быть термически обработаны сразу после сварки. Это относится

к стыкам труб или литых деталей из сталей 12Х1МФ и 15X1 MlФ

с толщиной стенки более 45 мм независимо от диаметра трубы

и с толщиной стенки более 25 мм при наружном диаметре

трубы 600 мм и более, а также к сварным стыкам труб из стали

11Х11В2МФ (ЭИ756): Причем толстостенные сварные соеди-

нения из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф после сварки до терми-

ческой обработки не должны охлаждаться ниже - 300° С, а

из стали 11X11В2МФ — ниже 150° С.

Если из-за прекращения электропитания,' повреждения обо-

рудования' или из-за других причин термообработку толсто-

стенных элементов сразу

после сварки выполнить нельзя,

•

то

требуется обеспечить замедленное^ охлаждение под слоем асбе-

ста толщиной 8—15 мм.

- •

Термическую обработку сварных стыков, включая предвари-

тельный и сопутствующий подогрев, должны выполнять ква-

лифицированные термисты-операторы, прошедшие специальную

подготовку, едавшие соответствующие испытания и имеющие

удостоверение на право производства работ по термообработке

сварных стыков в ремонтных и монтажных условиях. Термисты-

операторы должны проходить ежегодную переаттестацию и

должны сдать испытания на II или III квалификационную группу

по технике безопасности и противопожарным мероприятиям.

Режимы термической обработки в зависимости от металла

свариваемых элементов

, металла шва и толщины элементов

приведены в [4] и производственных технологических

инструкциях/

Общая ширина участка трубы со швом в середине, на кото-

ром выдерживается заданная температура отпуска, в зави-

симости от толщины стенки стыкуемых труб должна быть:

При толщине до 20 мм .' •. 70 мм;

При толщине от 21 до 45 мм

;

. Г. 150, мм;

При толщине от 46 до 60 мм , 200 мм;

При толщине более 60 мм '. 250 мм.

Температура сварного соединения во время термической

обработки контролируется термоэлектрическим преобразова-

телем, подключенным, как правило, к регистрирующему прибору.

При толщине стенок стыкуемых труб до 20 мм-могут исполь-

зоваться приборы, показывающие температуру; при большей

толщине показывающие приборы могут. использоваться лишь

в порядке исключения. При применении показывающего при-

бора температура должна записываться оператором в журнал

через каждые 15 мин в процессе нагрева, выдержки и охлажде-

ния до 300° С. '

Преобразователь необходимо закреплять на самом шве или

на расстоянии не более 30 мм от него при помощи стальной

приварной бобышки или гайки с прижимным винтом.

ЗЛО.

Дефекты и контроль качества сварных соединений

В сварных соединениях могут быть следующие дефекты:

несплавленйя основного и наплавленного металла, непровары

в корне шва, раковины, шлаковые включения, горячие и холод-

ные трещины, отступления поперечного сечения сварного шва

от проектной формы, наплывы, подрезы, прожоги, газовые

пузыри и пористость.

Контроль качества сварных соединений паровых котлов и

трубопроводов осуществляют внешним осмотром; механиче-

скими испытаниями образцов, вырезанных из контрольных

пластин, из контрольных стыков труб или из самих изделий;

просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами; ультра

звуковой или цветной дефектоскопией; исследованием макро-

и микроструктуры; гидравлическим испытанием.

Объем и методы контроля сварных соединений элементов

паровых котлов и трубопроводов определяются в основном

следующими нормативно-техническими документами [1, 2, 3, 4,

26, 27],, а также междуведомственными и ведомственными

инструкциями.

Внешний осмотр обязателен при проверке всех сварных

швов.

При осмотре обращают внимание на соответствие раз-

меров шва проекту, отсутствие изломов

или неперпендикуляр-

ности осей соединяемых элементов, отсутствие подрезов, непро-

варов и прожогов, отсутствие трещин на поверхности металла

шва и околошовной зоны. Трещины в любом готовом изделии

не допускаются. В сварном шве элементов, работающих под

давлением, не должно быть наплывов и подрезов, а также

отступлений от формы и размеров,' требуемых по чертежу.

Не допускается пористая, ноздреватая поверхность металла

шва, получающаяся при чрезмерном газовыделении металла

из-за плохого качества обмазки электродов.

При внешнем осмотре поверхность сварного шва и приле-

гающий к нему основной металл в полосе шириной по 20 мм

в обе стороны от шва должны быть очищены от шлака и других

загрязнений до металлического блеска.

Механические испытания проводятся на металле сварных

стыковых соединений с целью проверки соответствия их проч-

ности и пластичности требованиям технических условий на изго-

товление изделий. Механические испытания включают в себя

испытания на растяжение, на изгиб или сплющивание и, испы-

тания на ударную вязкость.

На растяжение испытываются также сварные стыки труб.

Для проверки качества сварных стыков на трубчатых элементах

поверхностей нагрева с толщиной стенки менее 12 мм вырезают

1 % стыков, сваренных одним сварщиком, но не менее двух

стыков каждого диаметра. Для контроля качества сварных

стыков трубопроводов с толщиной стенки более 12 мм до начала

сварки монтажных стыков трубопроводов сваривают контроль-

ный стык, чтобы успеть внести коррективы в технологию сварки,

если результаты испытаний окажутся неудовлетворительными.

Стыки, вырезанные из поверхностей нагрева, и контрольные

стыки на заводах и монтажных площадках подвергаются соот-

ветствующей термической обработке, после чего из них изготов-

ляют по два образца для испытания на растяжение со сварным

швом посередине. При, кислородной вырезке заготовки должны

иметь припуск на механическую обработку, обеспечивающий

возможность удаления зоны термического влияния в рабочих

участках образца. Окончательную форму образцам придают

при помощи механической обработки.

Для испытания сварного соединения на растяжение при-

меняется плоский образец, рабочая часть которого охватывает

всю толщину шва. В образец обязательно должна попасть

околошовная зона, в которой под влиянием теплоты металла

шва в процессе сварки или после нее происходит перекристал-

лизация металла. Усиление сварного шва и остатки подкладного

кольца должны быть сняты заподлицо с основным металлом

(рис.

3.7).

Испытание на растяжение образцов, вырезанных из стыков

труб поверхностей нагрева, может быть заменено испытанием

•Q

Ь 1

* иг

L L

а)

м 1

' h 1

J L J L

Рис.

3.7. Форма и размеры образцов для испытания сварных соединений на рас-

тяжение. Наплавленный металл условно выделен штриховкой:

а — образец, вырезанный из контрольного стыка' толстостенной трубы, б—образец, вырезанный из

тонкостенной трубы