Актуальность темы.Известно, что в наибольшей степени на работоспособность и надежность сварных корабельных корпусов из низколегированных сталей обычной и повышенной прочности, особенно при эксплуатации в условиях низких температур воздуха (до -60 0С),оказывают холодные трещины, образующиеся, как правило, в околошовной зоне сварных соединений (ОШЗ). При этом наиболее опасным местом, с точки зрения зарождения холодных трещин, является корневой шов.
При сварке указанных сталей вероятность образования холодных трещин появляется, если скорость охлаждения W600500≥12 — 13 0С/с [4, 12], что характерно для ручной сварки покрытыми электродами в условиях низких температур воздуха. При этом холодные трещины наблюдаются, несмотря на отсутствие закалочных структур, в сварных соединениях.
Аварии и остановки корабельного транспорта по причине низкой трещиностойкости сварных соединений приводят не только к потере транспортируемого продукта, но и требуют зачастую крупных материальных и финансовых затрат на ремонтно-восстановительные работы. Увеличение размеров плавсредств, удлинение трассы их маршрута повышают вероятность трещинообразования и сложность ремонта. Разрушение танкеров часто сопровождается пожарами и взрывами, загрязнениями окружающей среды, что оказывает губительное воздействие на животный и растительный мир. Все это свидетельствует о крайней актуальности повышения качества и надежности морских и речных судов.
Анализ литературы.О влиянии отрицательных температур воздуха при сварке корпусных судостроительных сталей на увеличение количества образовавшихся трещин известно из литературы и практики [1, 2, 4, 5, 12, 13]. Вероятность образования трещин при этом повышается в связи с увеличением остаточных напряжений и количества растворенного в металле водорода. Повышение стойкости сварных соединений к образованию холодных трещин, вызывающих замедленное разрушение при сварке в условиях низких температур, определяется не только снижением количества неравновесных структур, но и повышением скорости диффузии водорода.
Анализ данных, приведенных в литературе [7—9, 12, 13], свидетельствует, что основными причинами разрушения корпусов плавсредств являются дефекты сварных соединений, влияние низких температур окружающего воздуха, водородное охрупчивание зоны термического влияния (ЗТВ) сварного соединения, а также вибрации корпуса вследствие динамических воздействий. Обобщение причин разрушений корабельных сварных стыков, выполенное в работах [1, 5], позволило выделить главную из них – низкую хладостойкость судостроительных сталей и их сварных соединений в условиях отрицательных температур воздуха.
Для реализации на практике организационно-технических мероприятий повышения надежности сварных соединений корабельных корпусов и других конструкций необходимо знание закономерностей и особенностей изменения трещиностойкости наплавленного и основного металла в зависимости от основных технологических факторов транспорта продукта, для чего требуется проведение дополнительных исследований.
Постановка и изучение проблематики. Из анализа литературных данных и результатов собственных исследований следует, что основной причиной низкой трещиностойкости сварных соединений судостроительных корпусных сталей из низколегированных сталей, эксплуатируемых в условиях низких температур окружающей атмосферы (до -60 0С), является высокое содержание водорода в наплавленном металле и околошовной зоне. Вопросы активности подвижного водорода и его распределения в разных зонах сварного соединения при воздействии на него минусовых температур изучены недостаточно и получены на различных сварочных и корпусных материалах с использованием разных методов и критериев оценки, поэтому они трудно сопоставимы, порой противоречивы и не всегда подвержены логическому анализу и сравнению. Поэтому требуется проведение дополнительных экспериментов для изучения влияния отрицательных температур на процесс диффузии и перераспределения водорода с течением времени в сварных соединениях монтажных стыков корабельных корпусных конструкций. Учитывая, что экспериментальные методы не позволяют измерить концентрацию водорода в различных зонах сварного соединения, то требуется примение экспериментально-аналитических методов расчета и оценки кинетики диффузии водорода из сварного шва в зону термического влияния (ЗТВ) и его перераспределения с течением времени.
Высказываются различные точки зрения на механизм водородной хрупкости стали и сварных соединений. Однако сам факт, что водород, попадая в металл шва и ЗТВ, вызывает временную хрупкость его и иногда весьма значительную, приводящую к образованию трещин, является общепризнанным. На основании изложенного, основным способом уменьшения водородной хрупкости является снижение уровня диффузионно-подвижного водорода в металле шва различными конструкторско-технологическими способами.
Другим способом уменьшения водородной хрупкости является снижение скорости охлаждения, которое позволяет получить более пластичный и менее склонный к водородной хрупкости металл шва и ЗТВ, а также усиливает эффект удаления водорода из металла в процессе охлаждения.
Третьим способом является повышение температуры сопутствующего подогрева. Так, повышение температуры до 100 — 200 0С существенно снижает водородную хрупкость, вызываемую диффузионным и молекулярным водородом.
Четвертым способом является проведение термической обработки – “отдыха” – сварных соединений корпусных сталей непосредственно после сварки, в процессе которого удаляется диффузионный водород.
Для реализации этих способов на практике необходимо проведение дополнительных экспериментов для изучения поведения водорода в сварных соединениях применительно к конкретным температурным режимам, материалам и технологическим процессам монтажной сварки.
Целью работыявляется исследование кинетики распределения и диффузии водорода в сварных соединениях судостроительных сталей в зависимости от температурных условий окружающей атмосферы.
Методика и материалы исследований.В качестве экспериментальных материалов использовали судостроительные корпусные стали 10ХСНД и 15ХСНД, которые наиболее широко используются в кораблестроении. Для определения диффузионного водорода в наплавленном металле, наплавку производили на образцы размером 80×15×10 мм, которые затем помещали в эвдиометры с водоглицериновой смесью, а также в эвдиометры со спиртом. Время наплавки образца составляло 30…35 с, а паузы от момента завершения наплавки до помещения образца в эвдиометры – 3…40 с. Наплавку на образцы, а также сварку монтажных стыков производили на открытом воздухе при температурах среды, принятых согласно плана экспериментов. Концентрацию остаточного водорода определяли методом вакуумной экстракции при расплавлении образцов на установке VH-6 фирмы “Гереус” [7].Сварку выполняли в нижнем положении постоянным током обратной полярности. Режим сварки поддерживали постоянным (Iсв=180 А;Uд=23…24 В).
В качестве сварочных материалов использовали электоды марок АНО-26 диаметром 4 мм и АНО-ТМ диаметром 3 мм (для сварки корня шва).
В основу метода расчета концентрации и распределения водорода в сварных соединениях была положена схема количественного расчета диффузионного перераспределения водорода в сварных соединениях, разработанная И. К. Походней и Л. И. Демченко (Институт электросварки им. Е. О. Патона Национальной академии наук Украины) [8, 9], поскольку она хорошо согласуется с экспериментальными данными.С точки зрения математического моделирования, наибольшую сложность представляют учет переменной (в пространстве и времени) растворимости водорода в твердом и жидком металле, наличие локальных дефектов структуры (“ловушек” водорода), а также многомерный характер переноса.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Поэтому для упрощения модели в расчетах предполагали следующее:
-
- роль внутренних дефектов структуры в перераспределении водорода и выделения из образца невелика;
влияние времени кристаллизации металла шва на процесс диффузии и перераспределения водорода ничтожно мало;
влиянием неизотермичности температурного поля сварного соединения можно пренебречь.
Определение критерия технологической прочности сварного соединения σpminпроизводили по методике, подробно описанной в работах [2, 3, 6, 10].
Результаты иссдедований и их обсуждение.Зависимости скорости выделения водорода из наплавленного металла от температуры окружающей среды приведены на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость скорости выделения водорода из наплавленного металла от температуры среды: электроды АНО – 26; а) – глицериновая проба; б) – спиртовая проба.
Видно, что с понижением температуры образцов на 60 0С скорость диффузии уменьшается в среднем в 30 — 40 раз, а при температуре -40 -50 0С ([H]диф<5 см3/100г) скорость выделения водорода минимальна в течение 20 ч после сварки.
Заметное выделение диффузионного водорода выявлено лишь после выдержки образцов в спиртовых эвдиометрах более 200 ч (рис. 1, б). В целом понижение температуры резко уменьшает количество выделившегося водорода из металла, особенно при сварке низководородистыми электродами с покрытием основного вида. Из рис. 1(б) видно, что из наплавленного электродами АНО-26 металла при температуре +20 0С свободно выделилось около 3 см3/100г водорода, при -30 0С – 0,85 см3/100г, а при -45 0С – лишь 0,2 см3/100г. Перенос эвдиометров с замороженными образцами в помещение с комнатной температурой позволяет получить дополнительно выделившийся водород из наплавленного металла (табл. 1).
Таблица 1
Влияние температуры среды на содержание водорода (в см3/100г) в сварном шве
Скорость диффузии водорода [H]диф зависит от температуры среды. Выдержка образцов при температуре +40 0С (рис. 2) понижает содержание водорода в шве с 2.2 до 0,5 см3/100 г за 4 ч, при комнатной температуре – за 20 ч, а при -50 0С водород практически не выделяется.
Рис. 2. Влияние температуры и длительности выдержки на содержание диффузионного водорода в сварных соединениях: электроды АНО – 26; спиртовая проба.
Для анализа роли водорода в образовании холодных трещин в ОШЗ очень важно знать его перераспределение в сварных соединениях с течением времени. Однако применяемые экспериментальные методы не позволяют в полной мере судить о его диффузионном распределении в различных зонах соединения при сварке и после ее окончания. Поэтому в данной работе расчет перераспределения диффузионного водорода производили по формулам [4, 12] в трех временных интервалах изменения температуры, в которых коэффициенты диффузии DHпринимали кусочно-постоянными t0пл≤t1≤t0300; t0300≤t2≤t0100; t3 — при температуре окружающего воздуха. Их значения приведены в табл. 2. Временные интервалы варьировались в зависимости от температуры среды и предварительного нагрева.
Таблица 2
Эффективные коэффициенты диффузии, см2/с
Как показано в работе [13], содержание водорода в металле шва контролируется скоростью охлаждения в интервале 300 — 100 0С. Конфигурация шва воспроизводилась с помощью переменной координаты линии сплавления по высоте сечения. На рис. 3 и 4 представлены результаты распределения водорода в сварном соединении.
Рис.3. Кинетика перераспределения водорода в V-образном сварном соединении:
1 – центр шва; 2 – зона линии сплавления; 3 – зона термического влияния;
▲ – Тср=+22 0С; ● – Тср=-40 0С; ○ – Тср=-40 0С и Тпод=200 0С.
Рис.4. Влияние подогрева на распределение водорода в сварном соединении:
1 – Тпод=200 0С; 2 – Тпод=50 0С ; 3 – Тпод=0 0С.
Предварительный подогрев до 200 0С способствует резкому снижению содержания водорода в центре шва – до 20 % начального содержания в течение 30 мин, причем в ЗТВ содержание водорода не превышает 20 % [H] (рис. 3).
С понижением температуры среды до -40 0С существенно замедляется скорость десорбции водорода в окружающую атмосферу. Так, уменьшение содержания водорода в центре шва в 2 раза происходит при комнатной температуре за 2 — 3 ч, а при -40 0С – за 12 — 15 ч. Максимальное содержание водорода в ЗТВ при температуре +20 0С достигается за 1 — 3 ч, а при низких температурах – за 20 — 40 ч с сохранением этого условия длительное время. Также следует отметить, что предварительный подогрев приводит к резкому снижению уровня водорода в первые 30 мин после окончания сварки. Поэтому после окончания десорбции водорода из шва, наряду с предварительным подогревом, желателен и послесварочный нагрев соединения, особенно при отрицательных температурах воздуха.
Следовательно, в зависимости от технологической прочности сталей и на основании расчетной модели диффузионного перераспределения водорода в монтажных соединениях после окончания сварки можно научно обосновать оптимальный режим предварительного подогрева и конструкторско-технологические приемы уменьшения скорости охлаждения стыка с учетом оптимизации режимов сварки, формы разделки кромок, правильного выбора сварочных материалов, прокалки электродов, ограничения времени между наложением проходов при многослойной сварке.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Из литературных данных следует, что до сих пор отсутствует количественная связь между склонностью сварного соединения к образованию трещин с действительной концентрацией в нем водорода. Известно, что наиболее существенное влияние на трещиностойкость сталей оказывает диффузионный водород при образовании в сварном шве или ОШЗ смешанной перлитно-мартенситной, бейнитно-мартенситной структур и структуры нижнего бейнита [11]. Авторы [11, 12] обнаружили снижение сопротивления сталей 15ХСНД, 17Г1С, 10Г2С1, 10ХСНД холодным трещинам на 20 — 40 % при сварке в условиях отрицательных температур воздуха. Стали 14Г2САФ и 14Г2МР характеризуются низкой технологической прочностью, причем их трещиностойкость снижается на 10 — 20 % с понижением температуры.
Установлено [11], что наибольшее понижение трещиностойкости судостроительных сталей наблюдается в интервале от -20 до -40 0С, в котором отрицательное влияние водорода на замедленное разрушение сварных соединений проявляется в большей степени. Как показывают результаты собственных исследований, уменьшение содержания водорода в шве от 8 до 1 см3/100г повышает сопротивляемость сталей 10ХСНД и 15ХСНД холодным трещинам примерно в 2 — 2.5 раза (рис. 5).
Рис.5. Зависимость технологической прочности сварных соединений от содержания водорода в наплавленном металле:
Опытные электроды АНО – 26; 2 – 15ХСНД; 3 – сталь 20; 4 – сталь 10.
При уменьшении количества водорода в наплавленном металле до уровня 5 см3/100г и ниже сопротивляемость этих сталей холодным трещинам σpminвозрастает на 50 – 60 %.
Таким образом, полученные результаты позволили сделать следующие выводы:
-
- С понижением температуры образцов на 60 0С скорость диффузии водорода уменьшается в 30 — 40 раз, а при температуре -40… -50 0С скорость выделения водорода из наплавленного металла минимальна в течение 20 ч после сварки. Так, при температуре +40 0С содержание водорода в шве после сварки понижается с 2.2 до 0.5 см3/100 г за 4 ч, при комнатной температуре – за 20 ч, а при -50 0С водород практически не выделяется.
Отработана технология применения математической модели расчета процесса диффузии и перераспределения водорода в сварном соединении с учетом термического цикла сварки, которая позволяет научно обосновать оптимальные режимы предварительного подогрева и конструкторско-технологические приемы снижения скорости охлаждения монтажных стыков корпусных судостроительных сталей.
Список литературы:
-
- Галиченко Е. Н. Технологические методы обеспечения трещиностойкости промысловых трубопроводов нефтяных месторождений.- Челябинск: Изд. ЦНТИ. – 2002. — 252 с.
Козлов Р. А. Водород при сварке корпусных сталей. – Л.: Судостроение, 1975. – 212 с.
Козлов Р. А. Методика определения водородной хрупкости наплавленного металла // Сварка. – Л.: Судпромгиз, 1960. – С. 21 — 29.
Ларионов В. П., Слепцов О. И. Природа образования холодных трещин и обеспечение технологической прочности сварных соединений при низких температурах. – Якутск: Изд. ЯФ АН СССР, 1983. – С. 40 — 68.
Макаренко В. Д. Надежность нефтегазопромысловых систем. – Челябинск: Изд. ЦНТИ. – 2006. – 826 с.
Мороз Л. С., Чечулин Б. Б. Водородная хрупкость металлов. – М.: Металлургия. – 1967. – 225 с.
Пальцевич А. П. Хроматографический метод определения количества диффузионного водорода в сварных швах. – В кн.: Третья Всесоюз. конф. по сварочным материалам. – Киев: Наукова думка. — 1982. – С. 24 — 27.
Походня И. К., Демченко В. Ф., Демченко А. И. Математическое моделирование поведения газов в сварных швах. – Киев: Наукова думка. – 1979. – 56 с.
Походня И. К. Кинетика дифузионного перераспределения водорода между металлом шва и основным металлом // Автоматическая сварка. – 1976. — № 5. – С. 3 — 12.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Романив О. Н., Ярема С. Я., Никифорчин Г. Н.и др. Усталостная и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов // Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие в 4-х т. Под ред. В. В. Панасюка,Т. 4. – Киев: Наукова думка, 1990.
Слепцов О. И. Влияние низкой температуры при сварке на образование холодных трещин в низколегированных трубных сталях // Бюл. НТИ. – Якутск, 1979. – С. 25 — 26.
Слепцов О. И., Тухолонов К. Н. Влияние отрицательных температур при сварке на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле // Хрупкое разрушение металлов при низких температурах. – Якутск: Изд. ЯФ СО АН СССР, 1976. – С. 74 — 80.
Тарлинский В. Д. Влияние водорода на характеристики механических свойств конструкционных низколегированных сталей и сварных соединений // Устойчивость против коррозионного растрескивания сварных соединений трубопроводов и роль водорода при электродуговой сварке. – М: ВНИИСТ, 1969. – С. 91 — 123.