Ремонт сваркой литых деталей
СВАРОЧНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА ЛИТЫХ ФАСОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
Литой металл фасонных деталей характеризуется значительной структурой, химической и механической неоднородностью, а также наличием технологических литейных дефектов: шлаковых и песчаных включений, пустот типа пор и каверн, расслоений и трещин литейного происхождения. Кроме того, такие /детали отличаются заметной геометрической неоднородностью, что создает концентрацию напряжений в зонах перехода от одной толщины стенки к другой и в местах сопряжения элементов разного типоразмера и ориентации в пространстве, например, в местах перехода от корпуса к патрубку или фланцу литой арматуры и от корпуса к штуцера литого тройника. Типичные зоны повреждений литых фасонных деталей трубопроводов показаны на рис. 32. Ремонт деталей проводится при выявлении недопустимых литейных дефектов и/или эксплуатационного повреждения.
Рис. 32. Типичные зоны эксплуатационных повреждений литых фасонных деталей трубопроводов (места повреждений заштрихованы): а — корпусов арматуры; б — колен; в — тройников
Литые фасонные детали из углеродистых и низколегированных сталей (20J1, 2Л, 20ГСЛ, 20ХМ, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ. ) подвержены повреждениям по механизмам ползучести, термической и коррозионной усталости, эрозионному износу. Основные трудности при их ремонте связаны с выполнением подогрева в процессе сварки и послесварочной термической обработки. В связи с этим применяются два основных варианта сварочно-ремонтной технологии.
Первый вариант основан на использовании при ручной дуговой сварке перлитных электродов (углеродистый и низколегированный наплавленный металл) с проведением подогрева при сварке и выполнением послесварочной термообработки (термический отдых при необходимости, высокий отпуск). При такой технологии обеспечиваются оптимальные свойства и структура сварного соединения (подварочного шва с прилегающими зонами основного литого металла), но сварочно-термические операции отличаются большой трудоемкостью.
Другой вариант основан на использовании высоконикелевых аустенитных электродов (например, типа Э-11Х15Н25М6АГ2 и Э-08Н60Г7М7Т) без подогрева при сварке и без послесварочной термической обработки. Такая технология является наименее трудоемкой, однако при этом не обеспечивается необходимая работоспособность сварных соединений разнородных по структурному классу материалов — перлитной стали с высоконикелевым ремонтным швом. Эксплуатационному повреждению в таких соединениях подвержена зона сплавления (по кристаллизационной и/или диффузионной прослойке), в отдельных случаях — дополнительно повреждается высоконикелевый шов. Этот вариант технологии обычно применяется при аварийных ситуациях в условиях ограниченного времени на проведение ремонта и, например, при отсутствии на предприятии необходимого мобильного термического оборудования для выполнения подогрева при сварке и проведении послесварочной термической обработки. Целесообразно применять технологию ремонта с использованием высоконикелевых сварочных материалов для нанесения подварочных швов в выборки с ограничением глубины до 20% толщины стенки литой фасонной детали в зоне ремонта.
Корпусные литые детали из аустенитных хромоникелевых высоколегированных сталей (например, 12Х18Н9ТЛ) ремонтируются с использованием при ручной дуговой сварке аустенитных электродов Э-11Х15Н25М6АГ2, Э-08Х19Н10Г2Б и др. преимущественно без подогрева и без послесварочной термообработки. Однако, в зависимости от назначения литых деталей и других особенностей (длительности наработки до ремонта, степени изменения структуры и ухудшения свойств и т.д.) может применяться технология восстановления, включающая предварительную термообработку детали по режиму аусте-низации, сварочные операции и аустенизацию или стабилизирующий отжиг после сварочно-наплавочных операций.
Основные положения сварочно-ремонтной технологии по восстановлению литых фасонных деталей из углеродистых и низколегированных сталей сводятся к следующему:
• поврежденный (дефектный) металл удаляется механическим способом абразивным инструментом с предварительной засверловкой концов магистральной трещины с получением углублений диаметром 10-14 мм. Рекомендуется
подготавливать выборку с чашеобразной формой разделки со скосом кромок по 20 — 30° при корневой части выборки шириной 15-30 мм (рис. 33а). Прилегающая поверхность шириной >50 мм очищается механическим: способом до металлического блеска от окалины, ржавчины, золы, грязи. Качество поверхности выборки и прилегающих участков контролируется методами МПД (или ЦД) и, при необходимости, металлографическим анализом с реплик. Кроме того, рекомендуется оценивать качество литого металла под выборкой и прилегающих участках с помощью УЗК с контролем на всю толщину стенки литой детали. Необходимость в последнем мероприятии (контроль УЗК) обусловлена подтверждением отсутствия недопустимых литейных дефектов в литом металле
и, соответственно, предупреждением возможного повреждения подварочного шва от таких дефектов в начальный послеремонтный период эксплуатации;
Рис. 33. Рекомендуемая схема выполнения подварочных швов при ремонте литых фасонных деталей трубопроводов:
а — форма выборки после удаления поврежденного металла; б — последовательность выполнения подварочного шва П.Ш. продольными валиками 1-18 (пример) с предварительно нанесенной облицовкой Об. на поверхность выборки; в — подварочный шов П.Ш. после механической обработки наружной поверхности; г — подварочный шов П.Ш. с усиливающей наплавкой У.Н. в месте концентрации рабочих напряжений
• выборка заполняется с помощью ручной дуговой сварки наплавленным металлом многослойным способом продольными валиками толщиной 4-10 мм и шириной 15 — 25 мм до получения подварочного шва с выпуклостью высотой 3-5 мм (рис. 336). Рекомендуется подварочный шов выполнять с предварительным нанесением двухслойной облицовки на поверхность выборки,, при этом первый слой наплавлять электродами диаметром 2,5 — 3 мм, а второй слой
— диаметром 4 мм, Выборки глубиной до 3 — 5 мм можно оставлять без нанесения компенсирующей наплавки — подварочного шва;
• подварочный шов выполняется по одному из вариантов: с получением перлитного наплавленного металла (электроды Э50А, Э-09Х1М, Э-09Х1МФ) с подогревом при сварке и послесварочным высоким отпуском или с получением высоконикелевого аустенитного наплавленного металла (аустенитные эле ктроды) без подогрева и без послесварочной термообработки (табл. 9).
Таблица 9
Режимы подогрева и высокого отпуска сварочной технологии ремонта литых фасонных деталей трубопроводов
Тип покрытых электродов
Подогрев при сварке и наплавке
Режим высокого отпуска
20Л, 25Л, 20ГСЛ
Э50А, Э42А*
Э-11X15Н25М6АГ2 Э-08Х14Н65М15В4Г2
Э-08Х14Н65М15В4Г2, Э-11Х15Н25М6АГ2
15Х1М1ФЛ
Э-08Н60Г7М7Т» Э-08Х14Н65М15В4Г2** Э-11Х15Н25М6АГ2
1. Облицовка на поверхность выборки наносится двухслойной.
2. Высоконикелевые аустенитные электроды применяются для заварки выборок глубиной не более 20% толщины стенки литой фасонной детали в зоне ремонта.
3. К типу электродов Э-11Х15Н25М6А12 относятся марки ЦТ-10, ЭА-395/9 и НИАТ-5; к типу Э-08Х14Н65М15В4Г2 — марка ЦТ-28 и к типу Э-08Н60Г7М7Т — марка ЦТ-26. К типам Э50А, Э42А, Э-09Х1М и Э-09Х1МФ относятся марки электродов, указанные в табл. 2.
При сварке аустенитными электродами рекомендуется прочеканивать послойно поверхность наплавленного металла (кроме облицовки) ударным инструментом с бойком затупленным под радиус 3 — 4 мм; эта технологическая операция необходима для снижения остаточных сварочных напряжений;
• при необходимости, на подварочный шов, расположенный в зоне концентрации рабочих напряжений в местах геометрической неоднородности фасонной литой детали, наносится многослойная усиливающая наплавка, при этом используется сварочный материал и процедуры сварки и термообработки аналогичные как при выполнении подварочного шва (табл. 9);
• процесс сварки (наплавки) ведется на постоянном токе обратной полярности на режимах в зависимости от типа и диаметра покрытых электродов и положения шва в пространстве (табл. 10).
Таблица 10
Токовые режимы сварки (наплавки) мест выборок при ремонте литых фасонных деталей трубопроводов с применением ручной дуговой сварки
Тип наплавленного
Тип электро
Сила тока, А, при положении шва
электрода,
в пространстве
вертикальном
потолочном
Углеродистый и низ
колегированный
перлитного класса
Высоконикелевый
Э-08Н60Г7-
аустенитного
После сварки литые фасонные детали с ремонтным перлитным швом (эле ктроды Э50А, Э-09Х1М, Э-09Х1М1Ф) сразу подвергаются высокому отпуску (табл. 3). При невозможности немедленного проведения отпуска выполняется термический отдых (для эвакуации водорода) при температуре соответствующей температуре подогрева при сварке с выдержкой 1 — 2 ч; в этом случае высокий отпуск проводится спустя некоторое время, необходимое для размещения нагревательных устройств и теплоизоляции с настройкой термического оборудования и размещением терморегистрирующих устройств (термопар, компенсационных проводов, самопишущих приборов);
• подогрев при сварке проводится любым способом, высокий отпуск с помощью индукционного или эл. печного нагрева (эл. нагревателями сопротивления) с обеспечением равномерного кольцевого местного прогрева в зоне подварочного шва на всю толщину стенки. Газопламенный способ местного нагрева при высоком отпуске не допускается. Оптимальным является общий нагрев литой фасонной детали с ремонтным подварочным швом в печи (например, в электро- или газовой камерной или шахтной печи). Но в этом случае необходим демонтаж ремонтируемой литой фасонной детали на период проведения сварочно-термических операций;
• заключительными являются операции по механической обработке абразивным инструментом поверхности подварочного шва и контролю ремонтного сварного соединения внешним осмотром, УЗК или методом, радиографии (по возможности), МПД (или ЦД) и измерением твердости металла подварочного шва 09 X 1 МФ (и 09 XIM ) с прилегающим участком основного литого металла.
Пример 18. Литые колена Дн = 325 мм u S = 60 мм из стали 20ХМФЛ и литые тройники из стали 15Х1М1ФЛ с Д к н = 290 мм и S K = 40 мм со штуцером d IU H =140 мм и 8 Ш = 25 мм. Повреждения: кольцевые поперечные относительно оси колен и оси штуцера тройников трещины ползучести глубиной 15 -25 мм (до 40% толщины стенки литых фасонных деталей) и протяженностью до 250 — 300 мм, выявленные после 225 тыс. ч эксплуатации паропроводов при температуре 500 и 540°С с давлением 90 и 140 кгс/см 2 соответственно 9 и 14 МПа (рис. 34а и 35а). Также были обнаружены поверхностные трещины глубиной не более 5 мм.
Рис. 34. Схема выполнения подварочного шва П. Ш. при ремонте литого
колена DN 250 из стали 20ХМФЛ:
а — место и форма выборки после удаления поврежденного металла кольцевой трещины; б — последовательность сварки наплавляемых валиков 1 — 13 и форма подварочного шва после механической обработки наружной поверхности; Ly 3 K -— кольцевая зона, контролируемая методом УЗК по всей толщине стенки колена; ширина зоны > 100 мм
Рис. 35. Схема выполнения подварочного шва при ремонте литого тройника DN 200/90 из стали 15Х1М1ФЛ:
а — место и форма выборки после удаления трещины; б — последовательность выполнения наплавляемых валиков 1 — 12 в выборку и форма подварочного шва П.Ш. с усиливающей наплавкой У.Н. воротникового типа
Технология ремонта включала последовательное выполнение следующих операции;
удаление поврежденного металла с получением формы выборок и контроль качества согласно основных положений по ремонту литых фасонных деталей (см. выше в разделе 8) Вид формы выборок для данных ремонтируемых литых колен и тройников показан на рис. 34а и 35а. Кольцевые участки литого металла в зоне расположения выборок подвергались контролю УЗК;
• выполнение подварочных швов (без нанесения предварительной облицовки поверхности выборок) многослойным способом с подогревом при температуре 300 — 350°С индукционным способом токами промышленной частоты. На подварочный шов литого тройника наносилась двухслойная усиливающая наплавка. При ручной дуговой сварке использовались электроды Э-09Х1МФ диаметром 2,5 — 4 мм; процесс сварки и наплавки проводился на соответствующих токовых режимах (табл. 10). Выборки глубиной не более 5 мм оставлялись без подварки; предварительно их поверхность обрабатывалась механическим способом до получения плавного перехода с радиусом не менее 30 мм к наружной поверхности ремонтируемой детали;
• по окончании сварочно-наплавочных операций немедленное проведение высокого отпуска 720 — 750°С, 3 ч индукционным способом токами промышленной частоты с регистрацией температурного режима самопишущими приборами от термопар типа ТХА. Равномерному нагреву при сварке и высоком отпуске подвергалась кольцевая зона шириной 300 — 400 мм для литых колен и 500 — 600 мм для литых тройников с подварочным швом в центре нагреваемой зоны. Скорость нагрева после сварки до температуры высокого отпуска составляла не более 200°С/ч и последующее охлаждение до температуры 300°С также ограничивалось максимальной скоростью 200°С /ч;
• механическая обработка поверхности подварочного шва (наплавки) абразивным инструментом с удалением выпуклости подварочного шва заподлицо с поверхностью литых колен и сохранением усиливающей наплавки высотой около 10 мм с плавным переходом к наружной поверхности штуцера и корпуса литых тройников (рис. 346, 356);
• проведение контроля качества ремонтных швов и прилегающих зон методами МПД, измерением твердости, а также УЗК на всю толщину стенки.
Пример 19. Литой корпус паровой задвижки DN 250 из стали 20ХМФЛ. Повреждение: растрескивание от литейных дефектов кольцевой зоны шириной 35 мм торца литого патрубка.
Технология ремонта заключалась в восстановлении поврежденного патрубка до увеличенной длины путем сварочно-наплавочных операций и состояла в следующем (рис. 36):
• временном демонтаже паровой задвижки из трассы паропровода для проведения ремонтных технологических операций в удобных условиях;
• удалении поврежденного кольцевого участка литого патрубка механическим способом путем расточки на токарном станке (рис. 36а). Альтернативным может быть другой более трудоемкий способ удаления поврежденного металла с помощью абразивного инструмента; последующими проводятся операции по механической обработке и контролю качества методами МПД (ЦД) наружной и внутренней поверхности восстанавливаемого патрубка;
Рис. 36. Последовательность операций по восстановлению поврежденного (дефектного) литого патрубка корпуса паровой задвижки DN 250 из стали
а — удаляемая зона поврежденного металла (заштрихована);
б-размещение опорной цилиндрической втулки Ц.В. из стали 12Х1МФ к укороченному литому патрубку с нанесенной поверхностной облицовкой Об.; П.К. — подкладное кольцо; Пр. — прихватка;
в — сварка многослойного соединительного шва С.Ш. и многослойной наплавки М.Н. цилиндрического типа;
г — форма восстановленного патрубка после механической обработки
• нанесении кольцевой облицовки в 1 — 2 слоя на внутреннюю и наружную поверхность патрубка, проведении термического отдыха при температуре 250 -300°С в течение 1-5 ч механической обработки поверхности облицовок и контроля их качества методом МПД (ЦД). При ручной дуговой сварке, которая сопровождалось подогревом ремонтируемой детали при температуре 250 — 300°С газопламенным способом, Использовались электроды Э-09Х1МФ диаметром 2,5 и 3 мм на режимах постоянного тока соответственно 75 — 90 и 90 — 110 А с нанесением кольцевых наплавляемых валиков шириной по 12 — 16 мм и толщиной 4-5 мм с перекрытием один другого на 20 — 30% ширины валика. После механической обработки толщина облицовок составляла 3-5 мм;
• размещении опорной втулки толщиной 12 мм из стали 12Х1МФ к торцевой части укороченного патрубка со сборкой и прихваткой стыка на подкладном кольце из стали 12Х1МФ (рис. 366);
• сварки стыка соединительным швом в 2 — 3 слоя и нанесении многослойной цилиндрической наплавки кольцевыми валиками шириной 12-16 мм и толщиной 6-8 мм с перекрытием один другого на 20 — 30% его ширины до получения наплавленной длины патрубка около 100 мм и общей толщины 45 мм (рис. 36в). Сварочно-наплавочные операции выполнялись Непрерывно с использованием электродов Э-09Х1МФ диаметром 3 и 4 мм на режимах постоянного тока соответственно 100 — 120 и 120 — 160 А с подогревом при температуре 250 — 300°С газопламенным способом (подвод пламени с внутренней стороны корпуса задвижки);
• проведении послесварочной термообработки газопламенным способом по режиму высокого отпуска 730 — 760°С, 3 ч со скоростью нагрева 100°С/ч до температуры отпуска с регистрацией температурного режима с помощью самопишущего прибора от термопар типа ТХА. Высокий отпуск проводился сразу после сварки, не допуская снижения температуры подогрева ниже 250°С. Для аккумуляции тепла при отпуске на термически обрабатываемый патрубок был дополнительно размещен манжет из теплоизоляционного материала;
• механической обработке наружной и внутренней поверхности восстановленного патрубка до получения нужной формы, размера и чистоты поверхности путем расточки и шлифовки на токарном станке (рис. 36г). Контроль качества проводился внешним осмотром, УЗК. МПД (ЦД), стилоскопированием и измерением твердости (наплавки и основного металла литого патрубка).
Нужно отметить, что на практике могут быть и другие варианты ремонтной технологии. В общем виде для такого типа повреждений, связанных с восстановлением литых патрубков арматуры, можно рекомендовать следующие принципиальные положения:
• различное возможное положение оси ремонтируемого патрубка в пространстве, например, горизонтальное, как рассмотрено в примере 19, так и вертикальное. В последнем случае наплавку кольцевых валиков следует вести аналогично сварке горизонтального стыка паропроводной трубы, расположенной вертикально с накоплением длины ремонтируемого патрубка при наплавке валиков послойно на всю необходимую толщин*’ стенки детали;
• тип электродов назначается в зависимости от марки стали восстанавливаемого патрубка (20JT, 20ГСЛ, 20ХМЛ, 20ХМФЛ и др.) согласно табл. 9. Высоколегированные аустенитные электроды для восстановления патрубков из углеродистых и низколегированных сталей применять не допускается; температурные режимы подогрева и высокого отпуска выбираются для индукционного и эл. печного способов нагрева согласно табл. 9. При использовании в исключительных случаях газопламенного способа нагрева режимы подогрева при сварке и при высокого отпуске следует корректировать в сторону некоторого завышения температуры или выдержки, особенно при этом нужно снижать скорости нагрева до 600°С для соединений стали 20ХМФЛ и подобной, как изложено в примере 19. В случаях, когда по организационно-техническим причинам невозможно провести высокий отпуск сразу после сварочно-наплавочных операций следует дополнительно вводить термический отдых и затем через некоторое время выполнять высокий отпуск. Термический отдых проводится при температуре подогрева при сварке (табл. 9). Длительность термического отдыха назначается продолжительностью 1 -2 ч.
При повреждении выходных патрубков регулирующей арматуры DN > 100 из углеродистых сталей, установленных на основных и байпасных питательных трубопроводах, технология ремонта заключается в нанесении на внутреннюю поверхность защитой аустенитной наплавки. Такому ремонту подлежат патрубки, подверженные эрозионному износу, интенсивность развития которого усиливается в процессе длительной работы клапанов при повышенных перепадах давления. В результате эрозионного износа уменьшается толщина стенки выходных патрубков.
С целью повышения стойкости таких элементов против эрозионного износа на внутреннюю поверхность выходных патрубков наносится защитная наплавка по технологии, основные положения которой сводятся к следующему:
• внутренняя поверхность патрубка просушивается и очищается хмеханиче-ским способом от ржавчины, грязи и жирных веществ до металлического блеска;
• наплавка наносится в один-два слоя с помощью ручной дуговой сварки электродами Э-11Х15Н25М6АГ2 (марки ЭА-395/9, НИАТ-5, ЦТ-10) диаметром 3 и 4 мм на соответствующих режимах постоянного тока табл. 10. Ширина наплавляемых кольцевых валиков составляет 10-16 мм и толщина 4-6 мм с перекрытием один другого на 20 — 30% его ширины;
• нанесению наплавки подлежит вся внутренняя поверхность от седла до внешней торцевой части патрубка за исключением зоны цилиндрической расточки под подкладное кольцо будущего сварного стыка патрубка с трубой. Эта мера необходима с целью избежать появление хрупкого металла легированного мартенсита в корневой части шва в результате перемешивания при сварке ау-стенитной наплавки с углеродистым швом, выполняемым электродами Э42А или Э50А при ремонте патрубков из углеродистой стали;
• подогрев патрубка при наплавке и проведение послесварочной термине-ской обработки не допускаются. По окончании сварочно-наплавочных операций поверхность защитной наплавки обрабатывается механическим способом абразивным инструментом до получения толщины (высоты) 3-4 мм с плавным переходом каждого края наплавки к основному металлу патрубка. Заключительной операцией является контроль качества поверхности защитной аусте-нитной наплавки на отсутствие трещин, отслоений, подрезов, незаплавленных кратеров, впадин. Общий вид выходного патрубка с защитной аустенитной наплавкой показан на рис. 37.
В случаях недопустимого уменьшения толщины стенки эрозионным износом ремонт патрубков проводится в Два этапа по технологии, основные положения которой заключаются в следующем:
• на, первом этапе внутренняя поверхность патрубка очищается механическим способом до металлического блеска с полным удалением остатков аустенитной наплавки и контролируется внешним осмотром и МПД (ЦД). После этого на внутреннюю поверхность патрубка наносится компенсирующая наплавка электродами Э50А или Э42А с подогревом и послесварочным проведением высокого отпуска для ремонтируемых деталей с толщиной стенки более 30 мм из углеродистой стали (табл. 9). Качество поверхности наплавки после её обработки механическим способом до нужной толщины патрубка оценивается по результатам контроля визуальным способом и МПД (ЦД);
• на втором этапе наносится защитная аустенитная наплавка с использованием электродов типа Э-11Х15Н25М6АГ2 по технологии, изложенной выше.
Рис. 37. Расположение аустенитной защитной наплавки З.Н. на внутренней поверхности выходного патрубка литого корпуса регулирующей арматуры
ЛИТЕРАТУРА
1. Хромченко Ф.А. Особенности структуры, свойств и повреждений сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадие-вых сталей. — М.: ИПКгосслужбы, 2000. — 88 с.
2. Хромченко Ф.А. Ресурс сварных соединений паропроводов. — М.: Машиностроение, 2002. — 352 с.
3. Хромченко Ф.А. Справочное пособие электросварщика. — М.: Машиностроение, 2003. — 416 с.
4. Корольков П.М. Термическая обработка сварных соединений. — Киев, Экотехнология, 2002. — 112 с.
5. Гофман Ю.М. Оценка работоспособности металла энергооборудования Т9С. — М.: Эиергоатомиздат, 1990. — 136 с.
6. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды. — М.: НПО ОБТ, 1994 (Изменения №. 1 от 13.01.97).
7. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. — М.: НПО ОБТ, 1993 (Изменения № 1 от 07.02.96 и № 2 от 10.07.2000).
8. РД 153-34.1-003-01. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования (РТМ-1 с).
9. РД 34 17.310-96. Сварка, термообработка и контроль при ремонте сварных соединений трубных систем котлов и паропроводов в период эксплуатации.
10. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. — М.: Энергосервис, 2001. — 440 с.
Источник