Термическая обработка сварных соединений труб


В. П. Тимошенко, М. В. Радченко





                ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ





Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.791.7(075.8)
ББК 30.61
     Т41




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, советник генерального директора по науке ЗАО «Региональный центр лазерных технологий» С. М. Шанчуров; кандидат технических наук, старший научный сотрудник, главный сварщик ООО «Производственно-строительное объединение “Алтай”» В. Г. Пинаев





      Тимошенко, В. П.
Т41     Термическая обработка сварных соединений труб :
      учебное пособие / В. П. Тимошенко, М. В. Радченко. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 152 с.: ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0656-7

    Освещены вопросы материаловедения, даны основы физики и электротехники, раскрыта физическая сущность индукционного нагрева. Показан порядок термической обработки теплостойких сталей и сплавов, рассмотрены средства контроля температуры нагрева термообрабатываемых изделий, а также устройство и принцип действия передвижных установок для термообработки.
    Для термистов-операторов, работающих на передвижных термических установках при монтаже, ремонте и реконструкции опасных производственных объектов. Может быть полезно студентам технических вузов, учащимся колледжей и техникумов.
УДК 621.791.7(075.8)
ББК 30.61





ISBN 978-5-9729-0656-7 © Тимошенко В. П., Радченко М. В., 2021
                       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                       © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

    Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определённом геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы.
    Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Это дает возможность обрабатывать их под давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение). Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также, свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги подвергаются коррозии, а при высоких температурах значительно деформируются.
    Существует такое определение как «чистый металл» оно является условным, так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий примеси в пределах 0,01...0,001 %. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999 %). Однако, примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла.
    Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых физикохимических и технологических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью, твердостью и износостойкостью и т. д.
    Сплавы - это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов, служебные свойства которых зависят от процентного содержания углерода и легирующих элементов.

3

    Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы: черные и цветные.
    К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе - стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. В строительстве в основном применяют черные.
    К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными.
    Чугуны в зависимости от состава и структуры подразделяются на серые (углерод в виде цементита и свободного графита ) и белые (углерод в виде цементита). В зависимости от формы графита и условий его образования различают: серый, высокопрочный и ковкий чугуны.
    Сталью называют сплав железа с углеродом и другими элементами с содержанием углерода до 2,14 %.
    Стали можно подразделить на две основные группы - углеродистые и легированные.
    Углеродистые стали - основной конструкционный материал, который используется в различных областях промышленности. Они дешевле легированных и проще в производстве. В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, средне- и высокоуглеродистые.
    Углеродистые стали относятся к железоуглеродистым сплавам с содержанием углерода от 0,05 до 1,35 % С. Углеродистые конструкционные стали содержат до 0,65 % С, инструментальные - более 0,65 % С.
    Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали подразделяются по содержанию углерода, по структуре, по назначению.
    По содержанию углерода углеродистые стали делятся:
      - низкоуглеродистые до 0,25 % С;
      - среднеуглеродистые - 0,3.. .0,45 % С;
      - высокоуглеродистые - > 0,45 % С.
    По структуре стали подразделяются на:
      - доэвтектоидные - до 0,8 % С;

4

     -  эвтектоидные - 0,8 % С;
     -  заэвтектоидные - более 0,8 % С.
    Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на свойства стали.
    С ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность, однако уменьшается вязкость и пластичность стали. Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 0,8... 1,0 %. При увеличении содержании углерода более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность стали.
    Углерод оказывает также существенное влияние на технологические свойства стали - свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением.
    Легированные стали - это стали, в которые специально вводят химические элементы для получения заданных служебных свойств.

    1.1. Классификация и маркировка легированных сталей

    Классификация по химическому составу предполагает разделение легированных сталей (в зависимости от вводимых элементов ) на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. д. Согласно той же классификации, стали подразделяют по общему количеству легирующих элементов в них на:
     -  низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов);
     -  легированные (от 2,5 до 10 %);
     -  высоколегированные (более 10 %).
    Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Качество стали - это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных приме

5

сей - серы и фосфора. По качеству легированные стали подразделяют на:
     -  качественные (до 0,04 % S и до 0,035 % Р);
     -  высококачественные (до 0,025 % S и до 0,025 % Р);
     -  особовысококачественные (до 0,015 % S и до 0,025 % Р).
    По назначению стали подразделяются на три группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.
    Конструкционные углеродистые стали содержат углерод в количестве 0,02...0,7 %. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что различного рода конструкции соединяются сваркой, а углерод ухудшает свариваемость.
    Инструментальные стали, содержащие углерод в пределах 0,7. 1,5 %, используют для изготовления режущего и ударного инструмента.
    К группе сталей и сплавов с особыми свойствам относятся коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие стали и т. д.
    На свойства стали значительное влияние оказывают постоянные (нежелательные) примеси (сера, фосфор, газы), а также технологические добавки (кремний, марганец и др.).
    Углерод оказывает основное влияние на свойства углеродистой стали, находится в ее составе главным образом в связанном состоянии в виде цементита FeiC. С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.
    Сера является нежелательной примесью, образует с железом сульфид железа FeS, который находится в стали в виде эвтектики Fe-FeS по границам зёрен с температурой плавления 985 °С.
    При нагреве стали до температуры 1000. 1200 °С эвтектика плавится, что приводит к нарушению связи между зернами, повышению хрупкости, разрушению при деформации вследствие образования внутренних трещин и надрывов. Это явление называют красноломкостью (горячие трещины). Содержание серы в стали не должно превышать 0,06 %.
    Фосфор ухудшает пластичность стали и вызывает явление хладноломкости (холодные трещины), является нежела

6

тельной примесью, содержание которой в сталях должно быть менее 0,08 %.
     Азот, кислород присутствуют в сплавах в составе оксидов, нитридов - хрупких неметаллических соединений (включений), которые создают дефекты кристаллической структуры. Они являются концентраторами напряжений и могут понизить механические свойства (прочность, пластичность).
     Водород поглощается сталью в атомарном состоянии при её плавлении. При охлаждении сплава растворимость водорода снижается, он накапливается в микропорах создавая высокое давление. Это может привести к образованию в материале внутренних напряжений и, как следствие, трещин.
     Марганец и кремний - полезные примеси. Их добавляют в сталь при выплавке.
     Марганец существенно снижает красноломкость, увеличивает твердость, прочность и износостойкость стали. При его содержании более 1,5 % снижается пластичность стали.
     Кремний понижает склонность стали к хладноломкости, способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках.
     Обычное содержание кремния в углеродистой стали -не более 0,4 %, марганца - 0,8 %.
     По качеству различают:
      - стали обыкновенного качества;
      - качественные;
      - высококачественные;
      - особо высококачественные.
     Стали обыкновенного качества имеют повышенное содержание нежелательных примесей - до 0,06 % серы и до 0,08 % фосфора, их механические свойства ниже, чем у сталей других групп. Качественные стали содержат серу и фосфор в концентрации менее 0,035 % каждого элемента. Высококачественные стали, выплавляемые в электропечах, содержат менее 0,025 % серы, и фосфора. Особо высококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву с вакуумированием, содержат серу и фосфор в концентрации, не превышающей 0,015 %.

7

    Согласно ГОСТ 380-94 конструкционные стали обыкновенного качества обозначаются (маркируются) буквами, символами и цифрами:
    1) Символ «Ст» - сокращенное наименование стали.
    2)      Цифра, следующая за символом - условный номер марки стали.
    3)      Символы «кп», «пс» и «сп» обозначают степень раскисления стали: кипящая, полуспокойная и спокойная.
    4)      Цифра обозначает категорию качества (т. е. нормируемые показатели свойств стали в группе, от 1 до 6).
    Пример обозначения: Ст3сп5, СтЗпс.
    Конструкционные углеродистые качественные стали поставляются по ГОСТ 1050-88 двух групп:
     -  с нормальным содержанием марганца;
     -  с повышенным содержанием марганца.
    Их обозначают (маркируют) следующим образом:
    1) «Сталь» - полное наименование материала.
    2)      Двузначное число, обозначающее среднее содержание углерода в сотых долях процента.
    3)      Буква «Г», обозначающая повышенное содержание марганца.
    4)  Символы, обозначающие степень раскисления.
    Пример обозначения: Сталь 05, Сталь 08кп, Сталь 15Г.
    Низколегированные и среднелегированные стали маркируются следующим образом:
    1)      Двузначное число, обозначающее среднее содержание углерода в сотых долях процента.
    2)      Буква, условно обозначающая название химического элемента, являющегося легирующим компонентом.
    3)      Цифра за буквой, обозначающая среднее содержание легирующего элемента в процентах.
    4)      Буква «А» в конце марки стали, обозначающая повышенный уровень качества, т. е. пониженное содержание серы и фосфора (S <0,035 %).
    Большая часть низколегированных сталей с целью повышения уровня механических свойств поставляется в термически обработанном (улучшенном) состоянии.

8

    Улучшение стали - вид термической обработки стали, заключающийся в закалке и последующем высоком отпуске (при 550... 650 °C). В результате достигается однородная и дисперсная структура сорбита, обеспечивающая хорошее сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости и критической температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое.
    Пример обозначения: 09Г2С, 15ХСНД, 12МХ, 16Г2АФ, 30ХМА.
    Отдельная группа низко- и среднелегированных сталей для сварных конструкций, поставляемых по ГОСТ 4543-71, термически обрабатывается на высокий уровень прочности. Эта группа сталей получила условное название высокопрочных.
    Пример обозначения: 14ХГ2МР, ЗОХГСНА, 42Х2ГСНМА.
    Высоколегированные стали и сплавы, часто называются специальными. В основу их обозначения положен принцип указания химического состава. Все они относятся к качественным или особо качественным. Дополнительными информационными признаками для них является разделение по назначению (коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, хладостойкие и т.п.) и структуре в состоянии поставки (мартенситные, мартенситно-ферритные, ферритные, аустенитно-ферритные и аустенитные).
    Мартенситная сталь - легированная сталь, основной структурой которой после нормализации является мартенсит.
    Мартенситно-ферритные стали. К этому классу относят стали, в которых при температурах >600 оС при низкой скорости охлаждения возможно образование ферритной составляющей структуры.
    Ферритная сталь - это сталь со структурой легированного феррита с некоторым количеством карбидов. Ферритная сталь образуется при низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента (08Х13, 08Х17Т).
    Аустенитно-ферритная сталь - это высоколегированная сталь, основу структуры которой составляют две фазы: аустенит и феррит. Количество каждой фазы составляет от 40 до 60 %.

9

    Аустенитная сталь. К аустенитному классу относятся высоколегированные стали, образующие при кристаллизации преимущественно однофазную аустенитную структуру.
    Марки углеродистой стали. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные.
    Для сварных конструкций основное применение находят низкоуглеродистые стали.
    К сталям обыкновенного качества относятся стали марок Ст0; Ст1; Ст2; Ст3; Ст4; Ст5; Стб. Цифра в маркировке таких сталей указывает на порядковый номер марки стали и не связана с её химическим составом.
    По степени раскисления сталь марок Ст1; Ст2; Ст3; Ст4 выплавляют спокойной, полуспокойной и кипящей, сталь марок Ст5 и Стб - полуспокойной и спокойной. Сталь марки Ст0 по степени раскисления не разделяют.
    Стали обыкновенного качества являются наиболее дешевыми и широко применяются в тех случаях, когда к материалу не предъявляются повышенные требования. По сравнению с качественными сталями они содержат больше серы, фосфора, неметаллических включений вследствие менее тщательной очистки в процессе выплавки.
    Промежуточное положение по раскислению и качеству занимает полуспокойная сталь.
    К качественным углеродистым сталям относятся стали марок 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55 и т. д. до 85. Цифры указывают на среднее содержание в них углерода в сотых долях процента.
    Все примеси, содержащиеся в сталях, делят на четыре группы:
    1)      постоянные или обыкновенные (кремний, марганец, алюминий);
    2)      скрытые (кислород, водород, азот);
    3)      случайные (попадающие из шихтовых материалов);
    4)      легирующие элементы (вводят в сталь специально с целью изменения её строения и свойств).

10