СОБЫТИЯ

На освоение баженовской свиты направят более 25 млрд. рублей

«Газпром нефть» в ближайшие три года планирует направить на программу освоения баженовской свиты более 25 млрд. рублей. Об этом заявил генеральный директор технологического центра «Бажен» Кирилл Стрижнев. «Одним из ...

ПОЛЕМА представила материалы для 3D-печати изделий, используемых в нефтегазовой отрасли

В ходе мероприятия «DigitalStandUp трек «Аддитивные технологии» (организатор ПАО «Газпром нефть», г. Санкт-Петербург) «ПОЛЕМА» представила традиционные материалы для нефтегазовой отрасли, а также такие ...

Омский НПЗ поставил первую партию игольчатого кокса отечественным производителям

На Омском нефтеперерабатывающем заводе «Газпром нефти» получена партия игольчатого кокса — ценного сырья для металлургической, атомной, химической и космической отраслей. Новая опытно-промышленная партия прошла предварительное ...

В апреле представят дорожную карту по освоению месторождений Мирового океана

Минпромторг представит в Минприроды дорожную карту мероприятий, обеспечивающих технологическую готовность к освоению месторождений в акватории Мирового океана. Об этом сообщил министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров. «У нас уже ...

В России хотят ввести штрафы за недолив бензина

Росстандарт и Минпромторг планируют в 2019 году внести в Госдуму законопроект об оборотных штрафах за недолив бензина на АЗС. Об этом сообщил глава Росстандарта Алексей Абрамов. По его словам, текст законопроекта уже готов, сейчас он проходит ...

Исследование влияния металлургических процессов при сварке трубопроводов с эмалевым покрытием на свойства и качество соединения

Казак К.В., д­р техн. наук

Казак А.К., канд. техн. наук

Диденко В.В., канд. техн. наук

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ ТРУБОПРОВОДОВ  С ЭМАЛЕВЫМ ПОКРЫТИЕМ НА СВОЙСТВА И КАЧЕСТВО СОЕДИНЕНИЯ

Металлургические процессы, происходящие при соединении трубопроводов с силикатно­эмалевым покрытием электрической сваркой и использованием защитной втулки, характеризуются химическими реакциями, которые возникают в зоне стыка, между расплавленным металлом, эмалевым покрытием (расплава)
и окружающей его средой. При переносе металла электрода в сварочную ванну он взаимодействует с газовой фазой и расплавленным (в жидком состоянии) покрытием, находящимся между сварочной ванной и поверхностью защитной втулки. Поэтому химический состав наплавленного металла существенно отличается от химического состава электродов и металла трубы, а зона термического влияния – от исходного состояния металла и эмалевого покрытия. Это усугубляется высокими температурами на отдельных участках и быстрым изменением температурного режима.

В процессе сварки особенно интенсивно на ход металлургических процессов влияет кислород. Окисление металла в сварочной ванне может происходить: при наличии в газовой фазе свободного кислорода или сложных газовых молекул (CO2, H2O), способных при диссоциации выделять кислород; при наличии в эмалевом покрытии и шлаках оксидов, растворимых в металлической ванне; при химически активных компонентах, вступающих в обменные окислительно-восстановительные реакции с металлом сварочной ванны. Окисление металла свободным кислородом газовой фазы протекает тем более интенсивно, чем больше сродство металла к кислороду. Оценить степень сродства металла к кислороду можно по прочности образующегося оксида, которое зависит от его вида, температуры и от давления кислорода, взаимодействующего с оксидом. Упругость диссоциации оксида и, следовательно, сродство элементов к кислороду зависит от температуры. Так, при равных концентрациях и температуре 2000°С наибольшим сродством к кислороду обладает Ca, затем Mg, Al, Ti, Si, Mn, Fe, Ni, Cu. Последние два элемента обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо [1].

Рассмотренное справедливо, если элементы окисляются свободно и независимо друг от друга, находясь в одинаковых внешних условиях.

В реальных условиях сварки, как показали исследования, последовательность окисления элемента сплава и скорость протекания окисления зависит не только от степени сродства элемента к кислороду, но и от концентрации его в расплаве. При этом установлено, что элемент будет окисляться тем легче, чем больше его концентрация.

При диссоциации молекулярный водород, кислород и азот распадаются по реакциям:

H2 ↔ 2H – Q                                                                                                   (1)

O2 ↔ 2O – Q                                                                                                  (2)

N2 ↔ 2N – Q                                                                                                   (3)

Степень диссоциации характеризуется отношением распавшихся молекул к первоначальному числу молекул в единицах объема. Степень диссоциации с увеличением температуры асимптотически приближается к единице. Такие газы, как водород и кислород, при температуре сварочной дуги полностью диссоциируют на атомы, а азот при этой температуре диссоциирует незначительно. Атомарный кислород, азот и водород, соединяясь с металлом шва, ухудшает его свойства.

Наряду с диссоциацией простых газов при сварке наблюдается диссоциация материалов эмалевых покрытий и флюсов – таких как плавиковый шпат CaF2, гипс CaSO4, мрамор CaCO3 и др.

Продукты диссоциации материалов эмалевых покрытий, покрытий электродов и флюсов оказывают влияние на устойчивость горения дуги и ход металлургических процессов. Плавиковый шпат при высоких температурах разлагается

CaF2 → CaF + F                                                                                             (4)

и молекулы фтора под действием теплоты дуги почти полностью диссоциируют и, вследствие большого сродства к электрону, захватывают электроны, образуя отрицательные ионы фтора:

F2 ↔ 2F – Q                                                                                                   (5)

F + e ↔ F- + 3.94 эВ                                                                                       (6)

Расчеты показали, что при высоких температурах (Т=2000ºC) степень диссоциации фтора составляет 0,92, а степень ионизации 0,0178, или 1,78% фтора будет в состоянии отрицательных ионов. При сварке труб с эмалевым покрытием (и использованием защитной втулки) электродами температура столба дуги может быть в пределах 6000-7000ºC, при которой диссоциация фтора будет большой и, соответственно, возрастает степень ионизации. Образование большого   количества отрицательных ионов приводит к снижению проводимости дугового промежутка (в связи с уменьшением концентрации электронов) и снижает устойчивость горения дуги. В то же время кальций-фтор при сварке выполняет ряд полезных функций. В частности, фтор уменьшает вероятность насыщения металла и эмали водородом, так как освобождающийся при диссоциации атомарный фтор связывает водород в устойчивую нерастворимую молекулу HF. Реакцию взаимодействия водорода с фтором схематически можно представить уравнением:

CaF2 + 2H ↔ Ca + 2HF ↑                                                                               (7)

Влияние диссоциации карбонатов рассмотрим на примере разложения CaCO3, введенного в состав силикатной эмали на стадии приготовления шликера как мельничные добавки.

Карбонаты – соли угольной кислоты – вводят также в состав покрытия электродов. Разлагаясь при высоких температурах, CaCO3 образует углекислый газ и оксид кальция:

CaCO3 → CaO + CO2 – Q                                                                            (8)

Чем выше температура, тем больше распадается мрамор, а наряду с этим диссоциирует углекислый газ:

2CO2 → 2CO + O2                                                                                          (9)

При исследовании были рассмотрены процессы влияния на параметры свойств эмалевого покрытия и металла шва элементов кислорода, азота и водорода.

Кислород при высокой температуре почти полностью диссоциирует на атомы, а окисление металла с участием атомарного кислорода идет более интенсивно. С железом кислород образует три вида оксидов:

- оксид железа (II) (закись железа), содержащая 22,7% кислорода

2Fe + O2 ↔ 2FeO                                                                                         (10)

- магнетит железа (закись-окись железа), содержащий 27,6% кислорода

6FeO + O2 ↔ 2Fe3O4                                                                                   (11)

- оксид железа (III) (окись железа), содержащий 30% кислорода

4Fe3O4 + O2 ↔ 6Fe2O3                                                                                 (12)

Наряду с окислением железа при сварке имеет место окисление других составляющих сварочной ванны: C, Mn, Si. Процессы окисления составляющих приводят к тому, что количество полезных примесей в наплавленном металле уменьшается, а в эмалевом покрытии возрастает. При этом увеличивается содержание кислорода в металле, что резко ухудшает его механические и технологические свойства. С повышением содержания кислорода снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, ухудшается ковкость, коррозионная стойкость, жаропрочность и другие свойства металла шва [2].

Раскисление за счет углерода приводит к выделению оксида углерода, который нерастворим в стали и стремится всплыть на поверхность сварочной ванны. Это при определенной скорости кристаллизации металла шва и эмалевого покрытия может привести к образованию пор.

Образование пор вследствие окисления углерода возможно еще и тогда, когда эта реакция продолжается в кристаллизующейся части эмалевого покрытия и сварочной ванны.

Азот в газовую фазу зоны сварки попадает из окружающего воздуха. В зависимости от температуры азот может находиться в газовой фазе в молекулярном, атомарном и ионизированном состоянии. Азот растворяется в тех металлах, с которыми он вступает в химическое взаимодействие с образованием нитридов [3]. К этим металлам относятся железо, марганец, титан, молибден и некоторые другие.

Азот существенно изменяет свойства эмалевого покрытия и металла шва. Наблюдаемые скачкообразные изменения растворимости газообразного азота в металле и эмали при его расплавлении (кристаллизации) является причиной появления и развития пор в металле шва и эмалевом покрытии. Увеличение содержания азота в стали приводит к усилению склонности стали к старению и изменению механических свойств.

Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе нагрева металлом шва. Источником водорода в газовой фазе при сварке могут служить атмосферная влага, влага эмалевого покрытия и флюса, влага ржавчины на поверхности свариваемых кромок. Под действием теплоты дуги влага превращается в пары воды, которые диссоциируют по уравнениям:

2H2O ↔ 2H2 + O2 – Q                                                                                 (13)

2H2O ↔ 2OH + H2 – Q                                                                                 (14)

повышая концентрацию водорода в газовой фазе.

Кроме того, источником водорода могут являться органические составляющие покрытия электрода (крахмал, декстрин, целлюлоза), которые при плавлении разлагаются и выделяют наряду с другими газами (CO, CO2, H2O) водород.

В зависимости от температуры газовой фазы водород может находиться в ней в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Характерной особенностью атомов и ионов водорода является их способность легко диффундировать в кристаллической решетке железа даже при комнатных температурах, так как по размерам они значительно меньше межатомного расстояния в кристаллической решетке железа – но слабо диффундирует в эмаль (на порядок ниже).

По мере увеличения температуры металла растворимость водорода увеличивается, претерпевая скачкообразные изменения в моменты аллотропических превращений железа. Предельная растворимость водорода в твердом железе при 1530ºC составляет 8 см2/100 г, или 0,0007%. Переход металла из твердого состояния в жидкое значительно увеличивает растворимость и достигает 28 см2/100 г, или 0,0025%. Растворимость водорода в эмали достигает 2 см3/100 г, или 0,00020%.

Водород существенно влияет на свойства наплавленного металла и качество защитного покрытия. Различная растворимость водорода в твердом и жидком металле приводит к выделению водорода при охлаждении перегретого металла, что приводит к разбрызгиванию. При охлаждении расплавленного металла сварочной ванны растворимость уменьшается и водород будет выделяться из жидкого металла через шлаковую ванну. В момент достижения температуры плавления металла и начала кристаллизации металла, а затем и эмали, растворимость падает скачкообразно и уменьшается в несколько раз.

В кристаллизующемся металле сварочной ванны и эмали покрытия существуют совместно жидкая и твердая фазы, а скорость диффузии водорода при температуре кристаллизации велика, и водород быстро перераспределяется между кристаллической и жидкой фазами. В результате происходит перенасыщение водородом, что приводит к его дальнейшему выделению.

Но так как молекулярный водород нерастворим в жидкой фазе, то его выделение из кристаллического металла и кристаллической фазы эмали может явиться причиной возникновения и развития пор в металле шва и покрытии зоны термического влияния (в зазоре между покрытием трубы и покрытием защитной втулки) [4].

Водород может явиться виновником появления ряда дефектов (трещин, «рыбьей чешуи» и т.д.) в сварочном соединении и защите. Это происходит, когда процесс выделения водорода не прекращается и после кристаллизации эмали и металла и даже при комнатной температуре. Молекулярный водород, накапливаясь в микрополостях, создает в них большое давление, вызывая местные разрушения. Под влиянием водорода образуются трещины в основном металле и дефекты эмалевого покрытия (отскакивание чешуек эмали).

Нами было установлено, что диффузия водорода в твердом металле возможна только в атомарном состоянии или в виде протона. Молекулярный водород, накопившись, приводит к возникновению высоких напряжений в околошовной зоне и вызывает трещины. Этому также способствуют напряжения в сварных соединениях.

На растворимость водорода влияет ряд технологических факторов. Установлено [5], что растворимость водорода в металле связана с родом тока и полярностью.

Уменьшение содержания водорода в металле шва и эмалевом покрытии, а также повышение качества эмалевого покрытия в ЗТВ может быть достигнуто:

  1. Тщательной просушкой эмалевого шликера перед сваркой.
  2. Зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и загрязнений.
  3. Микродобавками в эмаль ванадия и ниобия в количестве 0,35-0,5%.
  4. Увеличением тонины помола фритты.
  5. Выполнением последующих проходов многопроходных швов после полного охлаждения ранее выполненного шва.
  6. Предварительным и сопутствующим нагревом зоны сварки.

Список литературы:

  1. Багрянский К.В., Доброхина З.А.. Хренов К.К. Теория сварочных процессов. Киев. Вища школа, 1976. 423 с.
  2. Думов С.И. Лабораторные работы по технологии электрической сварки плавлением. 3-е издание, переработанное и дополненное. Л. Машиностроение, 1982, 151 с.
  3. Сефериан Д. Металлургия сварки. Перевод с французского. М. ГНТИМЛ, 1963. 98 с.
  4. Брагина Л.П., Зубехин А.П. и др. Технология эмали и защитных покрытий. Учебное пособие. ЮРГТУ (НПИ), 2003. С. 90-97.

Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением. Учебное пособие. 3-е издание переработанное и дополненное. – Л: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987. 461 с.

NGS3(32) 2018


Категория статьи: Наука

К содержанию журнала
Яндекс.Метрика