МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

В РЕЗЕРВУАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Михаил Георгиевич КАРАВАЙЧЕНКО, доктор технических наук, профессор, председатель Совета директоров, kmgnmd@yandex.ru  

Федор Евгеньевич ДОРОШЕНКО, кандидат технических наук, главный специалист отдела сейсмостойких конструкций,   aldoria@mail.ru

Алексей Петрович ЛЕТУНОВСКИЙ, инженер ООО "МАГНИТ плюс", mail@magnitsp.ru

     Нефтемонтаждиагностика, 450104 Уфа, Уфимское ш., 13а

     Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064 Уфа, ул. Космонавтов, 1

     Магнит плюс, 190020 Санкт-Петербург, Набережная Обводного канала, 223

     ЦНИИПСК им. Мельникова, 117997 Москва, ул. Архитектора Власова, 49

Аннотация: Нормативные документы на сооружение крупных вертикальных стальных резервуаров содержат требование о необходимости выполнения термообработки крупногабаритных конструктивных узлов врезок люков и патрубков в листы стенки. Данная технологическая операция предполагает большие затраты и вместе с тем она характеризуется рядом недостатков. Кроме того, в резервуарах есть напряженные узлы, в которых для снятия напряжений практически невозможно применять термообработку. Предложено при изготовлении и монтаже резервуаров использовать альтернативные методы снижения остаточных сварочных напряжений, а также технологии сварочных работ, обеспечивающие низкий уровень остаточных напряжений. Изложен опыт применения ультразвуковой ударной обработки и низкочастотной виброобработки различных видов сварных конструкций. Специально разработанные технологии выполнения сварочных работ, которые обеспечивают низкий уровень остаточных напряжений без термообработки, должны пройти аттестацию с измерением фактических остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях конструктивных узлов резервуаров. В свидетельстве об аттестации такой технологии следует указывать область ее распространения по классам прочности стали, толщинам свариваемых элементов и типам сварных соединений. Разработаны предложения для корректировки нормативных документов, направленные на повышение надежности и долговечности вертикальных стальных резервуаров. 

Ключевые слова: вертикальные стальные резервуары, сварочные напряжения, термообработка, ультразвуковая ударная обработка, низкочастотная виброобработка 

Для цитирования: Каравайченко М.Г., Летуновский А.П., Дорошенко Ф.Е. Методы снижения сварочных напряжений в резервуарных конструкциях // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 2. С. 29-36. doi: 10.33622/0869-7019.2023.02.29-36 

         Фундаментальные исследова­ния процессов формирова­ния напряженно-деформирован­ного состояния сварных соеди­нений стальных конструкций, различных методов измерения и снижения уровня остаточных сварочных напряжений были вы­полнены в МГТУ им. Н. Э. Баума­на Г. А. Николаевым, В. А. Вино­куровым, А. С. Куркиным, А. Г. Григорьянцом и др. [1—3], а так­же в РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина О. И. Стекловым и А. А. Антоновым [4—6]. Тем не менее до настоящего времени не выра­ботаны единые критерии оценки опасности остаточных сварочных напряжений в стальных конст­рукциях и необходимости их снижения перед сдачей в эксплу­атацию. Это можно объяснить сложностью определения вели­чины и характера распределения сварочных напряжений, а также большим разнообразием свар­ных конструкций, условий их эксплуатации, характеристик ста­лей, типов сварных соединений и технологий сварки.

       Успешная эксплуатация мно­гих типов сварных конструкций без снятия в них остаточных на­пряжений позволяет предполо­жить, что служебные свойства конструкций и их работоспособ­ность не зависят от сварочных напряжений, но в то же время известно отрицательное влияние остаточных напряжений на уста­лостную прочность и долговеч­ность конструкций. В основе обеспечения работоспособности конструкций без предваритель­ного снятия сварочных напряже­ний лежит явление релаксации напряжений под действием внешних нагрузок. Благоприят­ная релаксация остаточных на­пряжений происходит в тех слу­чаях, когда обеспечивается сво­бода для протекания пластичес­ких деформаций металла в на­пряженных зонах сварных со­единений. Под действием сум­марного воздействия внешних и внутренних напряжений снима­ются пики остаточных напряже­ний, они выравниваются в рабо­чем сечении и становятся безо­пасными для успешной эксплуа­тации конструкции под действи­ем рабочих нагрузок. И, наобо­рот, в узлах конструкции высо­кой жесткости, где возникают объемные сварочные напряже­ния, в зонах дефектов, которые служат концентраторами дефор­маций, а также при низких тем­пературах релаксация напряже­ний весьма затруднена. Это мо­жет приводить к зарождению трещин при суммарном воздей­ствии внешних и внутренних на­пряжений. В таких случаях необ­ходимо принимать меры по сни­жению уровня остаточных напря­жений до того, как конструкции будут нагружаться рабочими на­грузками.

          Традиционный метод сниже­ния остаточных сварочных на­пряжений в стальных конструк­циях — термообработка в режи­ме высокого отпуска. Основное положительное влияние такой обработки заключается в восста­новлении пластичности металла в зонах концентрации деформа­ций, в частности в зонах дефек­тов сварных соединений [7].

           Нормативные документы на проектирование и изготовление резервуаров, сосудов, аппара­тов, котлов и других сооружений устанавливают требования по проведению их термической об­работки в зависимости от класса прочности стали и толщины про­ката. В разных нормативных до­кументах приведены различные, иногда противоречивые требова­ния, что указывает на неоднозна­чность и относительную слож­ность проблемы. Существенно различаются также параметры (режимы) термообработки. Аме­риканский стандарт API 650 «Сварные резервуары для хра­нения нефти» предусматривает проведение термообработки в узлах врезки люков и патрубков из углеродистых сталей толщи­ной более 25 мм, а для нормали­зованных сталей — при толщине листов более 12 мм. Европейски­ми нормами EN 14015:2009 «Ем­кости стальные встроенные, вер­тикальные, цилиндрические с плоским дном, сварные» преду­сматриваются требования термо- обрабатывать узлы врезок из сталей классов до S355 при тол­щине стенки более 25 мм, а для сталей классов S420 — при тол­щине более 20 мм. В ГОСТ 31385—2016 «Резервуары верти­кальные цилиндрические сталь­ные для нефти и нефтепродук­тов» отмечается, что термообра­ботке следует подвергать врезки с условным проходом 300 мм и более в листы стенки резервуа­ров толщиной свыше 25 мм для стали с пределом текучести от 265 до 295 МПа, свыше 18 мм — для стали с пределом текучести более 295 МПа.

             Правилами устройства и безо­пасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением(ПБ 03-576-03), предусматрива­ется, что термическая обработка конструкций из углеродистых сталей должна обязательно про­водиться при толщине стенки бо­лее 36 мм, а из низколегирован­ных сталей — более 30 мм. Тер­мообработке подлежат также врезки при толщине стенки шту­цера более 25 мм. Допускается применение местной термообра­ботки врезок штуцеров. Для сня­тия остаточных напряжений воз­можно вместо термической об­работки использовать другие ме­тоды, предусмотренные в норма­тивной документации. Аналогич­ные требования изложены в Пра­вилах проектирования, изготов­ления и приемки сосудов и аппа­ратов сварных (ПБ 03-584-03), в которых отмечена необходи­мость обоснования термической обработки в проекте, а также до­пускается применение метода пластического деформирования.

В стандарте ЦКТИ 10.004-2007 «Сосуды энергомашиностроения. Общие технические требования к изготовлению» указывается, что допускается местная термообра­ботка. Обращает на себя внима­ние принципиальная разница в оценке необходимости термооб­работки в нормативных докумен­тах на резервуары и на котлы, со­суды и аппараты. Если для котлов и сосудов, работающих под дав­лением, критерий необходимости термообработки — толщина стен­ки штуцера (патрубка) более 25 мм, то в резервуарах этот пара­метр вообще не принимается во внимание. В нормативных доку­ментах ПАО «Газпром» отмечено, что тройники при толщине стенки врезаемой трубы меньше 16 мм термообработке не подлежат.

При изготовлении резервуар­ных конструкций термообработ­ке подвергаются крупногабарит­ные сварные узлы. Для термооб­работки таких узлов требуются уникальные термические печи, оснащенные системой управле­ния термическимциклом обра­ботки. Данная технологическая операция требует больших зат­рат, и вместе с тем она характе­ризуется рядом недостатков:

•    в результате термообработки изменяются механические свой­ства металла, поэтому для их контроля требуется изготавли­вать и термообрабатывать образ­цы-свидетели с последующим комплексом их механических ис­пытаний;

•    неприменима для конструкций из термически упрочненных ста­лей;

•    происходит изменение формы и геометрических размеров об­рабатываемой конструкции. Из­вестны случаи, когда возникали серьезные проблемы при уста­новке термообработанных узлов в проектное положение из-за их коробления, которое привело к несовпадению кромок с соседни­ми элементами;

•    могут появляться трещины в конструкции, поэтому требуется проводить повторный контроль сварных соединений и конструк­ции в целом после термообра­ботки;

•    необходимо принимать меры для исключения образования значительного слоя окалины на поверхности обрабатываемой конструкции;

•    должны строго соблюдаться требуемая скорость нагрева и охлаждения, во время нагрева и выдержки не должно быть пере­падов температуры на различных участках конструкции;

•    термические циклы обработки различных контрольных зон ка­ждого конструктивного узла дол­жны быть задокументированы и приложены к сдаточной доку­ментации на резервуар.

Таким образом, термообра­ботка — сложный и дорогостоя­щий процесс, поэтому во всех промышленно развитых странах последние десятилетия прово­дятся исследования и разработ­ка альтернативных методов сни­жения остаточных напряжений в сварных конструкциях [3—15]. Кроме того, в резервуарах есть ответственные узлы с высоким уровнем напряжений, для кото­рых практически невозможно ис­пользовать термообработку. К таким узлам относятся сопряже­ния стенки с днищем, монтажные стыки стенок рулонных резерву­аров, анкерные крепления.

Эффективным направлением уменьшения затрат на изготовле­ние стальных конструкций с одно­временным повышением их на­дежности и долговечности явля­ется разработка и применение технологий сварочных работ, обеспечивающих низкий уровень остаточных напряжений, не тре­бующих дополнительных проце­дур по их снижению [16]. Во мно­гих случаях такой эффект обеспе­чивает, например, предваритель­ный подогрев свариваемых кро­мок до 150...200 °С. Весьма эф­фективным путем снижения объе­ма накопленной энергии от сваро­чных напряжений служит выбор геометрии разделок кромок со­прягаемых деталей, обеспечиваю­щей минимальную массу наплав­ленного металла.

При сварке порошковыми или металлопорошковыми проволо­ками обеспечивается значитель­но меньшее тепловложение и бо­лее высокая скорость сварки, чем при ручной дуговой сварке. Это позволяет уменьшить объем металла, нагреваемого до высо­ких температур, в результате че­го значительно снижаются де­формации и объем накопленной энергии от остаточных напряже­ний. При сварке с принудитель­ным формированием шва и свар­ке поперечной горкой отсутству­ют угловые деформации и, соот­ветственно, обеспечивается бо­лее благоприятное, равномерное распределение напряжений по толщине металла. При сварке по­перечной горкой каждый после­дующий поперечный слой свар­ного шва снимает напряжения с ранее выполненного слоя. В РГУ нефти и газа были проведены ис­следования [17], которые пока­зали, что применяемая техноло­гия сварки стыков газопроводов высокого давления из сталей ка­тегории прочности К65(Х80) диа­метром 1420 мм и толщиной стенки 34 мм обеспечивает полу­чение остаточных напряжений примерно таких же, как после термической обработки. Однако использование на практике тех­нологий сварки, обеспечиваю­щих низкий уровень остаточных сварочных напряжений без тер­мообработки, возможно только при условии их успешной атте­стации (сертификации) с измере­нием остаточных напряжений в сварных соединениях реальных конструкций или крупномас­штабных моделей. В свидетель­стве об аттестации технологии сварочных работ должна быть указана область ее распростра­нения по классам прочности ста­ли, толщинам свариваемых эле­ментов и типам сварных соедине­ний конструктивных элементов резервуаров.

 Для измерения и визуализации полей остаточных напряжений все более широкое применение находят магнитоанизотропные сканнер-дефектоскопы Stressvi­sion Antistress [5, 13]. После ком­пьютерной обработки результа­тов сканирования исследуемой области конструкции на дисплей выводятся картограммы распре­деления напряжений, а также зо­ны их концентрации.

Высокую производительность и достоверность оценки уровня остаточных напряжений в свар­ных конструкциях обеспечивает метод лазерной интерферомет­рии, позволяющий определять параметры двухосного напря­женного состояния как в основ­ном металле, так и в сварном шве и зонах термического влия­ния [18, 19]. Этот метод преду­сматривает засверловку металла в контрольных точках конструк­ции диаметром 2—5 мм на глуби­ну 2—3 мм. Параметры напря­женного состояния определяют с помощью интерферометра «ДОН-5ЦЗ» бесконтактным оп­тическим методом лазерной ин­терферометрии по измерению перемещений кромки отверстия, возникающих под влиянием ос­таточных напряжений. Методика определения остаточных напря­жений представлена в ГОСТ Р 52891—2007 «Контроль остаточ­ных технологических напряже­ний методом лазерной интерфе­рометрии».

Еще более полувека назад бы­ло доказано, что горячая про­ковка сварных швов резко уменьшает растягивающие сва­рочные напряжения и деформа­ции. В дальнейшем был разрабо­тан ультразвуковой бесшумный высокопроизводительный инст­румент для ударной обработки сварных швов с целью снижения сварочных напряжений. Техно­логия ультразвуковой ударной обработки (УУО) получила ши­рокое распространение в судост­роении, мостостроении, машино­строении и других отраслях [5, 8—11]. В результате УУО проис­ходит перераспределение и вы­равнивание напряжений в сече­нии шва, снижаются коэффици­енты их концентрации, в зонах обработки растягивающие на­пряжения меняют знак на сжи­мающие, что увеличивает устало­стную прочность сварных конст­рукций. Проведенными исследо­ваниями установлено, что приме­нение ультразвуковой ударной обработки позволяет эффектив­но (до 70 %) «срезать» пики рас­тягивающих остаточных напря­жений [5]. Выявлено также поло­жительное влияние УУО на удар­ную вязкость сварных соедине­ний [8, 11]. В США проводили циклические испытания мосто­вых конструкций, сварные швы которых были подвергнуты УУО. Полученные результаты подтвер­дили значительное увеличение усталостной прочности сварных соединений мостовых конструк­ций [8]. Установлено также, что УУО сварного шва и околошов- ной зоны снижает развитие меж­кристаллитной коррозии за счет измельчения зерна ударными импульсами ультразвука и полу­чения напряжений сжатия на об­рабатываемой поверхности [8, 19, 14, 20]. В системе ПАО «Газ­пром» УУО внедрена при выпол­нении ремонтных работ на тру­бопроводах.

В отечественной практике ре- зервуаростроения ультразвуко­вая ударная обработка впервые применена при сооружении резер­вуаров вместимостью 100 000 м³ на Сахалине [12]. На резервуарах была выполнена УУО комплексом «Шмель» зон сопряжения утор­ных швов с основным металлом, которые являются наиболее опас­ными очагами зарождения тре­щин при малоцикловых нагруз­ках. Цель обработки — снижение концентрации напряжений, повы­шение стойкости против коррози­онных и усталостных трещин и повышение надежности и долго­вечности резервуаров [16].

Альтернативным методом сни­жения уровня остаточных напря­жений, получившим широкое распространение в промышлен­но развитых странах, является низкочастотная вибрационная обработка (НВО) сварных метал­локонструкций [3, 13—15]. Сущ­ность метода НВО заключается в создании в сварных конструкци­ях или отдельных ее узлах низ­кочастотных переменных напря­жений с помощью механических вибраторов. В России большой комплекс работ по исследова­нию и разработке технологии НВО для уменьшения остаточных напряжений в сварных конструк­циях выполнен ООО «МАГНИТ плюс» (Санкт-Петербург) [4], в Санкт-Петербургском политехни­ческом  университете [17], Уфим­ском государственном нефтяном техническом университете, а так­же в РГУ нефти и газа [4]. Тех­нология НВО получила широ­кое применение в АО «Обухов­ский завод» и на других пред­приятиях.

В России разработана аппара­тура для низкочастотной виброо­бработки ВТУ-02МП.2. Обраба­тываемый узел или конструкцию закрепляют на виброопорах и ус­танавливают на нее вибратор с регулируемым дисбалансом. Оп­ределяют резонансную частоту, на которой конструкцию выдер­живают 15—20 мин. В результате знакопеременных нагрузок в зо­нах концентраторов напряжений на уровне зерна происходит ре­лаксация напряжений.

Полученные результаты иссле­дований и опыт практического применения технологии НВО по­зволяют сделать вывод, что за­мена термообработки низкочас­тотной вибрационной обработ­кой обеспечивает соизмеримый уровень остаточных напряжений. Комплекс механических свойств сварных соединений после обра­ботки соответствует требовани­ям нормативно-технической до­кументации, коробление конст­рукций не происходит. Металл конструкций не претерпевает фи­зико-механических изменений (нет окалины, цветов побежало­сти и т. п.). Метод НВО позволяет производить обработку как ма­логабаритных, так и многотон­ных конструкций. Оборудование является компактным и мобиль­ным. По сравнению с термообра­боткой обеспечивается значи­тельная экономия трудозатрат и энергоносителей, а также значи­тельно снижается стоимость ра­бот за счет исключения транс­портных операций.

На основе изучения и анализа результатов исследований и пра­ктического опыта применения различных методов снижения ос­таточных напряжений разработа­ны следующие рекомендации для корректировки нормативной документации на проектирова­ние и изготовление резервуар­ных конструкций.

1.   Для обеспечения требуемой несущей способности резервуа­ров и повышения их эксплуатаци­онной надежности и долговечно­сти, а также уменьшения вероят­ности образования в них трещин малоцикловой усталости следует проводить мероприятия по сни­жению уровня остаточных сваро­чных напряжений в сварных со­единениях конструктивных узлов повышенной жесткости до того, как они будут подвергаться ра­бочим нагрузкам. Перечень кон­структивных узлов и сварных со­единений, требующих выполне­ния специальных процедур по снижению сварочных напряже­ний устанавливается проектом с учетом степени ответственности резервуара, класса прочности применяемой стали и толщины проката, а также условий эксплу­атации (цикличность нагрузок, сейсмичность площадки строи­тельства и расчетная температу­ра эксплуатации).

К конструктивным узлам повы­шенной жесткости, которые под­лежат оценке по снижению уров­ня остаточных сварочных напря­жений относятся:

•    врезки люков и патрубков в листы стенки резервуаров;

•    придонные зачистные люки;

•    зумпфы с усиливающими на­кладными листами;

•    узлы сопряжения усиливаю­щих накладок на врезках люков и патрубков с окраечными листа­ми днища и листами стенки;

•    узлы сопряжения анкерных креплений с листами стенки;

•    уторный узел сопряжения лис­тов стенки резервуара с днищем при толщине окраечных листов более 12 мм;

• нижний пояс вертикальных монтажных стыков стенки рулон­ных резервуаров при толщине листов более 14 мм.

1.   Для снижения остаточных сварочных напряжений в резерву­арных конструкциях рекоменду­ется использовать методы ультра­звуковой ударной обработки и низкочастотной виброобработки. В каждом конкретном случае ме­тод (методы) снижения свароч­ных напряжений выбирает изго­товитель или монтажная органи­зация по согласованию с заказчи­ком. Процедуры по снижению уровня сварочных напряжений должны выполняться по аттесто­ванным или сертифицированным технологическим процессам пос­ле завершения сварки, выполне­ния контроля качества и устране­ния выявленных дефектов.

Рекомендуется применение специально разработанных и ат­тестованных технологий сварки, обеспечивающих низкий уровень остаточных сварочных напряже­ний и не требующих проведения дополнительных процедур по их снижению. К таким технологиям относятся: подогрев сваривае­мых кромок, сварка порошковы­ми или металлопорошковыми проволоками, сварка поперечной горкой, многопроходная сварка тонкими слоями, послойная ударная обработка заполняю­щих слоев сварного шва, меха­ническая обработка поверхности сварных швов с целью обеспече­ния плавного сопряжения метал­ла шва с основным металлом. Производители работ, применя­ющие указанные технологии, должны провести их аттестацию в установленном порядке с изме­рением фактических остаточных сварочных напряжений в свар­ных соединениях соответствую­щих конструктивных узлов. В свидетельстве об аттестации тех­нологии сварочных работ долж­на быть указана область ее рас­пространения по классам проч­ности стали, толщинам сваривае­мых элементов и типам сварных соединений узлов конструктив­ных 1.   элементов резервуаров.

2.     Ультразвуковую ударную обработку сварных соединений в узлах повышенной жесткости следует применять при строи­тельстве резервуаров объемом более 10 000 м³, работающих при повышенной цикличности на­грузок (более 100 циклов запол­нения — опорожнения в год), в зонах высокой сейсмичности, а также эксплуатируемых при низ­ких температурах. УУО прово­дится с целью повышения стой­кости сварных соединений к об­разованию трещин малоцикло­вой усталости, а также коррози­онных трещин под напряжением.

Рекомендуемая область при­менения УУО:

•    зоны сопряжения сварных швов с основным металлом на врезках люков и патрубков в стенки резервуаров, а также на придонных зачистных люках и зумпфах;

•    узлы сопряжения усиливаю­щих накладок на врезках люков и патрубков с окраечными листа­ми днища и в стенку резервуара;

•    узлы сопряжения анкерных креплений к стенке резервуаров при толщине листов 18 мм и бо­лее;

уторный узел сопряжения стенки резервуара с днищем при толщине окраечных листов > 12 мм, при этом обработке подле­жат зоны сплавления только вну­треннего  •    углового шва с листами стенки и окрайки;

• для резервуаров серной кис­лоты рекомендуется проводить УУО всех сварных швов, контак­тирующих с продуктом.

1.   Низкочастотная вибрацион­ная обработка рекомендуется для снижения уровня остаточных сварочных напряжений в укруп­ненных конструктивных узлах за­чистных люков, а также врезок люков и патрубков в листы стен­ки резервуаров. Параметры и ти­пы конструктивных узлов, подле­жащих НВО, аналогичны требо­ваниям по обработке таких узлов в термических печах. НВО может выполняться как заводом-изго­товителем, так и на монтажной площадке.

На резервуарах, работаю­щих при высокой цикличности нагрузок, а также при толщине листов стенки > 18 мм примене­ние на врезках в стенку люков и патрубков усиливающих накла­док, привариваемых к окраеч- ному листу днища, не рекомен­дуется. Это связано с тем, что в таких конструктивных узлах рез­ко увеличивается концентрация напряжений в зоне утора и воз­растает опасность образования трещин малоцикловой усталости. В этом случае следует использо­вать врезки в стенку люков и пат­рубков 1.   через утолщенный лист стенки.

2.      Для контроля качества сварных соединений в узлах вре­зок люков и патрубков в листы стенки резервуаров следует при­менять магнитные методы. Конт­ролировать герметичность свар­ных швов врезок с усиливающи­ми листовыми накладками избы­точным давлением воздуха не рекомендуется, так как такое давление приводит к образова­нию недопустимого зазора меж­ду усиливающей накладкой и листом стенки, а также может привести к повреждению свар­ных швов в этих напряженных узлах.

Вывод

При сооружении крупных вер­тикальных стальных резервуаров для снижения уровня остаточных сварочных напряжений рекомен­дуется использовать более эф­фективные по сравнению с тер­мической обработкой методы, такие как ультразвуковая удар­ная обработка и низкочастотная виброобработка. Следует также более широко применять техно­логии сварочных работ, обеспе­чивающие низкий уровень оста­точных сварочных напряжений и не требующие проведения до­полнительных процедур по их снижению.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1.    Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А. Сварные конструкции. Прочность сварных соедине­ний и деформации конструкций. М. : Высш. шк., 1982. 272 с.

2.    Винокуров В. А., Григорьянц А. Г. Теория свароч­ных деформаций и напряжений. М. : Машинострое­ние, 1984. 280 с.

3.    Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. [и др.]. Технологии низкочастотной виброобработки сварных конструкций в машиностроении // Сваро­чное производство. 2014. № 6. С. 19-23.

4.    Летуновский А. П., Антонов А. А., Стеклов О. И. Снятие технологических остаточных напряжений в металлоконструкциях низкочастотной виброобра­боткой // Заготовительные производства в маши­ностроении. 2012. № 8. С. 12-16.

5. Антонов А. А., Летуновский А. П. Снижение оста­точных сварочных напряжений методом ультразву­ковой ударной обработки // Трубопроводный  1.    транспорт: теория и практика. 2012. №2. С. 21-26.

6.    Антонов А. А., Стеклов О. И., Антонов А. А., Си­дорин Ю. В. Исследование технологических остато­чных напряжений в сварных соединениях магист­ральных трубопроводов // Заготовительные про­изводства в машиностроении. 2012. № 3. С. 13-19

7.    Лившиц Л. С., Хакимов А. Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соедине­ний. М. : Машиностроение, 1989. 336 с.

8.    Статников E. Ш. Технология ультразвуковой удар­ной обработки как средство повышенной надежно­сти и долговечности сварных металлоконструкций // Сварочное производство. 2003. № 4. С. 25-29.

9.    Андреев В. В. Ультразвуковая ударная обработка как метод повышения долговечности сварных со­единений // Оборудование. 2006. № 3. С. 32-33.

10. Пат. РФ № 2444423. Способ снятия остаточных сва­рочных напряжений в сварных соединениях стыков труб / Сидоров М. М., Голиков Н. И., Аммосов А. П. 1.    Заявл. 26.07.2010. Опубл. 10.03.2012.

11.    Голиков Н. И. Сидоров М. М. Семенов С. В. Исследование влияния ударной обработки на меха­нические свойства сварных соединений труб // Тр. VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холод­ного климата. Т. 2. Якутск : Медиа-холдинг Якутия, 2013. С. 74-75.

12.    Дорошенко Ф. E., Фуфаев С. В., Василькин А. А. Остаточные напряжения и проблемы повышения надежности и долговечности вертикальных цилинд­рических резервуаров // Монтажные и специаль­ные работы в строительстве. 2007. № 6. С. 2-6.

13.    Лащенко Г. И. Технологические возможности виб­рационной обработки сварных конструкций (обзор) // Автоматическая сварка. 2016. № 7(754). С. 28-34.

14.    Цветков А. С., Солнцев Ю. П. Влияние низкочас­тотной вибрационной обработки на механические свойства и внутренние напряжения металла сварных соединений конструкционных сталей // Известия 1.    45-48.

16.    Дорошенко Ф. E. Особенности продления ресурса резервуаров РВСПК 50000 // Промышленное и гражданское строительство 2006. №6. С. 17-18.

17.    Стеклов О. И., Сорокин В. Н., Антонов А. А., Го­ликов В. В. Определение остаточных сварочных на­пряжений в кольцевых швах толстостенных труб ка­тегории прочности К65 (Х80) // Сварочное произ­водство. 2010. № 5. С. 11-15.

18.    Пономарев К. E., Стрельников И. В., Антонов А. А., Бондаренко А. А. Применение метода лазер­ной интерферометрии для выбора режимов вибра­ционной обработки по критерию уровня остаточных напряжений // Заводская лаборатория. Диагности­ка материалов. 2020. Т. 86(2). С. 54-60.

19.    Макаров Г. И., Антонов А. А. Метод лазерной ин­терферометрии для оценки уровня остаточных сва­рочных напряжений в сварных магистральных тру­бопроводах // Сварочное производство. 2018. № 1. С. 38-42.

20. Пат. РФ № 2378558. Способ предотвращения раз­рушения трубопроводов в зонах концентрации ме­ханических напряжений / Шестаков С. Д., Городи- щенский П. А., Лященко А. В. Заявл. 28.07.2008. Опубл. 10.01.2010.

Вариант ООО "МАГНИТ плюс" (подробнее):

"1.       Общие положения

До настоящего времени нет единого мнения относительно опасности влияния остаточных сварочных напряжений в различных видах стальных конструкций на их работоспособность, надежность и долговечность. Это можно объяснить большим разнообразием сварных конструкций, характеристик свариваемых сталей, типов сварных соединений, а также разнообразием технологий сварки и сварочных материалов, которые вносят специфические особенности в процесс образования сварочных напряжений и деформаций. Указанное разнообразие сварных конструкций и технологий их изготовления пока не позволило выработать однозначные критерии для оценки необходимости снятия остаточных напряжений перед сдачей конструкций в эксплуатацию. С одной стороны, многолетняя успешная эксплуатация во всем мире миллионов тонн многих типов сварных стальных конструкций без снятия в них остаточных сварочных напряжений позволяет сделать вывод, что служебные свойства конструкций и их работоспособность не зависят от собственных напряжений, хотя известно, что такие напряжения могут достигать предела текучести стали. Но, в то же время, известно отрицательное влияния остаточных напряжений на усталостную прочность и долговечность конструкций.

В основе обеспечения работоспособности сварных конструкций без предварительного снятия в них сварочных напряжений лежит явление релаксации напряжений под действием внешних нагрузок. Благоприятная релаксация остаточных напряжений происходит в тех случаях, когда в узлах конструкции обеспечивается свобода для протекания пластических деформаций металла в напряженных зонах сварных соединений. Под действием суммарного воздействия внешних и внутренних напряжений, снимаются пики остаточных напряжений, они выравниваются в рабочем сечении и становятся безопасными для успешной эксплуатации конструкции под действием рабочих нагрузок. И, наоборот, в узлах конструкции высокой жесткости, где имеет место объемные сварочные напряжения, в зонах дефектов, которые являются концентраторами деформаций, а также при низких температурах, релаксация напряжений весьма затруднена, что может приводить к зарождению трещин при суммарном воздействии внешних и внутренних напряжений. В таких случаях необходимо принимать меры по снижению уровня внутренних напряжений в конструкции до того, как она будет нагружаться внешними нагрузками.

Причиной разного подхода к оценке опасности сварочных напряжений является сложность аппарата по их исследованию, измерению, определению величины и характера распределения полей напряжений в рабочем сечении, а также оценке их фактического влияния на работу конкретной сварной конструкции. Однако в последние годы находит все более широкое применение современная аппаратура для измерения остаточных напряжений. Для измерения и визуализации полей остаточных напряжений в металле, сварных швах и околошовной зоне находит применение магнитоанизотропный сканнер-дефектоскоп Stressvision Expert. После компьютерной обработки результатов сканирования исследуемой области конструкции на дисплей выводятся картограммы распределения механических напряжений, а также зоны концентрации напряжений. Степень опасности дефектов сварных соединений наглядно иллюстрируется на номограммах с определением коэффициентов концентрации напряжений. Такой метод контроля качества сварных соединений позволяет получать достоверные объективные данные о наличии и степени опасности дефектов, что позволяет принимать обоснованные решения о необходимости их удаления и выполнении ремонтных работ. Сканнер-дефектоскоп Stressvision Antistress применим также для оценки степени снятия остаточных напряжений после соответствующей обработки.

Высокую производительность и достоверность при оценке уровня остаточных напряжений в сварных конструкциях обеспечивает метод лазерной интерферометрии, который позволяет определять параметры двухосного напряженного состояния в сварном шве и зонах термического влияния. Этот метод предусматривает засверловку металла в контрольных точках конструкции диаметром 2…5 мм на глубину 2…3 мм. Параметры двухосного напряженного состояния определяют бесконтактным оптическим методом лазерной интерферометрии по измерению перемещений кромки отверстия, возникающих под влиянием остаточных напряжений. После завершения процедуры измерения полей напряжений локальные зоны засверловок металла подлежат заварке по специально разработанной технологии. Такая методика определения остаточных напряжений в сварных конструкциях реализуется с помощью интерферометра «ДОН-5ЦЗ».

Традиционным методом снижения остаточных сварочных напряжений в стальных конструкциях является термообработка в режиме высокого отпуска. Основное положительное влияние такой обработки на работоспособность и надежность сварных конструкций заключается в восстановлении пластичности металла в зонах концентрации деформаций, в частности, в зонах дефектов сварных соединений.

2.       Термическая обработка

Нормативные документы на проектирование и изготовление резервуаров, сосудов, аппаратов устанавливают требования по проведению их термической обработки в зависимости от класса прочности стали и толщины проката. Учитывая, что существует множество видов термообработки (низкий и высокий отпуск, отжиг, нормализация, закалка, закалка с отпуском и т.д.), в стандартах на конкретный вид конструкций следует указывать конкретный вид обработки – высокий отпуск при температуре от 590 ºС до 640 ºС с целью снижения уровня остаточных напряжений.

В разных нормативных документах даются различные, иногда противоречивые требования, что указывает на неоднозначность и относительную сложность проблемы. Существенно отличаются также параметры (режимы) термообработки.

• Американские нормы API 650 предусматривают необходимость проведения термообработки для снятия напряжений в узлах врезки люков и патрубков из углеродистых сталей толщиной более 25 мм, а для нормализованных сталей – уже при толщине листов выше 12мм.

• Европейскими нормами предусматриваются требования термообрабатывать узлы врезок из сталей классов до S355 при толщине стенки более 25 мм, а для сталей классов S420 – при толщине более 20 мм.

• Требования ГОСТ 31385-2016: Термообработке после сварки для снижения уровня остаточных сварочных напряжений следует подвергать врезки с условным проходом 300 мм и более в листы стенки резервуаров толщиной:

- свыше 25 мм для стали с пределом текучести от 265 МПа до 295 МПа и свыше 18 мм для стали с пределом текучести свыше 295 МПа.

• Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением ПБ 03-576-03, предусматривается, что термическая обработка сварных конструкций из углеродистых сталей должна обязательно проводиться при толщине стенки более 36 мм, а из низколегированных марганцовисто-кремнистых сталей – выше 30 мм. Термообработке подлежат также врезки при толщине стенки штуцера более 25 мм. Допускается применение местной термообработки врезок штуцеров.

Для снятия остаточных напряжений в соответствии с требованиями п. 4.4.4 правил ПБ 03-576-03 допускается вместо термической обработки применять другие методы, предусмотренные в нормативной документации, согласованной в установленном порядке.

Аналогичные требования изложены в Правилах проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов сварных ПБ 03-584-03, в которых указано, что необходимость термической обработки должна быть обоснована в проекте. Допускается применять другие методы снятия остаточных напряжений, например, метод пластического деформирования.

В стандарте ЦКТИ 10.004-2007 «Сосуды энергомашиностроения. Общие технические требования к изготовлению» указывается, что допускается местная термообработка с обеспечением поля равномерного нагрева по всему периметру. Прилегающие к термообрабатываемой зоне участки должны быть покрыты теплоизоляцией. Должны быть приняты меры, предупреждающие деформацию сосуда под влиянием собственной массы и температурных перепадов. Контроль механических свойств стали после термообработки можно не проводить, если температура отпуска не превышает 650 ºС для сталей Ст3, 16ГС, 09Г2С.

Обращает на себя внимание принципиальная разница в оценке необходимости термообработки в нормативных документах на резервуары и в нормативных документах на котлы, сосуды и аппараты. Если для котлов и сосудов, работающих под давлением, критерием необходимости термообработки является толщина стенки штуцера (патрубка) более 25 мм, то в резервуарах, этот параметр вообще не принимается во внимание, и термообработка назначается уже при толщинах стенки люков и патрубков более 10 мм.

При изготовлении резервуарных конструкций термообработке подвергаются многотонные крупногабаритные сварные узлы. Для термообработки таких узлов требуются уникальные крупногабаритные термические печи, оснащенные системой управления термическим циклом обработки. Очевидно, что такая технологическая операция требует больших затрат и вместе с тем, она характеризуется рядом недостатков:

·     Термическая обработка снимает пики сварочных напряжений в сварных соединениях и не обеспечивает полного снятия напряжений;

·     В результате термообработки изменяются механические свойства металла, поэтому требуется изготавливать и термообрабатывать образцы – свидетели с последующим комплексом их мехиспытаний;

·     В результате термообработки происходит изменение формы и геометрических размеров конструкции. Известны случаи, когда возникали серьезные проблемы при установке термообработанного узла в проектное положение из-за его коробления, которое привело к несовпадению его кромок с соседними листами стенки и окрайки;

·     В результате термообработки в конструкции могут появиться трещины, поэтому требуется проводить повторный контроль сварных соединений и конструкции физическими методами;

·     Необходимо предпринимать меры для исключения образования значительного слоя окалины на поверхности конструкции;

·     Термическая обработка (отпуск для снятия напряжений) не всегда является допустимой. Например, отпуск для снятия сварочных напряжений не применяют для конструкций, изготовленных из термически упрочненных сталей;

·     При термообработке должны строго соблюдаться требуемая скорость нагрева и охлаждения обрабатываемого узла. Такие параметры могут быть соблюдены только в специализированных термопечах и их трудно обеспечить в монтажных условиях. В некоторых нормах предписывается необходимость соблюдения следующих требований:

·     Термообработка должна производиться в закрытых печах по утвержденному технологическому процессу,

·     термообрабатываемый узел должен быть полностью собран на заводе и выдержан в печи при температуре от 590 ºС до 640 ºС из расчета 25 минут на каждые 10 мм толщины листа стенки;

·     температура печи в момент помещения в нее узла не должна превышать 315ºС, повышение температуры с 315 ºС до температуры выдержки не должно превышать 200 ºС в час;

·     во время нагрева и периода выдержки не должно быть перепадов температуры более 65 ºС на различных участках узла;

·     чтобы избежать оплавления металла, температура в печи во время нагрева, выдержки и охлаждения должна постоянно контролироваться, не должно быть непосредственного воздействия пламени на металл;

·     узел должен охлаждаться в печи до температуры 400 ºС со скоростью не более 240 ºС в час. Ниже температуры 400 ºС узел может охлаждаться на открытом воздухе при температуре воздуха не ниже 5 ºС;

·     после термообработки сварные швы узла должны быть проконтролированы методом магнитопорошковой или цветной дефектоскопии.

В связи с вышеизложенным, во всех промышленно развитых странах последние десятилетия проводятся исследования и разработка альтернативных методов снижения или снятия опасного уровня остаточных напряжений в сварных конструкциях.

3.       Влияние технологии сварки на остаточные напряжения

Известно, что на величину остаточных напряжений существенное влияние оказывает технология сварочных работ. Во многих случаях введение только предварительного подогрева до 160…200 ºС позволяет снизить напряжения до уровня, не требующего последующей термообработки.

При автоматических и механизированных способах сварки, применении порошковых проволок, которые обеспечивают значительно меньшее тепловложение и более высокую скорость сварки, чем ручная дуговая сварка, значительно уменьшается объем металла, нагреваемого до высоких температур, в результате чего значительно снижаются деформации и объем накопленной энергии от остаточных напряжений.

Весьма эффективным способом снижения сварочных деформаций и повышения надежности конструкций является выбор геометрии разделок кромок сопрягаемых деталей, обеспечивающий минимальную площадь сечения разделки. При этом снижаются масса наплавленного металла в сварном шве и накопленная энергия от сварочных напряжений.

При рассмотрении влияния технологий сварки на формирование полей остаточных напряжений особое место занимают методы однопроходной сварки, такие, как сварка с принудительным формированием шва и сварка поперечной горкой. Общим для этих методов является отсутствие угловых деформаций и, соответственно, более благоприятное, равномерное распределение напряжений по толщине металла. Сварка с принудительным формированием шва обеспечивает идеальную внешнюю форму шва с минимальной концентрацией напряжений, соответственно и пики напряжений в зонах сопряжения шва с основным металлом значительно ниже, чем при ручной дуговой сварке. При сварке поперечной горкой каждый последующий поперечный слой сварного шва снимает напряжения с ранее выполненного слоя. Такая технология получила широкое применение при автоматической сварке судовых конструкций.

Современные технологии сварки даже толстостенных конструкций из качественных высокопрочных сталей обеспечивают получение сварных соединений, не требующих термической обработки. Соответствующие исследования по заказу Газпрома были проведены в МГТУ и РГУ нефти и газа, которые показали, что предварительный подогрев до 150…200 ºС и выбранные режимы сварки обеспечивают получение в стыках газопроводов высокого давления из высокопрочных сталей категории прочности К65 (Х80) толщиной 40мм остаточных напряжений примерно таких же, как после термической обработки.

4.       Ультразвуковая ударная обработка

Ещё более полувека назад было доказано, что горячая проковка сварных швов обеспечивает резкое уменьшение растягивающих сварочных напряжений и деформаций сварных конструкций. Этот метод получил широкое применение в судостроении и машиностроении. В дальнейшем был разработан ультразвуковой бесшумный высокопроизводительный инструмент для ударной обработки сварных швов с целью снижения сварочных напряжений и деформаций. Ультразвуковая ударная обработка относится к методам пластической деформации металла сварных соединений. Технология ультразвуковой ударной обработки (УУО) получила широкое распространение в промышленно развитых странах в судостроении, мостостроении, машиностроении и других отраслях. Технологический комплекс для УУО показан на рис.1. 

а)                                                    б)                                               в) 

Рис.1. Схема установки для УУО (а) вид рабочего инструмента (б) и комплекс «Шмель» (в)

 

В результате УУО происходит перераспределение и выравнивание напряжений в сечении шва, снижаются коэффициенты их концентрации, в зонах обработки растягивающие напряжения меняют знак на сжимающие, что увеличивает усталостную прочность сварных конструкций. Установлено, что в результате УУО уровень остаточных сварочных напряжений снижается ориентировочно на 50%, одновременно повышается предел усталости металла в 1,5…3 раза в зависимости от марки стали. Повышение сопротивления усталости сварных соединений обусловливается влиянием двух основных факторов: снижением растягивающих остаточных сварочных напряжений и поверхностным пластическим деформированием металла, приводящим к образованию благоприятных напряжений сжатия в зонах концентраторов. Проведенными исследованиями также установлено, что УУО сварного шва и околошовной зоны снижает развитие межкристаллитной коррозии за счет измельчения зерна ударными импульсами ультразвука и получения напряжений сжатия на обрабатываемой поверхности. Выявлено также положительное влияние УУО на ударную вязкость сварных соединений низколегированных сталей. По сравнению с необработанным сварным стыком из стали 09Г2С, ударная вязкость металла шва после УУО в среднем выше на 30%, а металла околошовной зоны – на 24%.

В Америке проводились циклические испытания мостовых конструкций, сварные швы которых были подвергнуты УУО. Полученные результаты подтвердили значительное увеличение срока службы сварных мостовых конструкций.

В системе Газпрома УУО внедрена при выполнении ремонтных работ на трубопроводах.

В отечественной практике резервуаростроения ультразвуковая ударная обработка была впервые применена при сооружении резервуаров емкостью 100 000 м³ на Сахалине. На указанных резервуарах была выполнена УУО зон сопряжения уторных швов с основным металлом, которые, как известно, являются наиболее опасными очагами зарождения трещин при малоцикловых нагрузках. Целью такой обработки является снижение концентрации напряжений в этих зонах, повышение стойкости против коррозионных и усталостных трещин и, в конечном счете, повышение надежности и долговечности резервуаров. В результате пластической деформации металла по линиям сплавления уторного шва было получено плавное сопряжение шва с резким уменьшением коэффициента концентрации напряжений, что, как показали многочисленные исследования, оказывает положительное влияние на повышение усталостной прочности металла в обработанных зонах.

5.       Низкочастотная вибрационная обработка

Вторым направлением в разработке альтернативных методов снижения уровня остаточных напряжений, получивших широкое распространение в промышленно развитых странах, является низкочастотная вибрационная обработка (НВО) сварных металлоконструкций. Сущность метода НВО заключается в создании в сварных конструкциях или отдельных её узлах низкочастотных переменных напряжений с помощью механических вибраторов. Понижение остаточных напряжений в процессе вибрации достигается в результате сочетания вибрационных и остаточных напряжений. В России для этих целей всё более широкое применение находит аппаратура для низкочастотной виброобработки ВТУ-01МП.2 (рис.2). Обрабатываемый узел или конструкцию закрепляют на вибростенде и устанавливают на неё вибратор с регулируемым дисбалансом (рис.3). Определяют резонансную частоту, на которой конструкцию выдерживают 15…20 мин. В результате знакопеременных нагрузок в зонах концентраторов напряжений на уровне зерна происходит релаксация напряжений.

Метод НВО позволяет производить обработку, как малогабаритных конструкций, так и конструкций массой свыше 100 тонн, где не всегда возможно применение термообработки. Этот метод обработки позволяет:

·     улучшить и стабилизировать структуру металла сварного шва и околошовной зоны;

·     уменьшить деформации, вызванные сваркой;

·     снизить концентрации напряжений в соединении;

·     создать выгодное перераспределение остаточных сварочных напряжений в сварном шве и околошовной зоне;

·     повысить циклическую долговечность сварного соединения до уровня основного металла.

       

а)                                            б) 

Рис.2. Внешний вид виброкомплекса а) вибровозбудитель; б) блок управления

Рис3. Схема установки вибровозбудителя на обрабатываемой конструкции

1-конструкция; 2-виброопора; 3-подкладки; 4-стяжное устройство; 5-вибровозбудитель.

 

 

 

Преимущества низкочастотной вибрационной обработки по сравнению с термической обработкой:

·     оборудование является универсальным для различных конструкций, компактным и мобильным;

·     поверхность деталей после обработки не претерпевает физико-механических изменений (нет окалины, шлака, цветов побежалости и т. п.);

·     значительная экономия трудоемкости и затрат;

·     стоимость оборудования и затраты на обслуживание невелики.

Метод снятия напряжений посредством вибрации на частотах, соответствующих резонансным колебаниям каждой части изделия, широко применяется в США.

Многолетний опыт российских и западноевропейских фирм, использующих метод виброобработки для снижения остаточных напряжений и стабилизации размеров, доказал высокую его эффективность, возможность обеспечения достаточно жестких допусков для изделий, к которым предъявляются высокие требования по точности. Так, в авиационной промышленности ФРГ виброобработка крупногабаритных сварных конструкций позволяет получить отклонение от плоскостности поверхности обрабатываемого изделия в пределах ±0,025 мм, в то время как термический способ снижения напряжений не дает ожидаемого результата.

Фирма Nagel (ФРГ), специализирующаяся на изготовлении прецизионных и специальных металлорежущих станков, применяет способ виброобработки взамен термообработки для крупногаба­ритных конструкций массой до 14 т с 1974 г.

Специалисты старейшей в ФРГ фирмы Karmann считают, что метод виброобработки лучше, чем термообработка позволяет вы­держивать жесткие допуски при изготовлении кондукторов и дру­гих зажимных и сборочных приспособлений.

Фирма Voest-Alphine AG (Австрия), выпускающая кузнечно­прессовое оборудование, применяет этот метод с 1972 г. взамен от­жига. Время обработки уменьшилось с нескольких часов до 20 мин при идентичных результатах.

В Англии почти на всех станкострои­тельных предприятиях используют вибрационный способ снижения напряжений в основаниях, стойках, направляющих и других дета­лях станков и прессов как в сварном, так и литом варианте изго­товления. Эффективность виброобработки подобных конструкций возросла при создании вибраторов, работающих на переменном токе и обладающих большей мощностью.

В ИЭС им. Е. О. Патона разработан способ НВО, позволяю­щий обрабатывать одновременно несколько собранных в пакет деталей рамной конструкции. При этом значительно увеличиваются жесткость и собственная частота колебаний системы, что повышает эффективность снятия напряжений и повышает производительность.

В России большой комплекс работ по исследованию и разработке технологии НВО для уменьшения остаточных напряжений в сварных крупногабаритных конструкциях выполнен Цветковым А.С. и Солнцевым Ю.П в Санкт-Петербургском политехническом университете и в ОАО «Обуховский завод». Огромный опыт работ по внедрению на производствах метода НВО имеет производитель данного оборудования компания ООО «МАГНИТ плюс» г. Санкт-Петербург.

По результатам исследований, изготовления с применением НВО более 600 различных по массе и типоразмерам конструкций, их испытаний и продолжительной эксплуатации сделаны следующие основные выводы:

·       после термической и низкочастотной вибрационной обработок получен соизмеримый уровень снижения внутренних напряжений в сварных соединениях конструкций;

·       комплекс механических свойств стали, как после термической обработки, так и после низкочастотной вибрационной обработки полностью соответствует требованиям нормативно-технической документации;

·       НВО по сравнению с термической обработкой характеризуется простотой технологического процесса и оборудования;

·       значительно уменьшаются затраты и время обработки конструкций, отпадает необходимость применения крупногабаритных термических печей и специальной металлоемкой и трудоемкой оснастки для заневоливания;

·       экономические затраты на обслуживание виброкомплекса в процессе эксплуатации ничтожно малы;

·       исключаются транспортные операции перевозки изделий из сборочных цехов в термические цеха и обратно;

·       несоизмеримы затраты на энергоносители при термической обработке и низкочастотной вибрационной обработке;

·       все сварные конструкции, прошедшие виброобработку, успешно выдержали испытания, дефекты сварных швов и геометрические поводки отсутствовали. За время эксплуатации конструкций не было получено ни одной рекламации к качеству сварных конструкций.

·       НВО позволяет производить обработку по снижению механических напряжений в металлоконструкциях из сталей, к которым недопустима термообработка. В том числе и из сталей группы Hardox.

 

Полученные результаты исследований и опыт практического применения технологии НВО позволяют сделать вывод, что замена термообработки низкочастотной вибрационной обработкой обеспечивает соизмеримый уровень остаточных напряжений. При этом обеспечивается значительная экономия средств, трудозатрат и энергоносителей, а также значительно снижается стоимость работ за счёт исключения большого количества подготовительных и транспортных операций.

6.       Заключение

На основе изучения и анализа результатов исследований и практического опыта применения различных методов снижения остаточных напряжений в сварных конструкциях разработаны нижеследующие рекомендации по выполнению врезок люков и патрубков в стенки вертикальных цилиндрических резервуаров.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ВРЕЗОК ЛЮКОВ И ПАТРУБКОВ

В СТЕНКИ РЕЗЕРВУАРОВ

1       Для обеспечения высокого качества работ по врезке люков и патрубков в листы стенки, технологические операции по вырезке отверстий, сварке, последующей обработке и контролю качества рекомендуется выполнять в заводских условиях в удобном пространственном положении с использованием современных технологий и оборудования. Для сохранения проектной геометрической формы листа стенки, его следует закрепить в раму жесткости.

2       Геометрическая форма, углы разделок кромок и зазоры в стыках должны быть минимально необходимыми для их проплавления и для получения минимальной площади сечения сварных швов.

3       Обеспечить высокую точность операций по разметке и вырезке отверстий в листах стенки и подготовке разделок кромок под сварку, а также сборки узлов. Сварку врезок люков и патрубков выполнять порошковой или металлопорошковой проволокой в защитном газе, обеспечивающих минимальное тепловложение при сварке.

4       При толщине листов стенки более 14мм выполнять предварительный подогрев зоны сопряжения стенки с ввариваемым люком или патрубком до 150…200 ºС при ширине зоны нагрева в обе стороны от стыка не менее 100 мм.

5       При толщине листов стенки от 15 до 25 мм выполнять послойную ультразвуковую ударную обработку сварных швов врезки люков и патрубков в листы стенки за исключением корневого и облицовочного слоев. Таким же образом обработать сварной шов, прикрепляющий усиливающий воротник к листу стенки. Технология ультразвуковой ударной обработки должна быть аттестована.

6       При толщине стенки более 25мм, после завершения сварки, контроля качества и устранения выявленных дефектов, выполнить низкочастотную виброобработку (НВО) всего фрагмента стенки с вваренными патрубками или люками, усиливающими листами (и с приваренным окраечным листом днища для люков и патрубков с придонными усиливающими листами). Технология НВО должна быть аттестована. После завершения НВО выполнить магнитопорошковый контроль узла стенки с вваренными люками или патрубками.

7       После завершения сварочных работ, обработки и контроля качества сварных соединений освободить изготовленный блок от рамы жесткости без повреждения металла стенки и выполнить контроль геометрических параметров блока.

8       Выполнить антикоррозионную защиту изготовленного блока, в соответствии с требованиями проекта, его приемку и упаковку для отправки на монтажную площадку. 

https://magnitsp.ru/catalog/snyatie-ostatochnykh-mekhanicheskikh-napryazheniy/ 

 

 

Литература

1.       Летуновский А.П., Антонов А.А., Стеклов О.И. Снятие технологических остаточных напряжений в металлоконструкциях низкочастотной виброобработкой. Заготовительные производства в машиностроении. 2012. - №8.

2.       Антонов А.А., Летуновский. А.П. Снижение остаточных сварочных напряжений методом ультразвуковой ударной обработки // Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2012. №2. С. 21-26.

3.       Андреев, В. Ультразвуковая ударная обработка, как метод повышения долговечности сварных соединений // Оборудование. − 2006. − № 3. − С. 32-33.

4.       Антонов, А.А. Стеклов, О.И. [и др.] Исследование технологических остаточных напряжений в сварных соединениях магистральных трубопроводов // Заготовительные производства в машиностроении. −2012. − № 3. − С.13-19

5.       Винокуров, В.А. Отпуск сварных конструкций для снижения напряжений. −М. : Машиностроение, 1973. − 213 с.

6.       Голиков Н.И. Прочность сварных соединений резервуаров и трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях Севера −Якутск : Изд-во СВФУ, 2012. − 232 с.

7.       Голиков, Н.И. Сидоров, М.М. Семенов, С.В. Исследование влияние ударной обработки на механические свойства сварных соединений труб // Труды VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. − Т 2. − Якутск: Ахсаан, 2013. − С. 74-75.

8.       Каменская, Н.И. Антонов, А.А. Влияние технологии монтажной сварки на уровень остаточных напряжений в сварных соединениях труб из стали 12Х1МФ // Автоматическая сварка. − 1992. − № 7-8. − С.10-12.

9.       Лащенко, Г.И. Энергосберегающие технологии снижения остаточных напряжений в сварных конструкциях // Сварщик в России. − 2006. − №1. − С. 15-19.

10.    Лившиц, Л.С. Хакимов, А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. − М. : Машиностроение, 1989. − 336 с.

11.    Надежность резервуаров и газопровода в условиях Крайнего Севера. Статическая механика и теория надежности − Якутск: Изд-во Якутского ун-та, 2004. − 102 с.

12.    Нехорошков, О.Н. Першин, В.П. Семухин, Б.С. Применение метода ультразвуковой ударной обработки для сварных соединений конструкционных сталей // Вестник ТГАСУ. − 2006. − №2

13.    Пат. 2378558 РФ. Способ предотвращения разрушения трубопроводов в зонах концентрации механических напряжений/ С.Д. Шестаков, П.А. Городищенский, А.В. Лященко. Заявл. 28.07.2008; опубл. 10.01.2010, бюл. №1. − 9 с. 103.

14.    Пат. 2444423 РФ. Способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях стыков труб/ М.М. Сидоров, Н.И. Голиков, А.П. Аммосов. Заявл. 26.07.2010; опубл. 10.03.2012. , бюл. №7.

15.    Статников, Е.Ш. Технология ультразвуковой ударной обработки как средство повышенной надежности и долговечности сварных металлоконструкций // Сварочное производство. − 2003. − №4. − С. 25-29.

16.    Цветков А.С., Солнцев Ю.П. Применение низкочастотной вибрационной обработки для уменьшения уровня остаточных напряжений в сварных крупногабаритных конструкциях [Текст] / А.С. Цветков, Ю.П. Солнцев «Заводская лаборатория. Диагностика материалов». – М.: 2008. №5.

17.    Цветков А.С., Солнцев Ю.П. Влияние низкочастотной вибрационной обработки на механические свойства и внутренние напряжения металла сварных соединений конструкционных сталей / «Известия ВУЗов. Черная металлургия». – М.: 2008. №7.

18.    Цветков А.С., Солнцев Ю.П. Влияния низкочастотной вибрационной обработки и температуры термического отжига на уровень внутренних напряжений в зоне сварного соединения конструкционных сталей / А.С. Цветков, Ю.П. Солнцев, «Деформация и разрушение материалов». – М.: 2008. №8.

19.    Цветков А.С. Повышение надёжности крупногабаритных сварных хладостойких конструкций ответственного назначения за счёт снижения уровня остаточных напряжений. Диссертация канд. техн. наук. СПГПИ. 2011.

20.    Заключение ОАО «НИИхиммаш» №3-9.21.611 «Определение возможности применения вибрационной обработки, с целью снижения остаточных внутренних напряжений в металле и предотвращения коррозионного растрескивания узлов. Согласование изменения №4 к ТУ-5151-001-24486289.02-2003».

21.    СТО Газпромтрансгаз Санкт-Петербург 15-05-04-2011. Ремонт сваркой дефектов труб и сварных соединений газопроводов. Технология ультразвуковой ударной обработки сварных соединений.

22.    Определение остаточных сварочных напряжений в кольцевых швах толстостенных труб категории прочности К65 (Х80) / О.И. Стеклов, А.А. Антонов, Е.М. Вышемирский, А.М. Ангелов, С.Л. Перов // Наука и техника в газовой промышленности. 2009. № 1. С. 84-87.

23.    Макаров Г.И., Антонов А.А. Метод лазерной интерферометрии для оценки уровня остаточных сварочных напряжений в сварных магистральных трубопроводах // Сварочное производство. 2018. №1. С. 38-42.

24.    ГОСТ Р 52891-2007 Контроль остаточных технологических напряжений методом лазерной интерферометрии. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2009. 12 с.

25.    О.И. Стеклов, В.Н. Сорокин, А.А. Антонов, В.В. Голиков Определение остаточных сварочных напряжений в кольцевых швах толстостенных труб категории прочности К65 (Х80) // Сварочное производство. 2010. №5. С. 11-15.