Снижение остаточных сварочных напряжений
Статья публикуется с сокращениями.
Полный текст статьи можно найти в журнале
"Трубопроводный транспорт (теория и практика)" №2 (80) 2012 г.
Одной из актуальных задач современного промышленного производства остается поиск эффективных средств, обеспечивающих упрочнение сварочных швов. Среди методов, позволяющих повысить качество, надежность и ресурс сварных конструкций следует выделить ультразвуковую ударную обработку.
А.А.Антонов, к.т.н. доцент РГУ Нефти и газа им. Губкина, Москва
А.П.Летуновский, генеральный директор ООО "МАГНИТ плюс"
История вопроса
Обработка трубы ультразвуковой ударной установкой
Внедрение ультразвуковых технологий началось в конце 50-х годов прошлого столетия. Тогда было положено начало направлениям ультразвуковой «сварки» давлением и ультразвуковой резки, получивших признание в машиностроении, но применение ультразвука в сварочном производстве положительных результатов не принесло. Конструкция инструмента, жесткая связь волновода с рабочим деформирующим элементом (индентером) ограничивала возможность эффективной обработки неровной поверхности сварного шва. Низкая удельная мощность ультразвукового оборудования и большая масса инструмента не позволяли создавать мобильные технологические устройства.
Обработка трубы
ультразвуковой ударной установкой
В 70-е годы удалось оптимизировать энергетические и массогабаритные характеристики ультразвукового оборудования, а также осуществить эффективную подвижную связь между деформирующим элементом и ультразвуковым волноводом. Метод получил название ультразвуковой упрочняющей обработки, далее УУО. Еще больший интерес к механическим методам повышения эксплуатационных характеристик возник в 80-х годах, когда были разработаны более совершенные и доступные методы изучения полей остаточных напряжений.
Исторически первым методом послесварочной обработки зоны сварного соединения для снижения уровня остаточных напряжений была термообработка, для которой в СССР были разработаны соответствующие стандарты. Метод термообработки сварного соединения для снижения остаточных напряжений (СНиП 3.05.05-84, ВПНРМ 484-86 «Контроль качества и термическая обработка сварных соединении» и ряд других) получил известность и распространение, но ультразвуковая упрочняющая обработка в тот момент находилась на этапе становления. Только в середине 80-х годов появились первые образцы. Впоследствии применение УУО показало великолепные результаты на ряде судостроительных предприятий. В частности, в центре судоремонта «Звездочка» в г. Северодвинск, известном своим стратегическим значением и значительной долей заказов оборонного комплекса.
Безопасность, экономика и экология
Остаточные механические напряжения в металле возникают на всех этапах производства: при прокате, мехобработке, вальцовке или пошаговой формовке, сварке и монтаже. Механические напряжения становятся причиной развития различного рода дефектов: трещин, стресс-корозионных растрескиваний (КРН), появлению питингов, ускоренному протеканию коррозионных процессов и ряду других. При этом проблема возникновения остаточных напряжений затрагивает практически любую область производства от создания заготовок до строительства и ремонта сооружений и ответственных металлоконструкций, например, в судостроительной и топливно-энергетической областях.
Заинтересованность в надежности и качестве сварных соединений затрагивает как экономические, так и экологических интересы со стороны общественных организаций, бизнеса и государства. Сложно найти производство, где бы при необходимости сварки не уделялось внимание качеству сварного соединения. Качество сварки, это не только вопрос надежности на момент завершения сварочных работ, а также вопрос безаварийного использования сварного соединения в течение всего периода эксплуатации конструкции в целом.
Научной основой для разработки метода УУО явились результаты исследований существующих процессов, технологий и оборудования, основанных на использовании ультразвука. В этом направлении известны работы Г.Ю. Макулина, Ю.А. Янченко, В.М. Сагалевича, И.Г. Полоцкого, Ю.В. Холопова, В.Ф. Казанцева, Е.Ш. Статникова, В.Г. Бадаляна, Е.А. Лесюка и др. К сожалению, работ на затронутую нами тему очень мало.
Какие именно преимущества способна дать ультразвуковая ударная обработка по сравнению с термическим снятием напряжений в металле?
- Высокая удельная энергоэффективность УУО. В масштабах серийного производства УУО – это метод, при котором экономия достигает десятков тысяч киловатт.
- УУО является поверхностным пластическим деформированием (ППД). В поверхностном слое обрабатываемой поверхности формируются сжимающие остаточные напряжения и благоприятный профиль поверхности. Для деталей, изготовленных из высокопрочных материалов и имеющих повышенную чувствительность к концентраторам напряжения, ППД повышает сопротивление усталости и препятствует появлению усталостных трещин.
- УУО сварочного шва и околошовной зоны снижает развитие межкристаллитной коррозии границ зерен металла за счет их измельчения ударными импульсами ультразвука.
УУО
Механизм ультразвуковой ударной обработки представлен на рисунке 1 зонами физического воздействия на сварочное соединение в поперечном разрезе поверхностного слоя. Рисунок отражает многочисленные исследования эффективности ультразвуковой ударной обработки.
Рисунок 1. Физические зоны влияния ультразвуковой ударной обработки.
В этой схеме каждой физической зоне влияния ультразвуковой ударной обработки на свойства материала соответствуют определенные режимы и определенная технология изготовления сварного соединения.
Контроль состояния
При проведении работ по снятию остаточных напряжений и изменению напряженно-деформированного состояния требуется обязательный приборный контроль полей остаточных напряжений, образа их распределения. Важно видеть картину напряженного состояния обрабатываемого элемента конструкции до и после проведения работ, т.к. уровень механических напряжений в реальной конструкции может значительно отличаться в двух незначительно удаленных друг от друга точках. Мониторинг параметров полей механических напряжений позволяет подбирать режимы и контролировать качество.
В данной работе представлены результаты применения метода УУО для решения проблемы снижения уровня остаточных напряжений, возникающих при проведении ремонта труб магистральных газопроводов методом вышлифовки дефектного слоя с последующей многослойной наплавкой плавящимся электродом и методом аргонодугового переплава дефектной области.
Для визуализации полей напряженного состояния исследуемой области использовался аппаратно-программный комплекс "Сканер механических напряжений "Комплекс-2.05", основанный на магнитоанизотропии. Прибор позволяет получить информацию о распределении напряженного состояния исследуемой области: в основном металле, сварном шве и околошовной зоне. Результаты документируются в виде картограмм разности главных механических напряжений (РГМН), градиентов РГМН и карт распределения коэффициента концентрации механических напряжений (КМН).
Для точного определения значений напряженного состояния в конкретной выбранной точке был применен оперативный и эффективный механический метод - засверловка несквозного отверстия с фиксацией возникающих при этом перемещений кромок отверстия с помощью лазерной интерферомертии. В данной работе использовался исследовательский комплекс «ДОН-5ЦЗ».
Комплекс позволяет определять главные оси напряжений, величину остаточных напряжений по каждой оси в мегапаскалях (МПа), знак главных напряжений. Результатом работы является комплект интерферограмм, характеризующих возмущенное состояние поверхности, возникшее в результате сверления и последующего перераспределения напряжений.
"Шмель"
Работа технологического комплекса «Шмель» основана на ударном воздействии на обрабатываемый материал с целью его пластического деформирования. Ультразвуковая колебательная система размещена в корпусе, который обеспечивает возможность ее принудительного жидкостного охлаждения.
Внешний вид комплекса " Шмель"
Ультразвуковой генератор, размещенный в блоке питания, осуществляет преобразование тока промышленной частоты 50 Гц в ток высокой частоты 26—28 кГц, соответствующего частоте ультразвука.
Энергия тока высокой частоты при помощи магнитострикционного преобразователя, расположенного в ударном инструменте, формирует колебания ультразвуковой частоты, которые через волновод и удлинитель переходят в иглу-ударник [4].
Внешний вид иглы-ударника "Шмель"
В результате обработки металла технологическим комплексом Шмель:
- создаются поверхностные сжимающие напряжения;
- перераспределяются остаточные сварочные напряжения в сварном шве и околошовной зоне;
- снижается концентрация напряжений нагрузки в сварном соединении;
- на обрабатываемой поверхности создается упрочняющий слой с повышенной сопротивляемостью к образованию трещин.
Эффективность применения УУО на примере ремонта участка газотранспортной трубы
Рисунок 2. Ремонтная наплавка на трубе
В первом случае изучалось поле остаточных напряжений, возникшее в результате ремонтных операций на трубе Ду 1420 мм толщиной 16 мм (рис. 2). Технология ремонта дефектной области трубы предусматривала ее вышлифовку механическим способом и наплавку нового металла в несколько слоев.
На рисунках 3 и 4 представлена развертка трубы с координатной сеткой. Результаты замеров «Комплексом-2.05» представлены на рисунке 3, разность главных механических напряжений (РГМН), и на рисунке 4, концентраторы механических напряжений (КМН)».
На карте РГМН (рис. 3) вдоль проекции заварки в районе 3 линии по горизонтали наблюдаются области разности главных механических напряжений, выраженные в высоком градиенте от +100 до +20.
Рисунок 3. Картограмма разности главных механических напряжений (РГМН) до обработки.
На карте КМН (рис. 4) вдоль линии 3 по горизонтали наблюдается схожая картина в отношении концентраторов механических напряжений с пиковыми значениями в точках {6:3}, {9:3} и {11:3}, что в сочетании с высоким градиентом является одним из основных факторов зарождения дефектов.
Рисунок 4. Карта распределения коэффициента концентрации
механических напряжений до обработки
На основании этих диагностических признаков можно сделать вывод о целесообразности обработки металла с целью снятия остаточных механических напряжений. При этом главной целью мероприятия должно быть снижение коэффициентов концентраторов для исключения вероятности возникновения трещин.
С помощью комплекса «ДОН-5ЦЗ» получены эпюры распределения главных остаточных напряжений в наплавленном слое и основном металле, прилегающем к наплавке по оси трубы (рис. 5).
В результате применения метода УУО технологическим комплексом Шмель-1 на участке произошло перераспределение остаточных сварных напряжений, что подтверждают замеры.
Рисунок 5. Эпюры распределения главных напряжений
после завершения ремонтной наплавки.
Ось Х располагается вдоль оси трубы,
ось У – в кольцевом направлении.
Рисунок 6. Картограмма разности главных механических напряжений (РГМН)
после ультразвуковой ударной обработки
Результаты показаний «Комплекса 2.05». После обработки произошло существенное снижение числовых значений напряжений и градиента РГМН
Рисунок 7. Карта КМН после ультразвуковой ударной обработки.
Значения карты КМН достигли значений близких к единице, т.е. практически однородного распределения остаточных напряжений. Металл в зоне, подвергнутой ремонтным работам, равномерно стабилизирован, что важно для надежной эксплуатации трубопровода.
Рисунок 8. Эпюры распределения главных напряжений
после проведения ультразвуковой ударной обработки.
Исследования с применением комплекса «ДОН-5ЦЗ»
дали положительный результат.
В результате УУО остаточные напряжения вдоль оси трубы в наплавленном слое и прилегающем основном металле снизились с величин 50-150 МПа (растягивающие напряжения) до -60 — -80 МПа (сжимающие напряжения). Кольцевые напряжения и в наплавленном слое и в основном металле стали близки к нулевым значениям.
Рисунок 9. Вид поверхности трубы
после завершения аргонодугового переплава
Рисунок 10. Снижение остаточных напряжений
после УУО в зоне ремонтного аргонодугового переплава
Аналогичные исследования были проведены для трубы производства Волжского трубного завода Ду 1220 мм х 12 мм, отремонтированной переплавкой дефектного объема неплавящимся электродом в среде аргона. Внешний вид переплавленного участка представлен на рисунке 9.
Технология изучения полей остаточных напряжений предусматривала их предварительное исследование физическим методом («Комплекс-2.05») и последующее получение реальных величин в ключевых выбранных точках механическим малоразрушающим методом («ДОН-5ЦЗ»).
В результате обработки поверхности трубы в зоне переплава достигнуто значительное снижение уровня остаточных напряжений (рис. 10) с переводом растягивающих напряжений в сжимающие.
Из этих примеров видно, что эффективность снижения уровня остаточных напряжений различна. Во многом это связано с подготовкой поверхности перед УУО. В первом случае УУО проводилась на неподготовленной каким-либо образом поверхности. Поэтому эффект ударов бойков инструмента в зоне наплавки был неодинаковым по площади наплавки из-за зон поднятия (валиков шва) и зон углубления (межшовные участки). Во втором случае перед УУО поверхность подвергалась шлифовке углошлифовальной машиной, т.е. абсолютно вся обрабатываемая площадь была равнодоступна для обработки.
Выводы:
- Ультразвуковая ударная обработка позволяет эффективно снизить уровень остаточных технологических напряжений в сварных конструкциях.
- Применение УУО позволяет отказаться от послесварочной термической обработки в ряде случаев.
- Эффективность применения УУО зависит от ряда технологических факторов, которые требуют дополнительных исследований и регламентирования их в нормативных документах.
Шмель 1
предпочтителен для обработки границ зоны термического влияния сварного шва, например, для выполнения "канавки", а также обработки труднодоступных мест металлоконструкций.
Шмель 2
предпочтителен для обработки больших площадей металлоконструкций, например, околошовной зоны сварного соединения. При такой обработке производительность работы инструмента в 2-3 раз выше, чем у инструмента №1.
Комплектация:
-
Шмель 1
Блок питания №1, инструмент №1, комплект запасных частей -
Шмель 2
Блок питания №1, инструмент №2, комплект запасных частей
Технические характеристики:
Блок управления |
Параметр |
Инструмент |
Параметр |
Рабочая частота, кГц |
18-28 |
Напряжение питания, В |
65 |
Выходная мощность, Вт |
600 |
Собственная частота, кГц |
22-27 |
Напряжение питания, В |
220 |
Амплитуда перемещений на выходном конце колебательной системы, мкм |
35 |
Масса, кг |
15 |
Длина соединительного кабеля, м |
5 |
Габариты, мм |
130х220х350 |
Масса, кг |
3,5 |
|
|
Габариты, мм |
360х390х420 |
-
Технологический комплекс "ШМЕЛЬ"
950058 руб.
-
Лазерный интерферометр ДОН-5ЦЗ
720000 руб.
-
Комплекс "STRESSVISION ANTISTRESS"
2220000 руб.