Заказать звонок

Время работы:

ПН-ПТ 09:00 - 18:00

Каталог товаров

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

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?

  1. Высокая удельная энергоэффективность УУО. В масштабах серийного производства УУО – это метод, при котором экономия достигает десятков тысяч киловатт.
  2. 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.
  3. 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.

Физические зоны влияния 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"

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

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

Ремонтная наплавка на трубе

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. 

Картограмма разности главных механических напряжений (РГМН) до обработки.

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.

Карта распределения коэффициента концентрации механических напряжений до обработки.

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.

Эпюры распределения главных напряжений после завершения ремонтной наплавки. Ось Х располагается вдоль оси трубы, ось У – в кольцевом направлении.

Рисунок 5. Эпюры распределения главных напряжений
после завершения ремонтной наплавки.
Ось Х располагается вдоль оси трубы,
ось У – в кольцевом направлении.


rgmn posle obrabotki.JPG

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

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 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.

Эпюры распределения главных напряжений после проведения ультразвуковой ударной обработки.Исследования с применением комплекса «ДОН-5ЦЗ» дали положительный результат.

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.

Вид поверхности трубы после завершения аргонодугового переплава

Рисунок 9. Вид поверхности трубы
после завершения аргонодугового переплава


Снижение остаточных напряжений после УУО в зоне ремонтного 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:

  1. Ультразвуковая ударная обработка позволяет эффективно снизить уровень остаточных технологических напряжений в сварных конструкциях.
  2. Применение УУО позволяет отказаться от послесварочной термической обработки в ряде случаев.
  3. 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.

Шмель

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

Вы смотрели