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?

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.

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

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.