книги / Сварка при низких температурах

А.А. ЧЕК А Н О В

Кандтехн. наук

С В А Р К А

ПРИ низких

ТЕМПЕРАТУРАХ

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ

МА111ГИЗ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ научно-техническое издательство

машиностроительной литературы

М о с к в а 1 962

6ПЧ.З

Ч— 37

Вкниге обобщен отечественный и зарубежный опыт сварки металлов, а также эксплуатации сварных конструкций при низких температурах.

Вкниге рассмотрено влияние низких температур на свойст­

ва основного металла и сварного соединения; описаны обосно­ вания выбора металла для-изделии, работающих при низких температурах; изложены факторы, влияющие на хрупкость сварных соединений; освещены особенности сварки при низ­ ких температурах.

Книга 'Предназначена для инженеров и техников, работаю­ щих в области сварки.

Рецензент канд. техн. наук М . Я . А н у ч к и н

Редактор ииж. В. С. Черняк

Редакция литературы по горячей обработке металлов И. о. зав: редакцией инж. Л. А. ОСИПОВА

ВВЕДЕНИЕ

Наличие в нашей стране обширных районов с длительным зим­ ним периодом придает вопросам эксплуатации сварных изделий при низких температурах важное народно-хозяйственное значение.

Проблема хрупкого разрушения сварных конструкций стано­ вится особенно актуальной в связи с тем, что семилетним планом развития народного хозяйства, принятым XXI съездом КПСС, пре­ дусмотрены ускоренные темпы роста промышленности и строи­ тельства в восточных районах нашей страны. О дальнейшем раз­ витии производительных сил в восточных районах нашей страны указано также и в решениях XXII съезда КПСС.

Значительная часть строительно-монтажных сварочных работ в текущем семилетии должна быть проведена в Сибири, на Урале и других районах СССР, в тяжелых климатических условиях, ког­ да сварка металлоконструкций не может осуществляться из-за низких температур без принятия специальных мер.

Большое значение вопросы сварки при низких температурах приобретают сейчас, в связи с освоением Арктики и, следовательно, эксплуатацией сварных конструкций в суровых условиях.

Из-за недостаточной изученности вопроса о влиянии низких температур на прочность сварных соединений, в действовавших до 1957 г. правилах и технических условиях наинизшая допустимая температура для сварочных работ при сооружении трубопроводов ограничивалась —20° С, что препятствовало ведению сварки не­ прерывно в течение всего года, вызывало большие простои и вело

кповышению стоимости строительства.

А.С. Фалькевич [169] указывает, что, по данным треста Нефте-

проводмонтаж, проводившего сварку трубопроводов в Башкирии, на Урале и в Сибири зимой 1954—>1955 г., простои из-за запрещения выполнять работы при температуре ниже —20° С превысили 30°/о рабочего времени. Следует также учесть, что, кроме морозов, вы­ полнению сварочно-монтажных работ в полевых условиях мешают снегопады и дожди, способствующие попаданию влаги на сварное соединение, образованию -пор и других дефектов. Почти невозмож­ но выполнять сварку при сильных ветрах, так как нарушается нор­ мальное горение дуги, происходит сдувание флюса и защитной га­ зовой среды.

3

За последнее время рядом научно-исследовательских организа­

ЦНИИСК АС и А СССР, ЦНИИС Минтрансстроя, МВТУ им. Бау­ мана, ЛПИ и др.) проведены исследования эксплуатируемых свар­ ных конструкций и соединений при низких температурах. На осно­ ве этих исследований удалось улучшить свойства сварных изделий, работающих при низких температурах. Примером этого могут слу­ жить металлические мосты, в том числе мост им. Е. О. Патона че­ рез Днепр в Киеве и Ново-Арбатский мост в Москве, подвижной состав железнодорожного транспорта, многочисленные трубопро­ воды и резервуары, многие машины и механизмы в химической, хо­ лодильной и пищевой промышленности.

Отечественная технология сварки позволяет изготовлять, напри­ мер, сосуды для работы под давлением при температурах до —J80°C.

При изучении сварных конструкций в научно-исследователь­ ских организациях многих зарубежных стран (США, Канада, Англия, ФРГ, Франция, ЧССР, ГДР) большое внимание уделяет­ ся хрупкой прочности. Многочисленные исследования по хруп­ кому разрушению проводятся в Японии. Например, о широком

величины зерна и холодной деформации на механические свойства стали при низких температурах и температуру перехода стали в хрупкое состояние. Для повышения значения ударной вязкости и понижения температуры перехода стали в хрупкое состояние в Японии производят облучение ее медленными и быстрыми нейтро­ нами.-.

о'Вопросы хрупких разрушений и сварки при низких темпера­ турах обсуждаются как в отдельных странах, так и на заседаниях Международного института сварки. Результаты многолетних ис­ следований, проведенных М. П. Анучкиным во ВНИИСТе по свар­ ке,^резервуаров и трубопроводов в зимних условиях, рассмотрены в 1961 г. на заседании Конгресса Международного института сварки.

На конференции инженеров-сварщиков США и Канады, со­ стоявшейся весной 1957 г., наряду с другими вопросами сварочной техники,, рассматривались вопросы свариваемости различных ма­ териалов при низких температурах. Вопросы сварки сталей при отрицательных температурах в 1959 г. рассматривались на съезде инженеров в ФРГ.

Осенью 1958 г. в г. Галле (ГДР) на конференции по сварочной технике, посвященной вопросам конструирования и прочности, об­ суждались также эксплуатационные свойства сварных соединений при низких температурах.

4

Координационные совещания по вопросам хрупкого разруше­ ния и вибрационной прочности сварных соединений проводятся и в нашей стране. В частности такое совещание состоялось в конце 1959 г. в Ленинграде. На нем было принято решение об усилении научно-исследовательской работы по изучению хрупкого разруше­ ния и намечены конкретные направления этой работы.

Повторяющиеся случаи разрушения металлических конструк­ ций, сваренных на морозе, уже давно привлекали внимание многих исследователей-сварщиков и эксплуатационников. Тем не менее вопросы прочности стальных конструкций, сваренных при низких температурах, а также конструкций, эксплуатирующихся при низ­

тельства и транспорта. Установленные различными организациями ограничения минимальной температуры, стали, при которой допу­ стимо производить сварку, долгое время были не дифференциро­ ваны в зависимости от конструктивных особенностей изделий, свойств стали, технологических возможностей выполнения сварки, специфики работы изделий и т. д. Вопрос хрупкого разрушения ме­ таллических сооружений стал особенно острым во время и после второй мировой войны в связи с массовым разрушением сварных судов, построенных в США, и сварных резервуаров для хранения жидкого топлива в ряде стран.

Эти обстоятельства заставили заняться во многих странах ис­ следованием свариваемости сталей и оценкой их склонности к хрупкому разрушению.

При низких температурах исследуются свойства металлов, по­ лупроводников, магнитные свойства тел, ядериые явления и т. д.

Понижением температуры представляется возможным достиг­ нуть такого состояния вещества, при котором возникают новые свойства, до сих пор неизвестные. При низких температурах про­ исходят и изменения металлов. Исследователей привлекало и при­ влекает возможность получить вещество в новом состоянии, воз­ можность исследовать и использовать для различных целей воз­ никающие при этом новые свойства веществ.

Появление новых качественных свойств металлов и сплавов в условиях низких температур объясняется тем, что при сильном охлаждении происходит изменение их внутреннего строения. Боль­ ше того, продвижение в область низких температур приводило в отдельных случаях к открытию новых явлений в окружающей нас природе, требовало подчас пересмотра многих ранее установив­ шихся представлений, например, представлений о характере изме­ нения энергии вблизи абсолютного нуля, теплоемкости тел (при понижении температуры теплоемкость резко уменьшается), сверх­ проводимости металлов, сверхтекучести гелия и т. д. Следует за­ метить, что давно привлекает внимание ученых во многих странах и проблема обработки металлов холодом. Например, довольно ши­ роко применяется обработка холодом для упрочнения некоторых

5

ГЛАВА I

ВЫБОР МЕТАЛЛОВ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫБОРУ МЕТАЛЛОВ

Изделия из металла могут подвергаться воздействию низких температур, как в естественных условиях (при эксплуатации в се­ верных районах), так и в условиях, определяемых технологическим процессом производства (например, в химическом производстве, холодильном и пищевом и т. п.).

Поэтому выбор металлов и сплавов должен производиться с обязательным учетом температурных условий их эксплуатации. Следует также иметь в виду, что отдельные свойства металлов из­ меняются различно под влиянием температуры. Например, у мало­ углеродистой стали с понижением температуры прочность и твер­ дость возрастают, а пластичность и ударная вязкость понижаются. Температура перехода металла из вязкого в хрупкое состояние

уразличных металлов также неодинакова. На свойства металлов

исплавов при низких температурах оказывают влияние многие факторы; как например, химический состав, предшествовавшая об­ работка и т. д. В большинстве случаев незначительные изменения

вхимическом составе или характере обработки металлов приводят к весьма значительным изменениям их свойств при низких темпе­ ратурах.

Особенно осторожный подход требуется при выборе сталей для конструкций, работающих под действием динамических нагрузок. Здесь, в первую очередь (при отсутствии других факторов, влияю­ щих на хрупкость) следует руководствоваться их химическим со­ ставом и видом термической обработки, так как от этого во многом зависит ударная вязкость в условиях низких температур. Механи­ ческие свойства сварного шва изменяются при низких температу­ рах аналогично основному металлу. Поэтому при выборе металла для работы при низких температурах следует иметь в виду и те термические напряжения, которые возникают в процессе сварки.

Выбор металлов для изделий, работающих при низких темпера­ турах, имеет весьма важное народнохозяйственное значение, так как расширяющееся потребление металлов для таких изделии мо-

7

жет вызвать ничем не оправданное расходование сплавов с доро­ гими и дефицитными легирующими элементами. Во многих слу­ чаях правильное применение обычных материалов при рациональ­ ной конструкции изделия приводит к таким же положительным результатам, как и использование специальных дефицитных мате­ риалов.

Основным требованием, которому должны удовлетворять ме­ таллы, используемые для изготовления конструкций, работающих при низких температурах, является сохранение необходимого за­

способность этих сплавов к наклепу, относительно высокая стои­ мость и дефицитность во многих случаях не оправдывают их при-'' менение для этих целей.

Применение хладостойких низколегированных сталей также не всегда вызывается необходимостью. Во многих случаях использо­ вание обычных малоуглеродистых сталей дает положительные ре­ зультаты для конструкций, работающих при температурах —40 —50° С. Широкое применение для работы при низких температурах находит мартеновская малоуглеродистая спокойная сталь или сталь, выплавленная в электрических печах. Такая сталь при низ­ ких температурах обладает большей вязкостью, чем полураскисленная сталь, которая, в свою очередь, лучше . кипящих сталей. Спокойные малоуглеродистые стали имеют более низкую темпе­ ратуру перехода в хрупкое состояние, чем кипящие конвертерные стали. Одной из основных причин разрушения сварных мостов че­ рез канал Альберта в Бельгии явилось применение хладноломких конвертерных сталей.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона разработана спо­ койная малоуглеродистая сталь марки М16С для изготовления от­ ветственных сварных конструкций (например, мостов). Во ВНИИ­ СТе разработана сталь марки МСт. 3 (улучшенная) для сооруже­ ния сварных резервуаров. Обе указанные стали отличаются высо­ кой стойкостью против хрупких разрушений, в частности, при рабо­ те в условиях низких температур.

Эти хладостойкие стали, в частности, сталь марки М16С, сле­ дует применять при из1 тговлении многих и других ответственных сооружений.

Для работы при низких температурах рекомендуется примене­ ние малоуглеродистых сталей, имеющих мелкозернистую структу­ ру. Измельчение зерна достигается путем присадки алюминия, ва­ надия, титана, циркония и молибдена. Способствует также образо­ ванию более мелкого зерна термическая обработка металлов, за­ ключающаяся в нагреве стали до требуемой температуры, а затем быстром охлаждении.

8

При использовании для работы в условиях низких температур среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей рекомендуется подвергать их закалке и высокому отпуску особенно в тех случаях* если эти стали в процессе эксплуатации претерпевают динамиче­ ские нагрузки.

Для работы при температурах ниже —50° С следует использо­ вать низколегированные высокопрочные стали с небольшими до­ бавками никеля, меди, марганца, хрома, кремния, циркония, вана­ дия, молибдена и др. Если такие стали будут подвергнуты закал­ ке и высокому отпуску, они могут с успехом работать при темпе­ ратурах до —100° С. При более низких температурах (от —130 до —185° С) и динамических нагрузках могут быть использованы ста­ ли, легированные никелем в количестве от 8,5 до 13%. Для обору­ дования, применяемого для хранения сжиженного газа, а также для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе в особо холодном климате или на большой высоте, находят применение не­ ржавеющие аустенитные стали, отличающиеся высокой прочно­ стью, пластичностью и ударной вязкостью. Аустенитные стали ма­ рок типа 1Х18Н9Т даже при температуре —200° С подобно цвет­ ным металлам, имеющим гранецентрированную кристаллическую решетку, сохраняют высокие значения ударной вязкости. Эти стали более пригодны для работы при низких температурах, чем феррит­ ные и перлитные нержавеющие стали, у которых ударная вяз­ кость при понижении температуры уменьшается. Некоторые из этих сталей теряют почти до 90% своей сопротивляемости удару при по­ нижении температуры до —20° С по сравнению с вязкостью при комнатной температуре.

В отдельных случаях для работы в условиях низких темпера­ тур применяют бессемеровскую сталь, выплавленную по особой, улучшенной технологии.

В ряде случаев рекомендуется применение меди, алюминия и их сплавов.

Алюминий и его сплавы начинают находить все более широ­ кое применение как за рубежом, так и у нас в стране при изготов­ лении сварных конструкций, например, железнодорожных ваго­ нов, корпусов морских судов, мостовых кранов и т. д. В приборо­ строении, которое развивается (в связи с автоматизацией) весь­ ма быстрыми темпами, находят применение и многие другие ме­ таллы (свинец, магний, никель, цинк, олово).

Ударная вязкость алюминия, меди, никеля и свинца при пони­ жении температуры увеличивается. Поэтому эти металлы и их сплавы пригодны для работы при любых низких температурах. Магний при температуре —60° С сохраняет половину своей перво­ начальной ударной вязкости. Ударная вязкость магниевых сплавов, хотя и понижается при низких температурах, но во многих случаях оказывается вполне достаточной. Механические свойства никеля » его сплавов при низких температурах вполне удовлетворительны. Цинк и олово являются металлами наиболее чувствительными

9

к понижению температуры и поэтому не пригодны для работы при низких температурах. Цинк становится хрупким уже при —il7,8°C. Олово теряет свою вязкость при температуре около —30° С.

СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАРАБАНОВ КОТЛОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Долгое время применявшаяся в отечественной промышленности для изготовления барабанов котлов и других сосудов высокого дав­ ления углеродистая конструкционная сталь марки 22К обладает рядом недостатков, связанных с повышенным содержанием в ней углерода (до 0,26%). Металл шва из стали 22К (при всех видах сварки) склонен к образованию кристаллизационных трещин. Околошовная зона под действием термического цикла сварки (пе­ регрев при электрошлаковой сварке и при некоторых режимах ав­ томатической сварки под флюсом и закалка при ручной дуговой сварке) становится хрупкой, что заставляет производить после­ дующую термическую обработку конструкций. Большим недостат­ ком этой стали является высокая температура (около 0°С) пере­ хода ее в хрупкое состояние, если она термически необработана, что затрудняет использование стали 22К для конструкций, рабо­ тающих на открытом воздухе. Указанные недостатки заставили изыскать замену стали марки 22К Другой сталью, обладающей луч­ шими свойствами.

Хорошо зарекомендовала себя низколегированная сталь марки М следующего химического состава: не более 0,12% С; 1,3—1,7% Мп, 0,3—0,6% Si; 0,15—0,4% Си; 0,01—0,03% Ti; не более 0,3% Сг; 0,3% Ni; 0,45% S и 0,04% Р. Из этой стали изготовляют аппаратуру для химического и пищевого производства, конструк­ ции для судостроения и транспортного машиностроения, а также сосуды, работающие под высокими давлениями. Все указанные из­ делия изготовляли ранее из проката толщиной менее 70 мм. Для котлов высокого давления требуется сталь толщиной до 160 мм.

Как показали исследования свойств стали марки М толщиной

безусловно облегчает процесс сварки. В то же время повышен­ ное содержание марганца и кремния обеспечивает ее высокие прочностные характеристики, а дополнительное легирование медью повышает антикоррозийные свойства. Сочетание низкого содержа­ ния углерода и повышенной концентрации марганца снижает хладноломкостьстали. Также уменьшает хладноломкость и улуч­ шает свариваемость стали легирование ее ферротитаном. Исследо­ вание свойств стали показало, что увеличение толщины ее в исход­ ном состоянии и после отпуска сравнительно мало снижает удар­ ную вязкость и значительно повышает критическую температуру перехода в хрупкое состояние. Было показано также благотвор­ ное влияние нормализации на снижение критической температуры перехода в хрупкое состояние, причем за критическую темпера-

10