Разработка и исследование методов нанесения защитных коррозионно-стойких покрытий для повышения коррозионной стойкости неразъемных соединений сталей аустенитного класса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка и исследование методов нанесения защитных коррозионно-стойких покрытий для повышения коррозионной стойкости неразъемных соединений сталей аустенитного класса

Сараев Ю.Н, д-р техн. наук, Селиванов Ю.В., инженер

Г. Томск, Россия, ИФПМ СО РАН

Оборудование, изготовленное из сталей аустенитного класса таких производств как химического и радиохимического, работает в жестких условиях, контактируя с активными кислыми средами, высокими температурами, веществами вызывающими как эрозию рабочих поверхностей, так и интенсивный коррозионный износ [1]. Величина износа поверхностей основного металла контактирующих с кислой рабочей средой достигает 0.1 мм/год. Однако, зона термического влияния (ЗТВ) сварного соединения разрушается с большей скоростью, и может достигать 5 ч 10 мм/год, развиваясь до сквозного разрушения ЗТВ [2]. Это требует больших затрат на восстановление работоспособности оборудования, поскольку требуется полная замена, вышедших из строя его частей и деталей.

В настоящее время восстановление работоспособности оборудования изготовленного из сталей аустенитного класса осуществляется способами ручной аргонодуговой наплавки (РАДН) и ручной электродуговой наплавки (РДН).

Однако данные приёмы восстановления работопригодности сварного соединения не обеспечивают существенного продления срока эксплуатации оборудования, а в некоторых случаях даже снижают его. Кроме того, требуемое качество покрытий выполняемых РАДН и РДН, особенно в монтажных условиях, могут обеспечивать только сварщики очень высокой квалификации.

Сдерживающим фактором применения на производстве иных приёмов ремонта посредством наплавки изношенных поверхностей, является отсутствие оборудования, посредством которого было бы возможно их применение.

В последние годы в мировой практике сварочного производства стало применяться оборудование нового поколения, посредством которого можно реализовать технологические приёмы, позволяющие не только повысить производительность процесса, но и способствующие существенному улучшению структуры металла шва и ЗТВ, а так же повышению эксплуатационных показателей сварных соединений в целом. Как правило, такое оборудование содержит блоки управления энергетическими параметрами реализуемого технологического процесса в зависимости от состояния сложной электродинамической системы: источник питания-дуга-сварочная ванна-изделие, контролируемой через каналы обратных связей. При этом алгоритмы управления энергетическими параметрами технологического процесса, могут быть различными и определяются решаемыми технологическими задачами.

Одним из перспективных направлений совершенствования технологических процессов является способ РДН с импульсным изменением энергетических параметров режима [3]. Этим способом можно реализовывать дозированное повторяющееся по заданной программе тепловложение в обрабатываемое изделие и тем самым, обеспечивать управление процессами формирования структуры металла шва и ЗТВ. Эксперименты показали, что данный способ сочетает простоту организации работ, производительность свойственную РДН и обеспечивает качество, характерное для покрытия, наносимого РАДН.

Формируя наплавленное покрытие посредством способа РДН с импульсным изменением энергетических параметров режима, обеспечивается возможность получения более мелкодисперсной структуры с размером зерен в пределах 3ч6 мкм практически во всех слоях сварного шва. В этом случае на этапе формирования металла шва из расплава на металл сварочной ванны действует периодическое газодинамическое воздействие, приводящее к интенсивному перемешиванию расплавленного металла. Это способствует выравниванию температуры расплава, разрушению крупных зерен и ветвей дендритов, образующихся в хвостовой части сварочной ванны на границе фронта кристаллизации, и, как следствие образованию множества новых центров кристаллизации [4].

ЗТВ наплавленного покрытия, наносимого данным способом, достаточно узкая. В этой связи, можно отметить то, что на этапе нормализации в ЗТВ не отмечается заметного роста зерна, что свидетельствует о том, что температура металла вблизи шва не превышает 1000 °С. Отмеченное обстоятельство, на наш взгляд, и является граничным условием, наличие которого препятствует росту структурных элементов ЗТВ [5, 6].

Несмотря на вышеупомянутые микроструктурные особенности сварных швов и их ЗТВ, сами технологические процессы ручной дуговой наплавки с импульсным изменением энергетических параметров режима, обеспечивающие повышение коррозионной стойкости сварных соединений сталей аустенитного класса изучены недостаточно.

Целью данной работы является разработка и исследование методов нанесения защитных коррозионно-стойких покрытий, обеспечивающих повышение коррозионной стойкости неразъемных соединений сталей аустенитного класса.

Материал и методы исследований

Исследования проводились с использованием, как основного металла листового проката стали аустенитного класса типа 12Х18Н10Т в состоянии поставки, так и на образцах сварных соединений со стандартной разделкой кромок, из пластин размером 300Ч100Ч10 мм. Образцы сварного соединения изготавливались сваркой в стык (тип шва С17) пластин размером 300Ч100Ч10 мм посредством дуговой сварки штучными плавящимися электродами (РД) в нижнем положении сварного шва постоянным сварочным током. В качестве сварочного и наплавочного материала применены штучные сварочные электроды типа ОЗЛ-36 и ЦЛ-11 диаметром 2 и 3 мм.

Нанесение наплавленного покрытия производилось РДН в режиме импульсного изменения энергетических параметров технологического процесса источником сварочного тока ФЕБ-315 «МАГМА».

Наплавленные валики наносились в нижнем, вертикальном и потолочном неповоротном положении защищаемой поверхности.

Технологические режимы тока наплавки выполненной способом РДН в режиме импульсного изменения энергетических параметров приведены в таблице 1.

Режимы формирования наплавки на плоскую поверхность посредством РДН в режиме импульсного изменения энергетических параметров

Таблица 1

Как было отмечено выше, основным видом разрушения оборудования, эксплуатируемого в кислых средах, является коррозионный износ основного металла и зон сварных соединений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для определения стойкости к коррозионному износу сварных соединений с наплавленными покрытиями провели сравнительные испытания в соответствии с ГОСТ 6032-2003. Испытания проведены в установке представленной на рис. 1.

Результаты и обсуждение

Полученная способом РДН с импульсным изменением энергетических параметров структура металла наплавки практически во всех пробах, указанных в таблице 1 пространственных положений поверхности, представлена в виде мелких зерноподобных дендритов, средний размер которых составляет 1ч8 мкм.

Рис. 2 Распределение зёрен по размерам в объёме металла сварных швов выполненных с импульсным изменением энергетических параметров режима (а) средний размер зерна 6.5 мкм и постоянным током (б) средний размер зерна 10.0 мкм.

Структура металла покрытия выполненного посредством РД представлена в виде грубых столбчатых дендритов. Необходимо отметить, что в ряде случаев можно наблюдать формирование трансдендритов развившихся из верхней части дендрита металла шва сварного соединения. Сравнительный анализ количественного состава зёрен в пробах сварных соединений показал, что при режиме сварки постоянным током наблюдается значительный разброс размера зерна (рис. 2) в центральной его части 5ч14 мкм. Неравновесные условия кристаллизации, незавершенность процессов диффузии и конвективного массопереноса обусловливают при этом химическую и структурную неоднородность металла сварного шва. С этим, по нашему мнению и связана низкая коррозионной стойкость всего сварного соединения в целом. Особую опасность представляют границы раздела между сварным швом и основным металлом, где возникает область, прошедшая отжиг при критических температурах, т.е. сенсибилизирующий нагрев.

Размещено на http://www.allbest.ru/

восстановление сварной соединение коррозионный

Коррозионные испытания проб шва образцов сварных соединений с наплавленным покрытием, выполненным РД постоянным током, в процессе испытаний, показали относительно низкую стойкость к МКК (рис. 3).

Наибольшие коррозионные разрушения проб наблюдаются в жидкой фазе, в фазе с максимальной коррозионной активностью и локализованы в ЗТВ - области с предельной сенсибилизацией сварного соединения.

Коррозионные разрушения, локализованные в ЗТВ, представляют собой типичную ножевую коррозию. На поверхности пробы величина раскрытия составила 0.2ч0.9 мм глубина до 2.4 мм . Коррозионный износ в объёме металла покрытия сравним с коррозией основного металла сварного соединения.

Картина коррозионного разрушения проб сварного соединения с наплавленным покрытием, выполненным посредством РД с импульсным изменением энергетических параметров режима, значительно отличается от базового варианта. К основному отличию необходимо отнести отсутствие ярко выраженной области с ножевой коррозией. Коррозионные разрушения представлены в основном в виде отдельных питтингов, локализованных в области ЗТВ. Анализ характера коррозионных разрушений ЗТВ сварных швов, проб находившихся в жидкой фазе среды для испытаний, выполненных, РД с импульсным изменением энергетических параметров режима показал, что коррозионным разрушениям в виде питтингов поражена поверхность, составляющая 36% от общей площади ЗТВ. Максимальный диаметр питтингов достигает 0.4 мм при глубине 0.3 мм. Причём с общей площади коррозионные разрушения в виде питтингов диаметром 0.4 мм и глубиной поражения металла 0.3 мм составляют ~ 5%.

При оценке коррозионной стойкости всего сварного соединения необходимо отметить, что наплавленный металл, нанесенный методом РДН с импульсным изменением энергетических параметров режима, имеет более высокую стойкость к коррозионному разрушению. На поперечном и косом сечении проб сварных соединений с наплавленным покрытием, разрушений коррозионного характера визуально установлено не было.

Выводы

1. Импульсно-дуговая наплавка покрытыми электродами позволяет влиять на форму и размер зёрен литой структуры наплавки и околошовной зоны. Сформированное таким способом покрытие и его ЗТВ более стойки к коррозионному износу.

2. Технологический процесс импульсно-дуговой наплавки обладает дополнительными регулировочными параметрами: длительностями паузы и импульса, значениями токов в импульсе и паузе, обеспечивающих наряду с общепринятыми технологическими параметрами наиболее эффективное управление требуемыми размерами металла шва и имеющих мелкодисперсную структуру, более стойкую к коррозионному разрушению.

3. Результаты данной работы можно рекомендовать для применения в технологических маршрутах, разрабатываемых для ремонта оборудования участвующего в переработке облучённого ядерного топлива.

4. Практическое применение новых методов наплавки для защиты от ускоренного разрушения зон сварных соединений оборудования предприятий повышенной опасности и вредности, увеличит его надежность и срок эксплуатации, а также обеспечит повышение техногенной безопасности функционирования опасных промышленных объектов.

Литература

1. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Селиванов Ю.В. Особенности поведения коррозионно-стойких покрытий, нанесённых методом импульсно-дуговой наплавки для защиты сварных соединений аустенитных сталей, работающих в кислых средах // “Новые промышленные технологии. - 2009. №1. - С. 26-32.

2. Механизм ножевой коррозии в соединениях стали Х18Н10Т/ Ю.Ф. Юрченко, Г.И. Агапов, Л.М. Глек, С.С. Павлов // Автоматическая сварка, 1970, № 10, С. 20 - 22.

3. Хромченко Ф.А., Анохов А.Е, Алехова И.А. Структура и свойства сварных соединений, выполненных пульсирующей дугой и стационарной дугой // Сварочное производство.- 1980. - №6. - С. 21-23.

4. Влияние режима сварки на структуру, распределение твёрдости и механические свойства в сварных соединениях паропровода /Ю.Н. Сараев, И.Н. Полетика, А.В. Козлов и др. // Сварочное производство. 2002. № 8. - С. 3_8.

5. Теория сварочных процессов /Под ред. В.В. Фролов, М.: Высшая школа. 1988. - 205, 559, 560 с.

6. Металлография железа: Справ, изд. /Пер. с нем./ Н. Лямбер, Т. Греди, Л. Хабракен, и др. Металлография, 1985. - С. 248.

Размещено на Allbest.ru