Металлорукава представляют собой довольно сложную сварную металлоконструкцию, состоящую из тонкостенной гофрированной сильфонообразной трубы, предназначенной для штуцерного соединения жестких трубопроводов между собой, а также соединения с источниками подачи (генераторами) и транспортировки газов, газожидкостных сред и жидкостей. Так как зачастую транспортируемые по трубопроводам вещества находятся под высоким давлением (до 25 атм) и относятся к числу достаточно агрессивных в коррозионном отношении, металлорукава изготавливают из высокопрочных нержавеющих хромоникелевых сталей.
Хромоникелевые стали содержат обязательно не менее 18 % Cr, 8 % Ni и относятся к аустенитному или аустенитно-ферритному классам коррозионностойких марок стали.
Наиболее сложный в сварочном отношении узел металлорукава представлен на рис. 1. Стакан, служащий для обеспечения качественной сборкиразборки соединений, приваривается к штуцеру вместе с сильфонообраз- ной гофрированной трубой и оплеткой, предохраняющей ее от повреждений в процессе монтажа и эксплуатации трубопроводов. Оплетка в значительной своей части также изготавливается из проволочного каркаса коррозионностойкой стали.
Рис. 1. Схема сварки металлорукава: 1 - штуцер, 2 - сильфон, 3 - оплетка, 4 - стакан, 5 - сварной шов
Все составные части металлорукавов перед сваркой подвергаются отжигу. В этом состоянии они имеют оптимальное сочетание структуры, близкой к равноосной (средняя величина зерна в поперечнике 90 мкм; среднее квадратичное отклонение - 30 мкм), прочностных свойств и пластичности (твердость – 180–200 HV; временное сопротивление разрыву, σв- 620–670 МПа; условный предел текучести, σ0,2 - 230–270 МПа).
Сварку плавлением для всех составных частей металлорукова можно осуществлять дуговым методом плавящимися или неплавящимися электродами с использованием расходуемой и присадочной проволоки соответственно или дополнительного кольца одинаковых со свариваемым материалом химического состава в среде инертных газов (TIG- или MIG-сварка). Однако, если учитывать, что не должно быть ни малейшего риска, связанного с потерей герметичности сварного шва, то в процессе сварки необходимо минимизировать влияние человеческого фактора. В этой связи предлагается попытаться разделить процесс сварки металлорукавов на две составные части. Сварку сильфона и штуцера проводить уже описанными выше TIG - или MIG-способами. Сварку же оплетки со стаканом и приварку их к штуцеру про- водить контактным методом (контактная шовная сварка). Здесь можно ослабить требования к сварному шву (герметичность не обязательна). Важно лишь, чтобы это соединение было достаточно прочным для исключения «сползания» оплетки при монтаже металлорукавов и необходимом изгибе. Если при этом встанет вопрос об эксплуатационной стойкости сварочных роликов, то он достаточно хорошо проработан. Серийно производятся высокопрочные жаропрочные и износостойкие медные сплавы типа БрНХК или БрНХК(Ф), которые уже давно и успешно используются при контактной точечной, шовной, рельефной сварке нержавеющей стали, нихромов, никелевых жаропрочных сплавов и ряда других материалов (сетки, ТЭНы, консервные банки, изделия приборостроения, электроники и т. д.). Электроды различных конструкций и формы или заготовки для их изготовления могут быть в ассортименте поставлены в любом количестве ЗАО «Астринсплав СК».
Рис. 2. Квазибинарный политермический разрез диаграммы состояния Fe-Cr-Ni-C
Все свариваемые части металлорукава в микроструктурном отношении находятся в точном соответствии с диаграммой состояния Fe-Cr-Ni-C, квазибинарный политермический разрез которой при фиксированном содержании Fe,Cr и Ni (74-18-8%) приведен на рис. 2. Из диаграммы следует, что в равновесном состоянии предельная растворимость углерода в стали указанного состава находится на уровне 0,04–0,05 % в интервале температур от комнатной до 700–800 0С. Выделения карбидов хрома (Cr, Fe)23С6 наблюдаются как внутри зерен, так и по их границам, причем распределение это достаточно неравномерное. Такую структуру с полным правом можно именовать аустенитно-карбидной (рис. 3 б, в). Наличие подобной структуры в коррозионностойких сталях химического состава, показанного на рис. 2, всегда приводит к некоторому упрочнению, снижению пластичности и коррозионной стойкости (особенно по границам зерен и в приграничных зонах). Последнее делает сталь склонной к межкристаллитной коррозии. Прокорродировавшая сталь делается совершенно хрупкой, образует трещины и ломается при малейшей деформации (Рис. 4).
Рис. 3. Микроструктура исследуемой стали: а - размер зерен, 250Х; б - выделения карбидов хрома, 320Х; в - выделения карбидов хрома, 1000Х
Причиной межкристаллитной коррозии или избирательного разрушения металла по границам зерен, как известно, является электрохимическая неоднородность структуры сплавов. Эта неоднородность проявляется в значительном отличии электрических потенциалов границ и приграничных областей зерен по сравнению с их телами, что определяется различием в концентрации хрома в этих областях. Кроме того, межкристаллитной коррозии и трещинообразованию как ее результату способствуют механические напряжения при выделении карбидных фаз по границам зерен, а также сегрегации ряда примесей.
Рис. 4. Характерные трещины в сварном шве: а - зарождение трещины, 800Х; б - развитие трещины, 80Х; в - тип сквозной трещины, 10Х
Известно также, что предупредить склонность стали к межкристаллитной коррозии можно двумя путями: 1) снизить содержание углерода до предельного значения, не превышающего 0,03 % (такие марки нержавеющих сталей существуют и в отечественной, и в зарубежной промышленности); 2) ввести в состав стали небольшое количество (0,8–1 %) более мощных, чем хром, карбидообразователей – таких, как титан, ниобий, тантал. Сродство этих элементов углероду существенно выше, чем у хрома. Они образуют более прочные карбиды по сравнению с хромом и железом, связывают углерод, оставляют весь хром в твердом растворе и тем самым устраняют интеркристаллитную коррозию. Карбиды Ti, Nb и Ta благодаря их нерастворимости в основе при высоких температурах не выделяются вновь по границам зерен, оказываются внутри рекристаллизованных зерен твердого раствора. Последнее также содействует устранению интеркристал- литной коррозии. Стали, содержащие титан, ниобий или тантал, выпускаются как в России, так и вне ее.
Микроструктура сварного шва является также и аустенитно-ферритной, причем ферритной фазы довольно много. Появление ее в составе нержавеющей стали аустенитного класса объясняется, во-первых, скоростью охлаждения сварного шва от температур плавления, а во-вторых, его химическим составом, так как известно, что в сталях, содержащих более 18 % хрома, может присутствовать богатая хромом α-фаза. Появление феррита в столь значительных количествах приводит к резкому снижению пластичности, а в условиях термических напряжений в сварной шве – к трещинообразованию (Рис. 4).
Таким образом, независимо от выбранных и доведенных до профессионального совершенства способов сварки, качество сварных соединений металлорукавов, в частности, герметичности соединения сильфон – штуцер, зависит от подбора оптимальных марок коррозионностойкой стали. Такой подбор необходим как для всех составных частей металлорукавов, так и для присадочной и расходуемой при сварке плавлением в среде защитных газов проволоки. Здесь возможно множество сочетаний материалов. Однако обязательным является сведение до минимума карбидообразования и уменьшение содержания феррита в аустенитной основе сварных швов. Первое достигается, как уже упоминалось выше, снижением содержания углерода в стали до уровня 0,03 % и/или дополнительным легированием ее Ti (Nb, Ta), а второе - легированием 2–3% молибдена.
Николаев А.К., профессор, д.т.н.,
журнал «РИТМ», февраль 2013 г.