более глубоким и должен иметь более высокие физико

151
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
да при термоциклической нитроцементации
имеют большие значения, чем при обычном
процессе, т. е. циклическое изменение температуры ускоряет процесс диффузии углерода при
нитроцементации. Возможность такого явления
отмечена в работах [7, 8].
Заключение
В результате термоциклического воздействия на материал диффузионная подвижность
атомов насыщения в стали возрастает в 2,5–
3,0 раза. Анализ причин ускорения диффузионных процессов при термоциклическом воздействии позволяет сделать вывод о совместном влиянии следующих факторов: измельчения зерна
стали (т. е. влияние структурного фактора), степени прохождения фазовой перекристаллизации
при циклических нагревах и охлаждениях, возникновения внутренних напряжений и их релаксации за счет фазовой и структурной дилатации,
изменения плотности дефектов кристаллического
строения материала и термодиффузии, обусловленной наличием градиента температур по сечению изделия при термоциклировании.
Диффузионный слой, образованный при
термоциклической нитроцементации, является
более глубоким и должен иметь более высокие
физико-механические и эксплуатационные
свойства, что подтверждается проведенными
экспериментальными исследованиями [7, 8].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тихонов, А. С. Интенсификация ХТО сталей при
неизотермическом режиме насыщения / А. С. Тихонов,
С. Ф. Забелин, В. В. Белов // Термоциклическая обработка
деталей машин: тез. докл. Всесоюз. семинара. – Волгоград: НТО Машпром, 1981. – С. 102–106.
2. Влияние содержания азота на структуру и свойства
нитроцементованной стали / В. И Шапочкин [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2010. –
№ 9. – С. 12–18.
3. Шапочкин, В. И. Нитроцементация в условиях периодического изменения состава атмосферы / В. И. Шапочкин, Л. М. Семенова, Ю. С. Бахрачева // Материаловедение. – 2010. – № 8. – С. 52–58
4. Семенова, Л. М. Химико-термическая обработка
стали 20Х в условиях циклического изменения / Л. М. Семенова, С. В. Семенов, С. Н. Крайнова // Металловедение
и термическая обработка металлов. – 2003. – № 1. – С. 3–7.
5. О моделировании диффузии при термоциклическом воздействии на металл / Ю. А. Буевич [и др.] // Инженерно-физический журнал. – 1990. – Т. 2(58). – № 2. –
С. 278–284.
6. Попов, А. А. Теоретические основы химико-термической обработки стали / А. А. Попов. – Свердловск: Металлургиздат, 1962. – 120 с.
7. Забелин, С. Ф. Об активации и кинетической теоpии пpоцессов диффузионного насыщения металлов пpи
химико-теpмоциклической обpаботке / С. Ф. Забелин //
Материаловедение. – 2004. – № 7. – С. 17–21.
8. Забелин, С. Ф. Технологические основы процессов
химико-термоциклической обработки сталей / С. Ф. Забелин // Технология металлов. – 2004. – № 5. – С. 12–17.
УДК 621.791.019:669.788
Н. И. Егоров
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ
СВАРОЧНЫХ КРОМОК СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ РЕМОНТЕ
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: egorov_ni@mail.ru)
Проведены исследования по определению оптимальных режимов термической обработки сварочных
кромок для удаления растворенных продуктов. Результаты исследований апробированы в химической промышленности.
Ключевые слова: термообработка, стальные трубопроводы, ремонт, диффузия.
The optimal modes of the heat treatment of the welding edges to remove dissolve product were defined. The
study's results were tested in chemical industry.
Keywords: heat treatment, curing, steel pipes, repair, diffusion.
В химической промышленности при длительной эксплуатации трубопроводов транспортируемые продукты растворяются и диффундируют в структуре металла [1]. Перед
ремонтом проводят техническое освидетельствование с помощью ультразвуковой толщинометрии трубопроводов, и выявляются участки с
толщиной стенки менее допустимой величины.
Выявленные участки вырезаются и заменяются
новым металлом необходимой толщины. Замену осуществляют с помощью сварки нового металла и металла после длительной эксплуатации. Растворенные продукты (Н2, Cl, HCl и
другие) при сварке диффундируют из металла
трубопровода в металл шва, молезуются и образуют газовые поры или трещины водородной
хрупкости. Указанные дефекты являются недопустимыми. В целях исключения недопусти-
152
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
мых дефектов сварного шва перед сваркой сварочным кромкам проводят термообработку для
дегазации растворенных продуктов.
Для отработки технологии термической обработки необходимо определить оптимальные
температуру дегазации и время выдержки при
этой температуре. Чрезмерное увеличение температуры и времени выдержки термообработки
приводит к укрупнению зерен структуры и охрупчиванию их границ. Это снижает прочность
и пластичность металла, что недопустимо. Недостаточная температура и время выдержки
термообработки приводят к неполной дегазации растворенных продуктов, которые вызывают поры в сварном шве.
Для определения оптимальных температур
и времени выдержки термообработки проведены исследования температурной зависимости
десорбции и диффузии водорода в различных
сталях.
Для исследования параметров выхода растворенного водорода из металла использовалась вакуумная установка для газового анализа
при различных температурах [2]. При создании
установки использовались узлы эксхолографа
швейцарской фирмы «Бальцерс». В верхней
части установки располагается капсульная
печь 1. Графитовая капсула 2 выполняет функции тигля и нагревается проходящим электрическим током.
Рис. 1. Принципиальная схема и внешний вид вакуумной установки для анализа экстрагированного газа:
1 – образец; 2 – вакуумная печь; 3 – форвакуумный насос; 4 – газосборочный насос; 5 – газосборник; 6 – газовый хроматограф;
7 – калиброванный объем
Пока печь открыта, работает форвакуумный
насос 3 (рис. 1) и в системе создается предварительный вакуум. Когда печь закрывается, автоматически включатся газосборочный насос 4 и в печи создается вакуум 8×10-3 мм. рт. ст. По истечению времени предварительной откачки (60 с)
электромагнитный клапан V2 закрывается, включается нагрев печи, и образец нагревается до исследуемой температуры. Электрической схемой
предусмотрено как плавное, так и ступенчатое
регулирование тока в пределах 3–30А, что соответствует нагреву тигля до температуры 100–
2000 °С. Выделившиеся газы отсасываются газосборочным насосом 4 и транспортируются в газосборник 5. После окончания нагрева клапаны
V1 и V8 закрываются и открываются клапаны V4
и V7. Газоноситель (Ar) из баллона через редуктор, захватывая собранную газовую смесь, транспортирует ее на хроматограф 6 (ЛХМ–8МД).
Клапан V8 служит для выравнивания потоков газа через рабочую и сравнительную колонки хроматографа в период экстракции газа из образца.
Клапан V3 служит для нарушения вакуума после
анализа, когда открывается крышка печи для загрузки следующего образца.
Для исследования параметров процесса выхода растворенного водорода из образца применили метод ступенчатого нагрева от 100 °С
до 1000 °С с последующим плавлением с шагом в 100 °С. При каждой температуре производили выдержку до полного удаления водорода из образцов [3].
Полученные результаты по выходу диффузионного водорода из образцов, перешедшего
в эту форму из остаточного (растворенного) водорода, приведены на рис. 2.
Начальное количество растворенного водорода в исследованных сталях находится на уров-
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 2. Температурная зависимость относительного перехода остаточного (растворенного) водорода в диффузионный для различных сталей при нагреве ( Н диф / Н ост ) :
Ндиф – часть остаточного водорода, перешедшего в диффузионный при данной температуре; Ност – начальное количество остаточного водорода
уровне 0,5–1,5 см3/100 г. Первые порции диффузионного водорода обнаружены свыше 200 °С
(рис. 3). Наибольшее количество растворенного
водорода переходит в диффузионный в интервале температур 300…400 °С. По-видимому,
в этом температурном интервале молекулярный
водород в микропорах преодолел энергетический барьер, диссоциировал на атомарный и
вышел с поверхности образца. Поскольку наибольшее количество водорода выходит в интервале температур 300…400 °С, то оптимальной температурой термической обработки сварочных кромок является Топт = 400 °С.
Для определения оптимального времени
выдержки термообработки дегазации необходи-
Рис. 3. Температурная зависимость относительного содержания остаточного (растворенного) водорода для сталей различного класса на стадии нагрева:
Н Тост – количество остаточного водорода при данной температуре;
20
Н ост
– начальное содержание остаточного водорода
153
мо определить коэффициент диффузии водорода DH. Определение DH производили по методу
десорбции в вакуум [1]. Перед испытанием образцы насыщали водородом в специальной
многоместной электролитической ячейке с платиновым анодом. В качестве электролита использовали 0,1н.р–рH2SO4+0,5 г/литр тиомочевины. Плотность тока наводораживания составляла 0,75 mA/см². Измерение кинетики десорбции водорода в вакуум производили в
описанной выше вакуумной установке.
По данным скорости выхода водорода вычислялся коэффициент диффузии водорода DH
по формулам [1]:
а) для цилиндрических образцов:
R2 Q
DH = 2 ln 0 ,
(1)
μi t Q
где R – радиус образца; μ²i = 5,78; Q0 – начальное количество водорода в образце; Q – оставшееся количество водорода ко времени t;
б) для плоских образцов:
4h 2 8Q
(2)
DH = 2 ln 2 0 ,
πt πQ
где 2h – толщина образца.
Произведены исследования DH для сталей
различного химического состава. Исследовались
как присадочный металл Св-08, Св-08ГСМТ,
Св-08ГН2МТ, Св-03ХГН3МД, Св-Х16Н25М6АФ,
так и основной металл Ст3, 14Х2Н3МА,
18Х2Н3МА, 18Х2Н4МА, 08Х15Н5Д2Т, АК45 и
40ХН. Исследуемые стали относятся к ферритно-перлитному, перлитному, бейнитному, мартенситно-стареющему и аустенитному структурным классам.
На рис. 4 представлена зависимость коэффициента диффузии водорода от температуры
для стальных сварочных проволок ферритоперлитного класса различного химического состава. Полиморфное превращение для этих сталей находится в диапазоне 800–700 °С. Характер кривых зависит от химического состава
стали. Наибольшее влияние оказывает углерод.
С его увеличением уменьшается коэффициент DH.
Причем, химический состав влияет на общий
характер изменения DH в зависимости от Т. Для
сталей бейнитного класса в области γ-структуры существенных изменений для сталей различного химического состава не установлено.
Температурный интервал фазового превращения находится в диапазоне 500–400 °С. Ниже 100 °С отмечен перегиб, связанный с несовершенствами структуры (рис. 5). В области
154
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента диффузии водорода для сталей феррито-перлитного класса
Рис. 5. Температурная зависимость коэффициента диффузии водорода для сталей бейнитного класса на стадии охлаждения
α-структуры отмечено резкое изменение характера зависимости от химического состава стали.
Можно отметить существенное различие DH при
температуре 400 и 200 °С. Химический состав
стали изменяет и общий характер зависимости.
В γ-области характер прямых зависит от
степени легирования. С увеличением общего
количества легирующих элементов значение
DH уменьшается для соответствующих температур. Температурная область полиморфного
превращения для сталей различного структурного класса находится в диапазоне различных
температур.
Для ферритно-перлитных сталей в интервале
800–700 °С, для бейнитных 500–400 °С, для
мартенситно-стареющих в области 100 °С, а для
аустенитных эта температурная область не установлена в исследуемом диапазоне температур.
При комнатной температуре коэффициент
диффузии для исследованных сталей бейнитного класса находится на одном уровне (табл. 1).
Иcследовалось изменение температурной
зависимости коэффициента диффузии водорода
для сталей различного структурного класса, которые приведены на рис. 6. В α-области для
ферритно-перлитных и бейнитных сталей температурная зависимость DH не имеет монотонного характера. В области 200–100 °С наблюдается перегиб в температурной зависимости,
который, по-видимому, связан с молезацией
водорода в микропорах, приводящей к локализации напряжений и концентрации водорода,
препятствующей диффузии водорода
Для сталей бейнитного класса различного
химического состава в α-области температурная зависимость DH имеет различный характер.
Параметры температурной зависимости коэффициента диффузии водорода на стадии охлаждения ТЦС
⎛ Q⎞
DH = D0 ⋅ exp ⎜ − ⎟ , где: Т – температура, К
⎝ T⎠
γ − Fe
α − Fe(T > 200 − 100 D C)
Марка стали
α − Fe(T < 200 − 100 D C)
D0
Q
D0
Q
D0
Q
Св-08
2,73 ⋅ 10−2
6000
4,62 ⋅ 10−4
1360
1, 22 ⋅ 10−2
2600
Св-08ГСМТ
1,84 ⋅ 10−3
2940
9,33 ⋅ 10−5
512
4,99 ⋅ 10−3
2100
Св-08ГН2МТ
9,11 ⋅ 10−4
3640
4,10 ⋅ 10−4
1340
7, 45 ⋅ 10−3
2440
Св-03ХГН3МД
6,11 ⋅ 10−3
5120
2,69 ⋅ 10−4
1330
6, 43 ⋅ 10−4
1660
Св-07ХН3МД
4,97 ⋅ 10−2
7700
9,85 ⋅ 10−5
600
5,73 ⋅ 10−4
1430
Св-Х16Н25М6АФ
5, 26 ⋅ 10−4
3370
–
–
–
–
Ст-3
5,30 ⋅ 10−3
5130
1,07 ⋅ 10−4
990
3,51 ⋅ 10−2
3080
2830
−5
−4
2220
18Х2Н3МА
2,70 ⋅ 10
−4
6,13 ⋅ 10
1110
8,67 ⋅ 10
155
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Окончание таблицы
γ − Fe
α − Fe(T > 200 − 100 D C)
Марка стали
α − Fe(T < 200 − 100 D C)
D0
Q
D0
Q
D0
Q
18Х2Н4МА
1,15 ⋅ 10−3
4280
1,11 ⋅ 10−3
2720
5, 28 ⋅ 10−5
1150
14Х2Н3МА
2,75 ⋅ 10−4
2670
5,53 ⋅ 10−4
2430
4,54 ⋅ 10−5
1230
АК-45
1,11 ⋅ 10
−3
4280
−3
3750
−6
08Х15Н5Д2Т
5,06 ⋅ 10−4
3590
–
–
1,01 ⋅ 10−4
1980
40ХН
3,71 ⋅ 10−4
2500
6, 44 ⋅ 10−5
1070
6,34 ⋅ 10−2
3750
5,63 ⋅ 10
Причем характер зависимости отличается
от аналогичной зависимости у сталей ферритно-перлитного и бейнитного класса.
Это, по-видимому, можно объяснить закалочными явлениями в области ниже полиморфного превращения, которые не доходят до
8,72 ⋅ 10
730
завершения, что приводит к смешанной бейнитной структуре при комнатной температуре.
Для сталей мартенситно-стареющего класса
α-область недостаточно изучена, т. к. исследуемый интервал температур не охватывает полностью диапазон полиморфного превращения.
Рис. 6. Сопоставление температурной зависимости коэффициента диффузии водорода для сталей различных структурных классов
По приведенным результатам температурной зависимости коэффициента диффузии для
сталей различных структурных классов можно
посчитать оптимальное время выдержки tопт
при термической обработке сварочных кромок
для дегазации растворенных продуктов по
формуле:
h2
tопт ≥ 0,280
, с,
(3)
DH
где h – половина толщины стенки трубы или
аппарата, см; DH – коэффициент диффузии водорода при температуре термической обработки, см²/с;
Например, для стальной трубы толщиной
стенки 10 мм из стали Ст 3 при оптимальной
температуре Топт = 400 °С коэффициент диффузии водорода DH = 2,83 ⋅ 10−5 см²/с. Тогда оптимальное время выдержки:
0,52
tопт ≥ 0,280
= 2473 с или 41 мин.
2,83 ⋅ 10−5
156
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Приведенные результаты можно использовать для технологических рекомендаций по качественному проведению сварочных работ при
ремонте трубопроводов и оборудования. Результаты исследований были апробированы в
химической отрасли на Волгоградском ОАО
«Каустик» при ремонте трубопроводов, транспортирующих хлор и водород.
Выводы
1. При длительной эксплуатации трубопроводов транспортируемые продукты (Н2, Cl2, HCl
и другие) растворяются в структуре металлов
трубопровода и являются причиной дефектов
сварных швов.
2. Для исключения недопустимых дефектов
сварных швов при ремонте трубопроводов проводится термообработка сварочных кромок
перед сваркой.
3. Для определения оптимальной температуры термообработки проведено исследование
температурной зависимости выхода из стали
растворенного водорода. Установлено, что пер-
вые порции водорода выделяются при 200 °С.
Наибольшее количество водорода выделяется в
интервале температур 300–400 °С.
4. Для определения оптимального времени
выдержки термообработки определялась температурная зависимость коэффициента диффузии
водорода для ряда сталей. Предложена формула (3) для расчета оптимального времени
выдержки в зависимости от коэффициента диффузии и толщины стенки трубопровода.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Герцрикен, С. Д. Диффузия в металлах и сплавах в
твердой фазе / С. Д. Герцрикен, И. Я. Дехтяр. – М.: Физматиздат, 1960. – С. 564.
2. Определение коэффициента диффузии водорода в
условиях сварочного термического цикла / Э. Л. Макаров
[и др.] // МиТОМ. – 1981. – № 7. – С. 56–58.
3. Егоров, Н. И. Исследование параметров процесса
перехода остаточного водорода в диффузионный на
стадии нагрева термического цикла сварки / Н. И. Егоров //
Известия Волгоградского государственного технического
университета: межвуз. сб. науч. ст. № 11(59) / ВолгГТУ. –
Волгоград, 2009. – С. 148–150.
УДК 669.162.214.22
С. О. Гевлич**, С. А. Пегишева*, В. С. Козлов*
ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕГРАДАЦИИ СВОЙСТВ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
* Волгоградский государственный технический университет
** ООО «Экспертиза»
(e-mail: tm@vstu.ru)
В работе приведены возможные механизмы деградации свойств малоуглеродистых и низколегированных сталей, которые хорошо коррелируют с эксплуатационными данными, уточнена методика оценки деградации свойств в процессе эксплуатации металлоконструкций.
Ключевые слова: деградация свойств, термодеформационное и деформационное старение, рекристаллизация, разнозернистость.
In work possible mechanisms of degradation of properties steel with the low maintenance of carbon steel with
the low maintenance of alloying elements and steels which well correlate with the operational data are resulted, the
technique of an estimation of degradation of properties while in service a metalware is specified.
Keywords: degradation of properties, thermodeformation and deformation aging, recrystallization, steel with the
different size of grain.
Одним из проявлений предельных состояний металлоконструкций, работающих в интервале температур 100–300 оС, является так называемая деградация механических свойств металла. Обычно это выражается в снижении пластичности, часто фиксируется понижение
прочностных характеристик. В работах [1, 2]
для описания этого явления предложен механизм тепловой хрупкости. Показано, что понижение, например, трещиностойкости в малоуглеродистых и низколегированных сталях может
быть связано как с сегрегацией примесей по
границам ферритных зерен, так и с образованием карбидных фаз. Очевидно, что подобные явления – суть проявление общего механизма
старения. Старение в малоуглеродистых низколегированных сталях предполагает наличие некоторой остаточной пластической деформации.
Это условие отражено и в ГОСТ 9454–78 [3].
Нагрев до температур 200–250 оС дополнительно интенсифицирует этот процесс. Однако далеко не во всех конструкциях имеются условия
термодеформационной активации старения.
Так, например, применение горячекатаных труб