Причины образования пор в сварных соединениях труб с трубными досками из сплавов титана

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Причины образования пор в сварных соединениях труб с трубными досками из сплавов титана

02.11.2020

К соединениям труб с трубными досками в теплообменных аппаратах, применяемых в судостроении, предъявляются очень высокие требования по плотности и прочности.

Ранее при изготовлении теплообменных аппаратов крепление труб в трубных досках производилось с помощью развальцовки, т. е. плотность соединения обеспечивалась только с помощью механической раздачи. Упругая сила сцепления в процессе эксплуатации изделия постепенно исчезает. Это может привести к нарушению плотности соединения, что в энергетических аппаратах совершенно недопустимо. В связи с этим в настоящее время крепление труб в трубных досках из титана производится с помощью сварки, чем достигаются необходимая плотность и прочность соединений. Для достижения большей прочности иногда сочетают сварку с предварительной развальцовкой.

Как показал опыт изготовления теплообменных аппаратов, в сварных соединениях наблюдаются различные дефекты: поры, включения вольфрама, отклонения от оптимальной геометрической формы шва и др. Причем до настоящего времени не было разработано метода обнаружения внутренних дефектов без разрушения сварного шва.

Метод рентгенопросвечивания сварных соединений труб с трубными досками, разработанный в ЦНИИ металлургии и сварки, неприменим для всех видов соединений и диаметров труб. В связи с этим контроль соединений труб с трубными досками производится в ряде случаев косвенным методом — по шлифам образцов свидетелей, изготовленных одновременно с теплообменным аппаратом.

После выявления недопустимых дефектов (на образцах-свидетелях) необходимо было производить 100%-ный ремонт всех соединений теплообменного аппарата. В связи с этим остро встал вопрос о мерах, предотвращающих появление дефектов в процессе сварки Причины возникновения таких дефектов, как несплавления, вольфрамовые включения, уменьшение геометрических размеров, в основном ясны и имеется ряд способов для недопущения их образования. Более сложным является вопрос о порообразовании. По статистическим данным, поры являются основным дефектом в сварных соединениях труб с трубными досками Сечение сварного шва мало (в отдельных случаях оно составляет всего 50% толщины стенки трубы), и наличие пор может привести к снижению прочности и нарушению плотности соединения.

Вопросы о порообразовании в сварных швах титановых конструкций до сих пор изучены недостаточно полно. Мнения исследователей относительно основной причины возникновения пор значительно расходятся. Так, например, Баррет пришел к выводу, что причиной пористости является излишний остаток магния. А.И. Горшков и Брошер считают главной причиной образования пористости избыток влаги. Брошер также утверждает, что повышение чистоты металла и защитного газа по водороду в его опытах не привело к снижению пористости. Одной из причин порообразования считают наличие в сварном шве инертных газов аргона или гелия. Многие исследователи считают причиной порообразования отсутствие надлежащей чистоты поверхности свариваемого металла и наличие на его поверхности абсорбированной влаги и газов.

Из краткого обзора литературы следует, что одной из основных причин (по мнению большинства авторов) являются повышенное содержание водорода в сварочной ванне и ухудшение условий его растворимости. Наличие в шве примесей, в частности кислорода и углерода, уменьшает растворимость водорода в титане и способствует увеличению пористости.

В металл шва может попадать водород, содержавшийся ранее в основном и присадочном металлах (в твердом растворе и в виде гидридов), на их поверхности (адсорбированный) и в инертных газах.

На порообразование в сварных соединениях труб с трубными досками влияют многие из указанных факторов. Так как сварка труб с трубными досками производится, как правило, без присадки, металл сварного шва состоит полностью из основного металла, имеющего повышенное содержание водорода (по сравнению с содержанием его в присадочном материале).

Содержание водорода в основном и присадочном материалах (по техническим условиям на их поставку) не должно превышать для листов и труб 0 01% и для присадочного материала — 0,002%.

Если считать, что возможность образования пор, основной причиной появления которых является повышенное содержание водорода, зависит от давления молекулярного водорода в газовом пузырьке, то для образования газового пузырька необходимо выполнение условия
Причины образования пор в сварных соединениях труб с трубными досками из сплавов титана

где Pн — давление водорода в газовой поре;

Pнн — атмосферное давление;

hу — металлостатическое давление;

2о/r— давление поверхностной пленки;

r — радиус газового пузырька.

В свою очередь

где [Н] — содержание водорода в жидком металле;

[H0] — предельная растворимость водорода при температуре плавления ([Ho]=0,002%).

Тогда для расплавленного основного металла, содержащего 0,008% H2, Pн = 16 атм, а для случая наплавки на полосу сплава BT1 в отожженном состоянии при содержании водорода в сплаве равном 0,002% Pн = 1 атм.

Из приведенных данных видно, что при сварке без присадки вероятность порообразования значительно возрастает, так как несоизмеримо выше давление газа в пузырьке по сравнению с давлением, возникающим при сварке с присадкой.

Неблагоприятным фактором при сварке труб с трубными досками является также большая площадь поверхности расплавляемого металла по сравнению с площадью этой поверхности при сварке без зазора.

В случае наплавки кольцевого шва на плоскость поверхность расплавляемого металла составляет

где dт — внутренний диаметр трубки;

b — ширина шва.

Площадь поверхности зазора, подвергаемого переплаву, равна АS = 2п(dт + b) Н, где b — толщина стенки трубы, H — высота сечения шва.

Таким образом, увеличение площади поверхности можно определить по формуле

Для труб размером 16x1,5 мм при глубине шва 0,1 см и ширине 0,3 см K = 1,43.

Так как на поверхности металла может содержаться большое количество газов (по данным работы, содержание адсорбированного кислорода превышает содержание абсорбированного в 5 раз), сварка с зазором способствует повышению пористости.

Сам зазор в корне шва содержит зародыши пор, особенно при сварке после предварительной развальцовки, когда в месте зазора уже до сварки возможно образование газовых объемов. Кроме того, в процессе вальцовки в зазор могут попасть смазочные масла и другие вещества, а в результате раздачи взрывом — продукты сгорания.

При выборе направлений исследования целесообразно было определить влияние указанных факторов на порообразование. Влияние содержания водорода и других газов в свариваемом металле, а также площади абсорбционной поверхности, подвергаемой расплавлению, в данной работе не рассматривалось, так как имеется ряд работ, освещающих эти вопросы. Основные направления исследования при проведении опытов определялись специфическими факторами, свойственными только соединениям труб с трубными досками.

Исследовалось влияние на порообразование метода раздачи труб, а также смазочных веществ, применяемых при вальцовке. В качестве материала для изготовления образцов применялись листы из сплава 48-ОТЗВ толщиной 26 мм (4.38—4,42% Al; 1,5—1,6%V; 0,08% Fe; 0 07% Si; 0,04% С; 0,12% О2; 0.04% N2; 0,007% H2) и трубы размером 13х1,5 мм из сплава 48-Т7 (1,90—2,34% Al; 2,00—2,93% Zr; 0,06—0,17% Fe; 004—0.09% Si; 0,03—0,06% С; 0,10—0,18% O2; 0,02—0,04% N2; 0,001—0,007% H2).

Для изготовления образца по оптимальному варианту поверхность пластины обрабатывалась с чистотой V4, поверхность отверстий в трубной доске — с чистотой V6. Конструктивные размеры при сборке выдержаны в соответствии с рис. 1, трубки и доски непосредственно перед сваркой обезжирены в спирте-ректификате. Сварка производилась на автомате АГ 12-25 на режиме: Iсв = 80—90 a, Uд = 10—11 в, время сварки одного соединения 11—12 секунд, расход аргона 10—12 л/мин.

По каждому варианту было изготовлено не менее 10 соединений Оценка пористости производилась путем замера с помощью микроскопа МПБ-2 диаметра пор при увеличении в 24 раза с послойным шлифованием сварных соединений через каждые 0,2 мм. Результаты исследований приведены на рис. 2—4.

Для характеристики пористости использовалась величина EF/N — показатель пористости (ЕF — суммарная площадь пор во всех соединениях одного исследуемого варианта, N — количество сварных соединений в одном варианте).

Как видно из рис. 2, наиболее целесообразна сварка без развальцовки. В случае же применения развальцовки лучшие результаты получаются при дорновке или раздаче взрывом с использованием защитного приспособления. Механическая развальцовка, особенно ленточно-винтовая, способствует резкому увеличению порообразования. Особо нежелательно применять смазку в процессе развальцовки (рис. 3). В смазочных маслах, называемых тяжелыми, имеются углеводороды, содержащие углерод и другие элементы, которые попадают в процессе сварки в шов и уменьшают растворимость водорода и тем самым, вероятно, способствуют повышению парциального давления водорода и появлению пористости. Эти элементы могут, видимо, и сами присутствовать в порах.

В случае необходимости вальцовку целесообразно проводить при охлаждении инструмента спиртом-ректификатом,

При изготовлении аппаратов менее ответственного назначения, когда необходимо проводить вальцовку с применением смазки, целесообразно свариваемые кромки перед сваркой покрывать реагентом (фтористый кальций, разведенный на спирту). Имеется предположение, что влияние фтористого кальция на уменьшение склонности к порам при высоких температурах объясняется наличием пленки шлака, содержащего фтористый кальций, который вступает в реакцию с водяным паром, связывая водород в прочное летучее соединение HF. Направление реакции в соответствии с рачетом свободной энергии будет благоприятным, т. е. слева направо, в интервале температур от 1730° до температуры кипения фтористого кальция. Температура затвердевания титана 1670°, поэтому реакция не проходит полностью. Диссоциация водяного пара не изменяет направления реакции вследствие высокой энтропии газообразного фтористого кальция. Ho так как результаты опыта вполне определенно свидетельствуют о снижении склонности металла к порам при нанесении фтористого кальция, следует сделать вывод, что в газовой фазе с поверхности сварочной ванны проходят основные реакции:

В соответствии с расчетом свободных энергий, отнесенных к одному молю фтористого водорода, в работе показано, что при температурах ниже 4000° наиболее вероятна первая из указанных реакций, возможна также вторая реакция; третья реакция в этих условиях может идти только справа налево.

Таким образом, поскольку в данном интервале температур фтористый водород является термически прочным, происходит связывание водорода и дегазация металла сварочной ванны.

Показатель пористости в случае применения пасты снижается до 0,168 мм2 на одно соединение (при вальцовке без пасты пористость составляла более 2 мм2 на одно соединение). Защитные приспособления типа резиновой рубашки, надеваемой на трубку, несколько уменьшают пористость, однако показатель пористости в этом случае остается очень высоким — 1,482 мм2 на одно соединение.

Значительный интерес представляет определение размеров пор в соединениях, выполненных по различным технологическим вариантам.

Результаты статистического анализа размеров пор, произведенного при изготовлении штатных теплообменных аппаратов типа ОПВ в заводских условиях, показывают, что при сварке без вальцовки в шве образуются поры диаметром не более 0,3 мм (рис. 4). При сварке после вальцовки максимальный диаметр пор возрастает на 60% и достигает 0,5 мм, причем количество пор также резко увеличивается.


Подтверждением того, что основным источником порообразования являются газы или другие примеси в кольцевом зазоре, служит диаграмма (рис. 5), иллюстрирующая расположение пор по ширине шва. Из диаграммы видно, что основная часть пор (70%) расположена над кольцевым зазором. Над трубкой находится 20% пор, а над трубной доской — всего 10 %.

Статистические данные о местоположении пор в зависимости от их диаметра приведены на рис. 6, из которого видно, что поры малого диаметра (0,1 мм) находятся в нижней части шва и имеют сферическую форму. Поры большего диаметра (до 0,5 мм) находятся выше линии сплавления, при этом чем больше диаметр поры, тем выше она расположена. Если принять, что радиус пузыря определяется по формуле

где b — толщина слоя металла, через которую диффундирует газ,

Рн.п — плотность насыщенного пара;

Лм — удельная теплота испарения металла;

D0 — коэффициент диффузии;

Pг — равновесное давление газов, определяемое их концентрацией в металле;

о — поверхностное натяжение металла;

Рвн.д — разность между равновесным давлением газов и давлением в полости;

t — время нахождения металла в расплавленном состоянии;

hу — гидростатическое давление, то, вероятно, длина радиуса 0,05—0,1 мм является критической, после достижения которой газовый пузырек начинает спонтанно увеличиваться в размерах и всплывать. Можно предположить, что в процессе всплытия пузырек продолжает увеличиваться в размерах за счет уменьшения разности ЕРвн.д в формуле (5), так как он проходит слои жидкого металла, содержащего водород больше его предельной растворимости, которая, по данным работы, составляет 0,002%.

Выводы


1. Основной причиной порообразования при сварке невальцованных труб с трубными досками из титана и его сплавов является наличие газов или других загрязнений в кольцевом зазоре соединения.

В процессе раздачи труб перед сваркой создаются газовые объемы между стенкой трубы и трубной доской, являющиеся, по-видимому, зародышами газовых пор.

2. Наилучшие результаты получаются при сварке невальцованных соединений. В случае применения вальцовки меньшая пористость наблюдается при дорновке и раздаче взрывом с использованием защитного приспособления, большая — при механической развальцовке, особенно с применением смазки; понижение пористости в этом случае достигается нанесением на свариваемые кромки пасты из фтористого кальция, разведенного на спирте.

3. В верхней части шва наблюдаются поры большего диаметра, очевидно, вследствие того, что газовые пузырьки в процессе всплытия увеличиваются в размере за счет поглощения водорода, растворенного в металле жидкой ванны.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: