Разработка и Инженерное Обоснование Усовершенствованной Технологической Карты Сварки Высоконапорного Трубопровода D273 × 21 мм из Стали 12Х1МФ

метки: Сталь, Сварка, Качество, Ползучесть, Длительный, Скорость, Трубопровод, Остаточный

Введение: Актуальность Задачи и Нормативно-Правовое Поле

Высоконапорные питательные трубопроводы, эксплуатируемые в составе теплоэнергетического оборудования ТЭС, являются элементами критической инфраструктуры. Они работают в условиях высоких температур (до 510 °C) и значительного внутреннего давления, что предъявляет исключительные требования к надежности и долговечности сварных соединений. Главной проблемой при сварке таких элементов, особенно изготовленных из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей перлитного класса, выступает склонность к образованию холодных трещин и наличие остаточных сварочных напряжений, которые в условиях высокотемпературной ползучести могут привести к преждевременному разрушению, а значит, и к остановке критически важных производственных мощностей.

Целью настоящей работы является разработка и детальное инженерное обоснование усовершенствованной технологической карты сборочно-сварочных операций для стыков трубопровода D273 × 21 мм из стали 12Х1МФ, обеспечивающей повышение качества сварных соединений и гарантированное снижение остаточных напряжений до допустимого уровня.

Нормативно-техническая база (НТД)

Сварные соединения питательных трубопроводов, работающих при температуре свыше 450 °C и давлении более 4,0 МПа, относятся, согласно классификации, к I категории надежности (III группа).

Проектирование технологии сварки таких объектов должно строго соответствовать требованиям федеральных норм и правил в области промышленной безопасности и руководящих документов.

Ключевыми нормативными документами, регулирующими процесс, являются:

1. РД 153-34.1-003-01 (РТМ-1с): «Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования».
2. РД 34.17.310-96: «Сварка, термообработка и контроль при ремонте сварных соединений трубных систем котлов и паропроводов ТЭС».
3. ГОСТ 20072-74: «Сталь теплоустойчивая. Технические условия» (регламентирует свойства основного металла 12Х1МФ).

Критерии к сварным соединениям, продиктованные НТД, включают:

• Равнопрочность: Механические свойства сварного шва должны быть не ниже свойств основного металла, как при нормальной (20 °C), так и при рабочей температуре (510 °C).
• Пластичность: Обеспечение требуемого относительного удлинения ($\delta_5 \ge 18\%$) для предотвращения хрупкого разрушения.
• Длительная прочность: Критически важный параметр для высокотемпературной эксплуатации, требующий точного соответствия химического состава наплавленного металла марке 12Х1МФ (тип Э-09Х1МФ).

Материаловедческое Обоснование Выбора Технологии

Химический состав и Свариваемость Стали 12Х1МФ

Сталь 12Х1МФ — это жаропрочная низколегированная сталь перлитного класса, легированная хромом, молибденом и ванадием (Cr, Mo, V), что обеспечивает ей высокую устойчивость к ползучести и длительную прочность при температурах до 570 °C.

Экономическая функция монет из драгоценных металлов: Инвестиционный ...

... ключевые факторы, определяющие ценообразование монет, включая формульный расчет стоимости металла и механизмы формирования нумизматической премии. Провести сравнительный анализ налогового бремени ... инвестиционной привлекательности необходимо отделить стоимость самого металла от надбавки (премии). Теоретическая стоимость металла в монете ($P_{металла}$) является отправной точкой и рассчитывается ...

Однако наличие легирующих элементов, особенно хрома и молибдена, и относительно высокое содержание углерода ($\approx 0,12\%$) делает эту сталь трудносвариваемой. Главная опасность заключается в образовании в зоне термического влияния (ЗТВ) хрупких закалочных структур (бейнита и мартенсита) при быстром охлаждении, что неминуемо ведет к образованию холодных трещин. Следовательно, выбор правильной технологии подогрева и термообработки является не просто рекомендацией, а технологической необходимостью.

Для количественной оценки склонности стали к образованию закалочных структур и холодному растрескиванию используется расчет углеродного эквивалента ($C_{\text{экв}}$) по формуле Международного института сварки (IIW):

$$C_{\text{экв}} = C + \frac{\text{Mn}}{6} + \frac{\text{Cr} + \text{Mo} + \text{V}}{5} + \frac{\text{Ni} + \text{Cu}}{15}$$

Принимая средний химический состав стали 12Х1МФ, как указано в техническом задании: $C \approx 0,12\%$, $\text{Mn} \approx 0,55\%$, $\text{Cr} \approx 1,05\%$, $\text{Mo} \approx 0,30\%$, $\text{V} \approx 0,23\%$, $\text{Ni} \approx 0,30\%$, $\text{Cu} \approx 0,20\%$, получаем:

Cэкв ≈ 0,12 + 0,55/6 + (1,05 + 0,30 + 0,23)/5 + (0,30 + 0,20)/15 ≈ 0,12 + 0,092 + 0,316 + 0,033 ≈ 0,56%

Значение $C_{\text{экв}} \approx 0,56\%$ существенно превышает критический предел $0,45\%$. Этот количественный показатель строго обосновывает необходимость жесткого технологического контроля: обязательное применение высокого предварительного подогрева и последующей высокотемпературной термической обработки (отпуска).

Выбор Основных и Сварочных Материалов

Для обеспечения равнопрочности и требуемой длительной прочности при 510 °C сварочные материалы должны быть легированы по типу основного металла (Cr-Mo-V).

Параметр	Основной металл (12Х1МФ)	Электроды (ТМЛ-3)	Проволока (Св-08ХМФА)
Тип по ГОСТ	Жаропрочная перлитная	Э-09Х1МФ (ГОСТ 9467-75)	Св-08ХМФА (ГОСТ 2246-70)
Применение	Трубопровод (стенка 21 мм)	Заполняющие/облицовочные слои	Корневой слой (АРДС)
Химический состав (Cr)	$\approx 1,05\%$	$0,80-1,25\%$	$0,9-1,2\%$
Химический состав (Mo)	$\approx 0,30\%$	$0,40-0,70\%$	$0,5-0,7\%$
Предел прочности ($\sigma_{\text{в}}$)	$\ge 540$ МПа	$\approx 570$ МПа	Обеспечивает равнопрочность

Выбор электродов ТМЛ-3У (тип Э-09Х1МФ) с основным покрытием обеспечивает низкое содержание водорода и высокие пластические характеристики металла шва после термической обработки, что критически важно для надежности. Проволока Св-08ХМФА для аргонодуговой сварки (АРДС) корневого слоя точно соответствует химическому составу основного металла и гарантирует минимальное количество неметаллических включений на внутренней поверхности.

Детальное Проектирование Технологического Процесса Сварки

Подготовка Кромок и Схема Сборки

Для труб большого диаметра с толщиной стенки $t = 21$ мм применяется разделка кромок типа ТР-2 (V-образная с притуплением и разделкой), как рекомендовано РД 153-34.1-003-01.

• Угол скоса кромок: $60^\circ$ (с учетом двух кромок — $30^\circ$ на каждую).

  Допустимый диапазон $60-70^\circ$.

• Притупление: $2,0 \pm 0,5$ мм.
• Зазор: $2,0 \pm 0,5$ мм.

Технологическое обоснование отказа от подкладного кольца

Традиционное использование подкладных колец в сварке высоконапорных трубопроводов из легированных сталей является источником серьезных проблем:

1. Концентратор напряжений: Кольцо представляет собой резкий переход сечения, который становится мощным концентратором напряжений, особенно в условиях циклической нагрузки и ползучести при 510 °C.
2. Эрозия: На внутренней поверхности кольцо может стать местом застоя среды, что ускоряет эрозионный износ.
3. Непровар: Вероятность образования непровара или шлаковых включений между кольцом и стенкой трубы высока.

Усовершенствованное решение: Полный отказ от подкладного кольца и применение точной сборки с использованием секторного приспособления (центратора). Секторное приспособление обеспечивает высокую соосность и жесткую фиксацию стыка, что критически важно для качества корневого шва, выполняемого АРДС. Это позволяет получить идеально сформированный обратный валик без внутреннего концентратора напряжений.

Комбинированный Метод Сварки: АРДС + РДС (ТМЛ-3)

Технологический процесс состоит из двух ключевых этапов, выбранных для оптимизации качества и производительности:

1. Сварка Корневого Слоя (АРДС):
   • Метод: Автоматическая или ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом (TIG/АРДС) с присадочной проволокой Св-08ХМФА.
   • Обоснование: АРДС обеспечивает максимальную чистоту металла, минимальное разбрызгивание и, что наиболее важно, идеальное формирование обратного валика без дефектов (непроваров, пор) на внутренней поверхности. Это является решающим фактором для снижения внутренних концентраторов напряжений.
2. Заполнение Разделки (РДС):
   • Метод: Ручная дуговая сварка (РДС) электродами ТМЛ-3У.
   • Обоснование: РДС с использованием электродов типа Э-09Х1МФ обеспечивает требуемые характеристики длительной прочности заполняющих слоев. РДС — высокопроизводительный метод, позволяющий быстро заполнить большую толщину стенки (21 мм) при строгом контроле межслойной температуры.

Порядок наложения валиков

Сварка стыка толщиной 21 мм ведется в 12–15 проходов. Для снижения деформаций и улучшения проработки ЗТВ (сварка «на проход») целесообразно использовать метод сварки двумя сварщиками, работающими одновременно, симметрично, с противоположных сторон трубы.

Слой	Метод сварки	Материал	Диаметр электрода/проволоки	Особенности
1 (Корень)	АРДС	Св-08ХМФА	Ø2,0-2,5 мм	Высокое качество проплавления, идеальный обратный валик.
2-3 (Горячий проход)	РДС	ТМЛ-3У	Ø3,0 мм	Быстрое прохождение, проковка корня, зачистка.
4-15 (Заполнение)	РДС	ТМЛ-3У	Ø4,0 мм	Сварка «каскадом» или «горкой» для снижения деформаций.

Инженерный Расчет и Ограничение Режимов Сварки (Предотвращение Разрушения)

Расчет и Ограничение Погонной Энергии (E)

Для легированных теплоустойчивых сталей, таких как 12Х1МФ, ключевым фактором, влияющим на эксплуатационную надежность, является предотвращение расширения мягкой разупрочняющей прослойки в зоне термического влияния (ЗТВ).

Эта прослойка образуется из-за перегрева металла в ЗТВ, что приводит к укрупнению зерен и снижению твердости (разупрочнению) по сравнению с основным металлом. В условиях длительной эксплуатации при 510 °C, эта мягкая прослойка становится зоной концентрации деформаций ползучести и наиболее вероятным местом разрушения. Если мы не ограничим погонную энергию, разве мы не подвергаем риску всю систему?

Для минимизации ширины этой прослойки необходимо строго ограничивать погонную энергию сварки ($E$).

Погонная энергия определяется по формуле:

$$E = \frac{U \cdot I \cdot \eta}{v_{\text{св}}}$$

Где:

• $E$ — погонная энергия, Дж/мм (или кДж/см).
• $U$ — напряжение дуги, В.
• $I$ — сварочный ток, А.
• $v_{\text{св}}$ — скорость сварки, мм/с.
• $\eta$ — коэффициент полезного действия процесса (для РДС $\eta \approx 0,8$).

Критическое требование: Для стали 12Х1МФ погонная энергия должна быть ограничена в диапазоне $10-20$ кДж/см. Сварка на повышенной энергии (более 25 кДж/см) категорически запрещена.

Режимы Сварки и Порядок Наложения Валиков

Для обеспечения требуемой погонной энергии и качества шва устанавливаются следующие режимы:

Таблица 2. Режимы сварки стыка D273 × 21 мм

Параметр	Корневой слой (АРДС)	Заполняющие слои (РДС, ТМЛ-3, Ø4,0 мм)
Сварочный ток ($I$)	$120-150$ А	$140-180$ А
Напряжение дуги ($U$)	$10-12$ В	$22-26$ В
Скорость сварки ($v_{\text{св}}$)	$1,5-2,0$ мм/с	$2,5-3,5$ мм/с
КПД ($\eta$)	$\approx 0,9$	$\approx 0,8$
Расчетная $E$ (кДж/см)	$\approx 8,1 — 10,8$	$\approx 10,5 — 12,8$

Пример расчета погонной энергии для заполняющего слоя (средние значения: $I=160$ А, $U=24$ В, $v_{\text{св}}=3,0$ мм/с, $\eta=0,8$):

$$E = \frac{24 \cdot 160 \cdot 0,8}{3,0} \approx 1024 \text{ Дж/мм} = 10,24 \text{ кДж/см}$$

Полученное значение $10,24$ кДж/см находится в допустимом диапазоне, что минимизирует разупрочнение ЗТВ. Это гарантирует, что зона, наиболее подверженная ползучести, сохранит достаточную прочность на протяжении всего срока службы трубопровода.

Управление Остаточными Напряжениями: Термическая Обработка Стыка

Режим Предварительного Подогрева

Как было доказано расчетом углеродного эквивалента ($C_{\text{экв}} \approx 0,56\%$), сталь 12Х1МФ обладает высокой склонностью к образованию холодных трещин. Единственный способ предотвратить это — замедлить скорость охлаждения стыка после сварки.

Требование: Предварительный подогрев стыка до температуры $200-300^\circ \text{C}$ обязателен, начиная с толщины стенки $t \ge 12$ мм. Поскольку $t=21$ мм, этот режим является критическим.

Подогрев должен быть равномерным по всему периметру в зоне шириной не менее 100 мм от стыка. Температура подогрева должна постоянно контролироваться термопарами или контактными термометрами.

Межслойная температура: Минимальная межслойная температура (температура предыдущего валика перед наложением следующего) не должна опускаться ниже температуры предварительного подогрева ($200^\circ \text{C}$).

Высокий Отпуск (Послесварочная Термообработка)

Послесварочная термическая обработка (ТМО) является обязательной для снятия остаточных напряжений, стабилизации структуры металла (превращение остаточного мартенсита/бейнита в более пластичные структуры) и восстановления пластических свойств в ЗТВ.

Для стыков из стали 12Х1МФ толщиной $t \ge 20$ мм и с температурой эксплуатации 510 °C применяется высокий отпуск.

Таблица 3. Температурный график высокого отпуска

Этап	Параметр	Значение	Обоснование
Нагрев	Скорость нагрева	Не более $100^\circ \text{C/час}$	Предотвращение градиентных напряжений и деформаций.
Выдержка	Температура	$\mathbf{720-750^\circ \text{C}}$	Обеспечение максимального снятия напряжений и стабилизации карбидной фазы.
Выдержка	Время	Не менее 3 часов	Расчетное время для толщины 21 мм (минимум 2,5 мин/мм толщины).
Охлаждение	Скорость (до $300^\circ \text{C}$)	Медленное (под теплоизоляцией)	Ключевой фактор: Минимизация остаточных напряжений, предотвращение охрупчивания.
Охлаждение	Скорость (ниже $300^\circ \text{C}$)	На воздухе	Ниже $300^\circ \text{C}$ структурные превращения завершены.

Обоснование медленного охлаждения: Медленное охлаждение после отпуска (до 300 °C) является критически важным для легированных сталей, поскольку предотвращает повторное образование напряжений, связанных с термическим градиентом, и исключает риск охрупчивания, связанного с выделением избыточных фаз при критических температурах. Именно этот этап окончательно формирует долговечную, пластичную структуру шва.

Методы Контроля Качества Сварных Соединений

Согласно РД 153-34.1-003-01, для стыков I категории трубопроводов высокого давления обязателен комплексный неразрушающий контроль (НТД).

1. Визуальный и Измерительный Контроль (ВИК)

Проводится до, в процессе и после сварки. Контролируются:

• Качество подготовки кромок, зазор, притупление.
• Соответствие размеров шва требованиям (отсутствие наплывов, подрезов, непроваров по кромкам).
• Формирование корневого шва (для АРДС: плавность перехода, отсутствие наплывов).

2. Ультразвуковой Контроль (УЗК)

УЗК по ГОСТ Р 55724-2013 является основным методом выявления внутренних дефектов (трещин, непроваров, шлаковых включений, пор).

• Оборудование: Используется дефектоскоп типа УД-12 (или аналогичный), настроенный на выявление дефектов, эквивалентных плоскодонному отражателю с площадью более 2 мм².
• Обязательность: 100% УЗК сварного соединения после проведения термической обработки.

3. Стилоскопирование (Химический контроль)

Стилоскопирование — это метод экспресс-анализа химического состава наплавленного металла, обязательный для легированных сталей.

• Цель: Подтверждение соответствия наплавленного металла (электроды ТМЛ-3) по содержанию легирующих элементов (Cr, Mo, V) требуемой марке (Э-09Х1МФ).
• Обоснование: Недостаток легирующих элементов в шве приведет к резкому снижению длительной прочности при 510 °C, делая соединение слабым звеном трубопровода.

4. Контроль Механических Свойств

Обязательные испытания контрольных сварных образцов (сварка-спутник) на растяжение, изгиб и ударную вязкость при 20 °C, а также определение длительной прочности при рабочей температуре.

Заключение и Выводы

Разработанная усовершенствованная технологическая карта сварки стыка высоконапорного питательного трубопровода D273 × 21 мм из стали 12Х1МФ основана на строгом инженерном и материаловедческом обосновании, учитывающем эксплуатационные риски при 510 °C.

1. Повышение Качества Сварного Соединения: Применение комбинированного метода (АРДС на корне + РДС/ТМЛ-3 на заполнение) позволило устранить критический концентратор напряжений (отказ от подкладного кольца) и гарантировать идеальное формирование внутренней поверхности шва, что является ключевым фактором долговечности.
2. Снижение Остаточных Напряжений: Необходимость жестк��го режима термообработки (подогрев $200-300^\circ \text{C}$ и отпуск $720-750^\circ \text{C}$ с медленным охлаждением) была количественно обоснована высоким углеродным эквивалентом ($C_{\text{экв}} \approx 0,56\%$), что гарантирует структурную стабильность и минимальный уровень остаточных напряжений.
3. Предотвращение Разрушения в ЗТВ: Строгое ограничение погонной энергии (не более 13 кДж/см) является превентивной мерой против расширения мягкой разупрочняющей прослойки, которая выступает основным источником разрушения при длительной ползучести.

Таким образом, предложенная технология полностью соответствует нормативным требованиям НТД (РД 153-34.1-003-01) для трубопроводов I категории и обеспечивает требуемую прочность, пластичность и длительную надежность сварного соединения при температуре эксплуатации 510 °C.

Список использованной литературы

1. РД 153-34.1-003-01 «Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования». Введ. 01.01.2001. Москва : Меганорм.
2. РД 34.17.310-96 Сварка, термообработка и контроль при ремонте сварных соединений трубных систем котлов и паропроводов. Москва : ГостРФ, 1996.
3. Режимы термообработки стыковых сварных соединений трубных элементов [Электронный ресурс] // StudFiles. URL: https://studfile.net/ (дата обращения: 09.10.2025).
4. Ультразвуковое исследование сварных соединений [Электронный ресурс] // Профиль Арма. URL: https://profil-arma.ru/ (дата обращения: 09.10.2025).
5. Ультразвуковой контроль сварных швов [Электронный ресурс] // ТеОС. URL: https://teoc.ru/ (дата обращения: 09.10.2025).
6. Сварочные электроды ТМЛ-3У (НАКС) [Электронный ресурс] // Magelectrod. URL: https://magelectrod.ru/ (дата обращения: 09.10.2025).
7. Электроды ТМЛ-3У — СпецЭлектрод [Электронный ресурс] // СпецЭлектрод. URL: https://spetselectrode.ru/ (дата обращения: 09.10.2025).
8. Св-08ХМФА / Проволока стальная сварочная [Электронный ресурс] // Техностали. URL: https://tehnostali.ru/ (дата обращения: 09.10.2025).
9. Характеристика стали 12Х1МФ, свойства и состав [Электронный ресурс] // Urs74. URL: https://urs74.ru/ (дата обращения: 09.10.2025).
10. Что такое формула углеродного эквивалента? [Электронный ресурс] // Ilongma. URL: https://ilongma.com/ (дата обращения: 09.10.2025).
11. Углеродный эквивалент [Электронный ресурс] // Narod.ru. URL: https://narod.ru/ (дата обращения: 09.10.2025).