Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимическом и энергетическом машиностроении. Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса содержит, мас.%: углерод 0,13-0,18, кремний 0,15-0,40, марганец 0,30-1,20, хром 1,5-2,5, никель 0,01-0,20, молибден 0,4-1,2, титан 0,01-0,15, ванадий 0,05-0,25, алюминий 0,005-0,05, медь 0,01-0,06, ниобий 0,001-0,01, кислород 0,001-0,005, олово 0,0001-0,001, сурьма 0,001-0,008, мышьяк 0,001-0,01, кобальт 0,005-0,02, азот 0,003-0,015, сера 0,001-0,006, фосфор 0,001-0,006, свинец 0,001-0,01, железо - остальное, при следующих ограничениях по соотношению элементов в сварочной проволоке: (0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13. Технический результат - повышение прочностных характеристик металла сварных швов при рабочих температурах до 450°C, с сохранением стойкости металла шва к тепловому охрупчиванию и высокого уровня пластичных и вязких характеристик. 5 табл.

 

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимии и атомном энергетическом машиностроении.

Для обеспечения надежности и долговечности оборудования металл сварного шва должен обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупковязкого перехода (Т_к0), стойкостью против тепловой хрупкости.

Значительная часть нефтехимического и энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2МФА, ТУ 108-131-86, которая содержит 2,5-3,0% Cr, 0,6-0,8% Mo, 0,25-0,35% V, обладает высокой прочностью и пластичностью при температуре эксплуатации до 450°C. Для сварки этой стали предусматривается применение сварочной проволоки марки Св-10ХМФТУ по ТУ 14-1-4914-90, содержащая в своем составе:

Углерод	0,07-0,12	Сера	не более 0,012
Кремний	не более 0,35	Фосфор	не более 0,010
Марганец	0,4-0,7	Никель	не более 0,3
Хром	1,4-1,8	Медь	не более 0,06
Титан	0,05-0,12	Алюминий	не более 0,05
Молибден	0,4-0,6	Азот	не более 0,015
Ванадий	0,20-0,35	Железо	Остальное

Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки по патенту Российской Федерации RU 2194602 C2, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %

Углерод	0,07-0,12	Кислород	0,001-0,005
Кремний	0,15-0,40	Олово	0,0001-0,001
Марганец	0,30-1,20	Сурьма	0,001-0,008
Хром	1,5-2,5	Мышьяк	0,001-0,01
Никель	0,01-0,20	Кобальт	0,005-0,02
Молибден	0,4-1,2	Азот	0,003-0,012
Титан	0,01-0,15	Сера	0,001-0,006
Ванадий	0,05-0,25	Фосфор	0,001-0,006
Алюминий	0,005-0,05	Свинец	0,001-0,01
Медь	0,01-0,06	Железо	Остальное

В настоящее время наблюдается тенденция к повышению рабочих параметров установок глубокой переработки нефтепродуктов с целью повышения их КПД, а именно увеличения давления и температуры до 450°C. При этом в основном металле, применяемом, в настоящее время, снижение прочностных характеристик при увеличении рабочих температур до 450°C практически не наблюдается. В то же время, в металле сварного шва, выполненного упомянутыми сварочными материалами при повышении рабочей температуры до 450°C, наблюдается значительное падение прочностных характеристик.

Недостатком указанного состава являются низкие прочностные характеристики при температурах эксплуатации нефтехимического оборудования 400-450°C.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочностных характеристик металла сварных швов при рабочих температурах до 450°C, с сохранением стойкости металла шва к тепловому охрупчиванию и высокого уровня пластичных и вязких характеристик.

Технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки ниобия и увеличением содержания углерода.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

Углерод	0,13-0,18	Кислород	0,001-0,005
Кремний	0,15-0,40	Олово	0,0001-0,001
Марганец	0,30-1,20	Сурьма	0,001-0,008
Хром	1,5-2,5	Мышьяк	0,001-0,01
Никель	0,01-0,20	Кобальт	0,005-0,02
Молибден	0,4-1,2	Азот	0,003-0,015
Титан	0,01-0,15	Сера	0,001-0,006
Ванадий	0,05-0,25	Фосфор	0,001-0,006
Алюминий	0,005-0,05	Свинец	0,001-0,01
Медь	0,01-0,06	Железо	Остальное
Ниобий	0,001-0,01

Нормирование содержания легирующих элементов выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень важнейших механических свойств. Кроме того, для избежания повышенного охрупчивания при технологических отпусках и эксплуатации сварных конструкций вводится следующее соотношение:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13

Увеличение прочностных характеристик достигается за счет повышения углерода в металле шва. Высокое содержание углерода обеспечивает получение закалочных структур и увеличение объемной доли карбидной фазы, что обеспечивает необходимые прочностные характеристики. При содержании углерода в проволоке более 0,18% наблюдается значительное снижение пластических и вязких характеристик металла сварного шва. Уменьшение содержания углерода менее 0,13% приводит к снижению прочностных характеристик металла шва при рабочих температурах, ниже требуемого уровня.

Как правило, повышение прочностных характеристик ведет к снижению вязких и пластических показателей металла шва. Для предотвращения этого явления металл шва модифицируется ниобием. В указанных пределах такое легирование способствует возникновению дополнительной мелкодисперсной фазы (карбиды ниобия) и измельчению зерен, увеличению протяженности их границ и, как следствие, более равномерному распределению примесей по объему. Дальнейшее повышение содержания ниобия приводит к укрупнению карбидов ниобия, что приводит к значительному охрупчиванию металла шва в ходе послесварочных отпусков и эксплуатации при рабочих температурах. При содержании ниобия в металле шва менее 0,001% его влияние практически не прослеживается.

На основании экспериментальных исследований было установлено оптимальное соотношение между углеродом и такими карбидообразующими элементами как хром, ванадий и ниобий, которое позволяет обеспечить высокую стойкость металла к тепловому охрупчиванию:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13

Невыполнение этого соотношения приводит к сильному охрупчиванию металла шва в результате длительных тепловых выдержек за счет того, что со временем легирующие элементы, не связанные в прочные карбиды, образуют хрупкие межзеренные интерметаллидные прослойки.

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения высоких прочностных характеристик при температуре эксплуатации сварных конструкций (400-450°C) и стойкости к охрупчиванию под воздействием длительных тепловых выдержек на металл сварных швов при сохранении требуемых характеристик вязкости и пластичности.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к тепловому охрупчиванию, или снижению характеристик прочности, пластичности и вязкости металла шва.

На производственной базе ОАО «МЗ «Электросталь» ЦНИИ КМ "Прометей" провел комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки. Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» были изготовлены сварные пробы в натурном сечении из стали марки 15Х2МФА и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств металла шва и основного металла представлены в табл. №2-5.

Из приведенных таблиц видно, несоблюдение соотношения в химическом составе проволоки карбидообразующих элементов и углерода ведет к значительному охрупчиванию металла шва после тепловых выдержек «Step Cooling», а при снижении содержания углерода ниже заявленного предела предел прочности при рабочих температурах не отвечает предъявляемым требованиям. В то же время превышение содержания ниобия привело к значительному снижению вязких и пластических свойств по сравнению с заявленными пределами.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов нефтехимического оборудования с высокими рабочими параметрами выразится в повышении КПД оборудования при обеспечении его повышенной безопасности.

Таблица 1
Требования, предъявляемые к механическим свойствам металла сварных швов, установок с повышенными рабочими параметрами.
	+20°C	+450°C	Критическая температура хрупкости Тк0
	σв	σ0,2	δ	ψ	σв	σ0,2	δ	ψ
МПа	%	МПа	%	°C
Требования к сварному шву	585	415	18	45	461	392	14	50	≤-18

Таблица 2
Химический состав плавок
№ плавки	Массовая доля элементов, %
С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Ti	V	Cu	Al	Nb	N
1	0,20	0,32	0,25	1,6	0.01	0,35	0,07	0,06	0,02	0,007	0,0003	0,007
2	0,16	0,40	1,20	2,5	0,20	1,20	0,15	0,25	0,06	0,050	0,0100	0,015
3	0,18	0,25	0,98	1,9	0,14	0,83	0,09	0,18	0,04	0,010	0,0080	0,005
4	0,13	0,15	0,30	1,5	0.01	0,40	0,01	0,05	0,01	0,005	0,0010	0,003
5	0,11	0,30	0,85	2,4	0,15	0,93	0,10	0,23	0,02	0,007	0,0130	0,007
6 (прототип)	0,10	0,28	0,80	2,0	0,15	0,80	0,08	0,30	0,02	0,010	-	0,010
№ плавки	Массовая доля элементов, %
Sb	Sn	As	Co	S	P	O	Pb	Fe	(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13
1	0,002	0,0002	0,004	0,006	0,002	0,002	0,002	0,002	Остальное		3,91
2	0,008	0,0010	0,010	0,020	0,006	0,006	0,005	0,01			13,00
3	0,002	0,0020	0,005	0,010	0,003	0,005	0,002	0,006			8,33
4	0,001	0,0001	0,001	0,005	0,001	0,001	0,001	0,001			5,47
5	0,003	0,002	0,005	0,010	0,001	0,002	0,003	0,002			18,42
6 (прототип)	0,004	0,0005	0,005	0,015	0,004	0,003	0,003	0,005		-

Таблица 3
Механические свойства металла шва
№ плавка	Механические свойства	Тк0
	Тисп=+20°C		Тисп=+450°C
	σв	α0,2	δ	ψ	σв	σ0,2	δ	ψ
МПа	МПа	%	%	МПа	МПа	%	%	°C
1	720	650	12,5	47,5	590	550	12,0	43,0	+10
	700	640	13,0	48,0	610	550	11,0	40,0
2	700	580	16,5	58,0	590	450	15,0	52,5	-18
	710	590	15,5	57,0	590	460	15,5	53,0
3	650	510	23,5	71,0	530	425	20,3	62,0	-30
	635	500	24,0	72,5	540	425	19,5	59,5
4	600	480	22,0	64,0	500	410	18,5	57,0	-25
	590	475	22,5	65,0	495	405	18,5	55,0
5	580	430	18,0	62,0	430	345	19,5	62,0	+5
	580	460	17,5	65,5	425	320	19,5	60,0
6	590	452	24,8	69,5	410	325	21,0	61,0	-25
(прототип)	580	450	24,0	75,0	410	335	23,0	65,0

Таблица 4
Механические свойства основного металла (15Х2МФА)
№ плавка	Механические свойства	Тк0
	Тисп=+20°C		Тисп=+450°C
	σв	σ0,2	δ	ψ	σв	σ0,2	δ	ψ
МПа	МПа	%	%	МПа	МПа	%	%	°C
С-20023	680	590	25,4	72	550	450	20	61	-20
	680	580	26,0	72	540	440	20	60

Таблица 5
Значения критической температуры хрупкости Тк0 металла шва и основного металла до и после Step Cooling, сдвиг Тк0 в результате тепловых выдержек
№ плавки	Значения Тк0	ΔТк0
После сварки и высокого отпуска	После тепловых выдержек
1	+10	+15	5
2	-18	-8	10
3	-30	-25	5
4	-25	-20	5
5	+5	+35	30
6 (прототип)	-25	-15	10
Основной металл	-20	-5	15

Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, ванадий, алюминий, медь, кислород, олово, сурьма, мышьяк, кобальт, азот, сера, фосфор, свинец и железо, отличающаяся тем, она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,13-0,18	Кислород	0,001-0,005
Кремний	0,15-0,40	Олово	0,0001-0,001
Марганец	0,30-1,20	Сурьма	0,001-0,008
Хром	1,5-2,5	Мышьяк	0,001-0,01
Никель	0,01-0,20	Кобальт	0,005-0,02
Молибден	0,4-1,2	Азот	0,003-0,015
Титан	0,01-0,15	Сера	0,001-0,006
Ванадий	0,05-0,25	Фосфор	0,001-0,006
Алюминий	0,005-0,05	Свинец	0,001-0,01
Медь	0,01-0,06	Железо	остальное,
Ниобий	0,001-0,01

при следующих ограничениях по соотношению элементов в сварочной проволоке:
(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13.