сплав для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна

Формула изобретения

1. Сплав для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что он содержит элементы в следующем соотношении, вес. %:

Углерод	1,50 - 1,70
Кремний	0,70 - 0,90
Марганец	0,70 - 0,80
Никель	43,5 - 45,5
Сера	Не более 0,025
Фосфор	Не более 0,025
Железо	Остальное

при этом отношение содержания углерода к содержанию кремния находится в пределах 1,67 - 2,43.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он получен в виде сварочной проволоки путем металлургического передела.

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он получен в виде композиции при плавлении сварочной проволоки и электродного покрытия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сварке, в частности к дуговой сварке трубопроводов (теплоэнергетика, нефтяная и газовая промышленность, строительство и др.) из высокопрочного чугуна.

Цель и задачи изобретения - создание сплава, обеспечивающего равнопрочное, равнопластичное и равнокоррозионно-стойкое сварное соединение при электродуговой сварке трубопроводов из высокопрочного чугуна.

Заявляемый сплав может быть получен в виде сварочной проволоки методом металлургического передела или как композиция при плавлении сварочной проволоки и электродного покрытия.

Применяемые для холодной сварки чугуна никелевые, железоникелевые, железомедные и медноникелевые сплавы не обеспечивают равнопрочность, равнопластичность и равную коррозионно-стойкость сварного соединения при сварке высокопрочного чугуна[1-4].

Наиболее близки к поставленным нами задачам композиция сварочной проволоки Св-08Н50(ГОСТ 2246-70) и химический состав сварного шва электродов ОЗЖН-1 (ТУ14-4-318 -73 АО «Спецэлектрод»).

Сварочная проволока Св-08Н50(ГОСТ 2246-70) как наиболее близкий аналог выбрана в качестве прототипа.

Однако опыт применения сварочной проволоки Св-08Н50 при аргонодуговой сварке и сварке штучными электродами (например, ОЗЖН-1 электродный стержень - Св-08Н50), показал, что как при сварке серого, так и особенно высокопрочного чугуна, не обеспечивается равнопрочность, равнопластичность и равная коррозионная стойкость сварного соединения по причине:

- большой зоны отбела чугуна,

- наличия в переходной зоне цементита,

- большой склонности сварного шва к образованию горячих трещин,

- весьма низкой технологичности при сварке без подогрева и отжига сварных соединений, операций дорогостоящих и трудно реализуемых при монтаже трубопроводов,

- недостаточной коррозионной стойкости сварного соединения.

Цель и задачи изобретения - устранение недостатков, присущих сплаву-прототипу.

Состав сплава для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна определен экспериментально исходя из следующих предпосылок:

- достижение минимальной зоны отбела,

- получение в переходной зоне структуры графит + перлит,

- обеспечение равнопрочности и равнопластичности сварного соединения,

- повышение технологичности сварки без подогрева и отжига сварных соединений,

- повышение коррозионной стойкости сварного соединения.

Основываясь на нашем большом опыте разработки сплавов для сварки чугуна [2-4], в качестве базового сплава приняли систему 50Ni-50Fe (например, сварочная проволока Св-08Н50 по ГОСТ 2246-70).

Оптимальное содержание углерода установили экспериментально на основе зависимости: содержание углерода в сплаве - величина зоны отбела сварного соединения труб из ВЧШГ.

Содержание углерода в сплаве варьировали в диапазоне 0,5-2,5% за счет изменения углерода в сварочной проволоке (лабораторные плавки в индукционной печи) или содержания графита в электродном покрытии основного типа.

Исходили из концепции: для достижения химической однородности сварного соединения содержания углерода в сплаве и чугуне должно быть одного порядка (содержание углерода в чугуне 3,2-3,9 вес.%).

Минимальную зону отбела наблюдали при содержании углерода в сплаве 1,5-1,7% -таблица 1.

Уменьшение зоны отбела увеличивает пластичность сварного соединения: рост угла загиба при статическом изгибе.

Влияние содержания углерода в сплаве 170Н45ГС на протяженность зоны отбела и угол загиба сварного соединения (трубы 200х6 из ВЧШГ).

Таблица 1
Содержание С в сплаве, вес.%	0,1 прототип	1,5	1,6	1,7	1,8
Протяженность зоны отбела, мкм	500	70	50	50	100
Угол загиба при статическом изгибе,°	20	80	90	90	40

Для обеспечения перлитной (перлитно-ферритной) структуры в зоне сплавления изучили влияние соотношения углерода и кремния (элементов, конкурирующих при графитизации) на структуру зоны сплавления, протяженность зоны отбела и механические свойства сварных соединений.

Влияние содержания углерода, кремния и их соотношения в сплаве 170Н45ГС на структуру зоны сплавления, протяженность зоны отбела и механические свойства сварных соединений.

Таблица 2
Содержание С, вес.%	Прототип 0,08	1,2	1,5	1,6	1,7	2,0
Содержание, Si вес.%	0,5	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6
Соотношение С/ Si	0,16	1,2	1,67	2,0	2,43	3,33
Структура зоны сплавления	Ц+П+Ф	Ц+П	П+Ф	П+Ф	П	Ц+П
Протяженность зоны отбела, мкм	320	170	60	65	70	120
Прочность в МПа	342	374	455	461	444	482
Удлинение ,%	3,1	4,2	7,4	6,9	7,3	3,8
Угол загиба при статическом изгибе, °	44	28	90	80	93	33

С целью сохранения наиболее благоприятной с позиций механических свойств перлитной (или ферритно-перлитной) структуры зоны сплавления необходимо соблюдать соотношение графитизаторов С и Si в пределах 1,67-2,43. Появление в зоне сплавления цементита снижает пластичность сварного соединения.

В развитие наших исследований [2] о влиянии содержания никеля в сварном шве на свойства сварных соединений при сварке серого чугуна (это количество определено как 32-37%) установлено (таблица 3) оптимальное содержание никеля в сплаве для сварки центробежно-литых труб из высокопрочного чугуна, которое равно 43,5-45,5%.

Влияние содержания никеля в сплаве 170Н45ГС на свойства сварных соединений.

Таблица 3
Содержание Ni, вес.%	37,0	43,5	44,0	45,5	46,0	Прототип 50,5
Структура зоны сплавления	П+Ф+Ц	П+Ф	П+Ф	П	П	П+Ф
Протяженность зоны отбела, мкм	85	48	44	38	61	55
Прочность в, МПа	340	465	453	444'	360	293
Текучесть 0.2, МПа	183	390	392	388	361	265
Удлинение, %	1,8	7,7	8,1	8,3	5,8	3,6
Угол загиба при статическом изгибе, °	12	86	90	78	34	38

43,5-45,5% никеля в сплаве 170Н45ГС обеспечивают равнопрочность и равнопластичность сварного соединения труб из ВЧШГ. Уменьшение содержания никеля снижает пластичность сварного соединения, увеличение Ni - уменьшает прочность: _в и особенно _0.2.

Содержание в сплаве 43,5-45,5 вес.% Ni обеспечивает легирование никелем сварного шва в диапазоне 32-37 вес.%.

Далее определили влияние марганца в сплаве на склонность к горячим трещинам сплава 170Н45ГС. Увеличение содержания марганца до 0,7-0,8% (против 0,50% в прототипе) повышает сопротивляемость сплава образованию горячих трещин (таблица 4).

Таблица 4 Влияние содержания марганца на склонность к горячим трещинам сплава 170Н45ГС. х)
Содержание Mn, вес.%	0,5 прототип	0,6	0,7	0,8	0,9
Оценка склонности к горячим трещинам по методике МВТУ, мм/мин хх)	8	10	15	18	1 1
Оценка склонности к горячим трещинам при сварке натурных образцов, количество трещин	2	1	нет	нет	2

^Х) S0,025 и Р0,025;

^ХХ) Критическая скорость растяжения свариваемых пластин -скорость перемещения зажимов испытательной машины, приводящая к образованию горячих трещин.

Коррозионную стойкость заявляемого сплава 170Н45ГС и сварочной проволоки Св-08Н50 - прототипа оценили при испытаниях сварных образцов из высокопрочного чугуна в средах: в среде по стандарту NACE ТМО 1-77(96), содержащей H₂ S, и в среде, содержащей CO₂. Результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5
Наименование сплава	Скорость коррозии, мм/год
	H2 S	СО2
170Н45ГС	0,310	0,324
08Н50	0,693	0,493

Как видно, коррозионная стойкость заявляемого сплава существенно превышает аналогичную характеристику прототипа.

Промышленные испытания в реальных нефтепромысловых средах, содержащих Н ₂S и СО₂, подтвердили результаты лабораторных исследований.

В результате исследований, стендовых и промышленных испытаний разработан сплав для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, серу, фосфор и железо в следующем соотношении, в вес.%:

Углерод	1,5-1,7
Кремний	0,70-0,90
Марганец	0,70-0,80
Никель	43,5-45,5
Сера	не более 0,025
Фосфор	не более 0,025
Железо	остальное,

при этом отношение содержания углерода к содержанию кремния находится в пределах 1,67-2,43.

Источники информации

1. Электроды для дуговой сварки и резки. Каталог АО «Спецэлектрод».

2. Авторское свидетельство №1050837 В 23 К 35/365.

3. Авторское свидетельство №1074691 В 23 К 35/365.

4. Авторское свидетельство №833407 В 23 К 35/365.