4.1. Основные положения
Термическая обработка сварных соединений может проводиться с местным или полным нагревом изделия. Местная термическая обработка является основным видом в условиях монтажа и ремонта трубопроводов и корпусного оборудования, требует точной и всесторонней проработки технических мер из-за особых трудностей в специфике ее выполнения.
Необходимо учитывать следующие особенности при местной термической обработке: нагреву должен подвергаться ограниченный участок сварной конструкции, а именно шов, и примыкающие к нему с двух сторон периферийные зоны основного металла, включающие ЗТВ (рис. 4.1).
Ширина зоны равномерного нагрева сварных соединений трубопроводов составляет 70—300 мм и зависит от толщины стенки нагреваемых труб. Отклонения температур в пределах этой зоны не должны превышать регламентируемых допусков. В связи с этим необходимо выбирать тип нагревательного устройства, удовлетворяющий условию обеспечения равномерности нагрева сварного соединения с участием заданной ширины и одновременно с этим условию компактности нагревателя для возможности его расположения в стесненных и труднодоступных местах трубопроводных систем.
При местном нагреве неизбежно появление термических напряжений, вызываемых неравномерным распределением температур по толщине стенки и ширине нагреваемой зоны сварного соединения. Эти напряжения могут вызвать образование трещин. В связи с этим должно уделяться внимание выполнению требований по ограничению скоростей нагрева. При местной термической обработке стыков трубопроводов эти требования регламентируются продолжительностью подъема температур с учетом способа нагрева и толщины нагреваемых труб [12]. Большое значение имеет соблюдение требований по теплоизоляции нагреваемых участков, что способствует снижению скоростей нагрева и охлаждения и, следовательно, снижению термических напряжений.
Местный нагрев жестко закрепленных сварных конструкций вызывает появление компенсационных напряжений из-за теплового расширения нагреваемых участков. Поэтому должны приниматься меры по снижению или предупреждению появления таких напряжений путем устранения различного рода упоров, защемлений, натягов или применения специальной технологии, включающей определенную схему нагрева стыков жестко закрепленных труб. В качестве примера может служить рекомендуемая подготовка перед выполнением термической обработки замыкающего стыка пароперепускных труб (рис. 4.2) и одновременный нагрев стыков эксплуатации прямых соединительных труб поэтапно у одного и другого коллектора (рис. 4.2,6).
При проведении местного нагрева в связи с возможностью появления неучтенных дополнительных термических и реактивных напряжений и возникающей при этом опасностью повреждения сварной конструкции должны приниматься предварительные меры по устранению различного рода концентратов напряжений и недопустимых технологических дефектов в сварных швах; непроваров и шлаковых включений размером выше допускаемых норм, трещин и других недопустимых дефектов, а также неудовлетворительной формы сварного соединения (резкие переходы от усиления шва к основному металлу, места соединений элементов разной толщины).
При термической обработке сварных соединений легированных сталей происходят структурные изменения в зонах соединений, вызывающие временное локальное охрупчивание металла. Опасность повреждения таких соединений возрастает при местном нагреве из-за появления дополнительного нагружения изгибными и растягивающими напряжениями. Обязательным поэтому является соблюдение температурного режима высокого отпуска или аустенизации при выдержке и общей продолжительности термической обработки. В связи с этим выдвигаются требования обеспечения общего высокого технического уровня при проведении работ по термической обработке и высокой надежности термического оборудования.
Термическая обработка с местным нагревом отличается большой трудоемкостью. В связи с этим требуется применение комплексных организационно-технических мероприятий с применением оптимальной технологии, включающей рациональные способы нагрева и надежное современное термическое оборудование, рациональные подготовительные операции, применение прогрессивных способов группового нагрева и т. д.
Прогрессивным является групповой нагрев, и его рекомендуется выполнять по двум схемам:
нагрев по одному температурному режиму сварных стыков труб идентичного типоразмера от одного источника питания (рис. 4.3,а, в);
нагрев по одному или разным температурным режимам сварных стыков труб разных типоразмеров от одной термической установки, укомплектованной одним или несколькими источниками питания (рис. 4.3, 6, г).
Выбор числа сварных соединений, подвергаемых групповой термической обработке, зависит от их размеров, расстояний между ними, а также от мощности, напряжения и силы тока источника питания, который должен обеспечить покрытие потерь мощности и напряжения на всех участках цепи группового нагрева.
Групповую термическую обработку можно выполнять только с использованием электрических методов нагрева: индукционного, сопротивления и комбинированного. Большие возможности для ее проведения открывает индукционный нагрев токами повышенной частоты.
Особые условия выполнения термической обработки сварных соединений узлов приварки труб к корпусам арматуры, отводам, фланцам, сварных тройников и т. п. вытекают из их конструктивных особенностей, заключающихся в соединении элементов с различными толщинами стенок. В таких местах обычно затрудняется или полностью исключается возможность симметричного расположения типового электронагревателя относительно плоскости нагреваемого сварного шва. Примером могут служить угловые швы сварных тройников и мест приварки штуцеров к трубам, нагрев которых может сопровождаться неравномерным распределением температуры вследствие геометрической формы нагреваемого сварного узла.
При термической обработке таких соединений требуется применение специальных технологических приемов, зависящих от выбранного метода нагрева.
Основной особенностью проведения термической обработки сварных соединений труб диаметром более 1000 мм и корпусов технологического оборудования является повышенный теплоотвод из зоны нагрева из-за конвекции как внутри, так и с ее наружной поверхности. Это может привести к недопустимо большому перепаду температур по окружности и толщине стенки нагреваемого соединения. Кроме того, значительные трудности возникают при обеспечении равномерности нагрева по окружности вертикальных сварных соединений и по высоте горизонтальных сварных соединений.
При нагреве за счет конвекции воздуха повышается температура верхнего участка сварных соединений. Такой перепад температур возникает при нагреве труб относительно небольшого диаметра, например 219 мм, и возрастает до 100 °С и более при нагреве стыков труб диаметром более 1000 мм. Обеспечение равномерности нагрева требует применения специальных технологических приемов: особого размещения нагревательных устройств, теплоизоляции и др.
При термической обработке сварных соединений с толщиной стенки свыше 90 мм возникают трудности, связанные с необходимостью ограничения перепада температуры по толщине стенки в пределах, регламентируемых требованиями руководящих материалов, а также компенсации повышенных тепловых потерь в металл трубы. Эти особенности должны быть учтены при разработке технологии термической обработки. В частности, необходимо предусматривать надежную теплоизоляцию и снижение скорости нагрева.
При подготовке сварных соединений к проведению термической обработки должны быть выполнены следующие технологические операции:
очищена поверхность сварного шва от шлака и удалены подрезы, неровности усиления шва и т. п. с использованием средств ручной и механической обработки
устранены защемления и внешние дополнительные нагрузки;
установлены временные катковые или пружинные опоры на расстоянии 1—1,5 м от нагреваемого сварного соединения и выполнены другие операции, направленные на обеспечение свободного осевого перемещения нагреваемой трубы или корпуса цилиндрического аппарата;
установлены временные заглушки на концы труб для предупреждения сквозняка внутри нагреваемых сварных соединений;
при работе на открытом месте сварное соединение следует закрывать переносной кабиной для защиты от дождя, снега и ветра;
установлены электронагреватели на сварное соединение, как правило, симметрично сварному шву. При разных толщинах стенок элементов трубопроводов электронагреватель следует смещать на 10—20 мм в сторону детали с большей толщиной стенки.
До проведения термической обработки сварные соединения не должны подвергаться механическим нагрузкам (кантовке, перемещению и т. п.).
Кроме того, необходимо соблюдать следующие общие требования:
термическую обработку следует проводить сразу после окончания сварки; продолжительность допускаемого перерыва между окончанием сварки и началом термической обработки регламентируется в руководящих материалах [12, 17];
в случае, если по техническим причинам (прекращение электропитания, повреждение термического оборудования и т. п.) невозможно провести термическую обработку сварных соединений сразу же после окончания сварки, необходимо обеспечить медленное охлаждение сварного соединения под слоем теплоизоляции [12, 17];
при вынужденном перерыве процесса термической обработки следует провести повторный нагрев, при этом время выдержки должно суммироваться и быть не более регламентируемого;
повторная термическая обработка сварного соединения может назначаться при получении неудовлетворительных свойств после первой термообработки и обязательно после ремонта методом подварки сварного соединения легированной стали с учетом требований руководящих материалов.
При подготовке к работе и выполнении термической обработки с полным нагревом корпусов и оболочек технологического оборудования, а также трубопроводов необходимо учитывать следующие особенности:
большие габаритные размеры термообрабатываемых изделий;
специфику полного нагрева крупногабаритных изделий сложной формы;
возможность коробления термообрабатываемого изделия;
высокие требования к соблюдению режима термической обработки и проведению контрольных операций.
Большие размеры корпусов и оболочек технологического оборудования, подвергаемого термической обработке, заставляют подходить к выбору средств нагрева с учетом как технологических, так и организационно-экономических особенностей.
Если основной технологической задачей является обеспечение высокого качества термической обработки, в первую очередь зависящего от обеспечения равномерного нагрева всех участков термообрабатываемой конструкции, то к организационно-экономическим вопросам следует отнести стоимость и дефицитность различных видов энергии, необходимость обеспечения в течение длительного времени бесперебойной подачи выбранного вида энергии к месту проведения работ и др. С этих точек зрения наиболее рациональном для объемной термической обработки корпусных конструкций использовать газопламенный нагрев с применением природного газа, а для восстановительной термической обработки паропроводов индукционный нагрев токами повышенной частоты 2500 Гц с перемещением индуктора вдоль нагреваемого участка трубопровода.
Сложная форма некоторых видов корпусного оборудования (наличие массивных штуцеров, усиливающих накладок, опор и т. п.) и необходимость обеспечения равномерности нагрева заставляют использовать при термической обработке с полным нагревом изделия одновременно два вида нагрева. Чаще применяют газопламенный способ для общего нагрева изделия и электронагреватели сопротивления для дополнительного местного нагрева штуцеров, накладок, опор и других деталей с увеличенной толщиной стенки.
При подготовке сварных конструкций к термической обработке с полным нагревом изделия следует выполнять в основном те же технологические операции, что и при местной термической обработке. Особое внимание должно быть уделено мероприятиям по обеспечению сохранности формы и размеров обрабатываемых конструкций. В первую очередь необходимо устранить все возможные места защемлений, неподвижные опоры и другие препятствия свободным расширением. Для цилиндрических корпусных конструкций с горизонтальной осью необходимо установить дополнительно временные опоры через 2—3 м длины корпуса. Для сферических резервуаров требуется на время термической обработки под их стойки устанавливать роликовые катки, обеспечивающие равномерное увеличение при нагреве и уменьшение при охлаждении размеров корпусов и оболочек.
Соблюдение требуемых параметров полной термической обработки представляет значительные трудности в связи с большими размерами и сложностью конструкции обрабатываемых изделий. Это требует применения мощных нагревательных устройств, допускающих жесткое регулирование тепловложения на различных эта-пах термической обработки, тщательно выполненной теплоизоляции, разработки специальных технологических приемов, обеспечивающих равномерность нагрева. К последним следует отнести установку диффузора внутрь сферического резервуара для завихрения подаваемого снизу резервуара потока горячих газов при газопламенном нагреве; установку нескольких газопламенных нагревателей по высоте вертикального цилиндрического корпуса и т. п.
Проведение контрольных операций при термической обработке с полным нагревом изделия имеет свою специфику:
применение значительного количества приборов для контроля температуры (например, при полной термической обработке сферического резервуара объемом 600 м3 контроль температуры ведется с установкой 36—40 термоэлектрических преобразователей);
необходимость проведения двойного контроля сварных соединений неразрушающими методами (ультразвукового или проникающими изучениями) до и после проведения термической обработки. При первом контроле сварных соединений ставится задача выявления и исправления дефектов до проведения термической обработки, что в целом обусловлено экономической целесообразностью, поскольку отмена такого контроля при выявлении пропущенных дефектов вызовет необходимость проведения повторной полной термической обработки.
В заключение необходимо отметить, что технологический процесс термической обработки путем местного или полного нагрева изделий состоит из следующих этапов:
подготовительного — установка на сварное соединение термоэлектрических преобразователей, нагревательных устройств и теплоизоляции, включение термоэлектрических преобразователей в измерительную цепь регистрирующих приборов, соединение нагревательных устройств с источниками питания;
основного — нагрев, выдержка и охлаждение сварного соединения, регистрация параметров нагрева с оформлением учетной технической документации;
заключительного — снятие теплоизоляции, нагревательных устройств и термоэлектрических преобразователей, оформление отчетной технической документации;
контрольно-сдаточного — контроль качества термической обработки сварных соединений (измерение твердости, оценка качества сварных швов неразрушающими методами контроля).