Выбор способа сварки диафрагменной лопатки паровой турбины

Выбор способа сварки диафрагменной лопатки паровой турбины

43

Введение

Развитие технологии и оборудования сварочных процессов идет в настоящее время достаточно быстрыми темпами. Это вызвано все более возрастающей потребностью создания качественных неразъемных соединений как из однородных, так и разнородных материалов.

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действием того и другого.

Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами или молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

Указанные условия реализуются различными способами сварки путем энергетического воздействия на материал в зоне сварки. Энергия вводится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздействия. В результате поверхностные атомы металлов и кристаллических неметаллических материалов образуют общие для соединяемых заготовок кристаллические решетки, а на поверхности пластмасс происходит объединение частей молекулярных цепей.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относят виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электроннолучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).

К механическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

1. Выбор материала для изготовления изделия

Условия работы лопаток и требования к материалу

Для изготовления диафрагменной лопатки предоставлена высокохромистая жаропрочная сталь мартенситно-ферритного класса 12Х13 (ГОСТ 18968-73). Подбор данной стали осуществлен из условий эксплуатации изделия. Лопатки являются наиболее нагруженными деталями паровых турбин. Лопатки паровых турбин подразделяются на направляющие (диафрагменные), закрепленные в статоре и рабочие - на роторе. На диафрагменные лопатки в основном действуют только аэродинамические силы, которые являются не стационарными, а переменными. Воздействующая среда, которая направляется диафрагменными лопатками, достигает температуры 400 0С. При этом имеет место неравномерный нагрев лопаток. Из-за взаимного воздействия приложенных сил материал лопатки испытывает меняющиеся по значению, но всегда высокие напряжения, что приводит к возникновению вибрации усталости материала.

Поверхности лопаток подвержены химическому воздействию среды. Химическая агрессивность водяного пара на материал лопаток особенно сильно проявляется с повышением начальной температуры, что приводит к постепенному разрушению материала, вызванного его эрозией. Поверхности лопаток (как на роторе, так и в диафрагме) последних ступеней паровых турбин при этом разъедаются со стороны входной кромки частицами воды влажного пара. Поэтому для лопаток применяют высококачественные материалы. От таких материалов требуют прочности при высокой температуре, высокой пластичности, сопротивления ползучести, коррозионной стойкости, высокой усталостной прочности, высокого декремента затухания.

Классификация сталей по структурному признаку

Номенклатура марок сталей, применяемых в настоящее время в различных отраслях промышленности для изготовления сварных конструкций, исключительно широка, а все возможные сочетания из их разнородных соединений практически трудно перечислить. Поэтому для упрощения задачи классификации и выбора наиболее распространенные (преимущественно стандартизованные) марки сталей, разделены исходя из структурного состояния на три основных класса:

1. - перлитные (углеродистые и низколегированные);

2. - ферритные и ферритно-мартенситные (высокохромистые);

3. - аустенитные и ферритно-аустенитные (хромоникелевые).

Каждый класс разделен, в свою очередь, на группы, в которую включены стали с относительно близкими свойствами, свариваемостью и служебными характеристиками.

Разделение высоколегированных сталей на группы (кислотостойкие, жаростойкие, жаропрочные) произведено в соответствии с их основными служебными свойствами и в некоторой степени условно, так как кислотостойкие стали одновременно являются жаростойкими до определенных температур, а жаростойкие являются также коррозионостойкими в определенных средах и т.д.

Для определения структурного класса сталей часто пользуются диаграммой Я.М. Потака и Е.А. Сагалевича, которая позволяет полуколичественно определять фазовый состав сталей. Наиболее существенным отличием этой диаграммы является то, что по осям координат откладываются хромовые эквиваленты ферритообразования (абцисса) и мартенситообразования (ордината), причем последний рассчитывается по степени влияния всех легирующих элементов на температуру начала мартенситного превращения.

Обоснование выбора материала

Теоретически, для изготовления диафрагменной лопатки, при условии выполнения всех вышеперечисленных требований, возможно применение и других материалов. Например, высокохромистые стали того же класса, что и сталь 12Х13, но с другим химическим составом: 08Х13, 20Х13, 15Х11МФ, 15Х12ВМФ и др.; аустенитные стали с высоким содержанием никеля и марганца: ХН35ВТ, 09Х14Н19В2БР1 и др.; титановые сплавы. При выборе материала, для изготовления любой конструкции, обеспечивающего ее технологичность, необходимо учитывать экономический и технологический факторы. Учитывая экономический фактор данной задачи, сталь 12Х13 является одной из самых дешевых в своем классе высокохромистых сталей, т. к. чем выше степень легирования, тем выше цена стали и степень ее распространенности в промышленности. В химический состав других классов и сплавов входят никель и титан соответственно, которые являются стратегическими материалами, что обеспечивает им более высокую цену. Поэтому для обоснования выбора высокохромистой стали 12Х13 по технологическому фактору, рассмотрим еще несколько сталей из этого же класса. Возьмем стали обладающие одинаковым набором элементов в своем составе: 08Х13 и 20Х13. Химический состав (ГОСТ 5632-72) высокохромистых коррозионно-стойких сталей приведены в таблице 1. Механические свойства - таблица 2.

Таблица 1.

Марка стали	Класс	Содержание элементов (остальное Fе), %
		С	Сr
08Х13	Ферритный	< 0,08	12-14
12Х13	Ферритно - мартенситный	0,09-0,15	12-14
20Х13	Мартенситный	0,16-0,25	12-14

Таблица 2.

Марка стали	Механические свойства	Число твердости по Бринеллю НВ, МПа
	Предел текучести 0,2, МПа	Предел текучести в, Мпа	Относительное удлинение 5,%	Относительное сужение , %	Уд. вязкость aн при 200С, Н м/см2
		Не менее
08Х13	412	588,6	20	60	98,1	1834-2129
12Х13	539-686,7	637,7	18	45	58,9	1933-2502
20Х13	568,5-716	755,4	15	50	58,9	2226-2639

Исходя из этих данных, охарактеризуем каждую сталь в отдельности, а затем сделаем вывод. Для каждой из этих сталей свойственны одни и те же дефекты, вызванные воздействием сварочного процесса, но проявляются они в разной степени. Главными среди них являются склонность к охрупчиванию и к образованию холодных трещин (для 08Х13 - ХТ нет).

В случаях, когда металл шва и околошовной зоны в процессе охлаждения претерпевает фазовые и структурные превращения, связанные с изменением его удельного объема и значительным ухудшением пластических свойств, трещины могут возникать в области низких температур - ниже 200?С. Подобные явления имеют место при сварке закаливающихся сталей. Такие трещины называются холодными. Они могут быть поперечными (в шве, чаще в околошовной зоне), а также располагаться параллельно границе сплавления (отколы). Процесс образования холодных трещин определяется двумя факторами:

величиной и характером напряжений и деформаций, возникающих вследствие неравномерного нагрева, фазовых и структурных превращений в металле;

свойствами (главным образом пластичностью) металла в температурном интервале образования холодных трещин.

Насыщение металла сварного соединения водородом способствует образованию трещин, так как отрицательно влияет как на первый, так и на второй фактор.

Появление холодных трещин связывают с фазовыми и структурными превращениями, продуктами которых являются структуры с низкими пластическими свойствами (в нашем случае мартенсит).

По сравнению с другими структурными составляющими, мартенсит характеризуется высокой твердостью (НВ 500-600), весьма малой пластичностью и повышенным удельным объемом. В связи с этим структурные превращения аустенит - мартенсит связаны с наиболее значительным увеличением объема.

Обеспечить стойкость металла шва и, в особенности, околошовной зоны к образованию трещин - основная проблема свариваемости сталей мартенситного и мартенситно - ферритного классов. В этом случае для металла шва и околошовной зоны характерно наличие укрупненных зерен низкоуглеродистого высокохромистого феррита (микротвердость 152-164 кГ/мм2) и легированного мартенсита (микротвердость 429-458 кГ/мм2).

Легированный мартенсит более пластичен, чем углеродистый, и называется игольчатым мартенситом. Но присутствие в структуре металла последнего все же увеличивает общую твердость и хрупкость шва, а также околошовной зоны, заметно снижая ударную вязкость. Поэтому здесь возможно появление холодных трещин.

Чтобы уменьшить возможность появления холодных трещин при сварке закаливающихся сталей, стремятся предупредить образование хрупкой закаленной зоны вблизи шва. Для этого выбирают режимы сварки с большой погонной энергией, при которой скорость охлаждения шва и околошовной зоны уменьшается. В тех же целях применяют подогрев изделия (до температуры 250?С и выше в зависимости от содержания углерода и хрома в стали), замедленное охлаждение изделия после сварки и д. р.

После сварки обязательна термообработка изделия - высокий отпуск 650? - 700?С. В результате отпуска несколько уменьшается прочность металла, а его твердость и ударная вязкость достигает исходных величин.

Сталь 08Х13 используется для деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей т.д., работающих при температурах до 4000С.

Данная сталь обладает ферритной структурой, а следовательно, не имеет превращения и не упрочняется термической обработкой. Главный недостаток этой стали - резкое охрупчивание после нагрева выше 1000-11000С. Это объясняется наличием большого количества свободного -феррита, содержание которого зависит от количества С и Сr. Это затрудняет сварку ферритных сталей, так как для частичного уменьшения хрупкости сварные соединения должны подвергаться отжигу при 750-8000С, а перед ней - предварительному подогреву до 150 - 2500С. По завершении отжига требуется ускоренное охлаждение, чтобы не допустить охрупчивание. Сталь данной структуры после высокотемпературного нагрева подвержена МКК.

Сталь 20Х13 используется для деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей т.д., работающих при температурах до 4500С. Структура отожженных сталей представляет собой легированный феррит с частицами карбида хрома. Отожженные стали имеют удовлетворительную стойкость против коррозии, но их прочность невысока - 500Мпа. Прочность увеличивается после закалки и отпуска. Закалку проводят с 1050-11000С для растворения карбида хрома. Изделия после закалки подвергают либо низкому (200-4000С), либо высокому (600-7000С) отпуску. Максимальное сопротивление коррозии стали имеют после низкого отпуска, пониженное, но тем не менее достаточно высокое - после высокого отпуска. Шлифование и полирование поверхности дополнительно повышает стойкость изделий. Отпуск при 400-6000С резко снижает сопротивление коррозии и поэтому не применяется.

Мартенситные стали после отжига удовлетворительно обрабатываются резанием, горячая обработка и сварка этих сталей затруднены из-за образования мартенсита. Мартенсит увеличивает склонность этой стали к образованию холодных трещин при сварке. Это объясняется высокой степенью тетрагональности кристаллической решетки мартенсита. При снижении содержания мартенсита вязкость увеличивается, однако, при этом образуется свободный -феррит, который придает сталям повышенную хрупкость. При сварке мартенситных сталей холодные трещины могут наблюдаться в процессе непрерывного охлаждения при температуре ниже Мн, а также в процессе выдержки при нормальной температуре.

Сталь 12Х13, как видно из табличных данных, занимает промежуточное положение по свойствам между 08Х13 и 20Х13, т. к. обладает промежуточной ферритно-мартенситной структурой (содержание феррита не менее 10%).

2. Свариваемость стали 12Х13

Из-за своего промежуточного положения, сталь 12Х13 обладает лучшей свариваемость среди всех трех сталей. Это объясняется умеренным содержанием -феррита. Количество -феррита увеличивается с увеличением в стали % Сr и уменьшением % С. Формирование значительного количества -феррита в структуре ОШЗ резко уменьшает склонность сварного соединения к образованию холодных трещин, но увеличивает хрупкость. Количество -феррита зависит от уровня температуры нагрева. В участках ОШЗ, нагреваемых до температур близких к Тсолидуса, количество -феррита может быть подавляющим. Такая структура характерна для участка ЗТВ примыкающего к линии сплавления. Ширина этого участка мало зависит от температуры подогрева, но возрастает с увеличением qп - погонной энергии, которая зависит от выбранных режимов и способа сварки.

Так как во всех сталях содержание Сr остается постоянным, то объем -феррита зависит от % С. Пониженное содержание С в стали 08Х13 способствует резкому увеличению содержания -феррита, а следовательно и высокому охрупчиванию. А высокое содержание % С в стали 20Х13 способствует увеличению склонности к холодным трещинам, но с низким охрупчиванием. В стали же 12Х13 эти два негативных момента находятся на удовлетворительном уровне. К этому можно добавить, что меньшее содержание С, по сравнению со талью 20Х13, сопровождается увеличением количества феррита и образованием более пластичного мартенсита, а по сравнению со сталью 08Х13, не требуется предварительный нагрев. Для уменьшения количества закалочных структур и увеличения выделения карбидов после сварки рекомендуется проводить высокий отпуск при Т=650-7000С.

Особенности термической обработки сварных соединений из сталей феррито-мартенситного класса

Термическая обработка сварных соединений из высокохромистых сталей производится с целью:

снятие остаточных сварочных напряжений при необходимости сохранения точных размеров изделий;

обеспечения стойкости против межкристаллической коррозии при эксплуатации в агрессивных средах;

повышение жаропрочности и стойкости против локальных разрушений при эксплуатации в условиях высоких температур.

обеспечение уменьшения количества закалочных структур и увеличения выделения карбидов.

Учитывая высокую склонность к закалке нержавеющих феррито-мартенситных сталей, содержащих углерода 0,1% и более, после сварке необходим высокий отпуск в интервале температур от 650 до 7000С ?С.

3. Выбор способа сварки и его основные параметры

Параметры выбора способа сварки

При выборе способа сварки для изготовления сварной конструкции на предприятии необходимо руководствоваться следующими условиями:

- экономическая целесообразность,

- технологичность,

- наличие необходимого оборудования,

- наличие квалифицированных кадров,

- экологичность и безопасность.

Под технологичностью способа понимается возможность создавать сварное соединение, удовлетворяющего требованиям к нему, на современном оборудовании, удобном в эксплуатации и обслуживании и наиболее эффективном в экономическом отношении. Технологичность способа понятие относительное и зависит от производственных условий.

Исходя из условий, существующих на предприятии, где изготавливается диафрагменная лопатка, наиболее приемлемым является способ электронно-лучевой сварки.

Общая характеристика электронно-лучевой сварки (ЭЛС)

Электронно-лучевое воздействие на металлы, приводящее к их нагреву, плавлению и испарению, как технологическое направление в области их обработки интенсивно применяется в последнее время. Сущность процесса электронно-лучевого воздействия состоит в том, что кинетическая энергия сформированного в вакууме тем или иным способом электронного пучка (импульсного или непрерывного) превращается в тепловую в зоне обработки. Так как диапазоны мощности и концентрации энергии в луче велики, то практически возможно получение всех видов термического воздействия на материалы: нагрев до заданных температур, плавления и испарения с очень высокими скоростями.

Электронно-лучевая технология развивается в основном в трех направлениях: плавки и испарения в вакууме, сварки и прецизионной обработки.

Для сварки металлов создано оборудование трех классов: низко-, средне-, и высоковольтное, охватывающее диапазон ускоряющих напряжений 20-150 кВ. мощность установок составляет 1-120 кВт и более при максимальной концентрации энергии 105-106Вт/см2. Электронно-лучевые установки мощностью до 30 кВт позволяют решить большинство сварочных проблем.

Электронно - лучевое воздействие в диапазоне плотностей энергии 105-106Вт/см2 характеризуется феноменом «кинжального», или глубокого проплавления с соотношением глубины шва к его ширине 10:1 и более. При этом электронный луч фокусируется на площади диаметром менее 0,001 см, что позволяет получить большую удельную мощность. При использовании обычных сварочных источников теплоты (дуги, газового пламени) металл нагревают и плавят за счет распространения теплоты от поверхности в глубину, при этом форма зоны расплавления в сечении приближается к полукругу F2. при сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом металле F1, причем наиболее интенсивно на некоторой глубине под его поверхностью. (рис. 1).

Страницы: 1, 2, 3