1. Области применения комбинированных конструкций и возможное сочетание в них разнородных сталей

Целесообразность изготовления конструкций, комбинированных из разнородных сталей, определяется взможными областями их эф­фективного использования и типом сочетаемых в них сталей.

Комбинированные из разнородных сталей конструкции приме­няются прежде всего в энергетических установках, в частности в таких агрегатах, как паровые котлы, паровые и газовые турбины, атомные реакторы. Это объясняется тем, что на входе в турбину целесообразно использовать более высокие параметры пара или газа, что повышает КПД энергетической установки, т. е. улучшает ее экономичность.

Комбинированными из разнородных сталей изготовляют диски роторов газовых турбин. Это так называемые композитные диски, представляющие собой обод из аустенитной стали, приваренный к центральной части, изготовленной из теплоустойчивой перлит­ной стали (рис. 1). Применение такого способа изготовления дисков объясняется тем, что различные их части нагреваются до различной температуры. Из-за высокой начальной температуры используе­мого газа периферийная часть диска нагревается выше 600° С, в силу чего она должна быть изготовлена из высоколегированной стали. Центральная часть диска нагревается до температур ниже Г>00" С, поэтому нет надобности применять для ее изготовления вы­соколегированную сталь.

Применение разнородных сталей весьма целесообразно и в па­росиловых установках, например в паровпуске, который по своей конструкции является одним из наиболее сложных узлов турбин­ного агрегата. В современных турбинах в связи с применением
пара высоких и сверхвысоких параметров цилиндры высокого давления изготовляются двухстенными. При такой конструкции цилиндра наружная его стенка (наружный цилиндр) подвергается

воздействию умеренных темпера­тур и поэтому может быть изготов­лена из перлитной стали. Детали паровпуска нагреваются до тем­пературы свежего пара, в связи с чем их необходимо изготовлять из высоколегированных жаропроч - Г —1-І ных сталей. В настоящее время

;~J известно несколько вариантов ком­бинированного изготовления паро­впуска.

В современных паросиловых ус­тановках применяются поверхнос­ти нагрева со сварными соедине­ниями разнородных сталей (аусте­нитной с перлитной), выполнен­ными контактной сваркой. Приме­нение здесь разнородных сталей вызвано тем, что в котлоагрегатах температура труб поверхностей на­грева на некоторых участках, и прежде всего в пароперегревателе, достигает 620—640° С, в то время как на других участках она значительно ниже./

В настоящее время наиболее распространена такая конструкция комбинированной поверхности нагрева, при которой часть паро­перегревателя, выполненная из аустенитной стали, приваривается
к штуцерам выходных коллекторов непосредственно или через про­межуточные отрезки труб из перлитной стали (рис. 2). В этом слу­чае выходные и паросборные коллекторы, а также их патрубки изготовляются из перлитных сталей.

Заслуживают внимания котлоагрегаты, в которых из аустенит­ной стали изготовлены не только пароперегреватель, но и выход­ные и паросборные коллекторы. При использовании пара с крити­ческими и закритическими параметрами толщина стенок коллекто­ров из перлитной стали должна составлять 75—90 мм. Коллектор с такой стенкой может быть только кованосверленым, что сущест­венно усложняет технологию его изготовления. Кроме того, при таких коллекторах заметно увеличивается масса агрегата. Изготов­ление коллекторов из аустенитной стали способствует существенно­му (почти в два раза) уменьшению толщины стенок. В этом случае*от - надает необходимость соединять разнородные стали в пароперегре­вателе и применять десятки тысяч сварных соединений, качествен­ное выполнение которых представляет довольно сложную задачу.

Использование для коллекторов аустенитных сталей создает возможность для выполнения в котлоагрегате сварного соединения разнородных сталей только в месте присоединения паросборной камеры к котельному паропроводу. Однако такая конструкция пока не получила распространения, так как изготовляемые в насто­ящее время из аустенитной стали толстостенные паропроводные трубы в условиях длительной работы при высоких температурах оказались склонными к локальному разрушению по околошовной зоне, природа и причины образования которого, несмотря на боль­шое количество проведенных исследований, еще не установлены.

Из других соединений разнородных сталей в паросиловых ус­тановках можно отметить соединение гильзы паровпуска из жаро­прочной высокохромистой стали с паропроводом и внешним цилин­дром из перлитной теплоустойчивой стали. В ряде случаев в паро­проводы из перлитных сталей ввариваются узлы или отдельные детали из высоколегированных хромистых сталей. Это прежде всего некоторые узлы арматуры, например регулирующие клапаны па­ровых турбин. Сюда можно отнести также измерительные диафраг­мы, предназначенные для замера расхода пара.

Большинство современных энергетических установок с ядерным реактором работают по двухконтурной схеме. В первичном контуре теплоносителем служит вода, нагретая до сравнительно высоких температур, в результате чего она должна находиться здесь под высоким (порядка 10—15 МПа) давлением. В наиболее распростра­ненных реакторах (реакторы ВВР) это давление воспринимается металлическим корпусом, поэтому он должен быть толстостенным. По этой причине корпус реактора современных энергетических ус­тановок изготовляется из низко - или среднелегированной стали с облицовкой внутренней поверхности нержавеющим металдом. Трубопроводы в первичном контуре изготовляются из аустенитной стали. Поэтому получила распространение конструкция первичного

разнородные стали соединяются у корпуса контур в действующих атомных электро­станциях полностью со­стоит из обычных кон­струкционных и строи­тельных сталей. В пер­спективе при использо­вании других теплоно­сителей или дополни­тельного перегрева пара не исключена возмож­ность комбинированного изготовления и этого контура.

В оборудовании так называемой малой энер­гетики довольно широ­ко можно использовать конструкции, комбини­рованные из разнород­ных сталей. Сюда отно­сятся небольшой мощ­ности газовые турбины в различного рода тур­боагрегатах вспомога­тельного назначения, например в турбоком-

б

прессорах для наддува двигателей внутреннего сгорания. Сюда же можно отнести и различного вида электродвигатели специального назначения. Комбинированной в таком оборудовании изготовляется
в основном его вращающаяся часть — ротор. Это объясняется тем, что некоторая часть ротора работает в условиях, в которых не­обходимо применение аустенитной стали. Но такая сталь склонна к задиранию на трущихся поверхностях — в шейках, находя­щихся в подшипниках. В связи с этим здесь стремятся приме­нять перлитную сталь, что позволяет получить трущуюся поверх­ность с более высокой твердостью.

В изготовлении комбинированных роторов газовых турбоагрега­тов вспомогательного назначения наибольшее распространение получило конструктивное решение, при котором к аустенитному диску привариваются полувалы из перлитной стали (рис. 3, а). В электродвигателях специального назначения комбинированным

является вал ротора (рис. 3, б). Здесь также необходимо сваривать аустенитную сталь с перлитной.

Комбинирование из разнородных сталей может быть широко использовано в химической промышленности при изготовлении теплообменных аппаратов, особенно таких, как кожухотрубные теплообменники. У многих из них теплоноситель внутри труб яв­ляется агрессивной средой или имеет высокую температуру, по­этому трубы изготовляются из высоколегированной стали. Продукт межтрубного пространства в этих аппаратах часто бывает таким, что трубные доски (решетки) и корпус можно изготовлять из обыч­ной углеродистой или низколегированной стали.

Комбинирование из разнородных сталей можно применить также з реакционных колоннах, полимеризаторах, воздушных сатурато­рах, вакуумперегонных аппаратах и др. Здесь в целях экономии к корпусу, изготовляемому во многих случаях из нержавеющей стали, привариваются различного рода наружные элементы (флан­цы, рубашки, холодильные трубы, опоры, упорные скобы, упорные кольца и др.), которые в соответствии с условиями работы могут быть из обычной углеродистой стали (рис. 4).

Комбинированными из разнородных сталей могут быть изго­товлены также холодильные установки глубокого охлаждения, предназначенные для сжижения газов (кислорода, азота, водорода и гелия).

Широко применяются конструкции, комбинированные из раз­нородных сталей, в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Непрерывный рост потребности в нефтепродук­тах, значительное расширение их ассортимента и дальнейшее по­вышение требований к качеству этих продуктов вызвали необходи­мость совершенствования существующих и создания новых, более эффективных процессов переработки нефти, в результате чего во многих случаях нефтеперерабатывающее оборудование приходится использовать в условиях низких (минус 50—100° С) и высоких (850—900° С) температур. Кроме того, почти все нефти, поступаю­щие на переработку, содержат вещества и соединения, вызывающие коррозию металлических изделий, которая снижает качество не только оборудования, но и получаемого продукта, поэтому для изготовления нефтеперерабатывающего оборудования широко ис­пользуются нержавеющие стали.

Процесс переработки нефти в настоящее время построен таким образом, что на всем пути движения перерабатываемого продукта в установке (от места его поступления до места выхода) физическое состояние и химический состав его изменяются, в результате чего различные агрегаты, установки и даже их отдельные узлы работают в разных температурных условиях. Многие из них работают при температуре, допускающей использование теплоустойчивых или даже обычных конструкционных сталей.

В нефтеперерабатывающем оборудовании комбинированными из разнородных сталей целесообразно изготовлять, например, ап­параты (реакторы), предназначенные для осуществления тепловых и химических процессов переработки нефти. К ним относятся преж­де всего реакторы термического каталитического риформинга и регенераторы установки каталитического крекинга, где к корпусу из углеродистой или низколегированной стали привариваются внутренние детали и устройства (защитные кожухи, кольца от - парной зоны и др.), изготовляемые из высокохромистых сталей. В современном оборудовании для переработки нефти комбиниро­ванными являются также ректификационные тарелки, отдельные элементы которых изготовляются из высокохромистых сталей.

Комбинированные конструкции применяются также в установ­ках для дегидрирования бутана, бутилена и других исходных ма­териалов при получении непредельных углеводородов. Такие кон­струкции применяются и в змеевике-реакторе трубчатых печей, которые широко распространены в нефтеперерабатывающей про­мышленности, являясь основным агрегатом в установке для пи­ролиза нефтяных фракций и основной частью многих аппаратов, применяемых при других процессах переработки нефти и ее про­дуктов. В отечественной практике змеевики в радиантной части печи изготовляются из аустенитной стали. Для змеевиков конвективной части могут применяться трубы из среднелегированной стали

ІГЇХГіМ, а в некоторых местах даже из обычной углеродистой

ровно металла. Большое рас­пространение такие конструк­ции получили в пищевой, хими­ческой, а также в нефтехимиче­ской и нефтеперерабатывающей промышленности. Они приме­няются также при изготовлении различного рода емкостей для перевозки и хранения агрес­сивных жидкостей. Целесообраз­но применять биметалл для кор­пусов ядерных реакторов, кото­рые в настоящее время изготов­ляются из низко - или среднеле­гированной стали с облицовкой внутренней поверхности нержа­веющим металлом.

Конструкции из биметалла в основном изготовляются с приме­нением сварки. В соответствии с принятой в настоящее время технологией сварки биметалла основной (несущий) слой его зава­ривается с применением сварочных материалов, образующих шов нз углеродистого или низколегированного металла, плакирующий (защитный) слой сваривается с получением в шве высоколегирован­ного металла, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к этому слою. При этом получается сварное соединение, макро­структура которого приведена на рис. 5. Как показано на рисунке, при сварке биметалла имеет место сплавление сталей разных клас­сов (линия АБВ), что и является основанием отнести изделия, из­готовляемые из биметалла, к конструкциям, комбинируемым из разнородных сталей.

В ряде случаев конструкции, эксплуатируемые в агрессивных средах, изготовляются из обычной углеродистой или низколеги­рованной стали с нанесением путем наплавки защитного слоя из высоколегированного металла. В таких конструкциях также может проявиться особенность, присущая сварным соединениям из разно­родных сталей-. Следовательно, изделия с наплавленным слоем

защитного металла можно отнести к конструкциям, комбинируемым из разнородных сталей. Такие изделия широко применяются в атомной энергетике (наплавка внутренней поверхности корпуса реактора), а также в химической и нефтеперерабатывающей про­мышленности, где защитный слой наплавляется на те поверхности массивных литых или кованых деталей и фланцев из проката, ко­торые соприкасаются с агрессивной средой.

Особую группу конструкций, которые можно отнести к комби­нированным из разнородных сталей, составляют изделия из закали­вающихся сталей, сваренные аустенитными электродами. При свар­ке таких сталей в зоне термического влияния образуются малоплас­тичные структуры, способствующие возникновению околошовных трещин. Чтобы предотвратить образование этих трещин, сварку закаливающихся сталей необходимо производить с предваритель­ным, а иногда и сопутствующим подогревом, а изделия из закали­вающихся сталей после сварки подвергать отпуску. Однако такая технология значительно усложняет выполнение сварочных работ, а кроме того, подогрев свариваемого изделия и его термообработку в ряде случаев осуществить трудно или вовсе невозможно. Отме­ченные недостатки явились причиной новых поисков, в результате которых было установлено, что применение еварочных материалов, обеспечивающих аустенитную структуру металла шва, даст возмож­ность сваривать закаливающиеся стали без трещин, не при­бегая к подогреву и последующей термообработке.

В настоящее время сварные соединения с аустенитной структу­рой металла шва стали применяться во всех конструкциях из за­каливающихся сталей, которые нельзя подвергнуть предваритель­ному подогреву и последующей термообработке.

Аустенитными электродами свариваются технологические тру­бопроводы нефтеперерабатывающих установок, изготовляемые из закаливающейся хромомолибденовой стали Х5М. Применение аус­тенитных электродов вызвано тем, что термообработка этой стали, необходимая при сварке ее неаустенитными электродами, должна выполняться при довольно жестких условиях. Как известно, от­пуск стали Х5М в области температур ниже критической (ниже 700° С) требует для распада образовавшегося в ней мартенсита дли­тельной (до 4—6 ч) выдержки. При нагреве этой стали выше крити­ческой температуры охлаждение должно быть медленным, чтобы > не превысить критическую (вызывающую закалку) скорость, ко­торая у стали Х5М очень мала. Большинство же соединений трубо­проводов нефтеперерабатывающих установок выполняется при их монтаже. В таких условиях термообработка по режиму, требуе­мому для отпуска закаленной стали Х5М, встречает значительные трудности.

В последнее время появляется все большая потребность в раз­личного рода сосудах, которые должны работать при высоких тем­пературах и давлениях (реакторы химических и нефтехимических установок, барабаны паровых котлов современных котлоагрегатов

и др.). В связи с этим их следует изготовлять из легированных палей большой толщины, сварку которых необходимо производить с предварительным подогревом и последующей термической обра­боткой. Между тем конструкция и размеры этих сосудов таковы, что при изготовлении их недостатки, присущие такой сварке, ста­новятся особо ощутимыми. По этой причине все чаще поднимается вопрос о применении сварочных материалов, обеспечивающих по­лучение аустенитного металла шва, с тем чтобы исключить предва­рительный подогрев и последующую термообработку. Применение аустенитных электродов необходимо прежде всего для приварки к корпусу внутренних и наружных деталей, в том числе и штуцеров.

Таким образом, конструкции, комбинируемые из разнородных сталей, могут быть применены почти во всех отраслях современной промышленности. Возможное сочетание сталей в комбинированных конструкциях определяется теми требованиями, которые выте­кают из условий эксплуатации изделия. Такими условиями яв­ляются агрессивная среда и высокая температура отдельно или то и другое вместе. Поэтому в комбинированных конструкциях воз­можно сочетание высоколегированной нержавеющей или жаропроч­ной стали со средне - или низколегированной и даже обычной угле­родистой. Возможно сочетание обычных конструкционных сталей (средне - и низколегированных) со сталями, обладающими требуе­мой работоспособностью при весьма низких температурах. По­следними, как известно, являются высоколегированные стали.

При обычном способе производства (охлаждение после горячей обработки на воздухе) указанные стали настолько сильно отли­чаются друг от друга своей структурой, что их по существующим стандартам относят к различным классам: углеродистые, а также низко - и среднелегированные — к перлитному, а высоколегирован­ные— к одному из таких классов, как аустенитный, ферритный, мартенситный, аустенито-ферритный, аустенито-мартенситный и мар­тенсито-ферритный (ГОСТ 5632—72). То обстоятельство, что исполь­зуемые в комбинированных конструкциях стали относятся к раз­ному классу, и послужило основанием применить термин разно­родные стали, который широко используется сейчас в сварочной науке и технике.

В табл. 1 приведены основные марки сталей, из которых изго­товляются комбинированные конструкции. Как видно из таблицы, для изготовления комбинированных конструкций может быть ис­пользован широкий ассортимент сталей, отличающихся одна от другой физико-химическими свойствами. В связи с этим число возможных сочетаний разнородных сталей может быть весьма большим.

1. Основные области применения комбинированных конструкций и используемы е марки сталей