Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Разработка методики расчета процесса перераспределения и десорбции диффузионного водорода в многослойных сварных соединениях низколегированных сталей

Диссертация: Разработка методики расчета процесса перераспределения и десорбции диффузионного водорода в многослойных сварных соединениях низколегированных сталей
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В данной работе предлагается методика решения диффузионной задачи, которая позволяет определять концентрацию диффузионного водорода во время всего процесса сварки (включая предварительный, сопутствующий подогрев и послесварочный нагрев) в каждой точке сварного соединения при неограниченном количестве валиков для сварных соединений из низколегированной стали. Методика также позволяет определить… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Современные представления о влиянии водорода 8 на свариваемость легированных сталей при многопроходной сварке и образование холодных трещин в сварном соединении
    • 1. 1. Проблемы свариваемости низколегированных и 8 углеродистых сталей
    • 1. 2. Анализ факторов, ответственных за образование холодных 12 трещин
    • 1. 3. Источники диффузионного водорода при сварке
    • 1. 4. Влияние диффузионного водорода на образования. 20 холодных трещин в металле’сварных> соединений
    • 1. 5. Методики-определения начальной концентрации водорода 23 в сварном соединении
    • 1. 6. Насыщение сварных конструкций водородом в процессе их> 29 изготовления и эксплуатации
    • 1. 7. Методика определения коэффициента диффузии 36 водорода
    • 1. 8. Формализация моделей температурных зависимостей 43 коэффициента диффузии водорода
    • 1. 9. Перераспределение диффузионного водорода в 44 многослойном сварном соединении
    • 1. 10. Современные программные комплексы для 47 моделирования процессов, происходящих при многослойной сварке
  • Выводы главы (цели и задачи работы)
  • Глава 2. Математическое описание процессов диффузионного перераспределения водорода в сварном соединении
    • 2. 1. Основные закономерности диффузии водорода в-металле
    • 2. 2. Решение тепловой задачи
    • 2. 3. Решение диффузионной задачи
    • 2. 4. Формализация моделей температурных зависимостей 62 растворимости водорода
    • 2. 5. Критические характеристики водородного насыщения при 64 сварке НЛС
  • Выводы главы
  • Глава 3. Методика расчёта концентрации диффузионного водорода в многослойном сварном соединенииреализация этой методики в научно — исследовательском программном комплексе «Сварка»
    • 3. 1. Подходы к моделированию физических процессов
    • 3. 2. Номенклатура исходных данных
    • 3. 3. Реализация методики расчета концентрации 79 диффузионного водорода в виде блока решения диффузионной задачи в научно — исследовательском программном комплексе «Сварка»
    • 3. 4. Тестирование работы модуля расчета диффузии водорода 81 в научно — исследовательском программном комплексе «Сварка»
  • Выводы главы
  • Глава 4. Разработка рекомендаций для многослойной сварки крупногабаритных сварных конструкций
    • 4. 1. Процесс насыщения водородом металла сварного шва при многослойной сварке
    • 4. 2. Моделирование процессов диффузии и десорбции водорода при сварке корпуса реактора ВВЭР
    • 4. 3. Моделирование процессов диффузии и десорбции водорода 103 при наплавке аустенитного слоя на внутреннюю поверхность корпуса реактора ВВЭР
  • Выводы главы

Разработка методики расчета процесса перераспределения и десорбции диффузионного водорода в многослойных сварных соединениях низколегированных сталей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Для изготовления ответственных сварных конструкций в настоящее время применяются высокопрочные низколегированные стали (НЛС). При производстве из них сварных конструкций наиболее частым дефектом являются холодные трещины в сварных соединениях.

Холодные трещины представляют собой локальное хрупкое разрушение, возникающее под воздействием собственных сварочных напряжений и деформаций.

Возникновение холодных трещин обусловлено факторами структуры, диффузионного водорода"и сварочных напряжений. 1, 2, 3, 4, 5].

В процессе сварки часто происходит образование закалочных структур в зоне термического влияния. Наиболее сложно структурный фактор формируется при многослойной сварке, когда происходит повторная закалка, а также имеют место, отпуск и старение различной степени.

Одним из основных факторов, обусловливающих образование холодных трещин, является диффузионныйводород, которым насыщается металл сварного соединения. Образование холодных трещин (ХТ) является проявлением «водородной хрупкости» металла.

Металл сварного соединения насыщается диффузионным водородом в основном через атмосферу сварочной дуги. Опасным является диффузионно — подвижный, то есть способный к диффузионному перемещению внутри кристаллической решетки при наличии градиентов концентрации, температуры и растворимости водород. Наиболее сложным с точки зрения определения концентрации диффузионного водорода в сварном соединении является процессы диффузии и десорбции водорода при многослойном сварном соединении. В этом случае необходимо одновременно рассматривать процессы диффузии водорода в околошовную зону, процесс диффузии водорода между валиками и одновременно процесс десорбции водорода с внешних поверхностей.

Структурный и водородный факторы являются необходимыми для образования холодных трещин. [1, 6, 7, 8].

Фактор остаточных сварочных напряжений определяется конструкцией изделия, режимом сварки и химическим составом, основного металла и сварочных материалов. Фактор напряжений является необходимым, но не достаточным для образования холодных трещин.

Одним из наиболее эффективных и надёжных способов исключения состояния водородной хрупкости металла при сварке является поддержание температуры сварного соединения выше определённой температуры до момента снижения максимальной концентрации водорода в сварном соединении ниже критического уровня путём низкотемпературного подогрева. Однако в настоящее время не имеется достаточно надёжных данных о распределении и* кинетике десорбции диффузионного водорода в сварных соединениях. Это приводит к чрезмерной температуре и времени выдержкипри послесварочном нагреве, что вызывает неоправданно большие энергозатраты.

В настоящее время для уменьшения концентрации диффузионного водорода применяется сопутствующий подогрев и послесварочный нагрев, однако их температуру и продолжительность назначают приближёнными инженерными* расчётами* и они часто являются завышенными. В связи с этим увеличивается стоимость производимых работ и снижается производительность труда.

В данной работе предлагается методика решения диффузионной задачи, которая позволяет определять концентрацию диффузионного водорода во время всего процесса сварки (включая предварительный, сопутствующий подогрев и послесварочный нагрев) в каждой точке сварного соединения при неограниченном количестве валиков для сварных соединений из низколегированной стали. Методика также позволяет определить количество водорода, десорбировавшего с внешних поверхностей. В диссертации разработаны научно обоснованные режимы сопутствующего подогрева и послесварочного нагрева, позволяющие снизить концентрацию диффузионного водорода ниже критической и предотвратить образование ХТ.

Общие выводы диссертации.

1. Анализ литературных данных показывает, что диффузионный водород является одной из основных причин образования холодных трещин в сварном* соединении НЛС. Существующие экспериментальные методы количественной оценки концентрации диффузионного водорода, в различных зонах сварного соединения позволяют проводить только, единичные эксперименты, носящие тестовый характер. Существующие в настоящее время расчетные методы позволяют получать только качественные результаты, непригодные для решения производственных технологических задач.

2. Анализ, данных по диффузионным свойствам сталей показал, что они существенно зависят от температуры, и. в интервале 0 — 1500 °C могут изменяться в несколько раз. Указанное обстоятельство определяет необходимость использования численного решения уравнения диффузии* в неизотермической* и нелинейной постановке для анализа процессов перераспределения^ и десорбции диффузионного водорода в сварных соединениях. В работе использовано представление материала совокупностью его структурных составляющих, позволяющее прогнозировать свойства' материалачерез их соотношение и свойства при, различных температурах.

3. Разработан алгоритм численного решения методом конечных элементов диффузионной задачи1 для неизотермического случая с учётом изменения коэффициента диффузии водорода, растворимости и фазового состава структуры в зависимости от температуры.

Разработанная модель реализована в виде модуля расчёта процессов диффузиии десорбции водорода, интегрированного в программный комплекс «Сварка», разработанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Верификация полученных результатов расчёта путём сопоставления с тестовыми экспериментальными данными позволила сделать вывод о достоверности расчётных результатов. Выбраны температурный и концентрационный критерии водородной хрупкости, при которых исключается образование холодных трещин при сварке низколегированных сталей (соответственно нагрев выше 200 °C и концентрации диффузионного водорода ниже 1 см?/100 г мет), при которых прекращается действие дислокационного переноса атомарного водорода к границамбывших аустенитных зерен в околошовной зоне, являющихся местом зарождения очагов холодных трещин. Приведённые критерии рекомендовано, использовать для выбора рациональных режимов предварительного, сопутствующего подогрева и послесварочного нагрева.

В результате проведённых расчётов определены рациональные режимы послесварочного нагрева, применяемого при сварке корпуса атомного реактора ВВЭР-1000, и показана возможность обеспечения снижения концентрации диффузионного водорода до безопасного уровня, исключающего возможность образования холодных трещин при сокращении послесварочного нагрева с 250 °C в течение 48 часов, рекомендуемых руководящими документами до температуры 230 °C в течение 28 часов. Ожидаемая экономия на затраты электроэнергии при сварке одного корпуса реактора составляет 40 млн. рублей.

8. Показано, что после аустенитной наплавки в поднаплавочном слое металла наблюдается повышенная концентрация диффузионного водорода (до 2.5 см3/100 г ме) вследствие задержки десорбции водорода с поверхности аустенитного слоя. В результате термообработки и перераспределения водорода в основной металл его концентрация в поднаплавочном слое снижается до значений менее 1 см3/100 г ме.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей: — М.: Машиностроение, 1981. — 248 с.
  2. Н.И. Исследование распределения водорода при многослойной сварке среднелегированных сталей: Дисс. канд.техн.наук: 05.03.06.- М.: Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана, 1981.- 236 с.
  3. Я.М. Хрупкие разрушения, в стальных изделиях. M: Оборонгиз, 1955. — 347 с.
  4. Методика количественной оценки склонности сталей к образованию холодных трещин при сварке/ H.H. Прохоров и др.
  5. Сварочное пр-во. № 9. -1958. — С. 12 — 20.
  6. Макара" A.M. Трещины в околошовной, зоне легированных улучшаемых сталей. Юбилейный сборник, посвященный Е. О. Патону, 1951.
  7. P.A. Водород при сварке корпусных сталей. -М.: Судостроение- 1969. -176 с.
  8. Hydrogen induced cold cracking in alow alloy steels/ Savage W.E. and oth. //Welding Jornal. № 9. -1976. P. 27−65.
  9. ГОСТ 2601–84. Основные понятия и терминология в сварочном производстве.- М.: Издательство стандартов, 1987, — 52 с.
  10. Справочник сварщика / Под ред. В. В. Степанова.- М.: Машиностроение, 1982.- 560 с.
  11. Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2-х томах / Под общ. ред. Н. П. Алешина, Г. Г. Чернышева. М.: Машиностроение, 2004. Т.1/ Н. П. Алешин и др. — 624 е.: с ил.
  12. Э.Л., Коновалов А. В. Система"компьютерного анализа свариваемости и технологии сварки легированных сталей// Сварочное пр-во. -№ 3. -1995. -№ 3. С. 6.
  13. Сварка и свариваемые материалы: Справочник, В 3 т. / Под общ. ред. В. Н. Волченко, — М.: Металлургия, 1991.- Т1: Свариваемость материалов / Под ред. Э. Л. Макарова. 528 с.
  14. В.В. Поведение водорода при сварке плавлением.- М.: Машиностроение, 1966.-156 с.
  15. Виноград М: Н., Громова Г. П. Включения в легированных сталях и сплавах. -М.: Металлургия, 1972. -215 с.
  16. Mallet M.W., Rieppel P.I. Arc atmospheres and under bead cracing // Welding Journal. 1946'. -№ 11. -P. 748 — 759.
  17. Chew B. Prediction of weld metal hydrogen levels obtained under test conditions//Welding Journal. -1973. № 9. -P.386−391.
  18. Г. Л., Миллион А. Процессы распределения водорода в сварных соединениях углеродистых и низколегированных сталей // Сварочное производство, — 1964.- № 10, — С. 1−6.
  19. Р.А. Водород при сварке корпусных сталей.- М.: Судостроение, 1969.- 176 с.
  20. Технология электрической сварки? металлов и сплавов плавлением/ Под ред. академика- Б. Е. Патона. М.: Машиностроение, 1974. -768 с.
  21. A.M., Мосендз Н. А. Сварка высокопрочных сталей. -Киев: TexHiKa, 1971.-140 с.
  22. Влияние подогрева на распределение- водорода- в сварных, соединениях высокопрочной стали/ Б. С. Касаткин и др.
  23. Автоматическая- сварка.-1973, — № 12 С.63−64.
  24. В.И. Микролокальное распределение водорода в сварных соединениях паропроводов //Труды МИСиС,-1973.- № 74,-С:31−37.
  25. Methodes recommandeses d’experession de la. teneur en hydrogene du metal depose en une seule passe // Soudage et techn. connexes. -1977. -V31. -№ 7−8. -P. 298 -300.
  26. Влияние влажности воздуха при сварке на сопротивляемость стали 18X2НЗМД образованию холодных трещин/ Э. Л. Макаров и. др. //Технологии судостроения. -1977. -№ 3. -С. 3−10.
  27. .А. Водородная хрупкость цветных металлов. -М: Металлургия, 1985, 216 с.
  28. Теория сварочных процессов / Под ред. В. В. Фролова.- М.: Высшая школа, 1988.-559 с.
  29. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. 1. Свариваемость материалов: Справ, изд. / Под ред. Э. Л. Макарова. М.: Металлургия, 1991. 528 с.
  30. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / А. В. Коновалов и*др.- Под ред. В. М. Неровного. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007.-752 е.: ил.
  31. Satoru О., Masarino U. An examination of collecting mediums for determination of diffusion hydrogen in welded metals
  32. Trans.Nat.Res.Inst.Metals. -1980. -V.22. -№ 2. -Pi 88−94.
  33. The determination of hydrogen in mild- and low alloy, steel weld metals. Doc. I.I.W: -№ P-A-275−70. -1970. -P.18.
  34. Вакуумный метод определения диффузионно подвижного водорода! применительно к ручной сварке штучными электродами. / A.M. Левченко, и др.// Труды ЛПИ. -1974. -№ 336. -С.3−6.
  35. Petrov G: L., Levchenko A.V. Determination of diffusible hydrogen in welded joints by vacuum method, without mercury//Doc. IIW. -№ 11 -901 -79. -1979. -P.18.
  36. И.К., Пальцевич А. П. Хроматографический метод определения количества’диффузионного водорода в сварных швах //Авт. Сварка. -1980. -№ 1. -С. 37−39.
  37. Barth C.F., Steigerwald Е.А., Troiano A.R. Hydrogen permeability and delayed failure of polarized martenstic steels// Corrosion. -1969. -№ 9. -P.353−358.
  38. Leckie H.P. Effect of environment on stress induced failure of high strength maraging steels// Proc. Conf.Fandam. Aspects Stress Corros. Cracking. Ohio State Univ.Dep.Met. Eng. Houston Tex., -1969. P. 411 417.
  39. Absorption of hydrogen by cathodically protected steel /Hudson P.E. and oth. // Corrosion. -1968. -№ 7. -P. 189−196.
  40. Vrable J.B. Stress corrosion and" hydrogen embrittlement of line-pipe steel in hydrogen underground" environments// Mater.Prot. and Perform. -1972. № 2. — P.23−27.
  41. В.А., Матвиенко А. Ф. Разрушение труб магистральных газопроводов (современные представления о коррозионном растрескивании- под напряжением). ЕкатеринбурпСпектр, 1997. -102с.
  42. С.Д., Дехтяр И. Я. Диффузия в металлах и сплавах в твёрдой фазе. М.: Физматиздат. 1960. — 564 с.
  43. П. Диффузия в твёрдых телах. М: Металлургия, 1966. -195 с.
  44. Johnson E.W., Hill M.L. The diffusivity of hydrogen in alpha iron// Trans.Met.Soc.AJME. -1960. -V.6218, № 6. -P. 1104.
  45. Allen Booth, Hewitt J. A mathematical model deseribing the effects of micro — voids upon the diffusion of hydrogen in iron and steel// Act. Met. -1974. -V.22, № 2. P. 171−175.
  46. J., Сое F. R., Bonicrewski T. Hydrogen movement in weld metals (Part 1)//Metal Construction. -1971. -№ 5. -P. 185 187.
  47. J., Сое F. R., Bonicrewski T. Hydrogen movement in weld metals (Part 2)11 Metal Construction. -1971. -№ 6. -P. 185 -187.
  48. ЭЛ., Покидышев B-B., Егоров НИ. Определение коэффициента диффузии: водорода в условиях сварочного термического цикла// МиТОМ. -1981. -№ 7. -С.56 58.
  49. Sykes С, Burton Н.Н., Gegg С.С. Hydrogen in Steel Manufacture // J. Iron Steel Inst.- 1947.-V.156.- P.155.
  50. H.H. Физические процессы, в металлах при сварке. -М.: Металлургия, 1976. -600 с.
  51. П.В., Рябов Р. А. Водород вь металлах- иг сплавах: -М: Металлургия, 1974. 272 с.
  52. В.А. Разработка и совершенствование методов расчета концентрации напряжений- термодиффузионных игтермомеханических процессов’для?оценки"склонности" к образованию холодных трещин иусталости сварных соединений: Дисс.докт.техн.наук: 05.03.06. Л.:
  53. Ленинградский государственный технический университет, 1991, — 296 с.
  54. Во Ван Май. Исследование распределения водорода в сварных соединениях, выполненных многослойными швами// Труды ЛПИ- -1974. -№ 336. -С. 7−12.
  55. Fujii Т. On the prevention of hydrogen induced weld craking in steel weldments// Doc. I.I.W. -1974. -№ IX — 876 — 74. -P. 33.
  56. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций: Учебное пособие для вузов / С. А. Куркин и др.- Под ред. С. А. Куркина, В. М. Ховова.- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 464 с.
  57. Компьютерные программы для прогнозирования стойкости сварных соединений легированных сталей против образования холодных трещин / Э. Л. Макаров и др. // Изв. ВУзов. Машиностроение. -1988. -N 4. С. 118−122.
  58. Э.Л., Глазунов С. Н. Экспериментально-расчетная методика определения структуры в околошовной зоне легированной стали//Сварочное производство. -1986. -№ 8. -С34−36.
  59. Т.И. Разработка подсистемы САПР «Расчет и оптимизация режимов сварки легированных сталей по комплексу показателей* свариваемости»: Дисс.. канд. техн. наук: 05.03.06.- М.: МВТУ, 1988.-206 с.
  60. С.Н. Разработка экспериментально-расчетного метода оценки стойкости сварных соединений- легированных сталей против холодных трещин: Дисс.. канд. техн. наук: 05.03.06, — М: МВТУ, 1986.-255 с.
  61. В.Г. Разработка экспериментально-расчетного метода оценки стойкости однопроходных сварных соединений больших толщин легированных сталей против образования холодных трещин: Дисс.. канд.техн.наук: 05.03.06.- М.: МВТУ, 1986.-255 с.
  62. А.Е., Попов A.A. Диаграммы превращений аустенита в сталях и бета раствора в сплавах титана: Справочник термиста. М.: Металлургия, 1991. -503 с.
  63. А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. -544 с.
  64. H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951. -296 с.
  65. ГОСТ 26 388–84 Соединения сварные. Методы испытаний на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке плавлением. Издательство стандартов, 1985.
  66. Voldrich C.B. Cold cracking in the heat affected zone// Welding Jornal. -1947. -№ 3. P. 24 — 26.
  67. B.A. Сварочные деформации и напряжения. Mi: Машиностроение, 1968. -235 с.
  68. A.C., Киселев A.C. Разработка программного обеспечения для моделирования термонапряженного состояния деталей и его применение для повышения качества сварных конструкций // Труды МВТУ им. Н. Э. Баумана. -1988. -№ 511. С.89−105
  69. A.C., Макаров Э. Л. Программный1 комплекс «Сварка» -инструмент решения практических задач сварочного производства //Сварка и диагностика. -2010. -№ 1. -С. 16−24.
  70. A.C., Винокуров В. А., Куркин A.C. Зависимость временных напряжений в электрошлаковых сварных швах от размеров брусьев, ввариваемых в массивные детали // Вопросыповышения качества сварных конструкций: Сб. статей. М., 1990. — С. 107−113.
  71. Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия. М.: Мир, 1989.-478 с.
  72. С. Научные основы вакуумной техники.- М.: Мир, 1964.715 с.
  73. Armbruster М.Н. Hydrogen in Fe, Ni and certain steels // J. Amer. Chem. Soc.-1943,-V.65.- P. 1043.
  74. Geller W., Tak-Ho Sun. Einflu? von Legierungzusatzen auf die Wasserstoffdiffusion im Eisen und Beitrag zum System Eisen-Wasserstoff //Arch, fur Eisenhutt.-1950.- Bd.21.- S.423.
  75. Liang G., Bever M.B., Floe C.F. The Solubility of Hydrogen in Molten Iron-Silicon Alloys// Metals Technology.- 1946.-V. 13.- P. 1975.
  76. A.H. Водород и азот в стали,— М.: Металлургия, 1968.283 с.
  77. П.В., Рябов P.A., Кодес Е. С. Водород и> несовершенства структуры^металла.- М.: Металлургия, 1979:-221 с.
  78. .В., Белов Б.И-, Норенков И. П. Машинный расчет элементов ЭВМ: — М.: Высшая школа, 1976.- 336 с.
  79. Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач.-М.: Мир, 1980.-512 с.
  80. Takahashi Е., Iwai К., Horitsuji Т. Prevention of the Transverse cracks in Heary Section Butt Weldment of 2.25Cr 1Mo steel through low temperature postweld heat treatment (Report 1)//Trans. Jap. Weld. Soc. -1979. -V10, № 2. -P. 20−27.
  81. Takahashi E., Iwai K., Horitsuji T. Prevention of the Transverse cracks in Heary Section Butt Weldment of 2.25Cr 1Mo steel through low temperature postweld heat treatment (Report 2)11 Trans. Jap. Weld. Soc. -1979. -V10, № 2. -P. 20−27.
  82. Авт. свид. № 1 073 619 от 15.10.1983. Способ определения содержания диффузионного водорода в металлических изделиях/ Э. Л. Макаров и др.// Бюллетень изобретений. -1984. -№ 9.
  83. Э.Л., Егоров Н.И. Распределение водорода в многослойных сварных соединениях легированных сталей
  84. Сварочное производство. -1984. -№ 3. -С. 3−6.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?