Способ термической обработки водородных баллонов высокого давления из легированных сталей

 

Использование: изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении и эксплуатации бесшовных баллонов высокого давления. Сущность: нагрев водородных баллонов из легированных сталей проводят до Ac₃+50°C и выдерживают в течение 60 мин, охлаждают в масле, отпускают при 600± 10°C с выдержкой 1,5 ч. После травления баллоны промывают холодной водой, подвергают снятию водородной хрупкости и обдувают сжатым воздухом до полного удаления влаги. Работают баллоны в циклическом режиме P_раб-0 и обратно. Через τ лет = 15-0,025P эксплуатации баллоны подвергают дополнительному отпуску в вертикальных печах при температурах в интервале 250...(t_отп-100)°C , после чего производят контроль твердости и снова передают в эксплуатацию под давлением P_раб . Нагрев при температуре 250...(t_отп-100)°C осуществляют через каждые τ лет эксплуатации. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении и эксплуатации бесшовных баллонов высокого давления для восстановления их эксплуатационных свойств.

Известен способ, согласно которому сначала изделие нагревают до 1090-1700 К, а затем подвергают старению при 720-1170 К, причем продолжительность выдержки обратно пропорциональна нагреву как при гомогенизации, так и при старении. Восстановление свойств достигается за счет выделения упрочняющей фазы в процессе старения [1].

Недостатком данного способа является то, что при нагреве до указанных температур в легированных сталях происходят фазовые превращения, которые приводят к разупрочнению. После термической обработки по данному способу изделий из легированных сталей необходима их повторная упрочняющая термообработка - закалка и отпуск.

Наиболее близким к предлагаемому является способ реставрации стальных изделий, включающий закалку, отпуск, дополнительный индукционный нагрев в процессе эксплуатации до температуры 650-680^оС с последующим охлаждением водой [2].

Недостатком данного способа является то, что при индукционном нагреве имеет место только поверхностный нагрев термообработанных изделий. Это приводит к неравномерности распределения напряжений в готовом изделии, а температура нагрева 650-680^оС, близкая к точке Аас₁, может привести к разупрочнению изделия, если требуемые свойства его были получены закалкой и отпуском при более низких температурах. В этом случае оба указанных недостатка снижают конструктивную прочность изделия.

Целью изобретения является повышение срока службы водородных баллонов за счет периодического в процессе эксплуатации удаления водорода из металла баллонов.

Сущность изобретения заключается в том, что после отпуска проводят травление и нагрев для устранения водородной хрупкости металла, а дополнительный нагрев осуществляют в интервале температур 250 - (t_отп - 100)^оС с периодичностью нагрева, определяемой из выражения τ =15 - 0,025 Р, где τ - периодичность нагрева, год; Р - числовой эквивалент величины рабочего давления в баллонах, кгс/см².

Способ осуществляется следующим образом.

Нагрев под закалку баллонов производят в вертикальных печах до температуры Ас₃+50^оС и выдерживают при этой температуре в течение 60 мин. Охлаждают баллоны в масляных вертикальных баках, после чего следует отпуск в вертикальных печах при температуре 600±10^оС с выдержкой 1,5 ч.

После контроля качества термической обработки (замера твердости и определения механических свойств) баллоны поступают на травление. После травления баллоны промывают в холодной воде, подвергают снятию водородной хрупкости и обдувают сжатым воздухом до полного удаления влаги.

Затем баллоны подвергают контролю, испытаниям и отгружают потребителю. У потребителя баллоны заполняют газообразным водородом, повышая давление до рабочего (Р_раб.). Работают баллоны в циклическом режиме Р_раб - 0 и обратно. За год работы баллон испытывает примерно 200 циклов нагружения.

Через τ лет = 15-0,025 Р эксплуатации баллоны подвергают дополнительному нагреву в интервале температур 250 - (t_отп-100)^оС, после чего производят контроль твердости и снова передают в эксплуатацию под давлением Р_раб. в циклическом режиме. Дополнительный нагрев осуществляют через каждые τ лет эксплуатации. Продолжительность нагрева аналогична принятой для снятия водородной хрупкости при изготовлении баллонов и составляет 1,5 ч.

Были проведены испытания предлагаемого способа. Использовали баллоны из стали 35ХН3МФА, рассчитанные на рабочее давление 400 кг/см². В процессе изготовления баллонов осуществляли закалку при температуре 890^оС, отпуск при температуре 600^оС, травление в растворе серной кислоты (10-25%), сернокислого железа (до 350 г/л), поваренной соли (3-10%) при температуре 45-75^оС, промывку в воде и кипячение в 0,5-1% растворе тринатрийфосфата для снятия водородной хрупкости. Затем осуществляли контроль и подвергали испытаниям.

Для моделирования срока службы баллонов их наполняли газообразным водородом под давлением, которое менялось в циклическом режиме от 0 до Р_раб.= = 400 кгс/см² и обратно. При таком режиме работы баллоны доводили до разрушения. Базовой для испытаний были выбраны 4000 циклов, что соответствовало установленным 20 годам работы изделий, в состав которых входят водородные баллоны.

Эффективность способа оценивали по количеству разрушившихся баллонов. Срок службы определяли по количеству циклов до разрушения, отнесенному к ежегодному количеству циклов при эксплуатации ( ≈200).

Результаты испытаний приведены в таблице.

Таким образом, периодический нагрев баллонов в предложенном интервале температур в процессе эксплуатации повышает эксплуатационную надежность баллонов и позволяет продлить срок их службы. Это связано с тем, что в процессе нагрева в заявляемом интервале температур в сочетании с найденным соотношением периодичности нагрева уменьшается количество водорода, растворившегося в металле во время эксплуатации водородных баллонов, а также восстанавливается пластичность охрупченных водородом участков баллонов.

При этом значение предела прочности материала (основная расчетная характеристика баллона) остается на уровне требований, нормируемых в технической документации.

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДОРОДНЫХ БАЛЛОНОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ, включающий закалку, отпуск и дополнительный нагрев в процессе эксплуатации, отличающийся тем, что после отпуска проводят травление и нагрев для устранения водородной хрупкости металла, а дополнительный нагрев осуществляют в интервале температур 250 - (t_отп - 100)^oС с периодичностью нагрева, определяемой из выражения τ = 15 - 0,025P , где τ - периодичность нагрева, лет; P - числовой эквивалент величины рабочего давления в баллонах, кгс/см².