Перспектива применения сварных соединений из алюминиевого сплава, полученных сваркой трением, в нефтегазовой промышленности

География нефтедобычи разнообразна и продолжает расширяться день ото дня. Разработка новых месторождений заводит нефтепромысловые компании во все более труднодоступные районы (Крайнего Севера, Дальнего Востока, Западной Сибири или морского шельфа). В условиях удаленности от развитой инфраструктуры сильно усложняется процесс доставки, монтажа и сервиса оборудования. Что заставляет производителей думать о легкости и компактности снаряжения.

Однако эксплуатация оборудования на нефтегазопромысловых предприятиях сопряжена с целым спектром негативных факторов. На оборудование действуют перепады температур, высокое давление, ультрафиолетовые лучи, агрессивные жидкости и газы. Это заставляет уделять особое внимание прочности и коррозионностойкости изделий.

Таким образом, для решения задач по увеличению прочности, долговечности, коррозионностойкости и легкости оборудования рассмотрено применение алюминиевых сплавов.

Из легких алюминиевых сплавов выпускают бурильные, насосно-компрессорные, обсадные и прочие виды труб, купольные и плавающие крыши для вертикальных резервуаров, изоляцию для трубопроводов, детали для аппаратов воздушного охлаждения, детали газотурбинного двигателя и т. д. При этом замена традиционного стального оборудования алюминиевым значительно повышает эффективность нефтегазодобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий. К примеру, трубы из легких сплавов имеют гораздо более низкую массу (плотность алюминиевого сплава Д16 примерно равна 2,77г/см³, плотность стали — около 7,85 г/ см³) при сравнимой прочности.

Соединение алюминиевых конструкций способами сварки плавлением вызывает множество трудностей и приводит к микроструктурным дефектам: появление пористости, оксидные включения, высокий уровень сварочных деформаций и горячих трещин, разупрочнение; сварные соединения характеризуются значительным снижением механических свойств по сравнению с основным металлом [4].

Таблица 1

Содержание основных легирующих элементов висследуемом сплаве Д16Т, вес.%

Эти связанные с плавлением металла кристаллизационные дефекты могут быть полностью устранены, а микровключения в шве существенно уменьшены при использовании технологий сварки трением в твердом состоянии.

В данной работе в качестве материала исследования использовали алюминиевый сплав Д16Т. Исходные образцы представляли собой горячепрессованный пруток. Химический состав сплава приведен в таблице 1. Образцы в форме параллелепипедов с сечением 13мм х 26мм для линейной сварки трением были вырезаны вдоль направления прутка.

На гранях в направлении возвратно-поступательного перемещения образуется существенно больший объем грата (Рис. 1), что обусловлено перемещением пластифицированного металла преимущественно в направлении колебаний.

Способ линейной сварки трением (ЛСТ) позволяет получать качественные соединения из различных материалов, таких, как титановые и никелевые сплавы, различные стали, алюминий и его сплавы, композиционные материалы (КМ) и др.

Основными параметрами процесса ЛСТ являются частота и амплитуда возвратно-поступательных колебаний, давление при нагреве и проковке, время нагрева и проковки, величина осадки при нагреве и общая при сварке. К дополнительным параметрам ЛСТ, которые могут оказывать влияние на формирование соединений, относят время разгона и остановки колебаний.

При ЛСТ металл в зоне соединения нагревается до температур, не превышающих температуру плавления, однако за счет теплопроводности и внешнего давления металл заготовок меняет свойства и структуру на некоторую глубину от поверхности трения.

Образцы сварены при частоте 50 Гц, с амплитудой а=2мм при изменении осевого усилия. Как видно, на образце образуется массивный грат, имеющий на поверхности поры и трещины (Рисунок 1). После удаления грата микроструктурные исследования не выявили дефектов в виде несплошностей, непроваров и пор в зоне сварного шва [2].

Обязательным условием образования прочного соединения при сварке в твердой фазе является значительная пластическая деформация металла в зоне формирующегося соединения. При сварке трением усилия, затрачиваемые на пластическое деформирование, снижаются за счет пластификации металла при его нагреве. Получить достаточно целостное представление о механизме формирования сварного соединения можно лишь при совместном рассмотрении деформационной и тепловой задач. Нашей задачей является изучение напряженно-деформированного состояния сварного соединения из алюминиевого сплава Д16, полученного при ЛСТ. Одним из способов оценки термодеформационных условий формирования соединений и прогноза напряженно-деформированного состояния материалов в зоне сварки будет математическое моделирование процесса ЛСТ.

Совместное решение тепловой и деформационных задач при ЛСТ сводится к решению системы:

(1)

В качестве исходных данных необходимо задание свойств материала –λ, сρ, η(Т), k, а также напряжений τ0 и σ0. Последнее является задаваемым параметром режима сварки, что же касается τ0, то при заданном σ0 его величина увязана с амплитудой A и частотой f возвратно- поступательного движения. В связи с отсутствием методик экспериментальной оценки таких характеристик как вязкость и коэффициент диссипации в условиях соответствующих ЛСТ, предложенная модель может быть использована и для решения обратной задачи — подбора η(Т) и k. Расчеты произведены в программе для математических и инженерных вычислений Mathcad.

Даже не имея решения уравнения (1), можно изучить поведения компонентов тензоров напряжений и скоростей деформаций (рис. 3), ускорений деформаций (рис. 4), распределение температур в области сварного шва (рис. 2).

Рис. 2. Температурное распределение при (а)Тmax=500°С, (б)600°С, 400°С

Рис. 3. Распределение скоростей при (а)Тmax=500°С, (б)600°С, 400°С

Рис. 4. Распределение ускорений при (а)Тmax=500°С, (б)600°С, 400°С

Данная модель дает возможность проанализировать поведение графиков распределения скоростей деформации и ускорений, используя фактические значения скоростей и ускорений, снятые с циклограммы оборудования.

В результате анализа получаем, при температуре 500°С по графикам скорость деформации составляет 5*10–⁴ м/с, ускорение — 7м/с², что приблизительно соответствует значениям с циклограммы оборудования. Таким образом определили начальную заданную температуру в области сварного шва.

Литература:

1. Сварка трением: Справочник / В. К. Лебедев, И. А. Черненко, В. И. Вилль и др. — Л.: Машиностроение, 1987. — 236 с
2. Киселева С. К. Микроструктура и механические свойства соединений сплава с системой легирования полученных линейной сваркой трением. Киселева С. К., Астанин Вас.В., Гареева Л. У., Караваева М. В., Бычков В. М., Медведев А. Ю., Александров И. В., Мусин Ф. Ф.
3. Solid state joining of metals by linear friction welding: a literature review / I. Bhamji, M. Preuss, P. L. Threadgill, A. C. Addison // Mater. Sci. & Technol. — 2010. — 27; 2011. — № 1. — Р. 2–12
4. Гуревич С. М. Справочник по сварке цветных металлов/С. М. Гуревич; отв. ред. В. П. Черныш. — Киев: Наукова думка, 1981. — 608с., стр. 331.
5. ГОСТ 4784–97 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки».