Сварка спецсталей в криогенном машиностроении

В наши дни сложилось новое направление в науке и технике, связанное с изучением и использованием криогенных систем. В переводе с греческого «криогенный» означает производящий холод. Этот термин служит для обозначения процессов и устройств, позволяющих получать температуры ниже 120ºК. Выше температур 120ºК лежит область холодильной техники.

Криогенная техника применяется для разделения газовых смесей (воздуха) для получения больших количеств азота, кислорода, гелия и других веществ, а также в других отраслях. Температуры: сухой лед 193ºК (−80ºС); жидкий азот 77ºК (−196ºС); жидкий водород 20ºК (−253ºС); жидкий гелий 4ºК (−269ºС).

Надежность криогенных систем существенно зависит от выбора материалов для изготовления криогенного оборудования. В 50−х годах основными металлами из которых изготовлялось криогенное оборудование, были цинковые латуни. Эпизодически применялись нержавеющие стали и алюминиевые сплавы. Однако медные сплавы подвержены коррозионному растрескиванию и в последнее время применяются мало. Возросло применение нержавеющих и алюминиевых сплавов. Применение титановых сплавов в криогенной технике ограничено в связи с их большой стоимостью.

Наряду с прочностью важным является требование достаточной пластичности при криогенных температурах. В общем случае повышение прочности стали с уменьшением температуры сопровождается уменьшением пластичности, которая определяет технологичность и работоспособность конструкций. Пластичность характеризует способность материала перераспределять напряжения в зонах концентрации напряжений, например в сварных узлах.

В СССР для работы при низких температурах были разработаны никелевые сплавы О6Н3А, ОН6А, ОН9А и рекомендованы Гостехнадзором к применению в качестве материала для сосудов, работающих под давлением при низких температурах. Они сочетают повышенную прочность с достаточной пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются без последующей термообработки.

Вводимые иногда в хладостойкие стали для повышения прочности карбидообразующие элементы не должны обеднять твердый раствор углеродом настолько, чтобы сталь перешла в нестабильно−аустенитное состояние при низкой рабочей температуре. Карбидные выделения и примесные атомы могут понизить хладостойкость и в том числе, если они сосредотачиваются на границах зерен. В этом случае большое количество атомов примесей на границах зерен может даже в аустенитной стали с ГЦК−решеткой привести к значительным искажениям и понизить деформируемость и вязкость пограничных участков.

В связи с таким возможным отрицательным влиянием карбидных выделений и неравномерным распределением по зерну примесных атомов наилучшей термообработкой рассматриваемых хладостойких сталей может быть закалка на гомогенный аустенит. Если имеется в виду повышение прочности за счет создания дисперсной карбидной фазы, применяют строго регламентированное старение – отпуск.

Наряду со сталями, легированными только никелем, применяются стали легированные хромом, вольфрамом, молибденом (12ХН3А, 38Н3МА, 118Л2Н4ВА). Особенности их применения: с целью повышения их вязкости при низких температурах они применяются в состоянии термического улучшения (σ_т=600–700 МПа, временное сопротивление 900 МПа, т.е. меньше, чем предусмотрено стандартом). Следует особо обратить внимание на их особенность – чувствительность к концентраторам напряжений.