Способ приварки проволоки к трубе электроимпульсным прессованием

Размещено на http:www.allbest.ru/

Введение

Коррозия подземных трубопроводов является одной из основных причин их разгерметизации вследствие образования каверн, трещин и разрывов.

Рис.1 Механизмы образования коррозии трубопроводов

На подземном трубопроводе за счет неоднородности металла трубы и гетерогенности грунта (как по физическим свойствам, таки по химическому составу) возникают участки с различным электродным потенциалом, что обуславливает образование гальванических коррозионных элементов.

Решается эта проблема путем приварки вывода электрохимической защиты т.е. осуществляется катодный метод защиты. Вывод электрохимической защиты представляет собой медную проволоку приваренную к трубе. В данной работе будет рассмотрен способ приварки проволоки к трубе электроимпульсным прессованием.

Электроимпульсное прессование (ЭИП) представляет собой метод получения компактных изделий из порошков, в котором используется одновременное воздействие на порошковую заготовку короткого мощного высоковольтного импульса электрического тока и механического давления. При плотности тока порядка А/ и особенности консолидации порошка дает возможность получить высокое качество сварного соединения при неблагоприятных факторах таких как: посторонние примеси на поверхности трубы, наличие оксидных пленок и окалины. Обеспечивает требуемые механические свойства.



1. Анализ исходных данных

Тип сортамента материала выбирает по ГОСТ Р-52079-2003- трубы стальные сварные для магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктов и ГОСТ 10704-91- трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент. труба приварка электроимпульсный

Труба

Таблица 1

Тип	Диаметр, мм	Длинна, мм	Материал
прямошовная	530	12000	09Г2С

Данный тип трубы изготавливают без термической обработки.

Химический состав стали 09Г2С, %

Таблица 2

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
до 0,12	0,5 - 0,8	1,3 - 1,7	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,3	до 0,008	до 0,3	до 0,08

Механические свойства

Таблица 3

, МПа	, МПа	, %	, Дж/	Дж/
325	470	21	59	34

Сталь 09Г2С относится к классу низколегированных перлитных сталей и применяется для изготовления сварных конструкций в том числе и для изготовления трубопроводов. При ее применении обеспечивается снижение металлоемкости на 20-50 %. Имеет ферритно-перлитную структуру и относится к разряду хорошо свариваемых сталей.

Вывод электрохимической защиты предствляет собой медную проволоки марки М1к по ГОСТ-859-2001 - Медь. Марки.

Химический состав катодной меди марки М1к, %

Таблица 4

Bi	Sb	As	P	Pb	S	Sn	Ni	Fe	Zn	Ag	O
1	2	2	2	3	4	2	2	3	3	3	2

Диаметр медной проволоки выбираем по ГОСТ-1535-91-Прутки медные. Технические условия.

Диаметр 3 мм с пределом отклонения по нормальной точности -0,10 мм.

Условное обозначение: Пруток Д КР Н П 3 БТ Р ГОСТ 1535-91.

Порошок медный по ГОСТ-4960-2009- Порошок медный электролитический. Технические условия.

Массовая доля порошка марки ПМС-К, %

Таблица 5

Fe	Pb	As	Sb	O	Серокислые соединения металлов в пересчете на сульфат- ион	Прокаленый остаток после обработки	Влаги, не более
0,06	0,05	0,003	0,005	0,5	0,01	0,05	0,05

Для осуществления процесса консолидации и прессовки порошка, используется молибденовый электрод марки МЧ, диаметром 10 мм и чистотой 99,95% .

Молибденовый электрод выбран по ряду качеств, благодаря которым обеспечивается проведения процесса.

- Высокий модуль упругости и прочность при температурах приварки;

- Хорошая теплопроводность;

- Низкий коэффициент теплового расширения;

- Высокая коррозионная стойкость в расплаве стекла;

- Хорошая обрабатываемость (точение, фрезерование, нарезание резьбы и т. д.).

В качестве диэлектрической матрицы используется вакуум-плотная корундовая керамика на основе ультрадисперсных порошков марки ВК94-1 (22 ХС) (Рис.2).

Рис.2

Этот материал непроницаем для газов, пропускает с малым поглощением электромагнитные колебания высоких и сверхвысоких частот, обладает большой механической прочностью, может работать в условиях высокого вакуума в широком интервале температур.

Стабильность свойств и геометрических размеров промышленно выпускаемых керамических деталей позволяет проводить не только их кратковременную высокотемпературную обработку при изготовлении приборов, но и обеспечивает длительную работоспособность при 1400-1700. В частности, испаряемость даже при предельно высоких температурах (1900-2000) невелика и составляет около 1-1,5 · 10-7 г/, что позволяет длительно эксплуатировать корундовые керамические изделия.

Среднее значение ее удельного объемного сопротивления при нормальной температуре лежит в пределах Ом см, а диэлектрическая проницаемость (tgд) при 100-2000 составляет 2 ; а при 3000-- 4·.

Так как при электроимпульсном спекании используются токи плотностью то диэлектрическая матрица применяется для одноразового использования.

Рис.3 Труба с выводом ЭХЗ

1-Труба

2-Вывод ЭХЗ

3-Спеченый порошок



2. Оценка технологичности

Заготовительные операции значительно влияют на качество сварного соединения и отчасти определяют экономическую эффективность всего процесса. Поэтому стараются избегать сложного оборудования для выполнения этих операция. При способе приварки ЭИП спеканием не требуется сложных заготовительных операций, и они ограничиваются лишь зачисткой места под сварку и обезжириванием.

Сборка и сварка соединения не требует применения специального оборудования для сборки и ограничивается установкой для сварки, которая по совместительству является и фиксатором. Конструкция соединения состоит из трех компонентов, которые составляют одну сборочную единицу, что указывает на то, что данная конструкция является простой, а значит и технологичной.

Сталь 09Г2С обладает хорошей свариваемостью, но при сварке традиционными способами, в частности РДС, может иметь разупрочнение в около шовной зоне (ОШЗ), что предполагает после сварочную термообработку для стабилизации механических свойств. Это естественно удорожает производство и увеличивает производственный цикл, что, конечно же, не делает изделие технологичным.

Не является склонной к горячим трещинам.



Не является склонной к холодным трещинам.

Следует учесть еще один важный факт того, что свариваются разнородные материалы, а именно сталь 09Г2С с медью, что предполагает появление таких дефектов как, трещины по линии сплавления и ОШЗ, что является недопустимым дефектом, а что бы, предотвратить появление дефекта, нужны специальные технологические приемы и дополнительные операции, что удорожает производство. Этих недостатков лишён способ ЭИП спеканием, где под действием высококонцентрированного источника нагрева происходит сварки в пределах внутреннего диаметра диэлектрического кольца матрицы, что исключает разупрочнение в ОШЗ и появление трещин. Как таковой линии сплавления нет ввиду специфики процесса образования бес пористого тела и диффузии между основным металлом, порошком и проволокой. Что касается реакции порошка на нагрев, то здесь следует уделить внимание тому, что чистота порошка не играет главной роли и важным параметром является размер частиц порошка. Для термитной сварки, которая является одним из способов приварки выводов ЭХЗ, тоже важен размер частиц порошка, но так же важна и чистота, эти параметры имею большое значение для осуществления процесса термитной реакции, поэтому требуются порошки высокой чистоты, что может так же удорожить производство.

Из-за разности теплофизических свойств, сварные соединения могут не отвечать заданным требованиям, которые в первую очередь регламентируют заданные механические свойства. Это является существенным недостатком, но с применением ЭИП спеканием, который создавался как раз для сварки металлов с разными теплофизическими свойствами, можно получить соединение, которое будет удовлетворять поставленным требованиям. Дело в том, что при данном способе можно дозировать энергию ввода в изделие, что способствует получения однородного соединения. Соединение образуется в результате совместного действия двух явлений: диффузии и ползучести между спекаемым порошком, прутком и поверхностью стали, итогом этого действия является получения сплошного спеченного тела.

Ввиду вышеперечисленных фактов, можно сказать, что данное соединение является технологичным.

Важным аспектом, влияющим на качество сварки, является пространственное положение. В данном, случае сварка проводится в нижнем положении, что исключает применения дополнительного оборудования. Нижнее положение позволяет увеличить производительность процесса, за счет снижения физической нагрузки рабочих и экономии средств на дополнительном оборудовании и сборочных операциях, таком положении легче всего осуществление автоматизации процесса и можно сделать вывод о том, что с этой позиции изделие является технологичным.

С позиции сборочно-сварочной оснастки, конструкция данного изделия технологична, так как для ее сборки не требуется кантовок, фиксаторов. Равномерное фиксирование обеспечивается магнитно-импульсным молотом, в частности установкой электрода во внутренний диаметр диэлектрической матрицы. Сборка осуществляется в нижнем положении без прихваток. Сварка длится около 100 мкс. В совокупности эти факты дают возможность предположить, что данный способ, с этой точки зрения, поддается автоматизации.

С позиции геометрических размеров сварного шва, можно сказать, что шов, который получается в результате процессов ЭИП спеканием, представляет собой точку диаметром 10 мм, что предполагает под собой суждение о том, что данное изделие является технологичным с этой позиции.

Переналадка оборудования не требуется, так как процесс предполагает получения однотипного сварного соединения, что является массовым производством.

Остаточные деформации отсутствуют, что исключает применение правки, следовательно снижаются затраты влекущие за собой повышение экономической эффективности и сокращения производственного цикла.

В заключении можно сделать вывод о том что применение сварки ЭИП спеканием, является технологичным, экономически эффективным и производительным способом с возможностью автоматизации.



3. Физическая сущность процесса ЭИП спекания

Электроимпульсное прессование (ЭИП) спекание представляет собой метод получения компактных изделий из порошков, в которых используется одновременное воздействие на порошковую заготовку кроткого мощного высоковольтного импульса электрического тока и механического давления. Длительность импульса, как правило, не более с, а амплитуда плотности тока в импульсе: .

Для создания мощных импульсов тока используется батарея высоковольтных импульсных конденсаторов, разряд которой обеспечивает мощное энерговыделение в порошковой прессовке. Наиболее важной особенностью ЭИП спекание порошковых материалов является концентрация высокой плотности выделяемой энергии в хонах контактов частиц порошка. Поэтому исходное состояние поверхности частиц порошка, форма самих частиц порошка и их размеры, а так же внешнее давление на порошковую заготовку существенно влияют на характер физических процессов при ЭИП спекание. Наряду с этим, определяющими факторами являются: скорость ввода энергии электромагнитного поля в порошковый материал; характер и величина механического давления, приложенного к механическому материалу в процессе ЭИП спекание. Высокая плотность энергии в зонах контактов частиц может переводить вещество из твердого состояния в жидкое и частично в плотную низкотемпературную плазму. Физические процессы в контактных зонах характеризуются пространственной неоднородностью и не стационарностью во времени. Их изучение и выявление основных закономерностей поведения материала в зонах контактов частиц позволяет установить оптимальные параметры процесса ЭИП спекание. В процессе ЭИП спекание порошковая заготовка обжимается как силами магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим через заготовку, так и давлением от внешней системы нагружения. Для создания мощных импульсов тока используются высоковольтные источники тока (батареи конденсаторов). Повышение импульсного напряжения на батареи конденсаторов приводит к существенному увеличению энерговыделения в порошковой прессовке, что позволяет увеличить габариты компактных изделий. В первой работе по ЭИП спекание компактизация осуществлялась при пропускании мощных коротких (с) импульсов электрического тока от высоковольтных генераторов, обеспечивающих протекание тока через прессовку с плотностью тока . Короткая длительность импульса при ЭИП обеспечивает высокую скорость компактизации порошкового материала, что дает возможность проводить его в большинстве случаев на воздухе без использования защитной атмосферы или вакуума. В этом ЭИП спекание выгодно отличается от других методов консолидации, использующих низковольтные импульсы тока, где вследствие относительно большей длительности процесса нагрева окисление уплотняемого материала может происходить в большей степени. Высокая скорость консолидации при ЭИП спекание позволяет так же фиксировать в изделии свойства и состав исходного порошка. Импульсный нагрев без внешнего давления позволяет получать пористые изделия (с пористостью материала 60-70% от теоретической). Приложение давления 50-500 МПа и последующий импульсный нагрев позволяют существенно повысить плотность готовых изделий и получить практически беспористые материалы (до 99,98 % от теоретической). Таким образом, основными параметрами, контролирующими процесс уплотнения при ЭИП являются плотность тока в импульсе через прессовку, длительность импульса и внешнее давление прессования. Значительное влияние так же оказывает форма и размер частиц, а так же диаметр и высота прессовки. Меняя соответственным образом эти параметры можно получать практически беспористые материалы, причем, как правило, прочностные свойства материалов, полученных ЭИП, превосходят таковые у аналогичных литых материалов.



4. Технология

В данной работе рассматривается одна сборочная единица, состоит она из диэлектрического кольца, прутка и поверхности трубы. Суть задачи состоит в том, что необходимо приварить медный пруток к трубе. Это возможно осуществить с помощью способа сварки ЭИП спекание. Сварка разнородных металлов всегда вызывала затруднения при традиционных способах, в данном случае сваривается медь и сталь. При такой композиции возможно образование таких дефектов как трещины, причиной которых является разность теплофизических свойств свариваемых элементов. Такие дефекты как трещины не позволяют признать соединение готовым к эксплуатации и для того что бы их избежать требуются дополнительные операции, которые удорожают производство. Способ ЭИП спекание позволяет сваривать металлы с разными теплофизическими свойствами при отсутствии дополнительных операций, удешевляя производство и снижая трудоемкость. Для данного способа сварки важными параметрами являются емкость, напряжение, частота тока, количество энергии вводимой в изделие. В численном виде они имеют вид следующий: C=180 мкФ, U=3 кВ, f=10 кГц, W=4,8 кДж. Данные параметры получены экспериментально. При этом режиме, возможно, получить удовлетворительное качество сварного соединения.

В качестве оборудования используются ГИТ 2-1 и инструмент МИМ-1.

Операции технологического процесса направлены на предотвращение появления возможных дефектов, поэтому требуют особого внимания.

1. Необходимо приварить медный пруток к трубе диаметром 530 мм и длинной 12000 мм согласно чертежу. Труба поставляется по ГОСТ 10704-91.

2. Обработка поверхности под сварку. В данном случаи поверхность трубы обезжиривается и обрабатывается шлиф машинкой на расстояние 50 мм в каждую сторону от центра места под сварку.

3. На подготовленную поверхность трубы укладывается заранее прокаленный пруток медный пруток марки М1к по ГОСТ-859-2001 на зенит трубы с допустимым отклонением 10 мм.

4. Затем на пруток устанавливается матрица марки 22 ХС, так что бы пруток был равен диаметру матрицы .

5. Засыпка спекаемого порошка. Порошок должен заполнить половину объема матрицы .

6. Следующим шагом является центрирование электрода относительно заполненной диэлектрической матрицы. Пружины, прижимают матрицу, что обеспечивает герметичность и предотвращает разрушения матрицы из-за усадки порошкового материала.

7. На оборудовании устанавливаются параметры, которые не требуется менять в процессе работы.

8. Электромагнитное прессование спекание. При этом процессе происходит консолидация порошка проволоки и поверхности трубы с образованием общего соединения.

9. Завершающим шагом является проведение контроля качества сварного соединения. Проводится ВИК и испытание на срез.



5. Сборочно-сварочная оснастка

Сборочно сварочная установка состоит из ГИТ 2-1 с БУ и МИМ.

Источник питания ГИТ 2-1.

5.1.1 Назначение

5.1.1.1 Генератор относится к классу специальных высоковольтных конденсаторных установок и предназначен для получения больших (от десятков до сотен килоампер) импульсных токов. Параметры импульсного тока (амплитуда, частота, затухание) определяются нагрузкой, подключаемой к генератору.

5.1.1.2 Генератор предназначен для обеспечения импульсными токами технологической нагрузки и имеет 2-a исполнения.

5.1.1.3 Генератор изготовлен в климатическом исполнении УХЛ 4 по ГОСТ 15150.

5.1.1.4 Генератор должен эксплуатироваться в помещениях категории Д по СНиП 2.09.02 без повышенной опасности по электробезопасности ПУЭ.

5.1.1.5 Питание генератора от 4-х проводной с нулевым проводом сети переменного тока напряжением 380 В частотой 50 Гц с предельными отклонениями по ГОСТ 13109.

5.1.1.6 Генератор обеспечивает работу при подаче проточной воды с расходом 60…120 л/ч и температурой 25…400С.



5.1.2 Основные технические данные и характеристики.

5.1.2.1 Генератор изготовлен в соответствии с комплектом конструкторской документации ДТУ 23Э 2.389.041 ПС

5.1.2.2 ГИТ имеет две модификации:

-23Р 2.389.041

- 23Р 2.389.041-01.

ГИТ соответствует требованиям безопасности при работе с напряжением свыше 1000В.

5.1.2.3 Габаритные размеры генератора, не более:

длина- 820 мм;

ширина- 910 мм;

высота- 1220 мм.

Масса, не более 600 кг.

5.1.2.4 Расход проточной воды, не менее 120 л/ч.

5.1.2.5 Токи, потребляемые генератором, не более:

фаза А- 20 А;

фаза В- 0 А;

фаза С- 0 А.

5.1.2.6 Постоянный ток заряда емкостного накопителя энергии (ЕНЭ):

-23Р 2.389.041 0,6±0,15 А;

-23Р 2.389.041-01 0,4±0,10 А.

5.1.2.7 Дискретность установки напряжения заряда ЕНЭ 100 В.

5.1.2.8 Погрешность отсечки заданного уровня напряжения заряда ЕНЭ (КР), не более 3%.

Знаком (КР) отмечены параметры, которые являются критериями работоспособности генератора.

5.1.2.9 Нестабильность напряжения заряда ЕНЭ (КР), не более 1%.

5.1.2.10 Минимальное напряжение заряда ЕНЭ 1,0 кВ.

5.1.2.11 Максимальное напряжение заряда ЕНЭ

-23Р 2.389.041 5,8кВ

- 23Р 2.389.041-01 15кВ

5.1.2.12 Максимальная энергия ЕНЭ

-23Р 2.389.041 10 000 Дж

-23Р 2.389.041-01 650 Дж

5.1.2.13 Максимальный импульсный ток разряда ЕНЭ до 150кА.

5.1.2.14 Собственная частота разрядного тока ЕНЭ (КР), не менее:

-23Р 2.389.041 20кГц

-23Р 2.389.041-01 100кГц

5.1.2.15 Количество импульсов разряда в одном цикле разрядов 1…99.

5.1.2.16 Количество импульсов разряда, не менее 5х104.



Рис. 4 Структурная схема генератора.

БУ - блок управления;

БС - блок силовой;

ВИТ - высоковольтный источник тока;

ЕНЭ - емкостный накопитель энергии;

БК - блок коммутации.

5.1.3 Указание мер безопасности.

5.1.3.1. К работе на генераторе допускаются лица, изучившие настоящий паспорт, инструкцию по технике безопасности при работе на данном оборудовании, а также прошедшие инструктаж по безопасности труда на рабочем месте.

5.1.3.2. Управление генератором может осуществлять персонал, обученный и аттестованный по электробезопасности и имеющий квалификационную группу, не ниже II с правом работы на электроустановках с напряжением выше 1000 В.

5.1.3.3. Техническое обслуживание, наладочные работы, осмотры и ремонт генератора должны осуществляться оперативно-ремонтным персоналом. Квалификационная группа старшего в смене должна быть не ниже IV с правом работы на электроустановках с напряжением выше 1000 В, остальных членов бригады - не ниже III.

5.1.3.4. Перед эксплуатацией генератор заземлить с помощью стальной шины сечением не менее 24 мм2 и толщиной не менее 3 мм2.

5.1.3.5. Техническое обслуживание, наладочные работы, осмотры и ремонт генератора производить только после выключения автомата «СЕТЬ», снятия напряжения с входной колодки сетевого питания и снятия остаточного заряда с конденсаторов С3…С6 (см. 23Р 3.558.041 Э3) и С4…С7 с помощью разрядной штанги ПбК 6.366.033.

5.1.3.6. Запрещается работа на генераторе при открытых частях высоковольтных выводов генератора и технологического инструмента.

5.1.3.7. Запрещается во время работы отключать кабели и шины, соединяющие генератор и технологическое устройство.

5.1.3.8. Запрещается пользоваться диэлектрическими ковриками и разрядными штангами с просроченным сроком аттестации.

5.2 Магнитно-импульсный молот

МИМ-1 соединен с источником питания ГИТ коаксиальным кабелем РК-50 длиной 3 м (Рис. 5). Управление процессом сварки осуществляется от блока управления БУ.



Рис. 5

Рис.6 МИМ-1

Состоит из: 1-индуктор; 2-толкатель; 3-копус; 4-стакан фиксирующий; 5-Защитный экран; 6-упор; 7-прижим токоведущий; 8-шток; 9-лист; 10-электрод; 11-фиксирующие пружины.

МИМ-1 является инструментом, с помощью которого производится фиксирование деталей между собой и их последующее спекание.



6. Контроль качества сварного соединения

Визуально-Измерительный Контроль (ВИК)

Это один из методов неразрушающего контроля оптического вида. Он основан на получении первичной информации о контролируемом объекте при визуальном наблюдении или с помощью оптических приборов и средств измерений. Это органолептический контроль, т.е. воспринимаемый органами чувств (органами зрения) ГОСТ 23479-79 «Контроль неразрушающий. Методы оптического вида» устанавливает требования к методам контроля оптического вида.

Внешним осмотром (ВИК-ом) проверяют качество подготовки и сборки заготовок под сварку, качество выполнения швов в процессе сварки и качество готовых сварных соединений. Как правило, внешним осмотром контролируют все сварные изделия независимо от применения других видов контроля. Визуальный контроль во многих случаях достаточно информативен и является наиболее дешевым и оперативным методом контроля.

Визуальный метод контроля позволяет обнаруживать несплошности, отклонения размера и формы от заданных более 0,1 мм при использовании приборов с увеличением до 10 х.

Визуальный контроль, как правило, производится невооруженным глазом или с использованием увеличительных луп до 7 х. В сомнительных случаях и при техническом диагностировании допускается применение луп с увеличением до 20 х.

Перед проведением визуального контроля поверхность в зоне контроля должна быть очищена от ржавчины, окалины, грязи, краски, масла, брызг металла, и других загрязнений, препятствующих осмотру.

При Визуально-Измерительном Контроле сварных швов зоной контроля является сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла на ширине не менее 20 мм в каждую сторону от шва с двух поверхностей, если обе они доступны для осмотра.

Визуальный контроль выполняется до проведения других методов контроля. Дефекты, обнаруженные при визуальном контроле, должны быть устранены до проведения контроля другими методами.

Измерения производятся с использованием приборов и инструментов: лупы измерительные, штангенциркули, линейки измерительные металлические, угломеры, угольники, щупы, шаблоны и др.

Визуальный контроль и измерения производятся:

на стадии входного контроля материала для выявления поверхностных дефектов (трещин, расслоений, забоин, закатов, раковин, шлаковых включений и др.), а также отклонений геометрических размеров заготовок от проектных;

на стадии подготовки деталей под сборку и сварку для подтверждения соответствия установленным требованиям конструктивных элементов разделки и чистоты кромок, и прилегающих поверхностей, отсутствия углового и поверхностного смещения, величины зазоров, количества, расположения и качества прихваток;

по окончании сварки, либо на отдельных её этапах - для выявления в сварном соединении поверхностных дефектов и несплошностей (трещин, раковин, пор, свищей, подрезов, прожогов, наплывов, грубой чешуйчатости и западаний между валиками, непроваров и др.); а также отклонений геометрических размеров сварного шва от требований, установленных стандартами.

на стадии технического диагностирования - для выявления отклонений размеров и формы конструкции от проектных; эксплуатационных дефектов основного металла и сварного шва (усталостных трещин, коррозионных язв, питтингов и др.).

Испытание на срез производят металлическим молотком весом 200 г. путем приложения ударной нагрузки.

Размещено на Allbest.ru

...