Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Ростовский государственный строительный университет

Институт промышленного и гражданского строительства

Кафедра промышленного транспорта и механического оборудования

"АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ"

Оглавление

• Введение
• 1. Элементы теории сварочных процессов
• 1.1 Сварка как способ получения монолитных соединений
• 1.1.1 Понятие сварки
• 1.1.2 Механизм образования монолитного соединения
• 1.1.3 Образование монолитного соединения при сварке плавлением
• 1.1.4 Образование монолитного соединения при сварке давлением
• 1.2 Классификация сварочных процессов
• 1.2.1 Признаки классификации
• 1.2.2 Классификация сварочных процессов по физическим признакам
• 1.2.3 Классификация методов сварки магистральных трубопроводов
• 1.2.3.1 Сущность метода ручной дуговой сварки
• 1.2.3.2 Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса
• 1.2.3.3 Автоматическая дуговая сварка в среде защитных газов
• 1.2.3.4 Автоматическая сварка неповоротных стыков порошковой проволокой с принудительным формированием шва
• 1.2.3.5 Электроконтактная сварка оплавлением
• 1.3 Физическо-металлургические явления при дуговой сварке плавящимся электродом
• 1.3.1 Физика сварочной дуги
• 1.3.1.1 Природа, строение и область существования сварочной дуги
• 1.3.1.2 Строение сварочной дуги и ее вольтамперная характеристика
• 1.3.1.3 Элементарные процессы в плазме дуги. Ионизация и деионизационные процессы в дуге
• 1.3.1.4 Термодинамическая характеристика плазмы. Понятие эффективного потенциала ионизации
• 1.3.1.5 Явления переноса, баланс энергии и температура в столбе дуги
• 1.3.1.6 Приэлектродные области дугового разряда
• 1.3.1.6.1 Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии
• 1.3.1.6.2 Физические явления в приэлектродных областях
• 1.3.1.6.3 Краткая характеристика приэлектродных зон
• 1.3.1.7 Элементы магнитогидродинамики сварочной дуги
• 1.3.1.7.1 Электромагнитные силы в дуге
• 1.3.1.7.2 Магнитное дутье. Влияние ферромагнитных масс
• 1.3.1.7.3 Влияние на дугу внешнего магнитного поля
• 1.3.1.8 Перенос металла в сварочной дуге
• 1.3.1.9 Краткая характеристика сварочных дуг с плавящимся электродом
• 1.3.2 Металлургические процессы при сварке
• 1.3.2.1 Процессы окисления металла шва
• 1.3.2.2 Раскисление металла сварочной ванны
• 1.3.2.3 Защита металла сварочной ванны от воздействия атмосферы
• 1.3.2.4 Покрытие электродов, его компоненты и их функции
• 1.3.2.5 Металлургические процессы при РДС покрытыми электродами
• 1.3.2.6 Особенности металлургических процессов при сварке электродами с покрытием основного и целлюлозного вида
• 1.3.2.7 Способы легирования металла шва
• 1.3.2.8 Вредные примеси при сварке и их влияние на качество металла шва
• 1.3.3 Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке
• 1.3.3.1 Термодеформационные процессы при сварке
• 1.3.3.1.1 Понятие о сварочных деформациях и напряжениях
• 1.3.3.1.2 Методы определения остаточных деформаций и напряжений
• 1.3.3.1.3 Типичные поля остаточных напряжений при сварке многослойных швов
• 1.3.3.2 Образование сварных соединений и формирование первичной структуры металла шва
• 1.3.3.2.1 Понятие свариваемости
• 1.3.3.2.2 Общие положения теории кристаллизации
• 1.3.3.2.3 Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва
• 1.3.3.2.4 Химическая неоднородность сварного соединения и ее виды
• 1.3.3.2.5 Характер изменения прочности и пластичности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке
• 1.3.3.2.6 Горячие трещины при сварке
• 1.3.3.3 Превращения в металлах при сварке
• 1.3.3.3.1 Характерные зоны сварных соединений
• 1.3.3.3.2 Виды превращений в металле сварных соединений
• 1.3.3.3.2.1.Фазовые превращения. Кинетика диффузионного превращения
• 1.3.3.3.2.2 Кинетика мартенситного превращения
• 1.3.3.3.3 Фазовые и структурные превращения при сварке сталей. Превращения в основном металле при нагреве
• 1.3.3.3.4 Превращения в шве и основном металле при охлаждении
• 1.3.3.3.5 Способы регулирования структуры сварных соединений
• 1.3.3.3.6 Холодные трещины при сварке
• 2. Особенности технологии ручной дуговой сварки неповоротных стыков
• 2.1 Сварочные электроды
• 2.1.1 Классификация сварочных электродов
• 2.1.2 Условное обозначение сварочных электродов
• 2.1.3 Краткая характеристика материалов покрытия и стержня электродов
• 2.2 Сварные соединения и швы
• 2.2.1 Сварные соединения и швы. Виды швов и их геометрические характеристики
• 2.2.2 Конструкция шва. Назначение и технология сварки отдельных его слоев
• 2.3 Этапы разработки технологии РДС
• 2.3.1 Подготовка кромок труб
• 2.3.2 Выбор электродов
• 2.3.3 Сварочный ток
• 2.3.4 Выбор конструкции шва
• 2.3.5 Определение скорости сварки
• 2.4 Подготовительные операции
• 2.4.1 Очистка полости, осмотр, ремонт и зачистка кромок труб
• 2.4.2 Сборка стыка
• 2.4.3 Предварительный подогрев
• 2.5 Схемы и методы производства сварочно-монтажных работ
• 2.6 Особенности технологии сварки трубопроводов из различных видов стали
• 2.6.1 Сварка трубопроводов из сталей повышенной и высокой прочности
• 2.6.2 Сварка термически уплотненных сталей
• 3. Патентные изыскания
• Заключение
• Список литературы

Введение

На сегодняшний день нефть и газ являются важнейшим товаром России на мировом рынке. Доходы от их продажи составляют весьма значительную часть (до 30% - по заявлениям премьер-министра России, хотя на самом деле эта цифра очевидно больше) бюджета государства. Кроме того, они являются важнейшим сырьем для многих отраслей экономики самой России, в том числе, топливно-энергетического комплекса. Поэтому главнейшими для нефтегазовой отрасли и всей страны в целом являются вопросы эффективной добычи и транспортировки полезных ископаемых к потребителю (или покупателю).

Географически районы добычи и потребления нефти и газа разделены значительными расстояниями, поскольку основные запасы полезных ископаемых сосредоточены на Севере и на Востоке, а главными их потребителями являются центральные и западные регионы. В связи с этим, одной из наиболее существенных является проблема транспортировки нефти и газа. Безусловным лидером среди различных способов доставки является трубопроводный транспорт.

Применение его для передачи нефти и газа на большие расстояния было предложено еще во второй половине XIX века - в самом начале эры промышленного использования этих полезных ископаемых. Первые трубопроводы предназначались для транспортировки продукта от промысла к пункту сбора (т.е. были промысловыми). К 1890 году в районе Баку эксплуатировалось около 40 подобных трубопроводов общей протяженностью 300 км. Первый магистральный трубопровод (т.е. трубопровод, предназначенный для передачи продукта от места добычи к месту потребления) был построен в 1896-1906 гг. Это был керосинопровод Баку-Батуми длиной 883 км, диаметром 203 мм с соединением труб на винтовых муфтах.

С того времени и материалы, и способы изготовления трубопроводов значительно эволюционировали. Изменилось и значение их для экономики страны. В настоящее время трубопроводный транспорт - основной способ доставки нефти и газа из мест добычи к местам потребления. Обусловлено это целым рядом его преимуществ перед другими видами транспорта:

1) высокая экономическая эффективность применения трубопроводов. При больших объемах транспортируемого продукта (а именно этим отличаются современные нефте- и газодобывающая отрасль) затраты на перекачку единицы объема этого продукта по трубопроводу (удельные затраты) значительно меньше затрат на пересылку той же единицы объема автомобильным или железнодорожным транспортом.

2) высокая производительность. Трубопровод способен доставить гораздо большее количество продукта чем любой другой вид транспорта за то же время.

3) минимум потерь продукта при транспортировке.

4) быстрота сооружения трубопроводов. При одинаковых затратах время на строительство ветки трубопровода значительно меньше времени, необходимого для строительства авто-, а тем более, железной дороги.

5) земли, необходимые для строительства, после окончания этого строительства могут снова использоваться.

И это неполный список всех преимуществ трубопроводов транспорта перед остальными видами транспорта. Совокупность этих достоинств и обеспечили лидирующие позиции трубопроводного транспорта в вопросе передачи нефти и газа на большие расстояния. В этих условиях целесообразно рассмотрение проблемы качества сооружения магистральных трубопроводов как фактора, во многом определяющего последующую надежность их функционирования, от которой в значительной степени зависит благосостояние страны в целом

Проблема качества сооружения магистральных трубопроводов автоматически распадается на более мелкие, поскольку качество сооружения всего трубопровода в целом зависит от качества отдельных видов работ, выполняемых при строительстве: подготовительных, земляных, сварочно-монтажных, изоляционно-укладочных, испытаний. Важнейшим процессом, значительным образом влияющим на эксплуатационные характеристики будущего сооружения, являются сварочно-монтажные работы. Сварка на сегодняшний день является единственным способом соединения отдельных труб в секции (укрупнительная сварка поворотных стыков) и в непрерывную нитку (сварка неповоротных стыков). Самым распространенным в трубопроводном строительстве России по сравнению с другими методами сварки неповоротных стыков все еще остается ручная (электро)дуговая сварка (РДС) толстопокрытым электродом. Обусловлено такое положение дел несколькими причинами. Во-первых, это достоинства РДС:

1) универсальность метода. РДС подходит для сварки всех видов соединений магистральных трубопроводов (МТ). Более того, некоторые виды сварочных работ, согласно действующим нормам, требуют только ручной дуговой сварки (так называемые специальные сварочные работы).

2) отсутствие необходимости применения сложной высокотехнологичной техники и высококвалифицированного персонала для ее обслуживания, что необходимо для большинства методов автоматической сварки.

3) дешевизна метода (это особенно характерно для России, где отношение затрат на рабочую силу к общим затратам на строительство на порядок ниже того же показателя в развитых странах).

Во-вторых, следует упомянуть условия и события характерные для нашей страны с конца восьмидесятых годов и до наших дней:

1) развал СССР и экономический кризис, приведшие в упадок всю строительную индустрию, в том числе, и строительство магистральных трубопроводов. Одним из результатов этих процессов стало ухудшение материально-технической базы строительства. В качестве примера можно привести ситуацию с установками для автоматической электроконтактной сварки оплавлением неповоротных стыков труб больших диаметров "Север". Эти установки успешно применялись в строительстве, так как обеспечивали высокое качество сварки, большую производительность и полную автоматизацию сварочных работ. В настоящее время все они находятся в состоянии, непригодном для эксплуатации, а их восстановление или строительство новых экономически неоправданно.

2) временное отсутствие необходимости применения методов сварки, обеспечивающих большую производительность. Связано это, опять-таки, с экономическим положением в стране. Потребность в бьльших размерах строительства существует, но пока на реализацию этих планов средств нет. Ручная дуговая сварка вполне способна обеспечить выполнение тех небольших объемов работ, заказы на которые возникают в настоящее время. Соответсвенно нет смысла в неоправданном использовании дорогостоящих автоматических методов, неспособном окупить себя.

3) общее техническое и технологическое отставание России от развитых стран, в которых применение автоматических методов сварки обусловлено как высоким уровнем культуры строительства (чего эти методы требуют), так и гораздо лучшей материально-технической обеспеченностью процесса строительства.

Таким образом, в условиях строительства магистральных трубопроводов, характерных для сегодняшнего положения экономики России, ручная дуговая сварка несмотря на кажущийся архаизм, является оптимальным выбором. В отличие от других, автоматических методов сварки неповоротных стыков, она не требует столь значительных капитальных вложений. Технология РДС является сравнительно простой и хорошо освоенной и позволяет получать сварные соединения, вполне удовлетворяющие тем жестким требованиям, которые предъявляются к стыкам магистральных трубопроводов.

Все вышеперечисленные факторы обуславливают столь широкое применение ручной дуговой сварки при сооружении магистральных трубопроводов, даже учитывая то обстоятельство, что метод не является прогрессивным. Не вызывает сомнения тот факт, что с развитием экономики России в строительстве магистральных трубопроводов широкое распространение получат автоматические методы сварки. Но это вопрос не столь отдаленного, но все же будущего. А в настоящее время ручная дуговая сварка остается наиболее используемым методом сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов. Значит, существует объективная необходимость максимального усовершенствования технологии, которая сегодня все еще удовлетворяет основному требованию экономики строительства - построить в кратчайшие сроки с необходимым качеством за минимальную цену.

В этой работе сделана попытка проанализировать физические основы и технологию ручной дуговой сварки, систематизировать рассредоточенные по различным источникам данные о схемах и принципах организации производства работ при использовании этого метода, сравнить теоретический материал с практическим, полученным за время работы на строительстве (производственной практики) трех различных трубопроводоводных систем, а также постараться дать рекомендации по возможному усовершенствованию технологии, выводы о целесообразности и перспективах дальнейшего применения ручной дуговой сварки при сооружении объектов магистрального транспорта нефти и газа.

1. Элементы теории сварочных процессов

1.1 Сварка как способ получения монолитных соединений

1.1.1 Понятие сварки

В технике широко используют различные виды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолитными (сплошными) и немонолитными (например, заклепочные). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием. Сварку и пайку в настоящее время используют для соединения между собой металлов и неметаллов. Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ.

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемного монолитного соединения материалов путем введения и термодинамически необратимого преобразования вещества и энергии в месте соединения. Сварным соединением называется сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла, подвергшиеся тепловому воздействию сварочного термического цикла. Сварным швом называют участок сварного соединения, образовавшийся в процессе кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

1.1.2 Механизм образования монолитного соединения

На первый взгляд кажется, что образование монолитного соединения двух одинаковых монокристаллов с идеально гладкими и чистыми поверхностями возможно при любой температуре и без приложения внешней энергии. Для этого достаточно сблизить их поверхности на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки (порядка долей нанометра). Тогда между сопряженными атомами возникнут связи, граница раздела Д (рис. 1) исчезнет и произойдет сварка. Такой процесс кажется вероятным и не противоречит второму началу термодинамики, так как свободная энергия системы при этом должна уменьшиться на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.

В действительности даже в идеальном случае для соединения поверхностей требуются затраты энергии. Дело в том, что любому устойчивому состоянию системы соответствует определенный минимум энергии атома. Каждый атом находится как бы в потенциальной лунке и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления энергетического барьера (рис. 2).

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум) или из-за ее ослабления. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла w_п. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия w₀ (см. рис. 2), то для выхода в окружающую среду w_п, причем w_п > w₀. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется деформационная или тепловая, энергия извне, превышающая граничную энергию w_г.

Внешняя энергия деформации будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в решетке кристаллов, возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится выигрыш энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения - энергии активации. Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении

Сварку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 3). Двухстадийность характерна только для микроучастков соединяемых поверхностей. На первой стадии А развивается физический контакт, т.е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояние, требуемое для межатомного взаимодействия, а также происходит подготовка поверхностей к взаимодействию. На второй стадии Б - стадии химического взаимодействия - заканчивается процесс образования прочного соединения.

Практически получение монолитных соединений осложняется двумя факторами:

1) свариваемые поверхности имеют микронеровности (даже при тщательной обработке), высота которых измеряется микрометрами. Поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках;

2) свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.

Для качественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активизировать ее. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:

1) для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи;

2) для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера охватывания, т. е. для перехода их в активное состояние.

Такая энергия активации может в общем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

1.1.3 Образование монолитного соединения при сварке плавлением

При сварке плавлением сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей тел жидким металлом, а активация поверхности твердого металла - путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий металл может растекаться по всей поверхности тела и обеспечивать соприкосновение и прилипание (или адгезию) его молекул и поверхностного слоя твердых тел.

При затвердевании расплавленного материала слабые адгезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и типу их кристаллической решетки. Вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромки и т.д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом материалах, их взаимное растворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны обеспечивают объемное строение зоны сварки, что обычно повышает прочность сварного соединения.

Сварка плавлением происходит без приложения осадочного давления путем спонтанного слияния объемов жидкого металла. Она обычно не требует тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.

Обе стадии процесса соединений - физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, - протекают достаточно быстро (см. рис. 3, кривая 1). Для однородных металлов это не опасно. Но в случае разнородных материалов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в контакте.

При быстром образовании физического контакта твердого тела с расплавом, например, при сварке путем расплавления одного из соединяемых материалов, сначала на границе твердой и жидкой фаз будет наблюдаться пик межфазной энергии w_г, аналогичный w_п (см. рис. 2, б), так как переход атомной системы в новое состояние происходит не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Длительность ретардации (задержки) пика поверхности раздела, как называют этот период, может быть приближенно рассчитана как время жизни атома перед потенциальным барьером или определена опытным путем. На основании этих данных можно определить допустимую длительность контакта твердой и жидкой фаз и оптимальную температуру сварки.

1.1.4 Образование монолитного соединения при сварке давлением

При сварке давлением (в твердом состоянии) сближение атомов и активация (очистка) поверхностей достигаются в результате совместной упругопластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто одновременно с дополнительным нагревом.

Длительность стадий образования физического контакта А и химического взаимодействия Б здесь существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов: физико-химических и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверхности, состава внешней среды, характера приложения давления и других средств активации (ультразвук, трение и т. д.).

В последнее время предложены методы приближенного расчета параметров режима сварки статическим давлением, которые подтверждаются опытом. Длительность процесса образования физического контакта, заключающегося в смятии микронеровностей, рассчитывают по скорости ползучести. Длительность второй стадии - химического взаимодействия - оценивают по уравнению Больцмана как длительность периода активации. Расчеты основаны на представлениях о схватывании материалов в результате ползучести на контактных поверхностях и образовании прочных химических связей в местах выхода и перемещения вакансий, дислокаций и скоплений. Выход дислокаций на контактную поверхность активирует ее путем разрыва насыщенных связей, что приводит к образованию активных центров.

Однако принято считать, что при соединении металлов в твердом состоянии имеет значение не только схватывание, но и спекание. Спекание - комплекс диффузионных процессов, протекающих во времени при повышенных температурах. Схватывание - бездиффузионное явление - объединение кристаллических решеток, находящихся в контакте тел в результате их совместного пластического деформирования. Относительная роль схватывания и спекания в разных методах соединения металлов раз-лична и определяется в основном температурой, временем и давлением в контакте. Например, диффузионную сварку при большом времени выдержки можно считать основанной на явлении спекания. Во всех остальных случаях схватывание первично, а диффузионные и рекристаллизационные процессы, если они вообще происходят, вторичны.

1.2 Классификация сварочных процессов

1.2.1 Признаки классификации

При классификации процессов сварки целесообразно выделить три основных физических признака:

1) наличие давления;

2) вид вводимой энергии;

3) вид инструмента - носителя энергии.

Остальные признаки можно условно отнести к техническим или технологическим (табл.1). По виду вводимой в изделие энергии все сварочные процессы, включая сварку, пайку, резку и др., могут быть разделены на термические, термомеханические и прессово-механические способы.

Термические процессы идут без давления (сварка плавлением), остальные - обычно с давлением (сварка давлением).

Термины "класс", "метод", "вид", "способ" условны, но будут использованы в классификации, они позволяют в дальнейшем ввести четкую систему типизации процессов сварки. Термин "процесс" используют как независимый от классификационных групп.

Таблица 1. Признаки и ступени классификации сварочных процессов