Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Ноября 2012 в 19:06, курсовая работа
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.
Оглавление 4
Введение 7
1.Элементы теории сварочных процессов 11
1.1 Сварка как способ получения монолитных соединений 11
1.1.1 Понятие сварки 11
1.1.2 Механизм образования монолитного соединения 11
1.1.3 Образование монолитного соединения при сварке плавлением 13
1.1.4 Образование монолитного соединения при сварке давлением 14
1.2 Классификация сварочных процессов 16
1.2.1 Признаки классификации 16
1.2.2 Классификация сварочных процессов по физическим признакам 17
1.2.3 Классификация методов сварки магистральных трубопроводов 18
1.2.3.1 Сущность метода ручной дуговой сварки 19
1.2.3.2 Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса 20
1.2.3.3 Автоматическая дуговая сварка в среде защитных газов 21
1.2.3.4 Автоматическая сварка неповоротных стыков порошковой проволокой с принудительным формированием шва 22
1.2.3.5 Электроконтактная сварка оплавлением 23
1.3 Физическо-металлургические явления при дуговой сварке плавящимся электродом 24
1.3.1 Физика сварочной дуги 24
1.3.1.1 Природа, строение и область существования сварочной дуги 24
1.3.1.2 Строение сварочной дуги и ее вольтамперная характеристика 25
1.3.1.3 Элементарные процессы в плазме дуги. Ионизация и деионизационные процессы в дуге 27
1.3.1.4 Термодинамическая характеристика плазмы. Понятие эффективного потенциала ионизации 30
1.3.1.5 Явления переноса, баланс энергии и температура в столбе дуги 31
1.3.1.6 Приэлектродные области дугового разряда 33
1.3.1.6.1 Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии 33
1.3.1.6.2 Физические явления в приэлектродных областях 34
1.3.1.6.3 Краткая характеристика приэлектродных зон 35
1.3.1.7 Элементы магнитогидродинамики сварочной дуги 37
1.3.1.7.1 Электромагнитные силы в дуге 37
1.3.1.7.2 Магнитное дутье. Влияние ферромагнитных масс 38
1.3.1.7.3 Влияние на дугу внешнего магнитного поля 39
1.3.1.8 Перенос металла в сварочной дуге 41
1.3.1.9 Краткая характеристика сварочных дуг с плавящимся электродом 43
1.3.2 Металлургические процессы при сварке 44
1.3.2.1 Процессы окисления металла шва 44
1.3.2.2 Раскисление металла сварочной ванны 46
1.3.2.3 Защита металла сварочной ванны от воздействия атмосферы 47
1.3.2.4 Покрытие электродов, его компоненты и их функции 48
1.3.2.5 Металлургические процессы при РДС покрытыми электродами 49
1.3.2.6 Особенности металлургических процессов при сварке электродами с покрытием основного и целлюлозного вида 50
1.3.2.7 Способы легирования металла шва 51
1.3.2.8 Вредные примеси при сварке и их влияние на качество металла шва 52
1.3.3 Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке 54
1.3.3.1 Термодеформационные процессы при сварке 55
1.3.3.1.1 Понятие о сварочных деформациях и напряжениях 55
1.3.3.1.2 Методы определения остаточных деформаций и напряжений 58
1.3.3.1.3 Типичные поля остаточных напряжений при сварке многослойных швов 59
1.3.3.2 Образование сварных соединений и формирование первичной структуры металла шва 60
1.3.3.2.1 Понятие свариваемости 60
1.3.3.2.2 Общие положения теории кристаллизации 62
1.3.3.2.3 Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва 67
1.3.3.2.4 Химическая неоднородность сварного соединения и ее виды 68
1.3.3.2.5 Характер изменения прочности и пластичности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке 71
1.3.3.2.6 Горячие трещины при сварке 73
1.3.3.3 Превращения в металлах при сварке 78
1.3.3.3.1 Характерные зоны сварных соединений 78
1.3.3.3.2 Виды превращений в металле сварных соединений 80
1.3.3.3.2.1.Фазовые превращения. Кинетика диффузионного превращения 80
1.3.3.3.2.2 Кинетика мартенситного превращения 83
1.3.3.3.3 Фазовые и структурные превращения при сварке сталей. Превращения в основном металле при нагреве 84
1.3.3.3.4 Превращения в шве и основном металле при охлаждении 88
1.3.3.3.5 Способы регулирования структуры сварных соединений 92
1.3.3.3.6 Холодные трещины при сварке 93
2 Особенности технологии ручной дуговой сварки неповоротных стыков 97
2.1 Сварочные электроды 97
2.1.1 Классификация сварочных электродов 97
2.1.2 Условное обозначение сварочных электродов 99
2.1.3 Краткая характеристика материалов покрытия и стержня электродов 100
2.2 Сварные соединения и швы 103
2.2.1 Сварные соединения и швы. Виды швов и их геометрические характеристики 103
2.2.2 Конструкция шва. Назначение и технология сварки отдельных его слоев 105
2.3 Этапы разработки технологии РДС 109
2.3.1 Подготовка кромок труб 109
2.3.2 Выбор электродов 110
2.3.3 Сварочный ток 112
2.3.4 Выбор конструкции шва 114
2.3.5 Определение скорости сварки 116
2.4 Подготовительные операции 117
2.4.1 Очистка полости, осмотр, ремонт и зачистка кромок труб 117
2.4.2 Сборка стыка 118
2.4.3 Предварительный подогрев 121
2.5 Схемы и методы производства сварочно-монтажных работ 124
2.6 Особенности технологии сварки трубопроводов из различных видов стали 127
2.6.1 Сварка трубопроводов из сталей повышенной и высокой прочности 127
2.6.2 Сварка термически уплотненных сталей 128
3 Патентные изыскания 130
Заключение 132
Список литературы 136
Приложения 139
б) на втором этапе выполняют предварительный подогрев и сварку корневого слоя шва или накладывают прихватки длиной 80…100 мм на расстоянии 300…380 мм один от другого. Сварку корневого слоя шва выполняют электродами с целлюлозным покрытием в направлении «сверху вниз». Затем выполняют сварку «горячего» прохода те же сварщики (2…4 человека в зависимости от диаметра), которые выполнили корневой слой. После сварки корневого слоя шва поверхность валика тщательно очищают абразивным кругом с помощью шлифмашинки. После этого конец секции опускают на опору и трубоукладчик идет за новой секцией. Центратор перемещают на позицию центровки.
в) на третьем этапе проводят сварку третьего и других заполняющих слоев (в зависимости от толщины стенки трубы). В этом случае одновременно могут работать на стыке два, три или четыре сварщика, общее число которых зависит от темпа прокладки трубопровода. При сварке труб диаметром 1020— 1420 мм наибольший эффект достигается при работе трех или четырех сварщиков, что позволяет сократить фронт работ вдоль трассы трубопровода. Для сварки применяют электроды с основным покрытием, начиная работу с нижней точки и заканчивая в верхней части стыка.
г) на четвертом этапе выполняют облицовочный слой несколько сварщиков подобно сварке заполняющих слоев.
Сварку заполняющих и
4)четвертый метод сборки и сварки стыков магистральных трубопроводов – поточно-расчлененный – применяют в нашей стране и за рубежом. Он предусматривает специализацию одного звена сварщиков по выполнению корневого слоя шва электродами с целлюлозным покрытием и другого звена сварщиков, выполняющих «горячий» проход электродами с тем же покрытием. Целесообразно операцию ручной зачистки кромок заменить использованием станков СПК, т.к. это сокращает время зачистки. Дальнейшие операции выполняют в той же последовательности, что и при поточно-групповом методе. Для поточно-расчлененного метода характерно, что каждый сварщик выполняет определенный участок шва без регулирования режима. Увеличения производительности и снижения продолжительности сварки можно достичь использованием повышенных значений сварочного тока и диаметров сварочных электродов. Применение этих приемов в зарубежной практике сокращает время сварки на 25–30%.
Наиболее распространенным в настоящее время в России является поточно-групповой метод в сочетании со второй схемой сварки.
В отечественной и зарубежной практике трубопроводного строительства и резервуаростроения все чаще применяют стали с пределом прочности 550–750 МПа, что способствует уменьшению металлоемкости конструкций. Применение микродобавок ванадия, ниобия и титана позволило значительно повысить механические свойства стали за счет выделения карбидных и карбонитридных фаз. Эти стали (14Г2АФ, 15ГСТЮ, 16Г2АФ, 16Г2САФ, 17Г2АФ и т. п.) более склонны к росту зерна в околошовной зоне, а при высоких скоростях охлаждения в них появляются неравновесные структуры закалочного характера и холодные трещины. При разработке технологии сварки сталей повышенной и высокой прочности рассчитывают тепловой режим, при котором предотвращается образование мартенсита и закалочных трещин; выбирают сварочные материалы, обеспечивающие высокую технологическую прочность наплавленного металла и равнопрочность его с основным металлом. Эти вопросы обычно рассматривают в следующей последовательности:
1) проводят расчеты режима сварки по условиям проплавления, которые не отличаются от аналогичных расчетов при сварке незакаливающихся сталей;
2) пользуясь диаграммами термокинетического или изотермического распада аустенита для принятой стали, определяют допустимую скорость охлаждения металла при сварке. Для этого рассчитывают критическую скорость охлаждения;
3) найденную скорость сравнивают с мгновенной скоростью охлаждения, полученной по формулам.
При этом стремятся получить перлитную структуру. Требуемый тепловой режим сварки можно обеспечить соответствующим установлением погонной энергии процесса q /vсв или введением в технологический процесс подогрева металла перед сваркой или в процессе сварки. Возможность выбора погонной энергии процесса в значительной степени зависит от способа сварки. Для ручной сварки она может быть в пределах 4–40 кДж/см, а для автоматической сварки под флюсом – 16–100 кДж/см. Применение режимов с большими погонными энергиями предотвращает закалку, но приводит к чрезмерному перегреву основного металла в околошовной зоне, что неприемлемо для этих сталей. При сварке корневого слоя шва стыков трубопроводов электродами с основным покрытием диаметром 3–3,25 мм погонная энергия составляет 10 кДж/см, а при сварке электродами с целлюлозным покрытием диаметром 4 мм – 6 кДж/см. В этом случае минимальную температуру стыка и критическую скорость охлаждения можно установить из рассмотрения зависимости минимально допустимой начальной температуры от толщины металла и эквивалента углерода (см.стр.136 [2]).
На образование закалочных трещин отрицательную роль играет растворенный в металле водород, причем тем более сильную, чем больше эквивалент углерода свариваемой стали. Поэтому при выборе электродов для сварки корневого слоя шва это положение необходимо учитывать. При сварке электродами с целлюлозным покрытием предъявляют более жесткие требования к температурному режиму монтажного стыка до начала и в процессе работы, к шлифовке металла корневого слоя шва, а также к технике выполнения второго слоя шва.
Для сооружения магистральных трубопроводов с 1974 г. в нашей стране применяют термически упрочненные трубы из низколегированной стали 17Г2СФ, 17Г1С, 16ГБР, 16ГФР и др. При сварке термически упрочненных сталей в зоне термического влияния образуется участок, имеющий меньшую прочность, чем основной металл. Одним из основных показателей пригодности термически упрочненного металла является его стойкость против разупрочнения в результате воздействия термического цикла сварки. При оценке свариваемости термически упрочненных труб из низколегированных сталей необходимо учитывать наличие двух основных участков неоднородности в зоне термического влияния.
Участок полной перекристаллизации, нагреваемый выше температуры Ас3, свойства которого определяются в первую очередь химическим составом свариваемой стали, максимальной температурой нагрева, длительностью пребывания металла выше температуры Ас3, претерпевает полиморфные превращения. Хотя структура металла и является полностью аустенитной при высоких скоростях охлаждения и температуре более 40°С, характерных для сварки корневого слоя шва, в интервале температур 500–600°С в околошовной зоне могут образоваться структуры промежуточного распада, способствующие увеличению склонности сварных соединений к образованию холодных трещин и снижению ударной вязкости. Второй участок разупрочнения в зоне термического влияния образуется в результате нагрева термоупрочненных сталей до температуры Ас1–Ac3, что связано в основном с активацией процессов коагуляции карбидов. На параметры этого участка влияет соотношение скорости закалки стали и действительной скорости охлаждения металла при сварке. Характер разупрочнения индивидуален для каждой марки стали и зависит от ее химического состава, температуры отпуска после закалки и режимов сварки. По типу разупрочнения сварные соединения можно разделить на три группы:
1) с минимальной прочностью на участке перекристаллизации, когда действительная скорость охлаждения намного меньше критической;
2) с минимальной прочностью на участке отпуска, когда скорость охлаждения равна или больше критической;
3) с двумя минимумами — на участке отпуска и нормализации, когда скорость охлаждения несколько ниже критической.
Изменяя скорость охлаждения, можно получить любой из трех типов разупрочнения. Проверка склонности сварных соединений к образованию холодных трещин показала, что сварные соединения стали 16ГФР обладают большей склонностью к трещинообразованию, чем стали 17Г1С и 17Г2СФ.
При сварке термически упрочненных сталей необходимую температуру подогрева определяют с использованием химического эквивалента углерода Сэ, вычисленного по формуле (64) СНИП[4]:
Сэ = C +
где C, Mn, Cr, Mo, V, Ti, Nb, Ni, Cu, B – содержание соответствующих элементов в % от массы в составе трубной стали.
Для обеспечения требуемой
Любая технология, даже самая современная и прогрессивная, со временем устаревает. Процесс этот неизбежен, и в результате него снижается эффективность применения этой технологии, что само по себе весьма нежелательно. Существует два возможных пути решения этой проблемы:
1) прекращение использования технологии и внедрение новой;
2) совершенствование используемой технологии для постоянного поддержания ее на требуемом техническом уровне.
Все вышесказанное справедливо и для ручной дуговой сварки. Этот метод в значительной мере устарел, и требуется модернизация. Как было показано во введении, отказ от использования РДС и переход к новым технологиям автоматической сварки на сегодняшний день не обоснован. Следовательно возможным путем повышения эффективности использования ручной дуговой сварки является ее усовершенствование. Наилучшим образом это усовершенствование можно осуществить путем внедрения различного рода технических новинок. Передовая техническая мысль всегда была отражена в патентах, следовательно их изучение целесообразно для модернизации технологии. С этой целью был выполнен патентный поиск глубиной 10 лет и отбраны несколько решений, внедрение которых может благоприятно сказаться на повышении эффективности применения РДС.
Найденные решения, в основном, касаются технологической оснастки для сварки. Внедрение подобных новинок может особенно эффективно повлиять на технологию, поскольку при ручной дуговой сварке большой значение имеют эргономические факторы.
Все отобранные патентные решения представлены в приложении 1
После рассмотрения существующих способов сварки магистральных трубопроводов и анализа технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков в трассовых условиях (в том числе и нормативной литературы, регламентирующей эту технологию), можно сделать некоторые оценки и выводы.
Распространенность метода ручной
дуговой сварки при строительстве
магистральных трубопроводов
К недостаткам метода можно отнести сравнительно невысокую производительность, пониженное качество сварного соединения, зависимость качества выполения работ от субъективных причин («человеческий фактор»). При всем этом следует учитывать, что несмотря на все свои недостатки, ручная дуговая сварка на сегодняшний день – оптимальный выбор для ведения сварочно-монтажных работ на трассе. Поэтому все отрицательные качества метода долны рассматриваться не с точки зрения причины, по которой следует прекратить использование РДС, а с позиции критики, направленной на улучшение технологии. Иными словами, необходимо выявить недостатки, выяснить их причину и постараться найти пути по их устранению
Большое время ведения работ при использовании ручной дуговой сварки – один из главных недостатков метода. Весьма весомым тормозящим фактором является подварка трубы изнутри. Несмотря на то, что при сварке электродами с целлюлозным видом покрытия нормами не устанавливается ее обязательность, на деле подварка очень часто необходима. В частности, при строительстве нефтепровода Суходольная – Родионовская в начале работ она не велась, и как результат подавляющее большинство неподваренных стыков по результатам рентгеноскопического контроля было признано негодными и требующими ремонта. После этого на каждом стыке выполнялась визуальная подварка. Покольку по технологическим причинам она возможна только после освобождения жимков центратора, что, в свою очередь, производилось только после окончания сварки «горячего» прохода по всему периметру, тормозился темп движения головного звена, вынужденного ожидать окончания подварки. Время подварки могло составлять до 20-30% от шага потока (6-10 минут при строительстве нефтепровода Суходольная – Родионовская), что, конечно же, не являлось положительным фактором. Причина может крыться в некачественном выполнении сборочных операций. В результате несоблюдения технологического регламента по сборке, не создвались условия для благоприятного формирования шва: собранный с отклонениями от норматива стык не обеспечивал удовлетворительного теплоотвода, что могло вести к непроплавлению кромок. Решение данной проблемы весьма банально, но очень актуально для России – жесткий пооперационный контроль.