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
Министерство образования
Ростовский государственный
Институт промышленного и
Кафедра промышленного транспорта и механического оборудования
Голушко Максим Борисович
Магистерская диссертация по направлению
«Строительство»
«АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ»
Научный руководитель__________________
Научный консультант___________________
Рецензент_____________________
г. Ростов-на-Дону
2002 г
Министерство образования
Ростовский государственный
МАГИСТРАТУРА
Утверждаю ____________________
Зав. Кафедрой __________________
1. Индивидуальный план работы студента Голушко М.Б.
2. Институт промышленного и гражданского строительства_________________
3. Кафедра промышленного транспорта и механического оборудования_______
4. Научный руководитель: Мещеряков В.М.
5. Период обучения в
6. Наименование профессионально-
7. Тема магистерской диссертации:
8. Срок представления студентом диссертации _______ июня 2002 г.________
9. Срок сдачи государственного экзамена по направлению ___25 июня 2002 г.__
10. Содержание ОПП________________
№№ п/п |
Наименование дисциплин, практик |
Кол-во аудитор-ных часов |
Формы аттеста-ции |
Планир. срок аттест. |
Отметки рук. о выполнении ат. (оценки, даты) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1 |
Современные проблемы строительной науки, техники и технологии |
18 |
зачет |
12.01.02 |
зачтено 12.01.02 |
2 |
История и методология строительной науки |
19 |
зачет |
6.06.01 |
зачтено 6.06.01 |
3 |
Компьютерные технологии в строительной науке и образовании |
38 |
зачет |
26.05.01 |
зачтено 26.05.01 |
4 |
Методология научного творчества |
18 |
зачет |
22.12.00 |
зачтено 22.12.00 |
5 |
Философские вопросы технических наук |
19 |
зачет |
7.06.01 |
зачтено 7.06.01 |
6 |
Научные проблемы экономики строительства |
18 |
зачет |
28.12.00 |
зачтено 28.12.00 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Аналитические и численные методы решения уравнений математической физики |
36 |
зачет |
28.12.00 |
зачтено 28.12.00 |
8 |
Менеджмент |
54 |
зачет |
29.12.00 |
зачтено 29.12.00 |
9 |
Маркетинг |
57 |
экзамен |
16.01.01 |
отлично 16.01.01 |
10 |
Современные методы проектирования и
строительства системы и объект |
51 |
экзамен |
12.01.01 |
отлично 12.01.01 |
11 |
Оптимальные методы тех. эксплуатации
парка машин и механизмов для
строительства магистральных |
51 |
экзамен |
27.06.01 |
отлично 27.06.01 |
12 |
Методы оценки прочности магистральных трубопроводов |
34 |
зачет |
5.06.01 |
зачтено 5.06.01 |
13 |
Современные информационные технологии в строительстве магистральных трубопроводов |
34 |
зачет |
26.12.00 |
зачтено 26.12.00 |
14 |
САПР строительства |
54 |
зачтено |
23.01.02 |
зачтено 23.01.02 |
15 |
Прогрессивные технологии изготовления труб и сварки магистральных трубопроводов |
51 |
экзамен |
22.06.01 |
отлично 22.06.01 |
Подпись студента ______________________________
Подпись научного руководителя__________________
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
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 бόльших 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
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.
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 Δ (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 соответствуе
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 wп. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия w0 (см. рис. 2), то для выхода в окружающую среду wп, причем wп > w0. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется деформационная или тепловая, энергия извне, превышающая граничную энергию wг.