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

 

9) по диаметру стержня электрода.

2.1.2 Условное обозначение сварочных  электродов

Условное обозначение сварочных электродов, принятое в России, имеет вид:

 

I   -   II   -   III   -   IV V VI

XI   ,   XII 

E   -   VII   -   VIII IX X

 

 

 

На данной схеме римскими цифрами  от I до ΧΙΙ обозначены следующие позиции:

1) I – тип электрода по механическим свойствам металла шва;

2) II - марка электрода (выбирается производителем);

3) III – диаметр стержня;

4) IV – назначение;

5) V – толщина покрытия;

6) VI – группа по качеству;

7) VII – механические свойства наплавленного металла по ГОСТ 9467-75. В данной позиции имеются следующие особенности: первые два индекса в ней указывают минимальные значения σ_пч (предела прочности) и σ_вр (временного сопротивления), а третий индекс (цифра от 0 до 7) – условно характеризует минимальные значения δ₅ (ударной вязкости) и температуры T_х, при которой определялась ударная вязкость. Таким образом, третий индекс может принимать следующие значения:

а) 0 - δ₅ < 20, T_х не регламентирована;

б) 1 - δ₅ = 20; T_х = 20°С;

в) 2 - δ₅ = 22; T_х = 0°С;

г) 3 - δ₅ = 24; T_х = -20°С;

д) 4 - δ₅ = 24; T_х = -30°С;

е) 5 - δ₅ = 24; T_х = -40°С;

ж) 6 - δ₅ = 24; T_х = -50°С;

з) 7 - δ₅ = 24; T_х = -60°С;

Если значения δ₅ и T_х , то третий индекс соответствует δ₅ , а для T_х вводится дополнительно (в скобках) четвертый индекс

8) VIII – вид покрытия;

9) IX – рекомендуемое положение сварного шва;

10) X – рекомендуемый род тока, напряжение холостого тока, полярность;

11) XI – ГОСТ на электрод;

12) XII – ГОСТ на тип или ТУ.

2.1.3 Краткая характеристика материалов  покрытия и стержня электродов

Назначение покрытия – стабилизация дуги, защита и легирование расплавленного металла сварочной ванны. Различные  виды покрытия электродов по-разному  взаимодействуют с металлом в процессе сварки.

Шлакообразующую основу электродов с  кислым покрытием составляют железные и марганцевые руды и кремнезем. Газовая защита металла создается  органическими составляющими покрытия и карбонатами при нагревании и плавлении электрода, а раскисление обеспечивается ферромарганцем. Образующиеся шлаки (обычно кислые) не содержат CaO и не очищают металл от фосфора. В наплавленном металле много растворенного кислорода (до 0,12%), водорода (до 0,15см³/г.мет.) и неметаллических включений. При повышенном содержании серы в основном металле появляется склонность металла шва к образованию горячих трещин; в тоже время наплавленный металл не склонен к образованию пор при наличии на свариваемых поверхностях окалины или ржавчины и при случайном удлинении дуги в монтажных условиях эти электроды применяются для сварки металлоконструкций.

Шлакообразующую основу электродов с  основным покрытием составляют карбонаты  и фториды кальция. Кроме того, в состав покрытия также входят каолин, кварцевый песок, ферросплавы. Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода при диссоциации карбонатов. Наплавленный металл раскисляется ферромарганцем, ферросилицием, а иногда ферротитаном или ферроалюминием. Эти покрытия слабоокисленные, поэтому позволяют легировать расплавленный металл элементами с большим сродством к кислороду. Наличие значительного количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор с выделением их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла, его повышенные пластические свойства при пониженных температурах, а легирование марганцем и кремнием придает соединению высокую прочность. Наплавленный металл содержит небольшое количество кислорода (менее 0,05%) и водорода (4–10 см³/г.мет.), мало склонен к старению и стоек к образованию кристаллизационных трещин. Однако при сварке длинной дугой, увлажнении покрытия и наличии следов ржавчины на кромках стыка наблюдается резкое увеличение склонности к порообразованию. Электроды не должны иметь эксцентриситет покрытия, который может привести к образованию козырька при горении. Электроды с покрытием типа Б могут применяться для выполнения всех видов сварочных работ на магистральных трубопроводах, в т.ч. для сварки на компрессорных и перекачивающих станциях, специальных сварочных работ и др. Для качественной сварки необходимо строго выполнять требования по подготовке электродов и изделия к работе и выдерживать технологический режим процесса. Сварка ведется на постоянном токе прямой и обратной полярности во всех пространственных положениях корневого, заполняющих и облицовочного слоев шва кольцевых стыков труб всех диаметров.

Основу рутилового покрытия составляет шлакообразующий компонент – рутиловый концентрат TiO₂ (до 45%), а также алюмосиликаты (слюда, полевой шпат и др) и карбонаты (мрамор, магнезит). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается введением органических соединений (до 5%), а также разложением карбонатов. Наплавленный металл раскисляется ферромарганцем (в покрытии менее 10–15%) и содержит кислорода 0,06–0,09%, водорода до 30 см³/г.мет. Склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин примерно такая же, как и электродов с кислым покрытием. В металле шва могут появляться поры при колебаниях дуги, при окисленной или загрязненной поверхности. Электроды с рутиловым покрытием применяют для сварки металлоконструкций и трубопроводов из малоуглеродистой стали, но в связи с невысоким качеством наплавленного металла эти электроды используются только для сварки неответственных конструкций. К их достоинствам относятся возможность изменения в широком диапозоне режима сварки, образование хорошо отделимого шлака, возможность сварки как на постоянном, так и на переменном токе.

Целлюлозное покрытие содержит большое  количество органических составляющих (целлюлоза, асбест, травяная мука), создающих в процессе сварки газовую защиту. Кроме того. В состав покрытия таких электродов вводятся окислы железа, марганца, ферросплавы и др. вещества. Покрытие содержит ферромарганец для раскисления наплавленного металла. Толщина покрытия составляет 0,8–0,9 мм. При сварке на конце электрода образуется втулочка из нерасплавившегося покрытия, что способствует образованию направленного потока газов, возникающих при разложении органических веществ (рис. 39). Газовая струя оттесняет жидкий металл из-под дуги и обеспечивает более глубокое проплавление основного металла. Кроме того, при сварке корневого слоя шва («корня») образуется равномерный и хорошо сформировавшийся обратный валик. Объясняется это тем, что сварку электродами с целлюлозным видом покрытия выполняют со сквозным проплавлением, при котором дуга образует в металле сквозное «технологическое окно». При этом металл сварочной ванны оттесняется в сторону, противоположную направлению сварки. По мере перемещения электрода металл смыкается позади окна, пленка жидкого металла перекрывает оплавленные кромки с обратной стороны шва и формируется обратный валик. Электроды с целлюлозным покрытием дают небольшое количество легкоотделимого шлака, что облегчает технику сварки «на спуск», вдвое повышает скорость сварки (по сравнению с основными электродами). Однако сечение каждого слоя шва, сваренного целлюлозными электродами, значительно меньше, чем при сварке основными. Причина в том, что сварка целлюлозными электродами выполняется опиранием без поперечных колебаний. Образуется ниточный валик, сечение которого примерно равно диаметру электрода. Содержание кислорода в наплавленном металле составляет до 0,03%, при сварке выделяется значительное количество водорода. Следствием последнего факта является повышенное содержание водорода в металле шва. Металлургические реакции при сварке целлюлозными электродами также определяют наличие в металле шва повышенного содержания силикатных включений, с чем связано пониженное значение ударной вязкости. Эти особенности налагают определенные ограничения на использование целлюлозных электродов при отрицательных температурах и часто требуют применения дополнительных технологических мероприятий при сварке (подогрев). Электроды эти гигроскопичны, поэтому необходимо строгое соблюдение правил упаковки, хранения и подготовки к сварке. Они также весьма чувствительны к перегреву (из-за выгорания органических составляющих в покрытии), и их используют только на 50% по длине (на электроды часто наносят специальные риски, указывающие, до какого уровня их можно использовать). Почти все марки электродов с целлюлозным покрытием применяют для сварки на постоянном токе прямой и обратной полярности. Электроды типа Ц на строительстве магистральных трубопроводов в России используются только для сварки корневого слоя шва и слоя «горячего» прохода, за рубежом – для сварки всех слоев шва.

Таким образом, как уже отмечалось, СНИП 2.06.05-85* допускает для сварки магистральных трубопроводов применение только электродов с основным и целлюлозным видом покрытия.

Свойства электродов также в  значительной степени определяет материал электродного стержня. В качестве него при производстве электродов в России обычно используется сварочная проволока, состав которой регламентируется ГОСТ 2246-70.

Таблица 6

Химический состав наиболее распространенных сварочных проволок,%

Марка проволоки	C	Si	Mn	Cr	Ni	S	P	Al
				н е   б о л е е
Св-08	0,1	0,08	0,35…0,6	0,15	0,30	0,04	0,04	0,01
Св-08А	0,1	0,03	0,35…0,6	0,12	0,25	0,03	0,03	0,01
Св-08АА	0,1	0,03	0,35…0,6	0,10	0,25	0,02	0,02	0,01

 

Отечественные электроды для трубопроводного  строительства выпускают диаметром 2 мм; 2,5 мм; 3 мм; 4 мм; 5 мм; длиной 350; 450 мм с зачищенным от покрытия концом длиной 25 мм. За рубежом помимо электродов названных диаметров производятся электроды диаметром 3,25 мм; 5,5 мм; 6 мм; 6,35 мм. Диаметр электродного стержня при одном и том же химическом составе оказывает существенное влияние на технологические свойства электрода, определяя допустимое значение силы сварочного тока, размеры и жидкотекучесть сварочной ванны и т.д. Для сварки корневого слоя стыков труб целесообразно применять электроды меньшего диаметра, чем для сварки заполняющего и облицовочного слоев. При сварке в потолочном положении применяют, как правило, электроды с диаметром не более 4 мм. Для сварки верхней полуокружности стыка можно применять электроды диаметром 5 мм. В зарубежной практике нашли применение целлюлозные электроды диаметром до 6 мм при сварке кольцевых стыков во всех пространственных положениях сварки, что объяснятся повышенной скоростью сварки этими электродами по сравнению с основными.

2.2 Сварные соединения и швы

2.2.1 Сварные соединения и швы.  Виды швов и их геометрические  характеристики

Сварным соединением называется сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла, подвергшиеся тепловому воздействию сварочного термического цикла.

Различают пять основных видов сварных  соединений:

1) стыковое;

2) нахлесточное;

3) угловое;

4) тавровое;

5) заклепочное.

В то же время, разновидностей этих видов может быть множество в зависимости от толщины свариваемых деталей, технологических возможностей используемого способа сварки, конструктивных и эксплуатационных требований, предъявляемых к конструкции и т.д. Наиболее распространенным в трубопроводном строительстве является стыковое сварное соединение, т.е. соединение двух элементов, находящихся в одной плоскости или на одной поверхности. При рассмотрении в этой работе сварных соединений подразумеваются именно стыковые сварные соединения.

Сварным швом называют участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла  сварочной ванны. В зависимости  от толщины свариваемых деталей  сварной шов может быть однослойным  или многослойным. При строительстве  магистральных трубопроводов подавляющее большинство всех сварных швов являются многослойными. Объясняется это тем, что ввиду значительной толщины свариваемых элементов трубопровода сварка в один слой не способна обеспечить необходимого проплавления и качества сварного шва.

Сварной шов состоит из валиков  – участков металла, наплавленных за один проход. Таким образом, однослойный  шов по длине состоит из валиков, в многослойных швах каждый слой формируется  одним или несколькими валиками, находящимися на одном уровне поперечного сечения шва (рис. 40).

Сварной шов характеризуется следующими геометрическими параметрами (рис. 41):

1) шириной e – расстоянием между кромками шва;

2) усилением q – частью металла шва, возвышающейся над поверхностью свариваемых частей;

3) глубиной провара h – расстоянием между верхней и нижней границами (кромками) поперечного сечения шва, измеренным в направлении толщины металла.

Следующие два параметра относятся  скорее к стыку, нежели к шву:

4) притупление c;

5) зазор b – расстояние между двумя свариваемыми деталями.

Геометрические параметры  шва регулируются нормативными документами. Ширина шва (облицовочного слоя) должна быть такой, чтобы основной металл перекрывался на 2,5–3,5 мм; шов по всей длине должен быть равномерным (по ширине), максимальное значение ширины не должно превышать минимальное более чем на 5 мм. Шов должен быть полномерным по высоте с превышением в пределах 1–3 мм и с плавным переходом к основному металлу. Кроме того, его поверхность не должна иметь грубой чешуйчатости (превышение гребня над впадиной не должно быть более 1 мм)