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

 

Выбранный электрод должен обеспечивать необходимый провар внутренних кромок изделия, обеспечивая удержание  металла от стекания во всех пространственных положениях в сочетании с плавным  очертанием внешней поверхности  валика шва.

2.3.3 Сварочный ток

Как уже отмечалось выше, сварку магистральных трубопроводов ведется только на постоянном токе прямой и обратной полярности. В общем случае сварочный ток может быть рассчитан по следующим методикам:

1) приближенно вычислен по одной из следующих эмпирических формул в зависимости от:

а) диаметра электрода:

 

I_св = K₁*

Ι_св = d_э(K₂+αd_э)

 

где величины K₁=20–25, K₂=20, α=6 представляют собой коэффициенты, найденные опытным путем.

б)диаметра электрода и допустимой плотности тока для электродов с  конкретным видом покрытия:

 

I_св =

j

 

где j – допустимая плотность тока, определяемая по таблице 10

Таблица 10

Значения допускаемой плотности  тока,А/мм², для электродов с различными видами покрытия

Вид покрытия	Диаметр электрода,мм
	3	4	5	6
Рудно-кислое,рутиловое*	14…20	11,5…16	10…13,5	9,5…12,5
Фтористо-кальциевое (основное)	13…18,5	10…14,5	9…12,5	8,5…12
Целлюлозное	11,3…15,5	11,1…14,3	9,1…12,7	7…7,7
*при сварке магистральных трубопроводов  не используются

 

При сварке в вертикальном и потолочном положении ток уменьшается на 15–20% во избежание стекания жидкого металла.

2) сварочный ток может быть выбран из следующих таблиц, являющихся таблицами ВСН 006-89 (табл.14,15[5])

Таблица 11

Рекомендуемые значения сварочного тока при сварке электродами с основным видом покрытия способом «на подъем»

Диаметр электродов, мм	Сварочный ток (А) в зависимости  от пространственного положения  шва
	нижнее	вертикальное	потолочное
2,0;2,5	50-90	40-80	40-50
3,0-3,25	90-130	80-120	90-110
4,0	140-180	110-170	150-180

Таблица 12

Рекомендуемые значения сварочного тока при сварке электродами способом «на спуск»

Диаметр электродов, мм	Слой	Сварочный ток (А) в зависимости  от пространственного положения шва
		нижнее	вертикальное	потолочное
Электроды с целлюлозным видом покрытия
3,0-3,25	1	90-110	90-110	80-100
4,0	1	120-160	120-160	100-140
4,0	«Горячий» проход	140-180	150-170	140-170
5,0	«Горячий» проход и заполняющие слои	180-200	200-220	160-180
Электроды с основным видом покрытия
3,0	1	80-100	110-130	90-110

Указанные в таблице 11 электроды  диаметра 2 и 2,5 мм применяются обычно при ремонте стыков, который относится к специальным сварочным работам.

Однако обычно производитель указывает  значения сварочного тока, рекомендуемые  для его электродов. Эта информация может быть найдена в документации к электродам либо на упаковке с электродами.

2.3.4 Выбор конструкции шва

Вид шва определяется исходя из толщины  стенок трубы и формы разделки. Толщина стенок трубы определяет количество слоев шва (без учета подварочного). Выбор может осуществляться по двум методикам:

1) исходя из следующих расчетов (см. стр.130[2]). При сварке стыковых швов площадь поперечного сечения металла, наплавленного за один проход, при которой обеспечиваются оптимальные условия формирования шва, должна составлять для первого прохода (при проварке корневого слоя) F₁ = (6–8)d_э , для последующих проходов – F_п = (8–12)d_э , где d_э – диаметр электрода. Для определения числа проходов в стыковых швах учитывают общую площадь поперечного сечения наплавленного металла (рис. 46):

 

F_н = 2F’+F’’+F’’’ = h ²tg

+bs+ q(2htg +b+6)

 

Число проходов определяют, учитывая общую площадь поперечного сечения  металла при первом и каждом последующем проходе:

 

n =

+1

 

2) выбор может осуществляться согласно ВСН [5] в соответствии с табл.16 (табл.13 в данной работе)

Таблица 13

Минимально допустимое число слоев  шва в зависимости от толщины стенки трубы

Толщина стенки трубы, мм	Минимальное число слоев шва при сварке корневого слоя шва электродами с разным видом покрытия
	целлюлозный	основной
До 10	3	2
Свыше 10-15	4	3
Свыше 15-20	5	4
Свыше 20-25	6	5
Свыше 25-32	7	6

 

При увеличении толщины стенки свыше 32 мм число слоев шва возрастает на 1 через каждые 2,5 мм.

Форма разделки, а точнее ее ширина определяет, будет ли шов состоять из одноваликовых слоев или из многоваликовых (см. п. 2.2.2).

При разработке технологии сварки необходимо определить еще один геометрический параметр стыка – зазор. Как и в случае с числом слоев, он может либо быть рассчитан, либо выбран из таблиц ВСН [5]:

1)расчет зазора при ручной  сварке может быть сделан исходя  из требуемой толщины первого  (корневого) слоя шва x (см. рис. 47):

 

x = c +

(d – b + L sin2α)

 

где x – толщина первого слоя шва, c – притупление, d – диаметр электрода, b – сварочный зазор, L – условная длина дуги, α – угол скоса кромок. Тогда при известной (заданной) толщине корневого слоя и остальных параметрах зазор будет равен:

 

b = 2tgα(c–x)+d + L sin2α

 

2)ВСН[5] (табл.4[5]) устанавливает величину  зазора в зависимости от толщины  стенок трубы, диаметра и вида покрытия применяемых электродов

Таблица 14

Величина зазора при сборке

Способ сварки	Диаметр электрода или сварочной проволоки, мм	Величина зазора при толщине  стенки трубы, мм
		до 8	8-10	10 и более
Ручная дуговая сварка электродами с основным покрытием	2,0-2,5	1,5-2,5	-	-
	3,0-3,25	2,0-3,0	2,5-3,5	3,0-3,5
Ручная дуговая сварка электродами с целлюлозным покрытием	3,0-3,25	1,5-2,0	-	-
	4,0	-	1,5-2,5	1,5-2,5
Ручная дуговая сварка электродами с рутиловым покрытием*	2,0-2,5	1,5-2,5	-	-
	3,0-3,25	2,0-3,0	2,5-3,5	3,0-3,5
* при сварке магистральных трубопроводов  не используются

2.3.5 Определение скорости сварки

 Рекомендуемая для нормального формирования шва скорость сварки зависит от параметров шва и силы сварочного тока. Она может быть вычислена по формуле:

 

v_св = α_н I_св

 

где α_н – коэффициент наплавки, ρ – плотность наплавленного металла, F_н – площадь поперечного сечения металла, наплавленного за данный проход. Скорость дуговой сварки обычно задают и учитывают косвенно по необходимым размерам получаемого шва. При разработке технологии сварки, исходя из условий получения минимальных деформаций сварных конструкций, возникает необходимость оценки погонной энергии в зависимости от размеров шва. Полученное значение скорости сварки позволяет определить величину теплового воздействия сварочной дуги на свариваемый металл – погонную энергию дуги q_п:

 

q_п = q/v_св = I_свU_дη / v_св

 

где I_св,U_д – сварочный ток и напряжение дуги, η – эффективный КПД дуги.

2.4 Подготовительные операции

Непосредственно перед сваркой  стыка необходимо провести подготовку. Она состоит из ряда последовательных операций, набор которых в конкретных условиях зависит от состояния труб, их диаметра, марки стали, климатических и погодных условий. В общем случае можно выделить визуальный осмотр кромок труб, очистку полости труб (трубных секций) правку и ремонт допустимых повреждений, а также удаление (вырезку) недопустимых, очистку кромок труб, сборку и предварительный подогрев.

2.4.1 Очистка полости, осмотр, ремонт и зачистка кромок труб

Полость трубы необходимо очистить от грунта, снега, грязи и др. посторонних  предметов. Очистку необходимо вести  по всей длине трубы или секции для возможности беспрепятственного прохода центратора и особенно тщательно на расстоянии 1 м от края торцов труб, т.к. попадание в зону сварки влаги от подтаявшего снега, грязи недопустимо. После очистки необходимо выполнить осмотр торцов труб. Допускается правка плавных вмятин на торцах труб глубиной до 3,5% диаметра труб и деформированных концов труб безударными разжимными устройствами (для этих целей может применяться безударное разжимное устройство УПВ-141, предназначенное для правки вмятин на трубах диаметром от 630 до 1420 мм и толщиной стенки до 22 мм; в качестве рабочего органа УПВ-141 использует гидравлический домкрат с усилием 300 кН). При этом на трубах из сталей с нормативным временным сопротивлением разрыву до 539 МПа (55 кгс/мм²) допускается правка вмятин и деформированных концов труб при положительных температурах без подогрева. При отрицательных температурах окружающего воздуха необходим подогрев на 100–150°С. На трубах из сталей с нормативным временным сопротивлением разрыву 539 МПа (55 кгс/мм²) и выше — с местным подогревом на 150–200°С при любой температуре окружающего воздуха. Участки и торцы труб с вмятиной глубиной более 3,5% диаметра трубы или имеющие надрывы необходимо вырезать. Допускается ремонт сваркой забоин и задиров фасок глубиной до 5 мм. Концы труб с забоинами и задирами фасок глубиной более 5 мм следует обрезать. Правку труб после газокислородной и воздушно-пламенной резки можно осуществлять только с предварительным подогревом до 150–200ºС, что связано с возможностью охрупчивания поверхности реза из-за образования закалочных структур и азотирования кромки.

После правки и ремонта необходимо провести зачистку кромок и прилегающих  к ним наружной и внутренней поверхности  труб абразивным инструментом на ширину не менее 10 мм от стыка до металлического блеска. Зачистка позволяет удалить из зоны сварки возможные источники водорода, снизив вероятность образования трещин и пор. Если концы труб покрыты праймером или специальным покрытием, то перед зачисткой необходимо удалить их, а также различного рода масла бензином или специальным растворителем на глубину 40–50 мм от торца.

2.4.2 Сборка стыка

После проведения зачистки торцов труб проводится сборка стыка. Операция эта является весьма ответственной, т.к. от нее во многом зависит качество будущего шва. Современные методы сварки позволяют получать качественные сварные соединения при условии обеспечения незначительных смещений кромок труб (2–3 мм) во время сборочных операций. При расчете на прочность высота шва h принимается равной толщине основного металла, т. е. h = S, и шов считается равнопрочным основному металлу. Это достигается, когда основания свариваемых кромок труб лежат в одной плоскости РР (рис. 48). Если имеется отклонение (при заданном зазоре b) от номинального диаметра D_ном одной из сопрягаемых труб, то происходит смещение кромок. Смещение кромок по линии аа приводит к уменьшению расчетной высоты шва h и угла α (при сравнении отрезков ое и ос или углов α и α'). Поэтому возникает необходимость свести возможные отклонения к минимально допустимым. Несовпадение кромок труб при сварке плавлением, кроме уменьшения расчетной высоты шва, ухудшает условия равномерного прогрева и сплавления корня шва. В местах, где одна из кромок смещена по линии аа на значительную величину, часто наблюдаются несплавления и прожоги. Причинами несовпадения кромок при сборке стыков могут являться разнотолщинность и эллиптичность цельнотянутых труб, значительные отклонения по длине окружности сварных труб, местные вмятины, связанные с транспортировкой и разгрузкой, а также выхваты, вызванные неправильной обработкой концов труб. Эти отклонения вызывают необходимость дополнительной подгонки концов труб при сборке в трассовых условиях.

Процесс сборки труб под сварку предусматривает  технологическую операцию – центровку, в результате которой две сопрягаемые  трубы становятся соосными. При сборке прямолинейных труб в секции необходимо, чтобы их оси совпадали. Для сборки криволинейных труб требуется совпадение касательных (АО и ОС) к осям в точке О, являющейся местом пересечения осей труб с плоскостью N, проходящей по середине зазора b собираемого стыка (рис. 49). Для обеспечения совпадения мнимых осей сопрягаемых труб используют их поверхности (а также линии и точки), которые обеспечивают требуемую ориентацию труб при центровке. Эти поверхности (линии и точки) называют базирующими элементами, а придаваемое трубе положение, определяемое базирующими элементами, называют ее базированием. При центровке труб в качестве базирующих элементов используют следующие поверхности и линии: