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

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Ноября 2012 в 19:06, курсовая работа

Краткое описание

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.

Содержание работы

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

Скачать целиком (866.88 Кб) Сколько стоит заказать работу?
Содержимое работы - 1 файл

disser.doc

— 2.04 Мб (Скачать файл)

Кроме того, существуют и другие технологии, не регламентированные ВСН, но пригодные  для использования при сварке объектов магистрального транспорта нефти и газа.  К ним, в основном, относятс различные перспективные способы сварки (лазерная, электронным лучем и др.)

Классификация и сущность (схемы) методов  сварки, используемых при строительстве  магистральных трубопроводов, приведены на листе 1. Краткое описание наиболее распространенных при сварке магистральных трубопроводов методов изложено в последующих пунктах.

1.2.3.1 Сущность метода ручной  дуговой сварки

Сущность всех дуговых методов  сварки заключается в использовании тепла электрической дуги – мощного стационарного самостоятельного газового разряда с низким катодным напряжением, существующего в промежутке между двумя электродами, роль которых при сварке выполняют плавящийся или неплавящийся электрод и металл свариваемого изделия. Это тепло идет на расплавление основного и присадочного металлов, сообщения их атомам энергии активации, образование физического контакта и др. процессы, имеющие место при сварке.

При ручной дуговой сварке в качестве анода и катода выступают металл свариваемого изделия и сварочный электрод – металлический стержень, покрытый слоем особого состава – обмазкой, или, согласно официальной терминологии, покрытием. Назначение покрытия – стабилизация дуги, защита и легирование расплавленного металла сварочной ванны. Различают четыре вида покрытия: основной, целлюлозный, рутиловый и кислый; для сварки магистральных трубопроводов разрешены только электроды первых двух видов. Различные виды покрытия электродов по-разному взаимодействуют с металлом в процессе сварки. Химический состав металла электрода и покрытия определяется химическим составом металла свариваемого изделия (труб) и выбранной технологией сварки.

Возбуждение электрической дуги при  ручной дуговой сварке основано на использовании явления короткого замыкания. При этом происходит следующее: в месте контакта на катоде образуется катодное пятно, которое настолько сильно нагрето, что становится способным к электронной эмиссии (т.е. испусканию электронов) при приложении напряжения в 60-70 В. Для возникновения сварочной дуги как газового разряда необходимо наличие заряженных частиц, направленное движение которых и будет электрическим током. Явлением, обеспечивающим появление этих частиц, является термическая, или ударная ионизация. Эмитированные катодом электроны в результате соударения с нейтральными ионами приводят к появлению ионов. В результате в газовом промежутке между двумя электродами возникают носители электричества – отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы, создаются условия для возникновения сварочной дуги, тепло которой используется при сварке.

Металл сварного шва – закристаллизовавшейся  сварочной ванны – будет состоять из смеси металла труб и металла  электродов. Его физико-химические характеристики будут зависеть как от качества и правильности принятия решений по выбору технологии сварки, так и от качества выполнения сварочных работ и последующей термообработки сварного шва.

Более подробно физические основы ручной дуговой сварки рассмотрены в  разделе 1.3.

1.2.3.2 Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса

Физические основы дуговой сварки под слоем флюса те же, что и  ручной дуговой сварке. Отличительные  же особенности этой разновидности  дуговой сварки следующие: применение голой электродной проволоки, подаваемой в зону сварки из кассеты; обеспечение токопровода к электроду вблизи дуги; горение дуги в газовом пузыре, защищаемом от воздуха слоем расплав-литого флюса-шлака и твердого флюса; защита сварочной зоны от вредного излучения дуги. Первые два фактора способствуют резкому увеличению плотности сварочного тока по сравнению с ручной сваркой, что позволяет увеличить производительность наплавки электродного металла.

Идея применения сварки с использованием специальных порошков-флюсов принадлежит  Н. Г. Славянову. В 1929 г. советский инженер Д. А. Дульчевский предложил способ автоматической сварки меди под слоем порошкообразных горючих веществ. Сварка под флюсом была разработана Институтом электросварки им. Е. О. Патона (ИЭС) и получила применение в промышленности в 1938–1940 гг. Внедрение автоматической сварки под флюсом в трубопроводном строительстве позволило в 2 раза увеличить производительность сварочно-монтажных работ. Этот способ впервые применили при строительстве газопровода Дашава – Киев в 1948 г. Применение автоматической сварки под флюсом для сооружения магистральных трубопроводов позволяет добиться уровня механизации сварочных работ до 50 %.

Автоматическую сварку под слоем  флюса в трубопроводном строительстве  применяют при изготовлении длинномерных секций диаметром 273–1420 мм на полустационарных трубосварочных базах. Строительство трубопровода в непрерывную нитку из 24- и 36-метровых секций вместо одиночных 12-метровых труб позволяет существенно увеличить темп сооружения трубопровода. При строительстве магистральных трубопроводов наиболее распространены две типовые схемы трубосварочных баз:

  • для односторонней автоматической сварки под флюсом по ручной подварке типа ССТ-ПАУ и БНС (полумеханизированные базы);
  • для двусторонней автоматической сварки под флюсом типа БТС (механизированные базы).

В последне время появился еще один вид трубосварочных баз – передвижная  мобильная трубосварочная база (ПМТБ), предназначенная для механизированной сварки под флюсом поворотных стыков труб в полевых (трассовых) условиях. В зависимости от условий строительства и диаметра труб ПМТБ позволяет изготавливать непосредственно на строительной полосе 2-х, 3-х или 4-х трубные секции. Применение такой базы позволяет существенно снизить затраты на транспортировку трубных секций, характерные для строительства с применением полустационарных трубосварочных баз.

1.2.3.3 Автоматическая дуговая сварка  в среде защитных газов

Электродуговая сварка в среде  защитных газов отличается от сварки под слоем флюса тем, что горение  дуги идет (в соответствии с названием) в газовой среде, создаваемой в зоне сварки. Эта среда может состоять из углекислого газа, гелия, аргона или их комбинаций.

Электродуговую сварку в среде  защитных газов изобрел Н. Н. Бенардос. В период второй мировой войны  в США нашла применение сварка в среде аргона и гелия неплавящимся вольфрамовым электродом и плавящимися электродами. В 1952 г. К. В. Любавским и Н. М. Новожиловым была изобретена проволока, использование которой в сварочном процессе позволило осуществить сварку плавящимся электродом в среде углекислого газа.

Основное преимущество процесса сварки в среде защитных газов заключается  в повышении вязкости расплавленного металла, что позволяет сваривать  стыковые швы на весу и механизировать сварку неповоротных стыков в разных пространственных положениях. Для сооружения магистральных трубопроводов сварку в среде углекислого газа начали применять с 1959 г.

При помощи сварки в среде СО2 плавящимся электродом (сварочной проволокой) можно сваривать первый (корневой) слой шва поворотных стыков на трубосварочных базах, но более распространена сварка неповоротных стыков на трассе.

1.2.3.4 Автоматическая сварка неповоротных  стыков порошковой проволокой  с принудительным формированием  шва

Дуговая сварка порошковой проволокой разработана в ИЭС им. Е. О. Патона.

Схема принудительного формирования предусматривает сварку правого  и левого полупериметров стыков труб большого диаметра одновременно двумя  головками. В начале сварки первой головкой в качестве дна плавильного пространства используют металлическую вставку, как правило, из электродной проволоки. Дном плавильного пространства может также быть мощная, качественно выполненная прихватка. В плавильное пространство, образованное кромками свариваемых деталей и формирующими устройствами, примыкающими к поверхностям деталей, подают порошковую проволоку, между концом которой и жидким металлом горит электрическая дуга. За счет тепла дуги и сварочной ванны оплавляются кромки деталей. По мере кристаллизации шва формирующие устройства вместе со сварочным автоматом перемещаются по стыку снизу вверх.

Самозащитная порошковая проволока  обеспечивает зону сварки технологически необходимым слоем шлака, который  находится в зоне ползуна в  пластичном или жидком состоянии. Порошковая проволока состоит из малоуглеродистой ленты, свернутой и протянутой в трубочку диаметром 2–3 мм, заполненную порошкообразным наполнителем. Наполнитель состоит из смеси минералов, руд, ферросплавов металлических порошков, химикатов и других материалов, сгорание которых при сварке обеспечивает защиту зоны сварки от воздействия окружающей среды.

Применение порошковой проволоки  позволяет снизить трудоемкость и повысить качество сварных соединений при трубопроводном строительстве. Надежно защищая сварочную ванну в процессе сварки, она позволяет избежать транспортировки на трассу баллонов с защитным газом, а также не требует защиты зоны сварки от ветра, что необходимо при сварке в защитном газе.

Резервы повышения производительности дуговой сварки ограничены критической массой сварочной ванны, способной удерживаться в разделке в различных пространственных положениях. Существенное повышение производительности достигается принудительным формированием шва, которое применительно к сварке стыков труб можно осуществить только в сочетании с порошковой проволокой. Благоприятным фактором, способствующим принудительному формированию, при сварке порошковой проволокой является наличие шлака между горячей поверхностью шва и движущимся холодным формирующим устройством. В этих условиях шлак служит технологической смазкой и защищает ползун.

Для выполнения сварки стыков магистральных  трубопроводов порошковой проволокой с принудительным формированием  был разработан комплекс специализированного  сварочного оборудования «Стык-1» для сварки стыков трубопроводов диаметра 1220–1420 мм, а также комплекс «Стык-2» для сварки стыков трубопроводов диаметром 530–1020 мм.

1.2.3.5 Электроконтактная сварка  оплавлением

Контактная сварка представляет собой  процесс образования неразъемного соединения в результате нагрева металла проходящим электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия. Контактная сварка имеет несколько разновидностей, одной из которых является стыковая сварка. В зависимости от особенностей процесса нагрева различают контактную стыковую сварку сопротивлением и оплавлением. При сварке непрерывным оплавлением детали, в частности свариваемые трубы, сближают при очень малом усилии  при включенном сварочном трансформаторе. Оплавление торцов труб происходит в результате непрерывного образования и разрушения контактов-перемычек в отдельных точках сосоприкосновения торцов (стадия I). В результате оплавления (стадия II) на торцах труб образуется слой жидкого металла,который при осадке вместе с окисными пленками выдавливаиз стыка в виде грата (стадия III). При этом  образование содинения происходит в твердожидкой фазе. Характерной особенностью контактной стыковой сварки оплавлением является удале окислов из стыка вместе с прослойкой жидкого металла и образование на наружной и внутренней поверхностях стыка грата неправильной формы. При строительстве трубопроводов удаление грата обязательно как с наружной, так и со внутренней стороны трубопровода.

При сооружении магистральных и промысловых трубопроводов применяются передвижные и полустационарные установки. В их состав входят: сварочная машина с аппаратурой управления и контроля процесса сварки, наружный и внутренний гратосниматели, агрегат зачистки концов труб под контактные башмаки сварочной машины, транспортный рольганг, электростанции, транспортное средство (для передвижных установок).

Наиболее  распространенными при строительстве  магистральных трубопроводов являются трубосварочные базы с использованием установок ТКУС и комплекс для  электроконтактной сварки неповоротных стыков «Север».

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

Сварочной дугой называется мощный высокоамперный самостоятельный стационарный газовый разряд, существующий в промежутке «электрод – свариваемый металл»

 Любой  газовый разряд может быть  самостоятельным и несамостоятельным,  прекращающимся при устранении  внешнего источника ионизации.

Газовый разряд может быть неустойчивым (например, искровым) и устойчивым. Последний можно классифицировать по внешнему виду: темновой, тлеющий, в том числе коронный, и дуговой разряды. Например, если в длинной цилиндрической стеклянной трубке, заполненной газом при давлении около 100 Па, медленно повышать разность потенциалов между катодом и анодом, то приборы фиксируют наличие тока, начиная примерно с 10-10–10-12 А. Он появляется вследствие ионизации в объеме газа, на стенках и электродах, вызываемой космическими лучами. С помощью ограничивающего сопротивления можно получить все три формы разряда (рис. 4). Темновой разряд переходит в тлеющий, который отличается уже заметным свечением, используемым в газосветных трубках. Температура газа в тлеющем разряде практически не повышается. Затем через аномальный тлеющий разряд происходит переход к мощному дуговому разряду.

Все дуговые  методы сварки основаны на использовании  дугового газового разряда. Среди его  особенностей – малое значение катодного  напряжения Uк (порядка десятков вольт вместо сотен для тлеющего), большие плотности тока, составляющие сотни А/мм2, высокая температура газа в проводящем канале при атмосферном давлении Т=5000–50000 К, высокие концентрации частиц в катодной области.

Возбуждение дугового разряда возможно четырьмя основными способами:

1) при переходе из устойчивого  маломощного разряда, например  тлеющего (см. рис. 4);

2) в процессе создания высокоионизированного  потока пара, перекрывающего межэлектродное  пространство, в большинстве случаев  с помощью третьего электрода;

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