«СВАРКА ТРУБОПРОВОДОВ Утверждено Редакционно-издательским советом Уфимского государственного нефтяного технического университета в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности 090700 ...»

Ф. М. Мустафин, Н. Г. Блехерова, О. П. Квятковский

А. Ф. Суворов, Г. Г. Васильев, И. Ш. Гамбург

Ю. С. Спектор, Н. И. Коновалов, С. А. Котельников

Ф. М. Мустафин, Р. А. Харисов

СВАРКА

ТРУБОПРОВОДОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

Уфимского государственного нефтяного технического университета

в качестве учебного пособия для студентов вузов,

обучающихся по специальности 090700 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»

Москва «НЕДРА» 2002 УДК 621.774.21 Б Б К 34.641 С 24 Книга выпущена при содействии ООО «СМУ-4»

Авторы:

Ф. М. МУСТАФИН, Н. Г. БЛЕХЕРОВА, О. П. КВЯТКОВСКИЙ, А Ф. СУВОРОВ, Г. Г. ВАСИЛЬЕВ, И. Ш. ГАМБУРГ, Ю. И. СПЕКТОР, Н. И. КОНОВАЛОВ, С. А. КОТЕЛЬНИКОВ, Ф. М. МУСТАФИН, Р.А.ХАРИСОВ Рецензенты:

директор ООО "СМУ-4" В. В. Кулаков, зам. директора Уфимского филиала ЦУП ООО "Стройнефть" В. П. Кулагин Сварка т р у б о п р о в о д о в : Учеб. п о с о б и е / Ф. М. М у с т а ф и н, С 24 Н. Г. Б л е х е р о в а, О. П. К в я т к о в с к и й и д р. — М.: О О О " Н е д р а Б и з н е с ц е н т р ", 2002.— 350 с.

ISBN 5-247-03883- Рассмотрены теоретические основы сварочного производства, приведены различные виды и технологии сварки трубопроводов, а также применяемые материалы и оборудование.

Для специалистов, занятых в области проектирования, строи­ тельства, эксплуатации и ремонта трубопроводов, а также для сту­ дентов, обучающихся по специальности 090700 "Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехрани­ лищ" ISBN 5-247-03883-5 © Коллектив авторов, © Оформление. О О О "Недра-Бизнесцентр",

ОГЛАВЛЕНИЕ

• Предисловие б Глава Р. Теоретические основы сварки 1.1. Классификация и сущность сварки V 1.2. Сварные соединения и швы Д*0) 1.3. Термические источники энергии при сварке 1.4. Физико-химические процессы при сварке (Т8) 1.4.1. Общие сведения 1.4.2. Плавление электродного и основного металла 1.4.3. Тепловые процессы при сварке (22) L 1.4.4. Формирование и кристаллизация сварочной ванны... 1.4.5. Металлургические процессы при сварке (27/ [У 1.4.6. Термический цикл сварки и структура сварного соеди­ нения Глава 2. Подготовка труб к сборке и сварке /35) [у 2.1, Входной контроль и подготовка труб (35) ^у 2.2. Газопламенная резка 2.2.1. Газовое пламя 2.2.2. Оборудование для кислородной резки 2.2.3. Техника резки 2.2.4. Газы, применяемые при сварке и резке 2.2.5. Машинная кислородная резка Глава 3. Виды сварки 3.1. Ручная электродуговая сварка 3.1.1. Технология ручной дуговой сварки 3.1.2. Оборудование для ручной дуговой сварки *-^ ($9j 3.1.2.2. Требования к источникам тока при сварке 3.2.1. Технология сварки под флюсом поворотных стыков 3.2.2. Оборудование для сварки под флюсом поворотных 3.3.1. Технология И организация стыковой контактной свар­ 3.4. Автоматическая дуговая сварка неповоротных стыков трубо­ проводов порошковой проволокой с принудительным фор­ 3.4.1. Технология автоматической дуговой сварки порошко­ 3.4.2. Оборудование для сварки порошковой проволокой 3.5.1. Технология полуавтоматической сварки труб процес­ 3.5.2. Сварка корневого шва неповоротных стыков труб.... 3.5.4. Влияние различных сварочных параметров процесса 3.6. Автоматическая сварка труб в среде защитных газов комп­ 3.6.1. Технология автоматической сварки труб комплексом 3.6.2. Оборудование сварочного комплекса CRC-Evans AW. 3.7. Полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой про­ 3.7.1. Технология полуавтоматической сварки самозащит­ 4.4. Газы, применяемые при электрической сварке плавлением.. 4.5. Условия хранения и транспортировки сварочных материа­

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сварка трубопроводов — основной и наиболее ответственный эта Сварочные работы в трубопроводном строительстве непрерывно совер сварки резко повысились производительность труда, темпы сварочно-монтажных работ и качество свариваемых соединений. За последние годы разработаны и широко применяются принципи­ ально новые виды сварки.

В книге авторы постарались кратко раскрыть теоретические основы сварочного производства, позволяющие понять физиче­ ские и химические процессы, происходящие при термическом воздействии на свариваемые детали. Авторы обобщили свой опыт работы при строительстве трубопроводов в Западной Сибири и при строительстве магистрального трубопровода Каспийского трубопроводного консорциума (КТК). В книге рассмотрены техно­ логии ручной электродуговой сварки, сварки под флюсом пово­ ротных стыков на трубосварочных базах, стыковой контактной сварки, сварки порошковой проволокой, полуавтоматической сварки труб процессом STT, автоматической сварки труб в среде защитных газов комплексом фирмы CRC-Evans AW, полуавтома­ тической сварки самозащитной порошковой проволокой типа Иннершилд, сварки захлестов и разнотолщинных соединений, а так­ же ремонт стыков с помощью сварки. Представлены применяе­ мые сварочные материалы и оборудование. Рассмотрены конт­ роль качества кольцевых сварных соединений трубопроводов и техника безопасности при сварке магистральных и промысло­ вых трубопроводов.

ГЛАВА ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СУЩНОСТЬ СВАРКИ

Сваркой называется процесс получения неразъ­ емных соединений посредством установления межатомных свя­ зей между свариваемыми частями при их местном или общем на­ греве или пластическом деформировании, или совместном дей­ ствии того и другого [4].

Сущность сварки заключается в сближении элементарных ча­ стиц свариваемых частей настолько, чтобы между ними начали действовать межатомные связи, которые обеспечивают прочность соединения.

Так как свариваемые поверхности неоднородны, имеют мак­ ро- и микронеровности, оксидные пленки, загрязнения, то для сварки необходимо приложить внешнюю энергию. В зависимости от вида энергии различают три класса сварки: термический, тер­ момеханический и механический [1].

К термическому классу относят виды сварки, осуществляе­ мой плавлением, т. е. местным расплавлением соединяемых ча­ стей с использованием тепловой энергии: дуговую, газовую, элек­ трошлаковую, электронно-лучевую, плазменно-лучевую, термит­ ную и др.

Дуговая сварка — сварка плавлением, при которой нагрев осуществляют электрической дугой. Особым видом дуговой свар­ ки является плазменная сварка, при которой нагрев осуществляют сжатой дугой.

Газовая сварка — сварка плавлением, при которой кромки со­ единяемых частей нагревают пламенем газов, сжигаемых на выхо­ де горелки для газовой сварки.

Электрошлаковая сварка — сварка плавлением, при которой для нагрева металла используют тепло, выделяющееся при про­ хождении электрического тока через расплавленный электропро­ водный шлак.

При электронно-лучевой сварке для нагрева соединяемых ча­ стей используют энергию электронного луча. Тепло выделяется за счет бомбардировки зоны сварки направленным электронным по­ током.

Местное расплавление соединяемых частей при лазерной сварке осуществляют энергией светового луча, полученного от оп­ тического квантового генератора — лазера.

При термитной сварке используют тепло, образующееся в ре­ зультате сжигания термит-порошка, состоящего из смеси алюми­ ния и окиси железа.

К термомеханическому классу относят виды сварки, при ко­ торых используют тепловую энергию и давление: контактную, диффузионную, газопрессовую, дугопрессовую и др.

Основным видом термомеханического класса является кон­ тактная сварка — сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляют теплом, выделяемым при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.

Диффузионная сварка — сварка давлением, осуществляемая взаимной диффузией атомов контактирующих частей при относи­ тельно длительном воздействии повышенной температуры и при незначительной пластической деформации.

При прессовых видах сварки соединяемые части могут нагре­ ваться пламенем газов, сжигаемых на выходе сварочной горелки (газопрессовая сварка), дугой (дугопрессовая сварка), электро­ шлаковым процессом (шлакопрессовая сварка), индукционным нагревом (индукционно-прессовая сварка), термитом (термитнопрессовая сварка) и т. п.

К механическому классу относят виды сварки, осуществляе­ мые с использованием механической энергии и давления: холод­ ную, взрывом, ультразвуковую, трением и др.

Холодная сварка — сварка давлением при значительной пла­ стической деформации без внешнего нагрева соединяемых частей.

Сварка взрывом — сварка, при которой соединение осуще­ ствляется в результате вызванного взрывом соударения быстро движущихся частей.

Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний.

Сварка трением — сварка давлением, при которой нагрев осу­ ществляется трением, вызываемым вращением свариваемых ча­ стей друг относительно друга.

Наплавка — это нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. Наплавочные работы выполняют для восста­ новления размеров изношенных деталей (ремонтная наплавка, восстановительная наплавка) и при изготовлении новых изделий наплавкой на их поверхность слоев металла с особыми свойства­ ми, например с повышенной коррозионной стойкостью, износо­ стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью.

Термическая разделительная резка основана на способности металла сгорать в струе технически чистого кислорода и удалении продуктов сгорания из полости реза. В зависимости от источника тепла, применяемого для резки, различают: газовую резку, осно­ ванную на использовании тепла газового пламени; дуговую резку расплавлением с использованием тепла электрической дуги, обыч­ но горящей между разрезаемым металлом и электродом; плазменно-дуговую резку (резку сжатой дугой) — особый вид дуговой рез­ ки, основанный на выплавлении металла из полости реза направ­ ленным потоком плазмы; воздушно-плазменную резку, отличаю­ щуюся от плазменно-дуговой использованием струи сжатого воздуха.

Металл из полости реза в процессе термической резки удаляют:

термическим способом за счет расплавления и вытекания ме­ талла из полости реза;

химическим способом за счет окисления металла, его превра­ щения в окислы и шлаки, которые также удаляют из полости реза;

механическим способом за счет механического действия струи воздуха или газа, способствующей выталкиванию жидких и размягченных продуктов из полости реза.

При газовой резке одновременно действуют все три способа, при дуговой, плазменно-дуговой и воздушно-плазменной резке действуют преимущественно термический и механический.

Сварное соединение — это неразъемное соеди­ нение, выполненное сваркой. Сварные соединения могут быть стыковыми, угловыми, тавровыми и нахлесточными (рис. 1.1) [7].

Стыковым называется сварное соединение двух элементов, расположенных в одной плоскости или на одной поверхности.

Рис. 1.1. Сварные соединения:

а — стыковое; б — нахлесточное; в — тавровое; г — угловое Угловым называется соединение двух элементов, расположен­ ных под прямым углом и сваренных в месте примыкания их краев.

Нахлесточным называют сварное соединение, в котором сва­ риваемые элементы расположены параллельно и перекрывают друг друга.

Тавровым называется сварное соединение, в котором к боко­ вой поверхности одного элемента примыкает под углом и прива­ рен торцом другой элемент.

Сварной шов — участок сварного соединения, образовавший­ ся в результате кристаллизации металла сварочной ванны.

Угловой шов — сварной шов углового, таврового и нахлестан­ ного соединений.

одно- и многослойными, одно- и двусторонними. С в а р н ы е швы, применяемые для ф и к с а ц и и взаимного расположения, размеров и формы собираемых под сварку элементов, называются прихват­ ками.

Для качественного формирования сварного шва делают подго­ товку кромок под сварку. Элементы геометрической ф о р м ы под­ готовки кромок под сварку (рис. 1.3, а) — угол разделки кромок а, угол скоса одной кромки р\ толщина свариваемого металла S, зазор между стыкуемыми кромками Ь, притупление кромки, т. е. нескошенная часть торца кромки с.

Элементы геометрической формы сварного шва (рис. 1.3, б) — высота шва h, ширина шва е, глубина провара Л п р, усиление (ослаб­ ление) шва q.

На рис. 1.4 показаны основные положения швов в простран­ стве.

1.3. ТЕРМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ПРИ СВАРКЕ

(тепла) при сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники энергии и тепло, выделяемое при элект­ рошлаковом процессе.

Термические источники энергии характеризуются температу­ рой источника, степенью сосредоточенности, определяемой наи­ меньшей площадью нагрева (пятно нагрева), и наибольшей плот­ ностью в пятне нагрева.

технологические свойства источников нагрева металла при свар­ ке, наплавке и резке.

Виды сварочных дуг. Источником теплоты при дуговой сварке в сильно и о н и з и р о в а н н о й смеси газов и паров материалов, ис­ пользуемых при сварке, х а р а к т е р и з у е м ы й высокой плотностью тока и высокой температурой. Процесс возникновения сварочной Рис. 1.6. Классификация сварочной дуги по подключению к источнику питания:

а — прямого действия; б — косвенного действия; в — комбинированная (трехфазная) сварке и наплавке;

а т а к ж е между к а ж д ы м электродом и основным металлом, — ис­ пользуется при сварке спиралешовных труб на станках автомати­ ческой сварки под флюсом.

По роду тока различают дуги, питаемые переменным и посто­ янным током. П р и применении постоянного тока различают свар­ ку на прямой и обратной полярности (см. рис. 1.7). В первом случае Рис. 1.7. Классификация сварочной дуги по полярности постоянного тока:

а — прямая полярность; б — обратная полярность электрод подключается к отрицательному полюсу и служит като­ дом, а изделие — к положительному полюсу и служит анодом;

во втором случае электрод подключается к положительному полю­ су и служит анодом, а изделие — к отрицательному и служит като­ дом. В зависимости от материала электрода различают дуги между н е п л а в я щ и м и с я электродами (угольными или вольфрамовыми) и плавящимися металлическими электродами.

ских свойств, от которых зависит эффективность использования дуги для сварки. К физическим свойствам относят электрические, электромагнитные, кинетические, температурные, световые.

О с н о в н ы м и технологическими свойствами являются: мощ­ ность дуги, пространственная устойчивость, саморегулирование.

Электрические свойства дуги. Для образования и поддержа­ ния горения дуги необходимо иметь в пространстве между элект­ родами электрически заряженные частицы — электроны, положи­ тельные и отрицательные ионы. П р о ц е с с о б р а з о в а н и я и о н о в и электронов называется ионизацией, а газ, содержащий электро­ происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддержива­ ется в процессе ее горения.

В дуговом п р о м е ж у т к е выделяют следующие области (рис. 1.8): катодную 1 к и анодную La, где наблюдается значитель­ ное падение н апряжен ия, вызванное образованием около элект­ родов п р о с т р а н с т в е н н ы х зарядов (скоплением з а р я ж е н н ы х ча­ стиц), и р а с п о л о ж е н н у ю между ними область дугового разряда, называемую столбом дуги 1 с. На поверхности анода и катода обра­ зуются э л е к т р о д н ы е пятна, представляющие собой о с н о в а н и я столба дуги, через которые проходит весь сварочный ток. Элект­ родные пятна выделяются я р к о с т ь ю свечения. О б щ а я длина сварочной дуги 1 д равна сумме длин всех трех областей:

I A = I K + I c + I a, где 1 к — длина катодной области, равная примерно Ю - 5 см; 1 с — длина столба дуги; 1 а — длина анодной области, равная примерно 10~ — Ю см.

Общее напряжение сварочной дуги соответственно слагается из суммы падений н а п р я ж е н и й в отдельных областях дуги:

С/д= / к + Uc+ Ua, где Up, UK, Uc, Ua — соответственно падение на­ п р я ж е н и я общее на дуге, в катодной области, столбе дуги и анод­ ной области, В.

Рис. 1.8. Схема сварочной дуги и падения напряжения в ней:

1 — электрод; 2 — изделие; 3 — анодное пятно; 4 — анодная область дуги;

5 — столб дуги; 6 — катодная область дуги; 7 — катодное пятно Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины описы­ вается уравнением / д =а + Ы д, где а — сумма падений напряже­ ния в прикатодной и прианодной областях, В; 1д — длина столба дуги, мм; b — удельное падение напряжения в дуге, отнесенное к 1 мм столба дуги, В/мм.

Тепловая мощность дуги. Основной характеристикой свароч­ ной дуги как источника энергии для сварки является эффективная тепловая мощность д и. Эффективная тепловая мощность источни­ ка сварочного нагрева — это количество теплоты, введенное в ме­ талл за единицу времени и затраченное на его нагрев. Эффектив­ ная тепловая мощность является частью общей тепловой мощно­ сти дуги q, так как некоторое количество тепла дуги непроизводи­ тельно расходуется на теплоотвод в металле, излучение, нагрев капель при разбрызгивании.

Отношение эффективной тепловой мощности к полной тепло­ вой мощности источника теплоты называется эффективным ко­ эффициентом полезного действия (к. п. д.) процесса нагрева Полную тепловую мощность сварочной дуги, т. е. количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени, приближенно счи­ тают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности q = IUA, где /— величина сварочного тока, А; С/д — падение напря­ жения на дуге, В; g — тепловой эквивалент электрической мощно­ сти сварочной дуги, Дж/с.

Соответственно, эффективная тепловая мощность определя­ ется выражением ди = IUA г|и.

Значение г\и может меняться от 0,3 до 0,95 и для различных ви­ дов сварки ориентировочно составляет: открытая угольная дуга — 0,5 — 0,65; дуга в аргоне — 0,5 — 0,6; сварка штучными покрытыми электродами — 0,7 — 0,85; сварка под флюсом — 0,85 — 0,93.

Количество тепла, вводимое в металл источником нагрева и отнесенное к единице длины шва, называется погонной энерги­ ей сварки. Погонная энергия (в Дж/м) равна отношению эффек­ тивной мощности источника тепла (дуги) ди к скорости перемеще­ ния дуги v.

При образовании сварного шва эффективная тепловая мощ­ ность дуги расходуется на расплавление основного и присадочно­ го металла.

ПРИ СВАРКЕ

Образование сварного соединения в связи с вве­ дением концентрированной энергии в зону соединения сопро­ вождается сложными физическими и химическими процессами.

К физическим относят процессы, которые, изменяя физиче­ ские свойства вещества, не изменяют строение элементарных ча­ стиц, из которых состоит данное вещество, и не приводят к изме­ нению его химических свойств [1, 22].

Химические процессы изменяют строение элементарных частиц, из которых состоит данное вещество, в результате чего полу­ чаются новые вещества с новыми х и м и ч е с к и м и и ф и з и ч е с к и м и свойствами.

К основным ф и з и ч е с к и м процессам при сварке плавлением относят электрические, тепловые, механические п р о ц е с с ы в ис­ точниках нагрева; плавление основного и электродного (присадоч­ ного) металла, их перемешивание, ф о р м и р о в а н и е и кристаллиза­ цию сварочной ванны; ввод и распространение тепла в сваривае­ мом соединении, п р и в о д я щ е е к и з м е н е н и ю структуры металла в шве и зоне термического влияния и образованию собственных сварочных деформаций и напряжений.

К основным химическим процессам относятся химические ре­ акции в газовой и жидкой фазах, на границах ф а з (газовой с жид­ кой, газовой с твердой, ж и д к о й с твердой) при в з а и м о д е й с т в и и компонентов покрытий, флюсов, защитных газов с жидким метал­ И т. д.

между собой во времени и пространстве, поэтому их можно объе­ динить общим понятием — физико-химические процессы.

Под действием физико-химических процессов возникает ха­ рактерное строение сварного соединения.

Рис. 1.9. Схема сварного соединения:

а — при сварке плавлением; б — при сварке давлением Сварное соединение при сварке плавлением (рис. 1.9, а) вклю­ чает в себя: сварной шов 1, т. е. участок сварного соединения, об­ р а з о в а в ш и й с я в результате кристаллизации сварочной ванны;

зону сплавления 2 (сцепления), где находятся частично оплавив­ ш и е с я з е р н а металла на границе основного металла и шва; зону термического влияния 3, т. е. участок основного металла, не под­ вергшийся расплавлению, структура и свойства которого измени­ лись в результате нагрева при сварке плавлением или резке; ос­ новной металл 4, т. е. металл подвергающихся сварке соединяе­ мых частей, не изменивший свойств при сварке.

в твердом состоянии, состоит из зоны соединения 2, где образова­ лись межатомные связи соединяемых частей, зоны термомехани­ ческого влияния 3, основного металла 4.

В ф о р м и р о в а н и и структуры и свойств сварного соединения при сварке плавлением определяющая роль принадлежит тепло­ вым процессам, при сварке давлением — пластической деформа­ ции.

зации металла сварочной ванны. При сварке без дополнительного металла расплавляется только основной металл. Металл, предназ­ н а ч е н н ы й для введения в сварочную ванну в дополнение к рас­ плавленному основному металлу, называется присадочным метал­ лом [1, 28].

Расплавленные основной и присадочный металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну. Границами сварочной ванны служат оплавленные участки основного металла и ранее образо­ вавшегося шва.

Плавление и перенос электродного металла. Э л е к т р о д н ы й металл при дуговой сварке плавится за счет: тепла, выделяемого на конце электрода в приэлектродной области дуги; тепла, попадаю­ щего из столба дуги; нагрева вылета электрода при прохождении сварочного тока от токопровода и до дуги. Чем больше вылет элек­ трода, тем больше его сопротивление и тем больше выделяется тепла.

что и обеспечивает его плавление. На конце электрода образуются капли расплавленного металла, которые переносятся ч е р е з дуго­ вое пространство в сварочную ванну.

воздействием сил поверхностного натяжения, сил тяжести, давле­ ния газов, образующихся внутри расплавленного металла, давле­ ния газового потока, электростатических и электродинамических сил, реактивного давления паров металла.

В зависимости от соотношения сил, действующих на каплю, характер переноса электродного металла может быть различным:

кислом газе, рис. 1.10, а);

крупнокапельным (характерен для ручной дуговой сварки по­ крытым электродом) или мелкокапельным (наблюдается при свар­ и др., рис. 1.10, б);

струйным (имеет место при сварке в аргоне при токах, боль­ ших некоторых критических значений, рис. 1.10, в).

Главными силами, формирующими и удерживающими каплю на к о н ц е электрода, являются силы поверхностного н а т я ж е н и я, возникающие на поверхности капли и направленные внутрь ее.

Отрыв капли и ее перенос обеспечивается электродинамиче­ скими силами и давлением газовых потоков. Эти силы увеличива­ ются с ростом сварочного тока, увеличение тока приводит к из­ мельчению капель. Сила тяжести капли имеет существенное знаРис. 1.10. Схемы расплавления и переноса электродного металла:

а — короткими замыканиями; б — капельный; в — струйный чение при малых плотностях тока и способствует отрыву и пере­ носу капель металла только при сварке в нижнем положении.

Перенос электродного металла в дуге сопровождается выбро­ сом части металла за пределы сварочной ванны — разбрызгивани­ ем. Разбрызгивание связано главным образом с электрическим взрывом перемычки между отделяющейся каплей и торцом элект­ рода под действием электромагнитных сил.

Плавление основного металла. Основной металл плавится в результате выделения тепла в активном пятне (в приэлектроднои области) на поверхности изделия и тепла столба дуги.

Форма проплавления (глубина и ширина) определяется кон­ центрацией теплового и силового воздействия дуги.

Основные компоненты силового воздействия дуги:

поверхностные силы — давление, вызываемое торможением струи плазмы дуги о поверхность металла, реактивное давление струи пара с поверхности сварочной ванны;

объемная электродинамическая сила в жидком металле.

Давление осевого плазменного потока вызывается электро­ магнитными силами, его величина пропорциональна квадрату силы тока. Дуга с плавящимся электродом оказывает большее си­ ловое воздействие на сварочную ванну, чем дуга с неплавящимся электродом. Сила давления от газового потока невелика и состав­ ляет около 1 % силы давления потока, вызываемого электромаг­ нитными силами.

Процесс проплавления металла определяется тепловым и силовым воздействием дуги.

Производительность процессов плавления. В наибольшей степени тепловую мощность дуги, производительность процесса плавления и глубину проплавления определяет величина свароч­ ного тока. С увеличением силы тока дуги возрастает длина свароч­ ной ванны, ее ширина и глубина проплавления Н, которая при­ ближенно может быть оценена зависимостью, близкой к линей­ ной:

С увеличением напряжения также возрастает тепловая мощ­ ность дуги, а следовательно, и размеры сварочной ванны. Особен­ но интенсивно возрастают ширина В и длина ванны I:

где vCB — скорость сварки; S — толщина свариваемого металла;

К — коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и др.

Производительность сварки плавящимся электродом опреде­ ляется коэффициентами расплавления и наплавки. Расплавление присадочного металла характеризуется коэффициентом расплав­ ления где ар — коэффициент расплавления, г/(Ач); Gp — масса расплавлен­ ного за время t электродного металла, г; t — время горения дуги, ч; /— сварочный ток, А.

Количество наплавленного металла или скорость наплавки оп­ ределяется коэффициентом наплавки где ссн — коэффициент наплавки, г/(Ач); G„ — масса наплавленного за время t металла, г (с учетом потерь).

Разница в коэффициентах а р и а н определяется потерями электродного металла на угар, разбрызгивание, испарение и т. п.

Коэффициент этих потерь ц/п (%) определяется по формуле Коэффициенты а р, ан и \j/n зависят от вида, способа и парамет­ ров режима сварки. При малых плотностях тока (ручная дуговая сварка) значения коэффициентов расплавления и наплавки не превышают 7 — 10 г/(Ач). С увеличением плотности тока значе­ ния коэффициентов возрастают до 17 г/(Ач) и более. Коэффици­ ент потерь для различных способов сварки составляет 1 — 15 %.

Формирование сварочной ванны происходит под действием силы тяжести расплавленного металла Рм, давления ис­ точника теплоты (например, давления дуги) Рд и сил поверхностного натяжения Р п, действующих на поверхности металла (рис. 1.11).

Характер действия этих сил зависит от положения сварки.

Рис. 1.11. Схема сил, действующих в сварочной ванне, и формирование шва в разных пространственных положениях:

а — нижнее положение; б — вертикальное; в — потолочное При сварке в н и ж н е м положении при сквозном проплавлении ж и д к а я ванна удерживается на весу силами поверхностного натя­ ванну источником теплоты Р д, и силу тяжести (вес) жидкого метал­ Если сила т я ж е с т и расплавленного металла и сила давления и с т о ч н и к а теплоты п р е в ы с я т силы поверхностного н а т я ж е н и я, т. е. Р д + Р м > Р п, то произойдет разрыв поверхностного слоя в про­ плаве и жидкий металл вытечет из ванны, образуя прожог.

В условиях д в и ж у щ е й с я сварочной ванны (во время сварки) возникают дополнительные гидродинамические силы, вызванные перемещением расплавленного металла в хвостовую часть ванны.

В случаях, когда силы поверхностного н а т я ж е н и я не могут уравновесить разрушающие силы, необходимо применять специ­ альные меры — ограничивать объем сварочной ванны, применять сварку на подкладках, использовать удерживающие приспособле­ ния. Удержание ванны от стекания имеет особенно важное значе­ н и е при сварке в вертикальном и потолочном положениях. П р и с в а р к е в вертикальном положении процесс м о ж н о вести сверху вниз (на спуск) и снизу вверх (на подъем). В обоих случаях сила тя­ жести ванны направлена вниз по продольной оси шва. При сварке на спуск у д е р ж а н и ю в а н н ы от стекания способствуют давление дуги и силы поверхностного натяжения, при этом глубина провара уменьшается, а ширина шва увеличивается. При сварке на подъем ванна у д е р ж и в а е т с я только силами поверхностного н а т я ж е н и я, при этом глубина провара увеличивается, а ширина шва уменьша­ в а н н ы необходимо ограничивать тепловую мощность и р а з м е р ы ванны.

не только опасностью стекания ванны. Возникает необходимость переноса присадочного металла в ванну в направлении, противо­ положном действию силы тяжести. При сварке в потолочном по­ ложении ванна удерживается силами поверхностного натяжения и давлением дуги. Для удержания ванны в потолочном положении также необходимо ограничивать ее объем.

Очень неблагоприятны условия ф о р м и р о в а н и я шва при вы­ полнении горизонтальных швов на вертикальной плоскости. Рас­ кромку, что приводит к формированию несимметричного усиле­ ния шва, а т а к ж е подрезов. П р и с в а р к е горизонтальных швов предъявляются жесткие требования к сокращению размеров сва­ рочной ванны.

Кристаллизация металла сварочной ванны. При сварке плав­ лением сварочную ванну можно условно разделить на два участка:

головной, где происходит плавление основного и дополнительного металлов, и хвостовой, где происходит затвердевание расплавлен­ ного металла. Переход металла сварочной ванны из жидкого со­ стояния в твердое н а з ы в а ю т кристаллизацией. Отличительные особенности кристаллизации сварочной ванны:

1. Источник тепла при сварке перемещается вдоль соединяе­ мых кромок, а вместе с ним движутся плавильное пространство и сварочная ванна. П р и дуговой сварке столб дуги, расположен­ н ы й в головной части ванны, о к а з ы в а е т м е х а н и ч е с к о е воздей­ ствие — давление на поверхность расплавленного металла за счет удара з а р я ж е н н ы х частиц, давления газов и дутья дуги. Давление приводит к вытеснению жидкого металла из-под основания дуги и п о г р у ж е н и ю столба дуги в толщу основного металла. Ж и д к и й металл, вытесненный из-под основания дуги, по мере передвиже­ ния дуги отбрасывается в хвостовую часть сварочной ванны. П р и удалении дуги отвод тепла начинает преобладать над п р и т о к о м и начинается затвердевание (кристаллизация) сварочной ванны.

В процессе затвердевания по границе расплавления образуются общие кристаллиты, что и обеспечивает монолитность соедине­ ния.

2. Малый объем сварочной ванны зависит от вида и р е ж и м а сварки и изменяется от 0,1 до 10 см, поэтому теплоотвод в приле­ гающий холодный металл очень велик, велика и скорость кристал­ лизации.

3. Значительный перегрев расплавленного металла и его ин­ тенсивное перемешивание.

4. Кристаллизация сварочной ванны при сварке плавлением начинается в основном от готовых центров кристаллизации — ча­ стично оплавленных з е р е н основного металла. Металл шва, вы­ полненного сваркой плавлением, имеет столбчатое строение, так как состоит из вытянутых (столбчатых) кристаллитов, растущих при кристаллизации в направлении, обратном теплоотводу.

1.4.5. Металлургические процессы при сварке состав металла шва и его свойства зависят от состава и доли уча­ стия в формировании шва основного и электродного (присадочно­ го) металла, реакций взаимодействия расплавляемого металла с га­ зами атмосферы и защитными средствами [1, 22].

Металл шва в общем случае при сварке плавящимся электро­ дом или применении металлических присадок (проволоки, порош­ ка и т. п.) образуется в результате перемешивания в ванне основ­ ного и электродного (присадочного) металла. Доля основного ме­ талла (\|/0) в шве зависит от вида соединения (с разделкой, без раз­ делки), вида и режима сварки и может быть определена по отношению площади, занятой основным металлом в поперечном сечении шва, ко всей его площади (рис. 1.12):

где Fnp, FH — площади, занятые основным и электродным (приса­ дочным) металлом соответственно.

Рис. 1.12. Поперечное сечение шва:

а — стыковое соединение; б — наплавка; 1 — основной металл; 2 — проплав­ ленный (основной) металл; 3 — наплавленный (присадочный) металл При ручной дуговой сварке покрытым электродом доля основ­ ного металла в шве составляет: 0,15 — 0,40 — при наплавке валиков;

0,25 — 0,50 — при сварке корневых швов; 0,25 — 0,60 — при сварке под флюсом.

П р и отсутствии химических реакций в зоне сварки содержа­ н и е любого элемента в металле шва (С ш ) может быть найдено по формуле С ш = С 0 \|/ 0 + С э (1 — \|/0), где С 0, С э — исходное содержание элемента в основном и электродном металле; \|/0 — доля основного металла. Например, определим содержание никеля в металле шва при дуговой сварке стали, содержащей 1,2 % никеля, с использова­ нием электродной проволоки с содержанием никеля 1,5 % (сварка встык без разделки). Принимая среднее значение \|/0 = 0,3, получа­ ем С ш (Ni %) = 1,2 • 0,3+ 1,5(1 -0,3) = 1,41 %.

В случае химических реакций расплавленного металла с газа­ ми, покрытиями, шлаковой ванной состав металла шва определя­ ют с учетом коэффициентов перехода, показывающих, какая доля металла, с о д е р ж а щ е г о с я в электродной проволоке, переходит в металл шва: Сш = С0\\10 + г\Сэ(\ —Щ), где г) — к о э ф ф и ц и е н т пере­ хода, он изменяется в широких пределах (0,3 — 0,95) в зависимости от х и м и ч е с к о й активности элемента, вида сварки, технологии сварки и др.

Металлургические реакции при сварке. При сварке без защи­ ты расплавляемый металл интенсивно поглощает газы атмосферы, ствами. Для изоляции металла от воздуха в процессе сварки при­ меняют р а з л и ч н ы е средства защиты: электродные покрытия, флюсы, з а щ и т н ы е газы, вакуум. Однако полностью изолировать металл от воздуха обычно не удается. Сами средства защиты так­ же взаимодействуют с металлом, даже инертный газ и вакуум, со­ взаимодействия расплавленного металла с газами и средствами за­ щиты называются сварочными металлургическими реакциями.

Выделяют две основные зоны или стадии взаимодействия рас­ плавленного металла с газами и шлаком: торец электрода с образу­ ющимися на нем каплями и сварочную ванну. Полнота протека­ ния металлургических реакций зависит от температуры, времени взаимодействия, поверхности и к о н ц е н т р а ц и и р е а г и р у ю щ и х веществ.

Характерные условия металлургических реакций при сварке, как и при кристаллизации, — высокая температура нагрева, отно­ сительно малый о б ъ е м расплавляемого металла, к р а т к о в р е м е н ­ ность процесса.

Средняя температура капель электродного металла, поступаю­ щих в ванну, возрастает с увеличением плотности тока и составля­ ет при сварке сталей от 2200 до 2700 °С, т. е. характеризуется зна­ чительным перегревом. Температура сварочной ванны при дуго­ над точкой плавления, перегрев составляет 100 — 500 °С. Высокая ций, однако из-за больших с к о р о с т е й охлаждения р е а к ц и и при сварке обычно не успевают завершиться полностью.

Металлургические реакции при сварке одновременно проте­ кают в газовой, шлаковой и металлической фазах.

Взаимодействие металла с газами. При дуговой с в а р к е газо­ вая ф а з а зоны дуги, контактирующая с расплавленным металлом, состоит из смеси N 2, 0 2, Н 2, С 0 2, СО, паров Н 2 0, а т а к ж е продук­ тов их диссоциации и паров металла и шлака. Азот попадает в зону с в а р к и главным образом из воздуха. И с т о ч н и к а м и кислорода и водорода являются воздух, сварочные материалы (электродные покрытия, флюсы, защитные газы и т. п.), а также окислы, поверх­ н о с т н а я влага и другие з а г р я з н е н и я на поверхности основного и присадочного металла. Наконец, кислород, водород и азот могут содержаться в избыточном количестве в переплавляемом металле.

В з о н е в ы с о к и х т е м п е р а т у р происходит распад молекул газа на атомы (диссоциация). М о л е к у л я р н ы й кислород, азот и водород распадаются и переходят в атомарное состояние: 0 2 2 0, N 2 о 2N, Н 2 2Н. Активность газов в атомарном состоянии резко повыша­ При контакте расплавленного металла, содержащегося в газо­ вой или шлаковой фазах, происходит растворение кислорода в ме­ талле, а при д о с т и ж е н и и предела растворимости — х и м и ч е с к о е взаимодействие с образованием оксидов. Одновременно происхо­ дит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к кислороду. Например, титан окисляется по реакции Ti + 0 2 = ТЮ 2, марганец — по реакции Мп + 0 2 = М п 0 2.

закись железа FeO, содержащую 22,27 % 0 2 ; закись-окись железа F e 3 0 4, содержащую 27,64 % 0 2 ; окись железа, содержащую 30,06 % 0 2. Кислород с н и ж а е т прочностные и пластические свойства ме­ талла.

Азот растворяется в большинстве конструкционных материа­ лов и со многими элементами образует соединения, к о т о р ы е н а з ы в а ю т с я нитридами. С ж е л е з о м он образует нитриды F e 2 N и др. Азот в ы з ы в а е т охрупчивание, появление пор и с т а р е н и е деталей.

Водород также растворяется в большинстве металлов. Метал­ лы, способные растворять водород, можно разделить на две груп­ пы. К первой группе относят металлы, не и м е ю щ и е химических с о е д и н е н и й с водородом (железо, никель, кобальт, медь и др.).

Ко второй группе относятся металлы (титан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал, палладий, редкоземельные элементы и др.), обра­ зующие с водородом химические соединения, которые называют­ ся гидридами. Водород очень вредная примесь, так как является причиной образования пор, микро- и макротрещин в шве и в зоне термического влияния.

Углекислый газ, присутствующий в з о н е дуги при с в а р к е в С 0 2, активно окисляет металл по реакции, которая протекает в две стадии:

В суммарном виде реакция имеет вид:

Образующаяся окись углерода СО в металле шва не растворя­ ется, в процессе кристаллизации сварочной ванны она выделяется и может образовать поры. Углекислый газ применяют для защиты зоны сварки при использовании р а с к и с л я ю щ и х элементов (Мп, Si), нейтрализующих окислительное действие С 0 2.

Водяной пар, находящийся в газовой ф а з е, взаимодействует с жидким металлом по уравнению Н 2 0 + еж направлена к зениту трубы.

Подобное "выметание" дефектов с корневого слоя — наибо­ лее оптимальный вариант техники выполнения "горячего" прохо­ да с электродами с целлюлозным видом покрытия. Н е к о т о р ы е сиарщики осуществляют сварку второго слоя даже без колебаний электродом, а тем более без "хлыстообразных" движений. В ряде случаев сварку ведут даже методом опирания электрода на сварипаемые кромки. П р и этом сварщик иногда пытается наплавить довольно толстый слой, сдерживает скорость сварки, и тогда он мппен возможности наблюдать за выплавлением дефектов, вследгвие чего образуются дефекты даже после тщательной шлифовки i 11рня шва абразивными кругами.

Третий слой варят практически без колебаний, только покачин.1и торец электрода вдоль шва. Если данное место стыка собрано с максимальным зазором и разделка широкая, то осуществляются \егкие колебательные движения поперек шва.

Четвертый и последующие слои (вплоть до слоя, предшествуloiiiero облицовочному) сваривают традиционными зигзагообраз­ ны ми колебательными движениями.

Сварка слоя, предшествующего облицовочному,— это факти­ чески не наплавка металла, а исправление (выравнивание высоты in па) шва перед облицовкой. Разделка перед выполнением облицочиого слоя должна быть заполнена полностью, иногда даже с неflo м.шим усилением. Однако чаще всего она имеет или слабовогНутую форму, или одностороннее либо двустороннее ослабление.

' 'in недостатки заполнения разделки исправляют перед выполнением облицовочного слоя.

Облицовочный слой выполняют колебательными движениями поперек оси шва со сравнительно высокой частотой. Облицовоч­ ный слой обычно резко "обрывается" к основному металлу. Такой р е з к и й переход не должен "смущать" контролеров. Он является следствием технологических особенностей электродов с целлю­ лозным видом покрытия и вполне допустим при подземной про­ кладке трубопроводов на линейной части строительства. Сварка "горячего" прохода обычно осуществляется электродами диамет­ ром 4,5 или 5 мм, сварка заполняющих слоев — диаметром 5 или 5,5 мм, сварка облицовочного слоя — диаметром 4 или 4,5 мм (иногда 5 мм).

Для поддержания необходимого уровня относительной влаж­ ности покрытия ( > 1,5 %) сварку электродом с целлюлозным видом покрытия нельзя доводить до конца: необходимо оставлять специ­ ально огарок длиной не менее 60 — 80 мм. Это обстоятельство учи­ тывают при планировании расхода электродов.

Сварку электродами с целлюлозным видом покрытия следует производить от современных источников сварочного тока со специ­ альными характеристиками — выпрямителей с тиристорным управ­ лением, источников инверторного типа или генераторов постоянного тока, имеющих дистанционные регуляторы сварочного тока.

Сварка сверху вниз специальными электродами с основным видом покрытия. Исходное п о л о ж е н и е электрода относительно быть перпендикулярно к касательной окружности в точке воз­ буждения дуги (рис. 3.8).

Сварку корневого слоя шва выполняют электродами диамет­ рами 3 или 3,25 мм; при этом зазор выставляется ближе к верхнему Пределу обычно рекомендуемого диапазона (2,5 — 3 мм).

Сварку осуществляют легким опиранием на свариваемые кромкп и ведением электрода сверху вниз без поперечных колебаний.

Усилие на электрод в отличие от варианта сварки электродами с целлюлозным видом покрытия минимально. Сварочный ток соответ­ ствует коэффициенту А = 25 — 30 А/мм. Скорость сварки должна i )1.пъ не менее 10, но не более 15 м/ч. Толщина корневого слоя шва изi.i повышенного коэффициента наплавки и меньшей скорости сварм i (в сравнении с электродами с целлюлозным покрытием) не мень­ ше, чем суммарная толщина корневого слоя шва (после шлифовки) плюс "горячего" прохода при сварке электродами с целлюлозным ви­ дим покрытия. Благодаря особенностям формирования корневого | М >я шва сварка электродами этого вида осуществляется без образо­ вания зашлакованных карманов, формы этого шва более плавные, чем в случае электродов с целлюлозным видом покрытия, шлифовка абразивным кругом после сварки не требуется, шлак отделяется хо­ рошо, ввиду формирования низководородистого металла и благо­ приятной формы наружной поверхности корневого слоя проведе­ ние "горячего" прохода необязательно.

Факторы, позволяющие регулировать проплавление, предт.шлены в табл. 3.1.

Регулировка проплавления при сварке на спуск электродами Регулируемые параметры I Li клон электрода Ближе к перпендикуляр- Поддерживать положеDTiioci ггельно ному положению (около ние электрода под углом i ипрпваемой ни электрода • или тока Повысить примерно на 20 А Уменьшить примерно на Сварка заполняющих и облицовочного слоев шва обычно осу­ ществляется электродами диаметром 4 мм без поперечных колеба­ ний (многоваликовые слои) с высокой линейной скоростью до 26 м/ч. Низкое разбрызгивание и повышенный коэффициент наплавки делают эти электроды при сварке заполняющих слоев конкурентоспособными электродам с целлюлозным видом покры­ тия диаметром 5 и даже 5,5 мм. Достижение сквозного проплавления фиксируется по характерному шуму проходящей "навылет" дуги.

Качество электродов. При правильной технике сварки (соот­ ветствующей квалификации сварщика) и соблюдении технологии сборки и сварки (следование регламентации нормативной доку­ ментации) качество сварных соединений при ручной дуговой сварке во многом определяется качеством сварочных электродов.

При этом под качеством понимают в первую очередь качество из­ готовления и упаковки электродов, а также технологичность элек­ трода как таковую, определяемую рецептурой его покрытия.

С учетом специфики трубопроводного строительства из мно­ гообразия оперативных показателей качества электродов следует выделить два первостепенных показателя: чувствительность к об­ разованию козырька в процессе сварки и недопустимый уровень влажности электродного покрытия.

Во избежание образования козырька завод-изготовитель дол­ жен обеспечить поставку электродов с минимальной разнотолщинностью нанесения покрытия на электродный стержень. Этот критерий во многом связан с толщиной электродного покрытия.

Так, для электродов, применяемых в трубопроводном строитель­ стве, этот критерий зависит от диаметра электродов и типа покры­ тия (табл. 3.2). Однако минимальная разнотолщинность нанесе­ ния покрытия — требование необходимое, но недостаточное.

В практике нередко встречаются случаи, когда электрод с почти идеальной равномерностью нанесения покрытия (разнотолщин­ ность 0 — 0,03 мм) образует козырьки, особенно при сварке корне­ вого слоя шва в нижней полуокружности трубы. Образование ко­ зырька в этом случае обусловлено неоднородностью покрытия, его неудовлетворительными физическими свойствами (тугоплав­ кость, интервал размягчения шлака, вязкость расплава покрытия и т. д.).

При недостаточной прочности покрытия, особенно в процессе Максимально допустимая разнотолщинность электродных покрытий, мм Вид покрытия i >0,2мм Рис. ЗЛО. Влияние разнотолщинности покрытия на сторону (/) на коэф­ фициент разбрызгивания электродного металла (а) при сварке элект­ родами:

а — с целлюлозным видом покрытия (марка ВСЦ-4, 0 4 мм; ток 150 А);

б — с основным видом покрытия (марка УОНИ 13/55, 0 3 мм; ток 100 А) пытки сварщика избавиться от козырька, повернув электрод или энергично "воздействуя" на него, приводят к образованию зашла­ кованных "карманов" и пор под "карманами". Другим важным по­ казателем качества электродов являются требования к обеспече­ нию минимальной влажности при сварке электродами с основным видом покрытия и поддержание ее в определенных пределах при сварке электродами с целлюлозным видом покрытия.

В случае использования электродов с основным видом покры­ тия повышенная влажность приводит к образованию холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния, способствует порообразованию, вызывает дефекты формы шва в связи с ухуд­ шением технологичности электродов (нестабильное горение дуги, разбрызгивание, ухудшение отделимости шлака).

Наиболее действенным средством обеспечения перед началом работ допустимого уровня влаги основного электродного покры­ тия является прокалка электродов непосредственно перед свар­ кой. Однако требования к режимам термообработки весьма про­ тиворечивы и колеблются в довольно широких пределах как по температуре (от 250 до 450 °С), так и по времени выдержки (от 0, до 2,5 ч).

Естественно, что на эффективность того или иного из выбран­ ных режимов прокалки могут влиять самые различные факторы, начиная с условий производства (рецептура покрытия, характери­ стики связующего, режимы заводской термообработки, вид упа­ ковки) и кончая условиями транспортировки и хранения; Однако в настоящее время при сварке стыков газонефтепроводов призна­ но целесообразным использовать сушильно-прокалочные устрой­ ства с единым, заранее установленным режимом термообработки электродов.

При монтаже используется весьма широкая номенклатура электродов с основным видом покрытия, различающихся как по технологии производства, так и по типу упаковки.

За критический уровень влаги основного покрытия перед употреблением электродов чаще всего принимают величину 0,3 %.

Что же касается влажности электродов с целлюлозным видом по­ крытия, то требования к ней неоднозначны. Если электроды пере­ сушены (на заводе, при повторной сушке или в процессе сварки — отсутствие огарков), то в металле шва возникают поры. Если элек­ троды переувлажнены, то их технологичность резко ухудшается (нестабильное горение дуги, потеря втулкой прочности, сильное разбрызгивание). Поэтому влажность целлюлозного покрытия должна поддерживаться в определенных пределах. Если упаковка электродов герметична, например жестяные банки запаяны, то их можно использовать без предварительной термообработки. Если эти условия нарушаются, то перед сваркой необходимо их слегка просушить по режиму, указанному в табл. 3.3.

В зависимости от типа электродов и прочностного класса сва­ риваемых сталей регламентируется допустимое время выдержки электродов перед сваркой и возможное число повторных термо­ обработок (табл. 3.4).

Существуют различные методы организации сварочно-монтажных работ при строительстве магистральных и промысловых трубопроводов. Эти методы предусматривают сварку трубопрово­ да в нитку из трехтрубных секций, заранее сваренных на трубо­ сварочной базе, или присоединением отдельных труб. Перечис­ лим основные:

Метод последовательного наращивания. Бригада сварщиков состоит из одного звена. Каждый сварщик обычно сваривает один слой шва (корневой, "горячего" прохода, заполняющий, облицо­ вочный). При малых диаметрах трубопровода и небольшой толщине труб каждый сварщик может сваривать весь стык от начала до конца.

Поточно-групповой метод. Бригада сварщиков состоит из двух или трех звеньев. Первое звено выполняет корневой слой шва и "горячего" прохода. Остальные звенья выполняют заполня­ ющий и облицовочный слои шва.

Поточно-групповой метод сварки с расчленением операций сварки корневого слоя шва и "горячего" прохода, т. е. при работе по этому варианту головная группа состоит из двух звеньев свар­ щиков: одно звено, выполнив сварку только корневого слоя шва, переходит к следующему стыку, а на его место приходит другое звено, которое выполняет "горячий" проход.

Режимы сушки и прокалки электродов (время сушки 1 ч) электрода Температура, °С 69-103 60-100 60-100 200-250 250-300 300-350 300- Условия термообработки и хранения электродов покрытия Свариваемые стали сушки и относительной |повторпро­ лозное или низколеги­ Поточно-расчлененный метод сварки с расчленением опера­ ций не только в головной группе, но и при выполнении заполняю­ щих и облицовочного слоев шва. При работе по этому методу каж­ дый сварщик при выполнении сварки заполняющих и облицовоч­ ного слоев шва сваривает на каждом стыке только "свой" опреде­ ленный сектор данного слоя и, закончив эту работу, сразу же переходит на следующий стык. Для этого метода характерна мак­ симальная специализация сварщиков. Данный метод целесооб­ разно применять только при условии расчленения операций в го­ ловном звене.

На практике наибольшее распространение получил поточнорасчлененный метод. Сборка и сварка секций труб на трассе поточно-расчлененным методом охватывает комплекс работ, в кото­ рый входят следующие трудовые процессы:

подготовка стыков секций труб к сборке и сварке;

сборка и сварка корневого слоя шва;

сварка второго слоя шва — "горячего" прохода;

сварка заполняющего и облицовочного слоев шва.

Сварку секций труб на трассе поточно-расчлененным мето­ дом осуществляют в три технологических этапа:

I этап — подготовка стыков секций труб к сборке и сварке.

В состав работ входят: правка или обрезка дефектных кромок стыков; очистка внутренней полости секций; зачистка кро­ мок стыков; выкладка труб или секций труб вдоль трассы для цент­ ровки.

II этап — сварка первого (корневого) и второго ("горячего" прохода) слоев шва.

В состав работ входят: центровка стыка и установка зазора;

предварительный подогрев кромок стыков секций; сварка корне­ вого слоя шва и "горячего" прохода.

III этап — сварка заполняющего и облицовочного слоев шва.

Технологические этапы подразделяют на пять характерных зон выполнения операций:

подготовка стыков секций труб к сборке и сварке;

предварительный подогрев кромок стыка секций, подготов­ ленных к сборке;

центровка стыков секций с ниткой трубопровода и сварка корневого слоя шва;

сварка "горячего" прохода;

сварка заполняющего и облицовочного шва.

При строительстве нефтепровода Каспийского трубопровод­ ного консорциума (КТК) сварку неповоротных стыков труб в ли­ нейном потоке осуществляли по двум технологическим вариантам ручной дуговой сварки:

Вариант № 1 (комбинированная технология). Корневой слой шва и "горячий" проход выполняли электродами с целлюлозным видом покрытия, последующие слои — электродами с основным видом покрытия.

Вариант № 2. Корневой слой и все последующие слои шва — электродами с основным видом покрытия.

Первый вариант сварки был наиболее предпочтительным, так как позволял значительно увеличить темп сварки и производи­ тельность работы бригады при высоком качестве выполнения корневого слоя шва. Использовали как для сварки неповоротных стыков труб на линейной части нефтепровода, так и для сварки захлестов.

Второй вариант сварки применяли для сварки неповоротных стыков на линейной части нефтепровода в случае невозможности применения электродов с целлюлозным видом покрытия по объективным причинам. Его также использовали для сварки захлесточных соединений.

Комбинации сварочных электродов, использованных для руч­ ной дуговой сварки неповоротных стыков труб из стали класса Х65 и Х70, приведены в табл. 4.7 и 4.8.

Ручная дуговая сварка осуществлялась от источников тока, обеспечивающих специальные характеристики дуги. Сварку элек­ тродами с целлюлозным видом покрытия производили только от современных источников тока: выпрямителей с тиристорным уп­ равлением, например моделей Idealarc DC-400, RCR-500, LHF или их аналогов; инверторных источников тока, например Invertec V300-1; автономных дизельных источников Commander 400 или их аналогов.

3.1.2. Оборудование для ручной дуговой сварки 3.1.2.1. Источники питания для ручной дуговой сварки Качество и производительность сварки стыков магистральных и промысловых трубопроводов в значительной степени зависят от технологических характеристик и конструкции источников сварочного тока. В качестве сварочных источников тока в монтаж­ ных условиях применяют коллекторные генераторы, вентильные бесколлекторные генераторы и выпрямители. Для удобства эксп­ луатации сварочные источники тока компонуют в однопостовые или многопостовые сварочные агрегаты (см. рис. 3.11), которые выпускаются промышленностью в передвижном (на прицепе) и самоходном (на тракторе) исполнении. Многопостовые агрега­ ты, помимо сварочного источника тока, имеют источник электри­ ческой энергии для питания электрического инструмента и осве­ щения, электропечи для термообработки электродов. Имеются также устройство для намотки кабелей, емкости для хранения ин­ струмента.

Рис. 3.11. Сварочный агрегат:

1 — генератор; 2 — двигатель; 3 — регулятор скорости вращения; 4 — бак с горючим Для повышения стабильности процесса ручной дуговой свар­ ки покрытыми электродами источники тока должны иметь круто­ падающую вольт-амперную характеристику. Для применяемых в трубопроводном строительстве электродов требуется также и постоянный ток. Выполнение этих двух требований — крутопа­ дающей вольт-амперной характеристики и постоянного тока до недавнего времени вполне удовлетворяло сварщиков. Однако с ростом давления транспортируемого по трубопроводу продукта, его химической активности возросшие требования к трубным ста­ лям потребовали применения специальных электродов, которые должны обеспечивать соответствующие свойства различных сло­ ев шва и в целом сварного соединения. Ужесточаются требования и к допустимым дефектам в шве. В этих условиях, помимо свароч­ ных материалов, решающее значение приобретают технологиче­ ские свойства сварочных источников тока и квалификация свар­ щика. Взаимосвязь между источником тока и сварщиком заклю­ чается в том, что на манипулирование электродом и длиной дуги источник питания должен соответствующим образом реагировать, регулируя энергию сварочной дуги, а соответственно, и плав­ ление электродов. Так, при сварке корневого слоя шва, когда име­ ют место неточности сборки стыка, притупления кромок и зазора по периметру, с в а р щ и к у для о б е с п е ч е н и я качества необходимо регулировать с в а р о ч н ы й ток и соответственно п р о п л а в л е н и е в процессе сварки [1, 24]. Этого м о ж н о достичь, и з м е н я я длину дуги и наклоняя электрод, при условии, что источник тока имеет небольшой наклон статической вольт-амперной характеристики дуги ее нормированная характеристика из начального состояния 2 перейдет в положение 3. При этом рабочая точка А горения дуги переместится по вольт-амперной характеристике источника тока в точку Б. Соответственно, сварочный ток уменьшится на величи­ ну А/ = 1 А — 1С. Таким образом, м о ж н о существенно уменьшить или увеличить (при сокращении длины дуги) сварочный ток, реа­ гируя на изменение зазора или притупления кромок труб в стыке при сварке корневого слоя шва, добиваясь качественного его фор­ мирования. В случае крутопадающей вольт-амперной характери­ стики источника п и т а н и я (рис. 3.12, к р и в а я 4), при и з м е н е н и и длины дуги ее рабочая точка переместится из Л в Си и з м е н е н и е сварочного тока AI = 1 А — 1 С значительно меньше, чем при сварке на пологопадающей характеристике, поэтому сварщик не может Рис. 3.12. Схема изменения режима сварки при различных наклонах вольт-амперных характеристик 6 Б- отработать возмущения, связанные со сборкой стыка и притупле­ нием кромок. Следовательно, источник тока для сварки корневого слоя шва должен иметь пологопадающую вольт-амперную харак­ теристику в области рабочих токов.

При сварке заполняющих и облицовочного слоев шва, когда сварщик совершает продольные и поперечные колебания элект­ родом, необходимо обеспечить минимальное изменение свароч­ ного тока для равномерного проплавления кромок. Это требова­ ние выполняется, если источник питания имеет крутопадающую вольт-амперную характеристику в области рабочих токов. Чем круче наклон вольт-амперной характеристики в точке А (см. рис. 3.12), тем меньше ток отличается от первоначального при изменениях дли­ ны дуги. В идеальном случае, когда кривая вольт-амперной харак­ теристики перпендикулярна к оси токов, происходит стабилиза­ ция сварочного тока, т. е. он не зависит от длины дуги. Следова­ тельно, для сварки заполняющих и облицовочного слоев шва ис­ точник тока должен иметь крутопадающую вольт-амперную характеристику.

Кроме того, для качественной сварки неповоротных стыков трубопроводов в условиях непрерывно изменяющегося простран­ ственного положения сварочной ванны источник тока должен иметь хорошие динамические свойства, обеспечивать быстрый рост напряжения при переходе от короткого замыкания к горе­ нию дуги, оптимальную скорость изменения тока для снижения разбрызгивания, связанного с переходом капель расплавленного электрода в сварочную ванну, и выполнение других требований, которые регламентируются ГОСТ 25616 —83. Источники питания для дуговой сварки. Методы испытания сварочных свойств.

3.1.2.3. Агрегаты с коллекторными генераторами Генератор постоянного тока (рис. 3.13) — основной узел сва­ рочных агрегатов. В трубопроводном строительстве в составе сва­ рочных агрегатов используют однопостовые коллекторные генераторы ГСО-300-5, ГД-310, ГД-3120, а также двухпостовой генератор ГСМ-500 [26, 28].

Коллекторные генераторы ГСО-300-5, ГД-3120 и ГД-310 имеют одинаковую электромагнитную схему и различаются пределами Рис. 3.13. Сварочный генератор:

а — с независимым возбуждением; б — с самовозбуждением; ОН — об­ мотка намагничивающая; ОР — обмотка размагничивающая; Фн — маг­ нитный поток намагничивающей обмотки; Фр — магнитный поток раз­ магничивающей обмотки Технические характеристики агрегатов с коллекторными генераторами Число постов Исполнение Двигатель Мощность, кВт Частота вращения вала отбора мощности, об/мин 1915х895х 1900х900х 6600х2500х 5235х2460х 5600x1890х 5770х2460х 7400х2500х Габаритные размеры, мм Тип генератора Номинальный сварочный ток, А Напряжение холостого хода, В Пределы регулирования сварочного тока, А ного генератора трехфаз­ ного переменного тока на­ пряжением 220 В с частотой 50 Гц, кВт Рис. 3.14. Балластный реостат:

1 — корпус; 2 — тумблеры диапазонов; 3 — рубильники секций сопротив­ ления; 4 — клеммы для сварочного кабеля; 5 — секция нихромовой про­ волоки или ленты регулирования сварочного тока и некоторыми конструктивными особенностями.

Эти сварочные генераторы — четырехполюсные постоянно­ го тока с самовозбуждением и последовательной размагничиваю­ щей обмоткой (табл. 3.5).

Двухпостовой генератор ГСМ-500 является генератором по­ стоянного тока с самовозбуждением. Возбуждение генератора смешанное. Напряжение регулируется реостатом в цепи парал­ лельной обмотки возбуждения, а сварочный ток — балластными реостатами (рис. 3.14) в сварочной цепи.

3.1.2.4. Агрегаты с вентильными генераторами В трубопроводном строительстве в настоящее время исполь­ зуют серийно выпускаемые агрегаты с вентильными генератора­ ми: однопостовые АДБ-3120; двухпостовые АДД-502; четырехпостовые агрегаты АЛД-2501; агрегаты с бесколлекторными вентиль­ двухпостовой УСТ-22 и четырехпостовой АС-41 (табл. 3.6) [24].

Технические характеристики агрегатов с вентильными генераторами Исполнение Двигатель ния вала отбора мощности, об/мин места Тип сварочного ГД-314 Сдвоен­ ГД-2501 Сдвоенный ГЯ- сварочный ток, А Примечание. I3 скобках указано значение В.

формуле где г) — эффективный к. п. д. дуги (для сварки под флюсом прини­ мается Г) = 0,8); /— сварочный ток, А; /д — напряжение на дуге, В;

vCB — скорость сварки, м/ч; 36 — коэффициент перевода размер­ ности.

Режимы односторонней автоматической сварки под флюсом термически упрочненных труб и труб из бейнитных сталей Диаметр Толщина Порядко­ Свароч­ Напряже­ Скорость электрода трубы, мм стенки, вый номер ный ток, А ние на сварки, с зенита Примечания.

' Термически упрочненные трубы.

" Трубы из бейнитных сталей.

1. Полярность обратная.

2. Сварку выполнять только проволокой диаметром 3 мм.

3. Вылет электрода 40 — 45 мм, угол наклона электрода "вперед" до 30°.

7 Б- На практике погонную энергию сварки можно определить по номограмме, приведенной на рис. 3.21, по заданным значениям параметров режима {I, Щ и vCB) [2, 28].

Рис. 3.21. Номограмма для определения погонной энергии сварки по данным основных параметров режима (сварочный ток, напряжение на дуге и скорость сварки) Справа — шифр кривых q/VCB, кДж/см Режимы автоматической сварки под флюсом термически упрочненных труб и труб из бейнитных сталей приведены в табл. ЗЛО.

Число слоев автоматической сварки определяется толщиной стенки трубы и должно соответствовать данным, приведенным в табл. 3.11.

Готовый шов должен иметь усиление высотой 1 — 3 мм и ши­ рину, указанную в табл. 3.12.

Для обеспечения гарантированного провара корня шва свар­ ку труб диаметром 1020— 1420 мм из низколегированных высоко­ прочных сталей производят с внутренней подваркои. При ручной подварке стык собирают с обычным зазором и подварку выполняТаблица 3. Число слоев в зависимости от толщины стенки трубы стенки трубы, мм шва, не менее Ширина наружного шва в зависимости от толщины стенки трубы Разделка кромок V-образная ют после завершения сварки корневого слоя шва. Подварку про­ изводят способом сварки "на подъем".

Автоматическую подварку выполняют по двум вариантам:

после сварки корневого слоя шва; после окончания сварки всех наружных слоев шва (табл. 3.13, 3.14). Шов, полученный при авто­ матической подварке, должен иметь усиление высотой не менее 1 мм и не более 3 мм, а ширину в пределах, указанных в табл. 3.12.

Сварку поворотных стыков труб с разделкой кромок под руч­ ную сварку можно производить током прямой полярности.

При сварке током прямой полярности глубина проплавления уменьшается на 2 — 3 мм по сравнению со сваркой током обрат­ ной полярности.

При токах более 600 А производительность расплавления электродной проволоки при токе прямой полярности на 30 — 40 % выше, чем при токе обратной полярности (рис. 3.22) При токах менее 600 А производительность расплавления Режимы автоматической подварки под флюсом корневого слоя шва кольцевых стыков труб из горячекатаных и нормализованных сталей электро­ Свароч­ Напряже­ Скорость сварки корня шва завершения сварки всех наружных слоев шва Примечание. Ток постоянный, полярность обратная, угол наклона электрода "вперед" до 30°.

Режимы автоматической подварки корневого слоя шва стыков труб корня шва ния сварки всех наружных слоев шва Примечание. Ток постоянный, полярность обратная, электродная проволока диаметром 3 мм, угол наклона электрода "вперед" до 30 °.

Рис. 3.22. Зависимость скорости расплавления электродной проволоки от силы тока:

1, 3,5 — ток прямой полярности; 2, 4,6 — ток обратной полярности; 1,2 — флюсАН-22, проволока Сварке-08ХМ диаметром 3 мм; /д = 48 В; 3, 4 — флюс АН-348А, проволока Сварке-08ГА диаметром 4 мм; UA = 50 В;

5, 6 — проволока диаметром 4,7 мм; UA = 40 В электродной проволоки больше при сварке током обратной по­ лярности. Уменьшение глубины проплавления при сварке на од­ них и тех же режимах в случае применения прямой полярности по с р а в н е н и ю с обратной полярностью позволяет ф о р с и р о в а т ь ре­ ж и м сварки за счет увеличения силы сварочного тока и, следова­ тельно, повысить производительность расплавления электродной проволоки. П р и использовании тока прямой полярности р е ж и м сварки изменяется в сторону увеличения сварочного тока на 100 А, а скорость сварки устанавливается по верхнему пределу диапазо­ на скоростей, приведенных в табл. 3.15.

м о ж н о увеличить, одновременно п о в ы ш а я ток дуги и скорость сварки. Вероятность образования прожогов корневого слоя шва возрастает. Уменьшить глубину проплавления при увеличении силы тока можно за счет применения электродной проволоки поТаблица 3. Примечания:!. Полярность обратная, проволока диаметромЗмм при вылете электрода 40 — 50 мм.

2. При сварке труб с толщиной стенки 9 мм и более можно применять ток прямой полярности, при этом ток увели­ чить на 100 А, а скорость сварки установить по верхнему пределу диапазона скоростей данной таблицы.

вышенного диаметра, так как при этом снижается плотность тока в активном пятне дуги и тепловой поток, поступающий в изделие, рассредоточивается.

Увеличение диаметра электродной проволоки позволяет по­ высить токовую нагрузку, а следовательно, максимально допусти­ мые токи при сварке (рис. 3.23). Увеличивая силу тока до 1100 А и применяя электродную проволоку диаметром 4 мм, во избежа­ ние опасности прожогов одновременно необходимо увеличивать скорость сварки до 90 м/ч (см. табл. 3.9). Применение проволоки диаметром 4 мм позволяет увеличить производительность процес­ са сварки стыков на 20 %. Двусторонняя автоматическая сварка под флюсом позволяет полностью исключить применение ручной сварки при изготовлении трубных секций на базе. Производи­ тельность поворотной сварки на таких базах по сравнению с база­ ми, на которых используют ручную дуговую сварку для выполне­ ния корневого слоя шва, увеличивается в 1,5 — 2 раза. Это достига­ ется за счет уменьшения объема наплавленного металла при исI, мм Рис. 3.23. Максимально допустимые сварочные токи в зависимости от длины вылета и диаметра электрода:

1,2 — проволока диаметром 3 мм; 3, 4 — проволока диаметром 4 мм; / — прямая полярность; II — обратная полярность 1 — ось первого (наружного) слоя шва; 2 — ось внутреннего слоя шва;

3 — условная ось стыка; а — перекрытие наружного и внутреннего слоев шва (а > 3 мм при толщине стенки менее 12 мм и более и а > 2 мм при толщине стенки менее 12 мм); с — смещение осей наружных и внутрен­ них слоев шва от условной оси стыка (с = ±1 мм);Л н иЛ в — глубина проплавления соответственно первого (наружного) и внутреннего слоев шва; Вв — ширина внутреннего шва пользовании разделки кромок с повышенным притуплением, фор­ сирования режимов сварки и полной механизации всех техноло­ гических процессов.

водном строительстве сокращает число стыков, подлежащих ре­ монту, в результате устранения дефектов, характерных для руч­ ной сварки первого прохода шва: непровара, несплавления и др.

Важным преимуществом двусторонней сварки является также от­ сутствие предварительного подогрева стыков.

Перед сваркой на базе изменяют форму концов труб в соот­ ветствии с табл. 3.16. Рекомендуемое число н а р у ж н ы х слоев в табл. 3.17. Р е ж и м ы двусторонней автоматической с в а р к и под флюсом труб различных диаметров приведены в табл. 3.15, 3.18.

Геометрические размеры швов, определяемые по макрошлифам, для двусторонней автоматической сварки под флюсом Тип разделки кромок Рекомендуемое число наружных слоев шва при двусторонней автоматической сварке под флюсом кольцевых стыков труб должны соответствовать данным табл. 3.19, 3.20 [2, 16, 18].

М а к р о ш л и ф образца из допускного и контрольных стыков приведен на рис. 3.24.

Важным условием получения качественных сварных соеди­ нений является соблюдение временного интервала между выпол­ н е н и е м н а р у ж н ы х слоев и подварочного слоя шва при односто­ ронней или внутреннего слоя шва при двусторонней сварке.

Время, в течение которого стык может оставаться несваренным изнутри трубы, не более, мин:

Односторонняя сварка Подварка после сварки:

Двусторонняя сварка при температуре:

Режимы двусторонней автоматической сварки под флюсом термически упрочненных труб и труб из бейнитных сталей Диаметр Толщина вый номер Сварочный Напряже­ с зенита Примечания. Полярность обратная, проволока диаметром 3 мм при вылете электрода 40 — 45 мм.

"Термически упрочненные трубы.

"Трубы из бейнитных сталей.

Ширина наружного шва при двусторонней автоматической сварке Геометрические параметры внутреннего шва при двусторонней Вид разделки Размеры внутреннего шва (5В/ЛВ>2), не более, мм Толщина При строительстве магистральных трубопро­ водов используют две типовые схемы трубосварочных баз (рис. 3.25):

Рис. 3.25. Трубосварочная база для односторонней автоматической сварки под флюсом по ручной подварке типа ССТ-ПАУ и БНС (полумеханизирован­ ные базы);

для двусторонней автоматической сварки под флюсом типа БТС (механизированные базы).

В зависимости от диаметра труб на полумеханизированных базах применяют различное оборудование, выпускаемое про­ мышленностью [24, 28].

Состав оборудования трубосварочных баз Диаметр трубопровода, мм 325+820 1020+ Сборка и сварка первого слоя ЛСТ-81 ССТ-141 или ССТ-141А Автоматическая сварка под флюсом ПАУ-502 ПАУ-Ю01В Автоматическая подварка под флюсом.... — ТС-17М изнутри трубы Техническая характеристика сборочно-сварочных стендов ССТ Диаметр свариваемых труб, мм.... 1020, 1220, 1420 1020,1220, Длина свариваемой секции, м, Одновременно потребляемая Ход роликоопоры манипулятора, мм:

Окружная скорость вращения Габаритные размеры, мм 45500x8750x3500 51000x11200x Производительность (стык/ч) на трубах диаметром, мм:

персонала 'Без источников сварочного тока.

Техническая характеристика линии ЛСТ- Производительность на трубе диаметром 530x8 мм, стык/ч 9, Техническая характеристика автосварочных установок ПАУ Производительность (стык/ч) при сварке на трубе (диаметр х толщина, мм):

Окружная скорость вращения секций, 0,0026 — 0,026 0,005 — 0, * При питании дуги от агрегата АДД-502У1;

" П р и питании дуги от сварочного выпрямителя ВДУ-1201.

Схема полумеханизированной трубосварочной базы, пред­ назначенной для сборки и сварки труб диаметром 325 — 820 мм типа БНС — БНС-81, приведена на рис. 3.26.

Механизированные трубосварочные базы (типа БТС) позво­ ляют полностью механизировать выполнение сварочно-монтажных работ при изготовлении секций труб. В настоящее время оте­ чественной промышленностью выпускаются базы БТС-142В, Рис. 3.26. Схема трубосварочной базы БНС-81:

/— сборочно-сварочнаялиния,ЛСТ-81; Д — автосварочная установка ПАУ-502; / — штанга центратора; 2 — привод штанги центратора; 3 — внутренний центратор; 4 — ролик регулировочный для сборки стыка; 5 — перегружатель секций; 6 — промежуточный стеллаж; 7 — пост сборки ручной дуговой сварки корневого слоя шва; 8 — привод перегружателя; 9 — ролик рольганга; 10 — привод отсекателя секций; 11 — ролик роль­ ганга неприводной; 12 — приемный стеллаж; 13 — отсекатель; 14 — отсекатель секций; 15 — опора непри­ водная; 16 — палатка сварщика со сварочной головкой; 17 — опора приводная; 18 — блок питания; 19 — энергоблок; 20 — стеллаж готовых секций предназначенные для двусторонней автоматической сварки под флюсом кольцевых стыков труб диаметром 1020— 1420 мм в двухи трехтрубные секции (рис. 3.27).

Техническая характеристика трубосварочной базы БТС-142В Производительность стык/ч при сварке трехтрубных секций (диаметр х толщина, мм):

Установленная мощность кВт:

Диаметр электродной проволоки, мм:

Окружная скорость секции, м/с (м/ч) 0,007 — 0,025 (30 — 90) Оборудование трубосварочных баз. Внутренние центраторы (рис. 3.28, 3.29) применяют для сборки и центровки поворотных стыков труб диаметром 325—1420 мм на трубосварочных базах. При использовании внутренних центраторов стыкуемым торцам труб придается форма окружности, а разность периме­ тров торцов равномерно распределяется по всей длине стыка (табл. 3.21) [24].

Основным рабочим узлом центратора является центрирую­ щий механизм, который может быть конусного (левая часть рис. 3.30) или рычажного типа (правая часть рис. 3.30).

На трубосварочных базах типа ССТ-ПАУ и БНС внутренние центраторы имеют конусный центрирующий механизм, на базе БТС-142В применены центраторы рычажного типа.

Внутренние центраторы имеют электрогидравлический при­ вод и два независимых ряда центрирующих жимков. Питание внутренних центраторов осуществляется от источников постоян­ ного тока.

Рис. 3.27. Схема трубосварочной базы БТС-142В:

1 — накопитель; 2 — отсекатель; 3 — станок подготовки кромок (тип СПК); 4 — пост обработки кромок; 5 — ролик приводной рольганга; 6 — перегружатель; 7 — пост наружной сварки; 8 — пост внутренней сварки;

9 — головка наружной сварки (ГДФ-ЮОГУЗ); 10 — головка внутренней сварки; 11— внутренний центратор;

12 — роликоопоры для регулирования зазора в стыке; 13 — роликоопора приводная для сварки двухтрубных секций; 14 — роликоопора приводная для сварки трехтрубных секций; 15 — роликоопора неприводная;

16 — система слежения при сварке изнутри трубы; 17 — гидроперехват штанги; 18 — штанга; 19 — покати готовых секций; 20 — блок питания Рис. 3.29. Установка внутреннего центратора Технические параметры внутренних центраторов типа ЦВ в одном центрирую­ щем ряду марное усилие центратора, мН Размеры, мм:

состоянии жимков) Самоходное устройство СЦ-141 предназначено для транспор­ тировки внутренних центраторов при сборке стыков труб в сек­ ции на трубосварочных базах. Устройство имеет дистанционное управление.

Роликовый вращатель предназначен для вращения сваривае­ мой секции труб диаметром 325 — 1420 мм.

Роликовые опоры ОР121 предназначены для периодического поворота трубной секции при выполнении ручной внутренней подварки корня шва. Она обеспечивает фиксацию секции при подаче и ее скатывании после выполнения подварочного слоя шва.

Лебедка ЛТ-ЗГ предназначена для осевого перемещения (стягивания) труб в секции длиной до 36 м на сборочных стендах ССТ-141 трубосварочных баз. Привод лебедки — электродвига­ тель переменного тока.

Головки ГДФ-1001УЗ, СТФ-1004 предназначены для наруж­ ной сварки под флюсом кольцевых стыков труб на трубосварочРис. 3.30. Центрирующие механизмы (условно совмещенные):

1 — цилиндр; 2 — конус; 3 — рычаг; 4 — жимок ных базах. Головкой ГДФ-1001УЗ комплектуют трубосварочные базытипаССТ-ПАУиБТС. Головки СГФ-1004 работают в комп­ лекте трубосварочных баз типа БНС.

Головка ГДФ-1001УЗ представляет собой автомат подвесного типа, состоящий из унифицированных узлов.

Головка СГФ-1004 представляет собой автомат тракторного типа без привода перемещения по изделию и удерживается на по­ верхности трубы при помощи штанги.

Головка БТС-142В предназначена для автоматической сварки под флюсом изнутри трубы на трубосварочных базах типа БТС.

Головка установлена на оси центратора, поднимается и опускает­ ся на стык с помощью электропривода и копирует внутреннюю поверхность трубы копирным роликом (табл. 3.22).

Для внутренней подварки стыков труб диаметром 1220 и 1420 мм на базах ССТ-ПАУ используют универсальный сварочный трактор ТС-17М1. Механизмы подачи электрода и перемещения трактора приводят в действие одним электродвигателем. В комп­ лект трактора входит шкаф управления. В настоящее время сва­ рочный трактор ТС-17М1 серийно не выпускают.

Техническая характеристика сварочного трактора ТС-17М Способ регулирования скорости подачи проволоки Ступенчатый, Станки типа СПК предназначены для механической обработ­ ки концов труб при двусторонней автоматической сварке под флюсом на базах БТС.

Станки СПК подвесного типа состоят из центрирующего ба­ рабана с двумя рядами жимков и направляющими колесами, шпинделя с план-шайбой, резцовых головок и гидропривода. В ка­ честве режущего инструмента в станках СПК применяют твердо­ сплавные пластины, имеющие форму шестигранника. Одной ре­ жущей кромкой пластины можно обработать около десяти стыков труб диаметром 1420 мм.

Серийно выпускают станки трех типоразмеров: СПК-81, СПК-121, СПК-141 (табл. 3.23) [2, 18].

Станок для очистки и намотки проволоки МОН-52 предназна­ чен для очистки и намотки электродной проволоки диаметром от 2 до 5 мм в кассеты и катушки диаметром до 650 мм. Станок позво­ ляет производить рядную намотку проволоки в кассеты. Проволо­ ка очищается в закрытом вращающемся блоке иглофрезерными элементами. Станок снабжен грузоподъемным устройством, пред­ назначенным для подъема и установки проволочного бунта.

Техническая характеристика сварочных головок Диаметр свариваемых труб, 325 — 1420 530-1420 1220, проволоки, мм м/ч подачи проволоки (сменными шес­ Вылет электрода, мм (надира) трубы, мм электрода, мм вперед, градус кой, кг флюса, дм Размеры (без штанги), мм 800x380x520 1680х1050х 2780х920х и опорной части штанги), кг Техническая характеристика станков СПК Диаметр обрабатываемых труб, мм об/мин Скорость быстрого перемещения планшайбы, мм/мин Наибольшая длина хода планшайбы, тора, МПа Расстояние между двумя фикси­ рующими рядами, мм Габаритные размеры, мм 3000x1050х 3260x1450х 3520x1650х Примечание. Напряжение питающей сети 380 В.

Печь СНО-5.5.5/5-И2 с номинальной мощностью 10 кВт и мас­ сой 200 кг предназначена для прокалки на трубосварочных базах флюса и электродов при температуре до 500 °С.

Техническая характеристика станка МОН- Максимальные размеры наматываемой кассеты, мм:

Скорость намотки, м/мин:

Техническая характеристика печи СНО-5.5.5/5-И Энергоснабжение трубосварочных баз можно осуществлять от сварочных агрегатов, от передвижных электростанций и от ли­ нии электропередач (ЛЭП). Сварочные агрегаты применяют толь­ ко в автосварочных установках ПАУ-502 первой серии, входящих в комплект трубосварочной базы БНС-81. Этот агрегат АДД-502У2, который при ручной дуговой сварке обеспечивает ток 60 —315 А, а при сварке под флюсом — 250 — 500 А (табл. 3.24) [28].

При питании трубосварочных баз от передвижной электро­ станции применяют электростанции, такие как АБ-16-Т230 П-Р, ЭСД-30-Т/400-М2, АД-60С-Т400-Р, ЭД-100-Т/400-РК, АД-100СТ400-Р, ЭСДА-200-Т/400-1РКМ, ЭД500-Т400-2РКС.

Питание оборудования от линии электропередач (ЛЭП) осу­ ществляют через понижающий трансформатор с выходным на­ пряжением 380 — 400 В. В качестве сварочных источников питания применяют сварочные выпрямители (см. табл. 3.24).

Для ручной электродуговой сварки на трубосварочных базах типа ССТ-ПАУ и БНС-81 используют многопостовые выпрямите­ ли ВДМ-1001 УЗ с жесткими внешними характеристиками. Для питания цепи управления внутреннего центратора и других вспо­ могательных цепей служит выпрямитель ВД-306УЗ. Силу тока на каждом посту при многопостовой сварке регулируют при помощи балластных реостатов типа РБ-301. Выпускают также балластные реостаты типа РБ-201.

В качестве источника питания дуги при автоматической свар­ ке на базах типа ССТ-ПАУ, БНС-81 и БТС-142В служат выпрями­ тели ВДУ-Т201УЗ с тиристорным управлением.

Питание оборудования каждой трубосварочной базы осуще­ ствляют через гирлянду кабелей, соединяющих блок питания и сварочную будку.

Площадь сечения сварочных проводов следует подбирать в за­ висимости от силы тока.

Техническая характеристика сварочных источников питания постоянного тока, применяемых на трубосварочных базах чее напряжение, В хода, В ность, кВ А ного действия, % щей сети, В постов Габаритные размеры, 2550x1200x1270 785х780х * При жестких внешних характеристиках.

** При падающих внешних характеристиках.

Примечания: 1. ВД-306УЗ — выпрямитель с механическим регулированием сварочного тока; 2. ВДУ-1201УЗ — выпрямитель с тиристорной схемой. Вклю­ чение нагрузки и регулирование сварочного тока (напряжения) осуществля­ ются дистанционно.

ТРУБОПРОВОДОВ

3.3.1. Технология и организация стыковой шиностроении. Накоплен значительный опыт по использованию контактной сварки при строительстве магистральных трубопрово­ дов, в том числе большого диаметра, с использованием комплексов "Север", ПЛТ и др.

Но в настоящее время стыковая контактная сварка при строи­ тельстве трубопроводов практически не применяется.

Специфические условия строительства трубопроводов требу­ ют нового, по сравнению с машиностроением, подхода к разработ­ ке технологии стыковой сварки оплавлением, при которой удель­ ная потребляемая мощность должна быть не более 0,7 — 1 кВт/см2.

При условии модернизации существующих комплексов и тех­ нологии работ за стыковой контактной сваркой трубопроводов большое будущее.

Контактная сварка — это сварка, при которой свариваемые детали нагреваются теплотой, выделяемой проходящим в месте их контакта электрическим током, и сдавливаются (осаживаются).

Сварное соединение образуется в результате пластической де­ формации металла в зоне контакта и установления межатомных связей между поверхностями соединяемых деталей. При этом спо­ собе на зажатые в зажимах свариваемые детали подают напряже­ ние, после чего начинают их медленно сближать. При соприкосно­ вении даже ровно обрезанных торцов деталей контакты между ними возникают в отдельных местах по имеющимся микронеров­ ностям [16, 24].

Сущность стыковой сварки оплавлением заключается в том, что наибольшее количество теплоты (в соответствии с законом Джоуля-Ленца) выделяется в контактах при касании деталей. Они нагреваются до температуры плавления, металл вскипает, и кон­ такт взрывается. По мере сближения деталей образуются и взры­ ваются все новые и новые контакты, создающие впечатление не­ прерывного потока искр, вылетающих из зазора. Зазор между свариваемыми деталями называют искровым промежутком, а про­ цесс, во время которого образуются и разрушаются контакты — оплавлением.

В результате процесса оплавления детали не только обгорают и укорачиваются за счет выброса части расплавленного металла при взрыве образующихся контактов, но и прогреваются на неко­ торую глубину. Температура нагрева торцов деталей — важней­ ший параметр процесса, влияющий на формирование соедине­ ния, его структуру и свойства. Для получения качественного свар­ ного соединения нагревают поверхности оплавляемых деталей до температуры плавления, создают на торцах слой расплавленного металла и обеспечивают прогрев деталей в глубину.

После нагрева деталей сварочный трансформатор выключа­ ют, и происходит вторая стадия процесса — образование сварного соединения с требуемыми свойствами в результате установления межатомных связей между свариваемыми деталями.

Процесс осадки состоит из трех этапов: закрытие зазора меж­ ду оплавляемыми торцами, удаление из стыка жидкого окислен­ ного металла и пластическая деформация чистых от оксидов по­ верхностей соединяемых деталей для образования между ними межатомной связи. При этом первые два этапа необходимо прове­ сти быстро, чтобы жидкий металл, и тем более жидкие оксиды, не успели закристаллизоваться. Для низкоуглеродистых и низко­ легированных сталей, из которых в основном изготовляют трубы для магистральных трубопроводов, минимальная скорость осадки 20 - 3 0 мм/с.

Участок металла деталей, подвергающийся в процессе сварки нагреву, пластической деформации и последующему охлажде­ нию, называется зоной термического влияния.

Совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сварки, называется режимом сварки.

Режимы сварки конкретных труб, обеспечивающие доброка­ чественные сварные соединения, рассчитывают на основе взаи­ мосвязи параметров сварки с потребляемой мощностью и с уче­ том полученного в результате оплавления температурного поля в свариваемых трубах.

Поскольку для расчета скорости и времени оплавления в зави­ симости от площади сечения свариваемых труб, припуска на осад­ ку требуется выполнить довольно сложные математические действия, для удобства определения у к а з а н н ы х параметров м о ж н о воспользоваться специальной номограммой (рис. 3.31) [28].

Для предупреждения охлаждения жидкого металла на торцах труб перед осадкой за 7— 15 с до конца процесса оплавления ско­ рость оплавления повышают до 0,8 — 1,2 мм/с. Этот период назы­ вается ф о р с и р о в к о и. С этой же целью в течение 0,1 —0,5 с после подачи команды на осадку процесс осадки проводят без выключе­ ния сварочного трансформатора, т. е. при протекании через сва­ риваемые трубы тока.

Для примера определим режим сварки труб диаметром 325 мм с толщиной стенки 9 мм на установке ПЛТ-321 со сварочной маши­ ной К-584М, к о т о р а я имеет вторичное н а п р я ж е н и е U 2 = 7 В.

По номограмме для площади поперечного сечения трубы 325x9 мм, р а в н о й 89,3 см 2, определим с р е д н ю ю скорость оплавления. Для этого сносим отметку на шкале площади, равную 89,3 см 2, на шка­ лу v, мм/с и получаем 0,224 мм/с. Время оплавления, определенное по той же номограмме, равно 130 с. Тогда припуск на оплавление v, мм/с 0, 0, 0, 0, 0* Рис. 3.31. Номограмма для определения скорости, времени оплавления и величины осадки будет равен / опл = vt0UA = 0,22x130 = 29 мм. За 10 с до конца оплав­ ления, т. е. через 120 с после его начала, скорость оплавления по­ вышают до 1 мм/с. За этот период/ о п л = 1x10 = 10 мм.

По номограмме определим необходимый припуск на осадку.

Для этого отметку на шкале времени оплавления tc = 130 с сносим на шкалу /ос и получаем 7,5 мм. Часть этой осадки в течение 0,1 с должна проходить без выключения трансформатора.

Стыковую контактную сварку оплавлением широко использо­ вали при строительстве магистральных трубопроводоя в 1980-е годы. Рассмотрим применявшуюся организацию сварочно-монтажных работ и технологию процесса сварки.

Технология стыковой контактной сварки оплавлением трубо­ проводов независимо от того, применялась ли она на трубосвароч­ ных базах или использовалась при сварке в непрерывную нитку трубопровода, предусматривала следующие основные операции:

подготовку труб к сварке; зачистку поверхностей труб под контак­ тные башмаки сварочной машины; центровку труб в сварочной машине; сварку труб, выполняемую автоматически по заданной программе; удаление внутреннего и наружного грата.

Трубосварочную базу, независимо от диаметра свариваемых труб (рис. 3.32), оснащали следующими агрегатами: приемным стеллажом, где трубы, подлежащие сварке, проверяют на соответ­ ствие ГОСТам и ТУ, очищают от грязи, снега, посторонних пред­ метов; зачистной линией для зачистки поверхностей труб под кон­ тактные башмаки сварочной машины; рольгангом для перемеще­ ния труб к сварочной машине и сваренных трубных секций в на­ копитель; сварочной машиной для центровки и сварки труб;

внутренним и наружным гратоснимателями; электростанцией для питания сварочного трансформатора и вспомогательного электро­ оборудования. При наличии электрической подстанции необходи­ мой мощности питание трубосварочных баз можно осуществлять от промышленной сети переменного тока напряжением 380 В.

Трубосварочную базу обслуживает трубоукладчик, который разгружает трубовозы и подает трубы на приемный стеллаж, на­ гружает сваренные секции на плетевозы для вывозки на трассу.

Базу располагают на площадке, которую при необходимости пла­ нируют бульдозером.

Рольганг размещают так, чтобы трубовозы и плетевозы делали минимальное число разворотов.

При сварке труб диаметром до 530 мм базу обслуживает бри­ гада в составе специалистов следующих разрядов: сварщик-опера­ тор — б, машинист электростанции — 6, два оператора зачистных машин — 4, машинист трубоукладчика — 6. Кроме того, при свар­ ке труб диаметром более 530 мм в бригаду вводят помощника опе­ ратора 5-го разряда и слесаря-трубоукладчика 3-го разряда.

Работа трубосварочной базы осуществляется следующим об­ разом. От р а с п о л о ж е н н ы х при п р и е м н о м стеллаже 1 труб (см.

рис. 3.32, позиция /) первой парой пневмоостановов 8, которыми управляет оператор по зачистке, отсекают по одной трубе, и она по наклонному стеллажу скатывается на позицию II, где зачистными машинками 2 зачищают ее перед сваркой. Вторая пара пневмо­ остановов 9 удерживает трубу от скатывания при зачистке и пере­ дает зачищенные трубы на позицию III, где они удерживаются отсекателями 10.

Первую трубу 11 отсекателями перемещают на рольганг 3, ко­ т о р ы й подает ее в с в а р о ч н у ю м а ш и н у 5 (позиция IV). Затем на рольганг поступает труба 12 и передвигается им до соприкосновеРис. 3.32. Механизированная трубосварочная база для контактной стыковой сварки оплавлением:

1 — приемный стеллаж; 2 — зачистные машинки; 3 — рольганг; 4 — сбра­ сыватели; 5 — сварочная машина; 6 — внутренний гратосниматель;

7 — стеллаж готовой продукции; 8,9 — пневмоостановы; 10 — отсекатели; 11, 12, 13 — свариваемые трубы; /— V — позиции труб ния с трубой 11.В сварочной машине 5 трубы центрируют, а затем сваривают и удаляют наружный грат. По окончании сварки в зону стыка автоматически подается внутренний гратосниматель 6, ко­ торый в горячем состоянии удаляет внутренний грат, после чего сваренная двухтрубная секция перемещается по рольгангу вправо до тех пор, пока ее левый конец не займет положение справа от приемного стеллажа и таким образом освободит место на рольган­ ге для трубы 13. Процесс повторяется, и секция становится трех­ трубной. Сваренная трехтрубная секция выводится рольгангом из сварочной машины, перемещается влево до тех пор, пока ее левый конец не совпадет с левой стороной стеллажа 7 готовых секций и сбрасывателями 4 подается с рольганга на этот стеллаж (позиция V).

Снятие наружного грата на трубах диаметром до 530 мм осу­ ществляется автоматически гратоснимателем, расположенным в сварочной машине, через несколько секунд после окончания процесса сварки. На трубах диаметром более 530 мм снятие наружного грата осуществляется специальными гратоснимателями на готовых трехтрубных секциях на стеллаже готовых секций.

Сваренные секции вывозят на трассу, раскладывают вдоль тран­ шеи и затем сваривают в непрерывную нитку трубопровода пере­ движными установками. Передвижные установки для стыковой контактной сварки можно использовать и для сварки отдельных труб в непрерывную нитку трубопровода. Бригада, обслуживаю­ щая передвижные установки при сварке труб диаметром до 530 мм, состоит из сварщика-оператора 6-го разряда, помощника оператора 5-го разряда (он же управляет внутренним гратоснима­ телем), оператора зачистнои машины 5-го разряда, машиниста электростанции 6-го разряда, трех машинистов трубоукладчиков 6-го разряда, двух слесарей-трубоукладчиков 3-го разряда. При сварке труб диаметром более 530 мм бригаду дополняют еще од­ ним машинистом трубоукладчика 6-го разряда, операторами агре­ гатов зачистки концов труб и снятия наружного грата 5-го разря­ да, электриком 6-го разряда, машинистами бульдозера и тракторатягача 5-го разряда.

Передвижные установки для сварки труб диаметром до 530 мм состоят из подвесного рольганга, закрепленного на крюке грузо­ вой стрелы трубоукладчика. На рольганге последовательно уста­ новлены направляющий ролик, зачистная машина, сварочная ма­ шина, еще один направляющий и прижимной ролик. Внутренний гратосниматель является автономным агрегатом и находится в свариваемом трубопроводе. Установленные на подвесном роль­ ганге зачистная и сварочная машины имеют индивидуальный привод перемещения вдоль оси трубы ддя точной установки их на стык.

Привариваемую трубу или секцию подают трубоукладчиком и укладывают на подвесной рольганг таким образом, чтобы торец трубы находился в зоне зачистной машины. При необходимости с помощью индивидуального привода производят точную установ­ ку зачистной машины на стык и его зачистку. Затем трубу с помо­ щью трубоукладчика подают в сварочную машину, центрируют, осуществляют сварку и снятие наружного грата. Сразу после окончания сварки помощник оператора включает двигатель внут­ реннего гратоснимателя и снимает внутренний грат [24].