Министерствообразования Российской Федерации
Ростовскийгосударственный строительный университет
Институтпромышленного и гражданского строительства
Кафедрапромышленного транспорта и механического оборудования
ГолушкоМаксим Борисович
Магистерскаядиссертация по направлению
«Строительство»
«АНАЛИЗИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХСТЫКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ»
Научныйруководитель____________________________Мещеряков В.М.
Научныйконсультант_______________________________Резников В.И.
Рецензент____________________________________________
г.Ростов-на-Дону
2002г
Министерствообразования Российской Федерации
Ростовскийгосударственный строительный университет
МАГИСТРАТУРА
Утверждаю____________________
Зав. Кафедрой__________________
1. Индивидуальный планработы студента Голушко М.Б.
2. Институт промышленногои гражданского строительства_________________
3. Кафедра промышленноготранспорта и механического оборудования_______
4. Научный руководитель: МещеряковВ.М.
5. Период обучения вмагистратуре: два года______________________________
6. Наименование профессионально-образовательной программы(специализации): 550100 «Строительство»
7. Тема магистерской диссертации: «Анализ исовершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевыхстыков магистральных трубопроводов».
8. Срок представлениястудентом диссертации _______ июня 2002 г.________
9. Срок сдачигосударственного экзамена по направлению ___25 июня 2002 г.__
10. СодержаниеОПП_______________________________________________
№№
п/п
Наименование дисциплин, практик
Кол-во аудитор-ных часов
Формы аттеста-ции
Планир. срок аттест.
Отметки рук. о выполнении ат. (оценки, даты)
1
2
3
4
5
6
1
Современные проблемы строительной науки, техники и технологии
18
зачет
12.01.02
зачтено 12.01.02
2
История и методология строительной науки
19
зачет
6.06.01
зачтено 6.06.01
3
Компьютерные технологии в строительной науке и образовании
38
зачет
26.05.01
зачтено 26.05.01
4
Методология научного творчества
18
зачет
22.12.00
зачтено 22.12.00
5
Философские вопросы технических наук
19
зачет
7.06.01
зачтено 7.06.01
6
Научные проблемы экономики строительства
18
зачет
28.12.00
зачтено 28.12.00
1
2
3
4
5
6
7
Аналитические и численные методы решения уравнений математической физики
36
зачет
28.12.00
зачтено 28.12.00
8
Менеджмент
54
зачет
29.12.00
зачтено 29.12.00
9
Маркетинг
57
экзамен
16.01.01
отлично 16.01.01
10
Современные методы проектирования и строительства системы и объектов электрохимической защиты магистральных трубопроводов
51
экзамен
12.01.01
отлично 12.01.01
11
Оптимальные методы тех. эксплуатации парка машин и механизмов для строительства магистральных трубопроводов
51
экзамен
27.06.01
отлично 27.06.01
12
Методы оценки прочности магистральных трубопроводов
34
зачет
5.06.01
зачтено 5.06.01
13
Современные информационные технологии в строительстве магистральных трубопроводов
34
зачет
26.12.00
зачтено 26.12.00
14
САПР строительства магистральных трубопроводов
54
зачтено
23.01.02
зачтено 23.01.02
15
Прогрессивные технологии изготовления труб и сварки магистральных трубопроводов
51
экзамен
22.06.01
отлично 22.06.01
Подпись студента_____________________________________
Подпись научногоруководителя___________________________
Оглавление
TOC o h z Оглавление. PAGEREF _Toc12655187 h 4
Введение. PAGEREF _Toc12655188 h 7
1.Элементытеории сварочных процессов. PAGEREF _Toc12655189 h 11
1.1 Сваркакак способ получения монолитных соединений. PAGEREF _Toc12655190 h 11
1.1.1 Понятиесварки. PAGEREF _Toc12655191 h 11
1.1.2Механизм образования монолитного соединения. PAGEREF _Toc12655192 h 11
1.1.3Образование монолитного соединения при сварке плавлением PAGEREF _Toc12655193 h 13
1.1.4Образование монолитного соединения при сварке давлением. PAGEREF _Toc12655194 h 14
1.2Классификация сварочных процессов. PAGEREF _Toc12655195 h 16
1.2.1Признаки классификации. PAGEREF _Toc12655196 h 16
1.2.2Классификация сварочных процессов по физическим признакам PAGEREF _Toc12655197 h 17
1.2.3Классификация методов сварки магистральных трубопроводов PAGEREF _Toc12655198 h 18
1.2.3.1Сущность метода ручной дуговой сварки. PAGEREF _Toc12655199 h 19
1.2.3.2Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса. PAGEREF _Toc12655200 h 20
1.2.3.3Автоматическая дуговая сварка в среде защитных газов. PAGEREF _Toc12655201 h 21
1.2.3.4Автоматическая сварка неповоротных стыков порошковой проволокой с принудительнымформированием шва. PAGEREF _Toc12655202 h 22
1.2.3.5Электроконтактная сварка оплавлением. PAGEREF _Toc12655203 h 23
1.3Физическо-металлургические явления при дуговой сварке плавящимся электродом. PAGEREF _Toc12655204 h 24
1.3.1 Физикасварочной дуги. PAGEREF _Toc12655205 h 24
1.3.1.1Природа, строение и область существования сварочной дуги PAGEREF _Toc12655206 h 24
1.3.1.2Строение сварочной дуги и ее вольтамперная характеристика PAGEREF _Toc12655207 h 25
1.3.1.3Элементарные процессы в плазме дуги. Ионизация и деионизационные процессы вдуге. PAGEREF _Toc12655208 h 27
1.3.1.4Термодинамическая характеристика плазмы. Понятие эффективного потенциалаионизации. PAGEREF _Toc12655209 h 30
1.3.1.5Явления переноса, баланс энергии и температура в столбе дуги PAGEREF _Toc12655210 h 31
1.3.1.6Приэлектродные области дугового разряда. PAGEREF _Toc12655211 h 33
1.3.1.6.1Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии. PAGEREF _Toc12655212 h 33
1.3.1.6.2Физические явления в приэлектродных областях. PAGEREF _Toc12655213 h 34
1.3.1.6.3Краткая характеристика приэлектродных зон. PAGEREF _Toc12655214 h 35
1.3.1.7Элементы магнитогидродинамики сварочной дуги. PAGEREF _Toc12655215 h 37
1.3.1.7.1Электромагнитные силы в дуге. PAGEREF _Toc12655216 h 37
1.3.1.7.2Магнитное дутье. Влияние ферромагнитных масс. PAGEREF _Toc12655217 h 38
1.3.1.7.3Влияние на дугу внешнего магнитного поля. PAGEREF _Toc12655218 h 39
1.3.1.8Перенос металла в сварочной дуге. PAGEREF _Toc12655219 h 41
1.3.1.9Краткая характеристика сварочных дуг с плавящимся электродом PAGEREF _Toc12655220 h 43
1.3.2Металлургические процессы при сварке. PAGEREF _Toc12655221 h 44
1.3.2.1Процессы окисления металла шва. PAGEREF _Toc12655222 h 44
1.3.2.2Раскисление металла сварочной ванны… PAGEREF _Toc12655223 h 46
1.3.2.3Защита металла сварочной ванны от воздействия атмосферы PAGEREF _Toc12655224 h 47
1.3.2.4Покрытие электродов, его компоненты и их функции. PAGEREF _Toc12655225 h 48
1.3.2.5Металлургические процессы при РДС покрытыми электродами PAGEREF _Toc12655226 h 49
1.3.2.6Особенности металлургических процессов при сварке электродами с покрытиемосновного и целлюлозного вида. PAGEREF _Toc12655227 h 50
1.3.2.7Способы легирования металла шва. PAGEREF _Toc12655228 h 51
1.3.2.8Вредные примеси при сварке и их влияние на качество металла шва PAGEREF _Toc12655229 h 52
1.3.3Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке PAGEREF _Toc12655230 h 54
1.3.3.1Термодеформационные процессы при сварке. PAGEREF _Toc12655231 h 55
1.3.3.1.1Понятие о сварочных деформациях и напряжениях. PAGEREF _Toc12655232 h 55
1.3.3.1.2Методы определения остаточных деформаций и напряжений PAGEREF _Toc12655233 h 58
1.3.3.1.3Типичные поля остаточных напряжений при сварке многослойных швов. PAGEREF _Toc12655234 h 59
1.3.3.2 Образованиесварных соединений и формирование первичной структуры металла шва. PAGEREF _Toc12655235 h 60
1.3.3.2.1Понятие свариваемости. PAGEREF _Toc12655236 h 60
1.3.3.2.2Общие положения теории кристаллизации. PAGEREF _Toc12655237 h 62
1.3.3.2.3Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва. PAGEREF _Toc12655238 h 67
1.3.3.2.4 Химическаянеоднородность сварного соединения и ее виды PAGEREF _Toc12655239 h 68
1.3.3.2.5Характер изменения прочности и пластичности металлов и сплавов в областивысоких температур при сварке. PAGEREF _Toc12655240 h 71
1.3.3.2.6Горячие трещины при сварке. PAGEREF _Toc12655241 h 73
1.3.3.3Превращения в металлах при сварке. PAGEREF _Toc12655242 h 78
1.3.3.3.1Характерные зоны сварных соединений. PAGEREF _Toc12655243 h 78
1.3.3.3.2Виды превращений в металле сварных соединений. PAGEREF _Toc12655244 h 80
1.3.3.3.2.1.Фазовыепревращения. Кинетика диффузионного превращения PAGEREF _Toc12655245 h 80
1.3.3.3.2.2Кинетика мартенситного превращения. PAGEREF _Toc12655246 h 83
1.3.3.3.3Фазовые и структурные превращения при сварке сталей. Превращения в основномметалле при нагреве. PAGEREF _Toc12655247 h 84
1.3.3.3.4Превращения в шве и основном металле при охлаждении PAGEREF _Toc12655248 h 88
1.3.3.3.5Способы регулирования структуры сварных соединений PAGEREF _Toc12655249 h 92
1.3.3.3.6Холодные трещины при сварке. PAGEREF _Toc12655250 h 93
2Особенности технологии ручной дуговой сварки неповоротных стыков PAGEREF _Toc12655251 h 97
2.1 Сварочныеэлектроды… PAGEREF _Toc12655252 h 97
2.1.1Классификация сварочных электродов. PAGEREF _Toc12655253 h 97
2.1.2Условное обозначение сварочных электродов. PAGEREF _Toc12655254 h 99
2.1.3 Краткаяхарактеристика материалов покрытия и стержня электродов PAGEREF _Toc12655255 h 100
2.2 Сварныесоединения и швы… PAGEREF _Toc12655256 h 103
2.2.1 Сварныесоединения и швы. Виды швов и их геометрические характеристики. PAGEREF _Toc12655257 h 103
2.2.2Конструкция шва. Назначение и технология сварки отдельных его слоев PAGEREF _Toc12655258 h 105
2.3 Этапыразработки технологии РДС… PAGEREF_Toc12655259 h 109
2.3.1Подготовка кромок труб. PAGEREF _Toc12655260 h 109
2.3.2 Выборэлектродов. PAGEREF _Toc12655261 h 110
2.3.3Сварочный ток. PAGEREF _Toc12655262 h 112
2.3.4 Выборконструкции шва. PAGEREF _Toc12655263 h 114
2.3.5Определение скорости сварки. PAGEREF _Toc12655264 h 116
2.4Подготовительные операции. PAGEREF_Toc12655265 h 117
2.4.1 Очисткаполости, осмотр, ремонт и зачистка кромок труб. PAGEREF _Toc12655266 h 117
2.4.2 Сборкастыка. PAGEREF _Toc12655267 h 118
2.4.3Предварительный подогрев. PAGEREF_Toc12655268 h 121
2.5 Схемы иметоды производства сварочно-монтажных работ. PAGEREF _Toc12655269 h 124
2.6Особенности технологии сварки трубопроводов из различных видов стали PAGEREF _Toc12655270 h 127
2.6.1 Сваркатрубопроводов из сталей повышенной и высокой прочности PAGEREF _Toc12655271 h 127
2.6.2 Сваркатермически уплотненных сталей. PAGEREF _Toc12655272 h 128
3Патентные изыскания. PAGEREF _Toc12655273 h 130
Заключение. PAGEREF _Toc12655274 h 132
Списоклитературы… PAGEREF _Toc12655275 h 136
Приложения. PAGEREF _Toc12655276 h 139Введение
На сегодняшний день нефть и газ являются важнейшим товаромРоссии на мировом рынке. Доходы от их продажи составляют весьма значительнуючасть (до 30% – по заявлениям премьер-министра России, хотя на самом деле этацифра очевидно больше) бюджета государства. Кроме того, они являются важнейшимсырьем для многих отраслей экономики самой России, в том числе, топливно-энергетическогокомплекса. Поэтому главнейшими для нефтегазовой отрасли и всей страны в целомявляются вопросы эффективной добычи и транспортировки полезных ископаемых кпотребителю (или покупателю).
Географически районы добычи и потребления нефти и газаразделены значительными расстояниями, поскольку основные запасы полезныхископаемых сосредоточены на Севере и на Востоке, а главными их потребителямиявляются центральные и западные регионы. В связи с этим, одной из наиболеесущественных является проблема транспортировки нефти и газа. Безусловнымлидером среди различных способов доставки является трубопроводный транспорт.
Применение его для передачи нефти и газа на большиерасстояния было предложено еще во второй половине XIX века – в самом начале эрыпромышленного использования этих полезных ископаемых. Первые трубопроводыпредназначались для транспортировки продукта от промысла к пункту сбора (т.е.были промысловыми). К 1890 году в районе Баку эксплуатировалось около 40подобных трубопроводов общей протяженностью 300 км. Первый магистральныйтрубопровод (т.е. трубопровод, предназначенный для передачи продукта от местадобычи к месту потребления) был построен в 1896-1906 гг. Это былкеросинопровод Баку-Батуми длиной 883 км, диаметром 203 мм ссоединением труб на винтовых муфтах.
С того времени иматериалы, и способы изготовления трубопроводов значительно эволюционировали.Изменилось и значение их для экономики страны. В настоящее время трубопроводныйтранспорт – основной способ доставки нефти и газа из мест добычи к местампотребления. Обусловлено это целым рядом его преимуществ перед другими видамитранспорта:
1) высокая экономическая эффективность применениятрубопроводов. При больших объемах транспортируемого продукта (а именно этимотличаются современные нефте- и газодобывающая отрасль) затраты на перекачкуединицы объема этого продукта по трубопроводу (удельные затраты) значительноменьше затрат на пересылку той же единицы объема автомобильным илижелезнодорожным транспортом.
2) высокая производительность. Трубопровод способен доставитьгораздо большее количество продукта чем любой другой вид транспорта за то жевремя.
3) минимум потерь продукта при транспортировке.
4) быстрота сооружения трубопроводов. При одинаковых затратахвремя на строительство ветки трубопровода значительно меньше времени,необходимого для строительства авто-, а тем более, железной дороги.
5) земли, необходимые для строительства, после окончания этогостроительства могут снова использоваться.
И это неполный список всех преимуществ трубопроводовтранспорта перед остальными видами транспорта. Совокупность этих достоинств иобеспечили лидирующие позиции трубопроводного транспорта в вопросе передачинефти и газа на большие расстояния. В этих условиях целесообразно рассмотрениепроблемы качества сооружения магистральных трубопроводов как фактора, во многомопределяющего последующую надежность их функционирования, от которой взначительной степени зависит благосостояние страны в целом
Проблема качества сооружения магистральных трубопроводовавтоматически распадается на более мелкие, поскольку качество сооружения всеготрубопровода в целом зависит от качества отдельных видов работ, выполняемых пристроительстве: подготовительных, земляных, сварочно-монтажных,изоляционно-укладочных, испытаний. Важнейшим процессом, значительным образомвлияющим на эксплуатационные характеристики будущего сооружения, являютсясварочно-монтажные работы. Сварка на сегодняшний день является единственнымспособом соединения отдельных труб в секции (укрупнительная сварка поворотныхстыков) и в непрерывную нитку (сварка неповоротных стыков). Самымраспространенным в трубопроводном строительстве России по сравнению с другимиметодами сварки неповоротных стыков все еще остается ручная (электро)дуговаясварка (РДС) толстопокрытым электродом. Обусловлено такое положение делнесколькими причинами. Во-первых, это достоинства РДС:
1) универсальность метода. РДС подходит для сварки всех видовсоединений магистральных трубопроводов (МТ). Более того, некоторые видысварочных работ, согласно действующим нормам, требуют только ручной дуговойсварки (так называемые специальные сварочные работы).
2) отсутствие необходимости применения сложнойвысокотехнологичной техники и высококвалифицированного персонала для ееобслуживания, что необходимо для большинства методов автоматической сварки.
3) дешевизна метода (это особенно характерно для России, гдеотношение затрат на рабочую силу к общим затратам на строительство на порядокниже того же показателя в развитых странах).
Во-вторых, следует упомянуть условия и события характерныедля нашей страны с конца восьмидесятых годов и до наших дней:
1) развал СССР и экономический кризис, приведшие в упадок всюстроительную индустрию, в том числе, и строительство магистральныхтрубопроводов. Одним из результатов этих процессов стало ухудшениематериально-технической базы строительства. В качестве примера можно привестиситуацию с установками для автоматической электроконтактной сварки оплавлениемнеповоротных стыков труб больших диаметров «Север». Эти установки успешноприменялись в строительстве, так как обеспечивали высокое качество сварки,большую производительность и полную автоматизацию сварочных работ. В настоящеевремя все они находятся в состоянии, непригодном для эксплуатации, а ихвосстановление или строительство новых экономически неоправданно.
2) временное отсутствие необходимости применения методовсварки, обеспечивающих большую производительность. Связано это, опять-таки, сэкономическим положением в стране. Потребность в бόльших размерахстроительства существует, но пока на реализацию этих планов средств нет. Ручнаядуговая сварка вполне способна обеспечить выполнение тех небольших объемовработ, заказы на которые возникают в настоящее время. Соответсвенно нет смыслав неоправданном использовании дорогостоящих автоматических методов, неспособномокупить себя.
3) общее техническое и технологическое отставание России отразвитых стран, в которых применение автоматических методов сварки обусловленокак высоким уровнем культуры строительства (чего эти методы требуют), так игораздо лучшей материально-технической обеспеченностью процесса строительства.
Таким образом, в условиях строительства магистральныхтрубопроводов, характерных для сегодняшнего положения экономики России, ручнаядуговая сварка несмотря на кажущийся архаизм, является оптимальным выбором. Вотличие от других, автоматических методов сварки неповоротных стыков, она нетребует столь значительных капитальных вложений. Технология РДС являетсясравнительно простой и хорошо освоенной и позволяет получать сварныесоединения, вполне удовлетворяющие тем жестким требованиям, которыепредъявляются к стыкам магистральных трубопроводов.
Все вышеперечисленные факторы обуславливают столь широкоеприменение ручной дуговой сварки при сооружении магистральных трубопроводов,даже учитывая то обстоятельство, что метод не является прогрессивным. Невызывает сомнения тот факт, что с развитием экономики России в строительствемагистральных трубопроводов широкое распространение получат автоматические методысварки. Но это вопрос не столь отдаленного, но все же будущего. А в настоящеевремя ручная дуговая сварка остается наиболее используемым методом сваркинеповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов. Значит, существуетобъективная необходимость максимального усовершенствования технологии, котораясегодня все еще удовлетворяет основному требованию экономики строительства –построить в кратчайшие сроки с необходимым качеством за минимальную цену.
В этой работе сделана попытка проанализировать физическиеосновы и технологию ручной дуговой сварки, систематизировать рассредоточенныепо различным источникам данные о схемах и принципах организации производстваработ при использовании этого метода, сравнить теоретический материал спрактическим, полученным за время работы на строительстве (производственнойпрактики) трех различных трубопроводоводных систем, а также постараться датьрекомендации по возможному усовершенствованию технологии, выводы оцелесообразности и перспективах дальнейшего применения ручной дуговой сваркипри сооружении объектов магистрального транспорта нефти и газа.1.Элементы теории сварочных процессов1.1 Сварка как способ получения монолитныхсоединений1.1.1 Понятие сварки
В технике широко используют различные виды разъемных и неразъемныхсоединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолитными(сплошными) и немонолитными (например, заклепочные). Монолитные соединенияполучают сваркой, пайкой или склеиванием. Сварку и пайку в настоящее времяиспользуют для соединения между собой металлов и неметаллов. Монолитностьсварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярныхсвязей между элементарными частицами соединяемых веществ.
Сваркой называется технологический процесс получениянеразъемного монолитного соединения материалов путем введения итермодинамически необратимого преобразования вещества и энергии в местесоединения. Сварным соединением называется сварной шов и прилегающие к немуучастки основного металла, подвергшиеся тепловому воздействию сварочноготермического цикла. Сварным швом называют участок сварного соединения,образовавшийся в процессе кристаллизации расплавленного металла сварочнойванны.1.1.2 Механизм образования монолитного соединения
Рис. SEQ Рис._ * ARABIC 1 Δ (рис. 1)исчезнет и произойдет сварка. Такой процесс кажется вероятным и не противоречитвторому началу термодинамики, так как свободная энергия системы при этом должнауменьшиться на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.
В действительности даже в идеальном случае для соединенияповерхностей требуются затраты энергии. Дело в том, что любому устойчивомусостоянию системы соответствует определенный минимум энергии атома. Каждый атомнаходится как бы в потенциальной лунке и переход из одного устойчивого состояния в другое возможентолько путем преодоления энергетического барьера (рис. 2).
Рис. SEQ Рис._ * ARABIC 2 wп. Если для перемещения внутри тела атому необходимаэнергия w0(см. рис. 2), то для выхода в окружающую среду wп, причем wп > w0. Поэтому для соединениядвух монокристаллов в один требуется деформационная или тепловая, энергияизвне, превышающая граничную энергию wг.
Внешняя энергия деформации будет затрачиваться напреодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностнымиатомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию врешетке кристаллов, возникают квантовые процессы взаимодействия электронныхоболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня,соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится выигрышэнергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до ихсоединения — энергии активации. Тепловая энергия, сообщенная поверхностныматомам при повышении температуры, уве-личивает вероятность развития квантовыхпроцессов электронного взаимодействия в соединении
Сварку можно отнести к классу так называемых топохимическихреакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочныхсвязей между атомами соединяемых веществ (рис. 3). Двухстадийность характернатолько для микроучастков соединяемых поверхностей. На первой стад