автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Исследование особенностей и разработка технологии автоматической орбитальной сварки неплавящимся электродом трубопроводов малых диаметров из низкоуглеродистых низколегированных сталей

На правах рукописи

УДК 621.791:621.643.411

ШИПИЛОВ Александр Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ ТРУБОПРОВОДОВ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

2 8 МАР 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013 г.

005051061

005051061

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете

им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель: ПОЛОСКОВ Сергей Иосифович,

доктор технических наук

Официальные оппоненты: СТЕКЛОВ Олег Иванович,

доктор технических наук, профессор, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

БРОДЯГИН Владимир Николаевич,

кандидат технических наук, ГУП «МОСГАЗ», главный сварщик

Ведущая организация: Научно-исследовательский и проектный институт по строительству и эксплуатации объектов топливно-энергетического комплекса (НИПИСтройТЭК), г.Москва

- " - I / 3°

Защита диссертации состоится «¿--Ь» _2013 г. в ( Ч часов

на заседании диссертационного совета Д '212.141.01 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим присылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана Телефон для справок: (499) 267-09-63

Автореферат разослан « /і »с2013 г.

/

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.141.01, доктор технических наук, доцент

А.В. Коновалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Компрессорным станциям (КС), как важной составной части инфраструктуры магистральных газопроводов уделяется исключительное внимание. Эффективность работы КС обеспечивают не только технологические трубопроводы большого диаметра (до 1420 мм), предназначенные для транспортировки газа, но и обеспечивающие эту операцию многочисленные трубопроводы малых диаметров (от 12 до 219 мм) и толщиной стенки от 2 до 15 мм. Основной материал труб - низкоуглеродистые низколегированные стали, из которых изготавливают до 85 % трубопроводов.

Проведенный анализ причин возникновения брака по сварке показал, что обеспечение стабильно высокого качества сварных соединений во многом определяются субъективным влиянием сварщика: его квалификацией, мотивацией, психофизическим состоянием. Вопросы автоматизации сварки трубопроводов большого диаметра плавящимся электродом успешно решены, однако сварка технологических трубопроводов малых диаметров до настоящего времени выполняется с широким использованием ручной дуговой сваркой. При этом наряду с браком по сварке, высока вероятность попадания брызг металла, шлака и частиц окалины во внутренние полости трубопроводов, что приводит к авариям, либо снижению срока службы технологического оборудования. Из-за перечисленных причин брак по сварке доходит до 8-10%.

Замена ручной сварки на автоматическую плавящимся электродом затруднена из-за высокой плотности трубопроводов и значительных размеров автоматов. В этой связи для трубопроводов малых диаметров перспективна автоматическая орбитальная сварка неплавящимся электродом в инертных газах. Однако высокое разбрызгивание и нестабильность формирования швов при сварке трубопроводов из углеродистых, низкоуглеродистых низколегированных сталей остается главным препятствием использования сварки неплавящимся электродом. Поэтому разработка технологий и оборудования для автоматической орбитальной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом, промышленное применение которых исключает вероятность возникновения подобных явлений является актуальной задачей.

Цель работы - обеспечение стабильно высокого качества сварных соединений трубопроводов малых диаметров из низкоуглеродистых низколегированных конструкционных сталей на компрессорных станциях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ методов обеспечения стабильно высокого качества сварных соединений при строительстве и ремонте трубопроводов КС.

2. Выполнить теоретический анализ процессов в сварочной ванне при сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей и разработать методы исключения их «кипения» при сварке неплавящимся электродом.

3. Разработать нестационарную физико-математическая модель формирования шва при орбитальной сварке неплавящимся электродом с присадочной проволокой, основанную на системе дифференциальных

уравнений теплопроводности и равновесия поверхности расплава, граничные условия которых учитывают разделку кромок стыка и пространственное положение сварочной ванны.

4. Выполнить компьютерный инженерный анализ влияния параметров сварки на показатели формирования шва и определить их оптимальные соотношения для обоснования технических требований к сварочным технологиям и оборудованию, обеспечивающим стабильно высокое качество сварных соединений.

5. Разработать и внедрить технологии автоматической орбитальной сварки неплавящимся электродом трубопроводов малых диаметров из углеродистых, низкоуглеродистых низколегированных сталей и оборудование для их реализации при выполнении сварочных работ на КС.

Методы исследований. Теоретический анализ металлургических процессов при сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей выполнен на основе количественного анализа влияния концентрации примесей на свойства расплава. При анализе условий формирования швов и оптимизации режимов сварки использовались методы компьютерного моделирования. Достоверность результатов моделирования проверялась по опытным данным с использованием статистических критериев. Качество соединений оценивали на основании металлографических исследований.

Научная новизна

1. Установлено, что «кипение» и нестабильное формирование швов при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом трубопроводов из низкоуглеродистых низколегированных сталей обусловлено недостаточной раскисленностью основного металла, которая устраняется подачей присадочной проволоки, содержащей раскисляющие элементы, в количестве не менее 30% объема сварочной ванны.

2. Определено, что качественное формирование корня шва достигается при шаго-импульсной сварке, при которой шаг перемещения, амплитуда и длительность импульса тока обеспечивают периодическое плавление и полную кристаллизацию проплава корня шва, а на заполняющих проходах -колебаниями электрода в разделке по трапецеидальной траектории с периодом колебаний, обратно пропорциональным скорости сварки с коэффициентом пропорциональности не более 7...8, и задержками дуги у кромок на 0,25...0,30 с, при размахе колебаний до 0,70.. .0,75 ширины разделки.

3. Показано, что изменение геометрических размеров сварных швов из-за изменения пространственного положения сварочной ванны устраняется программированием тепловложения по синусоидальному закону, с увеличением его на 9... 11% от номинального значения в положении 2,5...3,0 ч и уменьшением на 5...6% в положении 8,5...9,0 ч, при условии начала процесса сварки в положении 7,0-8,0 ч по циферблату часов.

Практическая значимость работы. На основе полученных результатов разработаны технологии и оборудование автоматической орбитальной сварки трубопроводов малых диаметров их низкоуглеродистых низколегированных сталей, внедренные при строительстве и ремонте КС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на I Международной научно-практической конференции «Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к устойчивому развитию» (Улан-Удэ, 2009); V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2010); I Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологий» (Липецк, 2010); X Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб., 2010); I Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2011); IV Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS-2011)» (Москва, 2011); семинаре кафедры «Сварочные технологии и диагностика» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и 3 приложений. Диссертация написана на 185 стр., и содержит 93 рисунка, 24 таблицы. Список литературы состоит из 123 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, сформулированы научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 показано, что к моменту постановки цели работы фундаментальные исследования по повышению качества сварных соединений осуществлены Н.П. Алешиным, Б.Е. Патоном, JI.M. Лобановым и др. Значимый вклад в исследование особенностей процессов сварки трубопроводов и разработку необходимого оборудования внесен такими учеными, как А.И. Акулов, Г.Г. Чернышов, Ю.С. Ищенко, В.А. Букаров, В.И. Гриненко, В.В. Рощин, В.А. Хаванов, Б.Л. Гецкин, А.К. Гранкин, Е. Stava, D. Yapp, M.D. Ngo и др. Автоматизацией самих сварочных процессов занимались Э.А. Гладков, А.Е. Коротынский, Н.М. Махлин, N. Murugan, Т. Era, D. В. Zhao, Н. Watanabe, К. Hon и др. Накоплен опыт по разработке методик анализа и моделей процессов сварки плавлением (В.А. Судник, Э.Л. Макаров, В.А. Ерофеев, В.И. Махненко, A.B. Коновалов, A.C. Куркин, F. Miyasaka, Т. Ohji, S.-J. Na и др.).

Однако в последние годы большое значение стали приобретать вопросы обеспечения надежности функционирования оборудования КС и герметичности технологических трубопроводов малых диаметров, которым по целому ряду причин ранее не уделялось достаточного внимания. Обзор теоретических и экспериментальных исследований показал, что нестабильное формирование шва при орбитальной сварке технологических трубопроводов КС могут иметь различные причины, в том числе нестабильное распределение значений тепло физических характеристик вдоль стыка, значения которых для

раскисления ванны показал, что ее количество в расплавленном металле, для полного исключения кипения ванны, должно быть не менее 30 % от ее объема.

Рис. 2. Граничные концентрации кремния и марганца при сварке трубных сталей

Определено, что для лучшего перемешивания и более полного раскисления расплавленного металла целесообразно использовать импульсные технологии сварки с динамическим воздействием дуги на сварочную ванну. При заполнении разделки рекомендовано использовать колебания электрода.

Известно, что на качество формирования швов существенно влияет поверхностное натяжение расплава. Для оценки влияния содержания кислорода на поверхностное натяжение расплава использовали методику С.И. Попеля, который предложил оценивать силы поверхностного натяжения как:

а = аРе- гООО-^ЭД-*,-

При проведении расчетов был взят химический состав стали Ст Зкп, так как данная сталь широко применяется в трубопроводах КС.

Результаты расчетов приведены в табл.1.

Таблица 1.

Расчет поверхностного натяжения стали марки Ст Зкп_

Расчетный параметр Элемент

С Мп 81 5 О Л;

весовое содержание компонента 0,18 0,52 ОД 0,05 0,003-0,06 99,0

атомный вес компонента А, 12 28 55 32 16 56

молярная доля компонента щ = / Д. 0,015 0,0095 0,007 0,0016 0,00018-0,0038 1,736

сумма молярных долей ^ л, 1,846

атомная доля компонента х, 0,0081 0,0051 0,004 0,0009 0,0001-0.00203 0,949

капиллярная активность ^ х, • 0,0162 0,0475 0,0088 0,43 0,1-2,03 0,949

капиллярная активность расплава • ■Зсш» 1,6-3,7

Установлено, что в зависимости от содержания кислорода в стали Ст 3 кп поверхностное натяжение о при температуре 1600 °С может изменяться более чем в два раза и составлять <т = 1850-2000-^(1,6К 3,7) = 1440К 710мДж/м2. Проведенный расчёт показал, что поверхностное натяжение кипящих марок стали колеблется в очень широком диапазоне, что может быть причиной нестабильности формирования шва, особенно при орбитальной сварке, при которой поверхностное натяжение является одной из главных сил, участвующих в формировании сварочной ванны. Поэтому подобная нестабильность должна учитываться при сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей.

В главе 3 разработана теоретическая модель нестационарной орбитальной импульсной дуговой сварки с поперечными колебаниями неплавящегося электрода стыков с разделкой кромок, с учетом сборочных зазоров и смещений кромок. Основой модели является система дифференциальных уравнений теплопроводности и равновесия поверхности г(х,у) сварочной ванны, которые в декартовой системе координат имеют вид

Эг Эх\ ЭхJ ду ^ ду J 3zV &

-

где Я - объемная энтальпия; Т - температура X - коэффициент теплопроводности, а - поверхностное натяжение, kt - электродинамическая постоянная; I, R - ток и радиус дуги, р - плотность расплавленного металла; g -ускорение свободного падения; Zmax - максимальная высота поверхности ванны, р, - внутреннее давление, определяемое из условия сохранения баланса масс при подаче присадочной проволоки и заполнении разделки кромок.

Особенностью модели является учёт в ней нестационарных эффектов формирования шва при сварке периодическими импульсами тока дуги и поперечными колебаниями горелки, которые вызывают сильное изменение формы сварочной ванны и шва. В уравнениях и их граничных условиях учтено изменение мощности и траектории перемещения дуги, что изменяет распределение теплового потока:

где P(t) - мощность теплового потока, периодически изменяющаяся во времени f, хо, Уо - координаты центра источника, изменяющиеся во времени t, х0 = VJ, vw - скорость сварки.

Система уравнений модели решалась численно методом конечных разностей, что позволило виртуально воспроизвести формирование сварочной ванны и шва в различных пространственных положениях орбитальной сварки вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки. Модель позволяет воспроизводить влияние нестабильных значений множества

технологических факторов сварки на формирование сварочной ванны и профиль поперечного сечения шва при перемещении сварочной горелки по орбитальному стыку.

На рис. 3 показан результат моделирования формирования сварочной ванны при импульсной сварке.

1, мм +0.5

о

-0.5

-1

Тщах | °С 2400 Ь

Ї

16001

г"—-..

Г* _

г~ 1 г

{ 1—1 У—1

Тшах -

1

п г-г Н ~

Рис. 3. Изменение мощности дуги Р, глубины кратера '¿к, Р, Вт выпуклости расплава Zт и 2000 максимальной температуры Ттах сварочной ванны при о импульсной сварке

і, с

На рис. 4 показан результат моделирования формирования облицовочного слоя при сварке с колебаниями сварочной горелки.

Рис. 4. Формирование облицовочного слоя при сварке с поперечными колебаниями горелки: а - разделка кромок; б - вид на стык сверху на начальной стадии сварки; в, г - поперечное и продольное сечение шва по плоскости симметрии стыка (7 - исходный металл; 2 - зона периодического оплавления, 3 -зона поступления основного металла в сварочную ванну 4)

Достоверность воспроизведения влияния различных факторов на

формирование шва была проверена путём выполнения тестовых сварок и сопоставления их с результатами моделирования, рис.5.

Рис. 5. Сравнение результатов тестовой сварки и моделирования формирования корневого прохода

Анализ результатов проверки, выполненный с учётом точности данных о теплофизических свойствах стали и точности измерения, показал, что разработанная модель адекватно воспроизводит формирование шва.

В главе 4 изложены результаты исследования особенностей формирования корневых и заполняющих проходов при орбитальной сварке стыков труб из низкоуглеродистых низколегированных сталей.

Для обеспечения раскисления металла сварка должна осуществляться с подачей значительного количества присадки. Скорость подачи ограничена условиями плавления проволоки в факеле дуги.

Установлена зависимость между мощностью и диаметром факела дуги с максимально допустимой скоростью подачи проволоки, рис. 6.

Одновременно был выполнен анализ вероятных отклонений размеров шва, обусловленных случайными отклонениями режима и сборки стыка, рис. 7.

25 30 У/о, мм/с

ийов

______^

______

0.2В

0.5 0.Т5 1.0 а. мы

1 Вот

г*

"Вба

0.5 0.75 1.0 СІ, ИМ

Рис. б. Связь мощности Р дуги и максимальной скоростью Vр подачи присадочной прово- Рис. 7. Зависимость размеров шва В от ширины локи разных с1/ диаметров сборочного зазора (1

Выполненные расчеты показывают, что возможная вогнутость корня должна быть в пределах 0,8 - 1,5 мм, а проплав корня шва в зависимости от диаметра свариваемых труб не должен превышать 1,5-2,5 мм. Для уменьшения концентрации напряжений в наружных слоях шва его высота при выполнении облицовочных проходов не должна превышать 0,5-1,5 мм. Приведенные

Обоснованные технические требования к точности позиционирования сварочной горелки, скоростям сварки и подачи присадки были учтены НПП «Технотрон» при проектировании комплекса сварочных автоматов ОКА, в состав которого входят гамма сварочных головок, инверторный источник, микропроцессорная аппаратура управления с дистанционным пультом.

Общий вид гаммы сварочных головок ОКА представлен на рис. 13, а их технические характеристики в табл. 4.

Рис. 13. Гамма сварочных головок ОКА

Таблица 4.

Параметр Индекс сварочной головки

ОКА 12-45 ОКА 40-80 ОКА 70-140 ОКА 120-220

Диаметр свариваемых труб, мм 12-45 40-80 70-140 120-220

Толщина стенок, мм до 6 до 8 до 20 до 28

Максимальный ток сварки, А 120 160 200 200

Максимальная скорость сварки, об/мин 6,2 6,7 6,9 7,6

Диаметр проволоки, мм 0,8 - 1,2

Скорость подачи проволоки, м/ч 8-72

Радиус вращающихся частей, мм 80 100 160 200

Установочная длина, мм > 130 > 140 >210 >220

Масса головки, кг 6,7 8 18 26

В установленном порядке разработанные технологии и оборудование для автоматической орбитальной сварки прошли квалификационные испытания на однотипных контрольных сварных соединениях (КСС). После сварки КСС были подвергнуты визуальному, измерительному и радиографическому контролю. Затем, из КСС изготовлены образцы для проведения механических испытаний на статическое растяжение, статический изгиб, сплющивание, ударный изгиб, измерение твердости, анализ макроструктуры. Образцы прошли механические

Экономический эффект от внедрения разработки составил более 16,4 млн. руб. в год (в ценах 2012 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Новые технологии сварки при строительстве и ремонте газопроводов / A.B. Шипилов [и др.] // Наука и техника в газовой промышленности. - 2006. -№ 2. - С. 27 - 34.

2. Шипилов A.B. Особенности автоматической орбитальной сварки неплавящимся электродом трубопроводов обвязки компрессорных станций // Сварка и диагностика. - 2010. - № 5. - С. 42 - 47.

3. Шипилов A.B., Куркин A.C., Полосков С.И. Влияние формы и размеров сварных соединений на долговечность трубопроводов компрессорных станций // Сварка и диагностика. - 2010. - № 6. - С. 47 - 51.

4. Опыт создания отечественного блочно-модульного оборудования для автоматической орбитальной TIG-сварки с подачей присадочной проволоки / A.B. Шипилов [и др.] // Сварка и диагностика.-2011.-№ 1.-С.36-41.

5. Физико-математическая модель орбитальной сварки неплавящимся электродом в инертных газах: концепция и возможности / A.B. Шипилов [и др.] // Сварка и диагностика. - 2011. - № 2. - С. 3 - 9.

6. Компьютерный анализ качественного формирования швов при орбитальной сварке трубопроводов малых диаметров из конструкционных сталей / A.B. Шипилов [и др.] // Сварка и диагностика.- 2011.- № 5.- С. 17 - 23.

7. Шипилов A.B., Ерофеев В.А., Полосков С.И. Компьютерный анализ технологий многопроходной орбитальной сварки неплавящимся электродом трубопроводов малых диаметров // Сварка и диагностика.-2011.-№ 6.-С. 26-31.

8. Управление структурой сварных соединений при орбитальной TIG-сварке технологических трубопроводов компрессорных станций / A.B. Шипилов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Машиностроение.-2011,-№6.-С. 44-52.

9. Шипилов A.B., Ерофеев В.А., Полосков С.И. Определение оптимальных условий плавления присадочной проволоки при автоматической орбитальной сварке стальных трубопроводов // Сварочное производство. - 2012. - № 3. - С. 12-19.

10. Шипилов A.B., Ерофеев В.А., Полосков С.И. Оценка влияния погрешностей сборки на качество сварных соединений при орбитальной сварке трубопроводов малых диаметров // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2012. - № 3. - С. 14 - 19.

11. Шипилов A.B., Вышемирский Е.М., Полосков С.И. Технические требования к технологиям и оборудованию для сварки трубопроводов малых диаметров на компрессорных станциях // Территория Нефтегаз. - 2012. - № 3. -С. 58-61.

12. Новые технологии и оборудование для автоматической орбитальной сварки технологических трубопроводов малых диаметров / A.B. Шипилов [и др.] // Газовая промышленность. - 2012. - № 11. - С. 60 - 64.

Подписано к печати 12.03.13. Заказ №145 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01