автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Металлургические и технологические основы сварки оболочковых конструкций с противокоррозионными покрытиями

/ -.7". ; Ыс1?- Ь</£//ог

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ

И. М. ГУБКИНА АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ИНСТИТУТ ПО МОНТАЖНЫМ И СПЕЦИАЛЬНЫМ СТРОИТЕЛЬНЫМ РАБОТАМ "ВНИИМОНТАЖСПЕЦСТРОЙ"

На правах рукописи

ШАТОВ Александр Павлович

УДК 621.791:669: 621.793.019

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ОБОЛОЧКОВЫХ КОНСТРУЦИЙ С ПРОТИВОКОРРОЗИОННЫМИ

ПОКРЫТИЯМИ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного

производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.

М

■Москва- 1997г. ..

.4 !

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................7

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СВАРКИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРОТИВОКОРРОЗИОННЫМ ПОКРЫТИЯМ........И

1.1. Механизм коррозии сварных соединений, клас-

сификация природных и технологических сред...................11

1.2. Анализ состояния вопроса сварки стальных

конструкций по лакокрасочным покрытиям........................23

1.3. Аналитический обзор состояния проблемы сварки

конструкций по металлическим защитным покрытиям.......38

1.4. Сварка трубопроводов с внутренним силикатным

стеклянным покрытием.......................................................50

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................67

ГЛАВА II.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ЛАКОКРАСОЧНЫМ ПОКРЫТИЯМ........................72

2.1. Исследование физических условий существования

дугового разряда при сварке плавящимся электродом в углекислом газе.................................................................77

а) Исследование средней температуры столба дуги.............82

б) Анализ приэлектродных падений напряжения.................87

в) Изучение влияния лакокрасочных покрытий на характер изменения динамических и статических характеристик сварочной дуги..........................................94

г) Исследование остаточных явлений в дуговом промежутке после выключения тока и

естественного погасания дуги.........................................106

Выводы................................................................................108

2.2. Воздействие лакокрасочного покрытия на техноло-

гические параметры сварки................................................110

а) Перенос электродного металла........................................110

б) Проплавляющая способность дуги при сварке

стали с противокоррозионным покрытием......................122

в) Исследование пористости сварных швов, полученных при сварке по защитным лакокрасочным покрытиям.......................................................................124

г) Оценка характера протекания металлургических реакций при сварке по лакокрасочным покрытиям..........140

д) Металлографические исследования влияния лакокрасочных покрытий на изменение структуры

сварного шва....................................................................144

ж) Гигиеническая оценка при сварке плавящимся

электродом стальных конструкций по лакокрасочным

покрытиям.......................................................................146

Выводы................................................................................149

2.3. Характер изменения эксплуатационных показателей металла сварных соединений, полученных при сварке по лакокрасочным покрытиям.............................................153

а) Прочностные характеристики металла шва

сварных соединений........................................................153

б) Исследование коррозионных свойств сварных соединений, полученных при сварке по защитным покрытиям стали.............................................................155

Выводы.................................................................................157

Выводы по главе II................................................................................159

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА СВАРКИ КОНСТРУКЦИЙ ПО

МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЯМ.............................162

3.1. Характер изменения физических условий существования дугового разряда при сварке по металлическим покрытиям................................................................162

а) Средняя температура столба сварочной дуги..................162

б) Анализ изменения приэлектродных падений напряжений при сварке по металлическим

покрытиям.......................................................................165

в) Исследование остаточных явлений в дуговом промежутке после выключения тока и естественного погасания сварочной дуги........................................168

г) Теплопроводность цинковых паров при сварке по металлическому цинковому покрытию стальных конструкции....................................................................1/1

д) Характер изменения динамических и статических характеристик сварочной дуги.........................................174

Выводы................................................................................176

3.2. Исследование изменения технологических

характеристик при сварке стальных конструкций с металлическими покрытиями...............................................178

а) Перенос электродного металла и области существования разновидностей процесса сварки плавящимся электродом в углекислом газе.....................178

б) Проплавляющая способность сварочной дуги основного металла..........................................................191

в) Пористость швов, полученных при сварке стальных конструкций по металлическим

покрытиям.....................................................................Л 93

г) Оценка склонности металла шва, полученного при сварке по металлическим покрытиям, к образованию горячих трещин.........................................199

д) Характер протекания металлургических

реакций при сварке........................................................203

ж) Микроструктура металла шва, полученного при

сварке по металлическим защитным покрытиям............224

з) Гигиеническая оценка при сварке стали по

металлическим защитным покрытиям............................248

Выводы.......,,...,,.,...,............................................................250

3.3. Изменение эксплуатационных характеристик сварных соединений, полученных при сварке по металлическим защитным покрытиям стальных конструкций.........................................................253

а) Механические свойства металла шва..............................253

б) Коррозионные свойства сварных соединений..................260

Выводы.................................................................................274

Выводы по главе III...............................................................................275

ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СВАРКИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ С ОСТЕКЛОВАННЫМ ВНУТРЕННИМ ПОКРЫТИЕМ.........................................................................................278

4.1. Физические условия существования дугового

разряда при сварке............................................................278

4.2. Изменение технологических характеристик

процесса сварки стальных остеклованных

труб...................................................................................281

4.3. Изменение эксплуатационных характеристик

металла шва сварных соединений....................................285

а) Механические свойства металла шва

сварных соединений.....................................................285

б) Коррозионные испытания сварных трубопроводов из остеклованных труб.......................................289

Выводы по главе IV..............................................................................292

ГЛАВА V. ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА СТАЛЬНЫХ ОБОЛОЧКОВЫХ

КОНСТРУКЦИЯХ С ЗАЩИТНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ...................294

5.1. Технологические рекомендации по сварке стальных

конструкций с лакокрасочными защитными покрытиями.....294

5.2. Особенности технологии получения сварных

соединений на стальных элементах конструкций с защитными металлическими покрытиями.........................297

5.3. Технологические особенности получения

качественных сварных соединений на остеклованных трубах...........................................................................300

5.4. Требования, предъявляемые к источникам питания,

предназначенных для сварки стальных конструкций

с защитными покрытиями....................................................306

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............................................................................312

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................316

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................317

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................334

ВВЕДЕНИЕ.

Одной из основных проблем сварки плавлением стальных конструкций, в том числе и оболочковых, с противокоррозионными покрытиями является получение качественных сварных соединений. Актуальность проблемы обусловлена тем, что в настоящее время с целью борьбы с коррозией и экономией металла в различных областях народного хозяйства все шире начинают использоваться конструкции с противокоррозионными покрытиями ( например, при сооружении различных гидротехнических устройств, предназначенных для освоения месторождений нефти и газа в районах морского шельфа, а также при сооружении резервуаров и трубопроводов, предназначенных для хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов и т.п. ), к тому же, высокие требования, предъявляемые к этим конструкциям по надежности и долговечности, эксплуатирующимися в различных коррозионных средах ( морской воде, подтоварной воде нефтепродуктов и т.п. ) требуют также разрешения проблемы сварки таких конструкций.

В связи с этим, ВНИИМонтажсггецстрой принял участие в разработке подпрограммы №4 Госстроя Трубы. "Повышение качества и долговечности металлических труб и соединительных деталей" в части разработки для сварки технологии, резки их и антикоррозионной защиты стыковых соединений труб с алюминиевым покрытием. Кроме того, ВНИИМонтажспецстрой принимал участие в разработке общесоюзной программы 03. Коррозия 073.01 Разработать и освоить, и внедрить высокоэффективные технологические процессы, материалы и средства защиты металлов от коррозии. 02.06 Внедрить технологию остеклования внутренней поверхности стальных труб диаметром 114 - 325 мм; осуществить строительство трубопроводов для нефтедобывающей промышленности, от 30.10.85, утвержденной Госпланом, ГКНТ СМ СССР.

Настоящая работа посвящена разработке технологического процесса сварки различных стальных конструкций, в том числе и оболочковых, с защитными покрытиями. Исследование, проведенное с целью разработки технологического процесса сварки плавящимся электродом стальных элементов различных конструкций с противокоррозионными покрытиями, в настоящей работе было сопряжено с изучением широкого круга вопросов, связанных с физическими условиями существования дугового разряда, исследованием технологических и металлургических характеристик процесса сварки, с разработкой на их основе новых сварочных материалов-электродов, предназначенных для ручной дуговой сварки конструкций с алюминиевым металлизационным покрытием и составов силикатных стекол, предназначенных для остеклования внутренней поверхности труб, используемых при сооружении трубопроводов (водоводов) нефтекомпрессорных станций, выбора допустимых толщин защитных покрытий на стали и т.д.

В работе проведено исследование влияния различных типов покрытий, их толщин и местоположений относительно свариваемых кромок на процесс сварки. При этом основное внимание было уделено получению качественного сварного соединения на этих конструкциях.

Выполненные исследования позволили провести необходимую систематизацию влияния различных защитных покрытий на качество сварного шва, а также позволили определить основные критерии оценки влияния различных защитных покрытий на процесс сварки.

Выявленные закономерности носят общий характер, но они могут быть использованы для характеристики конкретного процесса сварки этих конструкций, в частности, трубопроводов и резервуаров с противокоррозионными покрытиями, относящихся к оболочковым конструкциям. Работа выполнялась в лаборатории "Сварки трубопроводов и резервуаров" А/О "В1 ШИМонтажспецстроя". Отдельные этапы работы выполнялись в содружестве с рядом организаций: МГТУ им. Н.Э.Баумана, ДГТУ, НПО "ЦНИИТМАШа", ГАНГ им. И.М.Губкина, П/О "Татнефть", А/О 'ТИС, МГСУ, ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П.Мельникова, А/О "Спецэлектрод".

Начиная с 1980 года работа включалась в план ГКНТ СМ СССР. В работе затронуты и нашли дальнейшее развитие вопросы, рассмотренные ранее в кандидатской диссертации автора настоящей работы, в частности, разработка технологии сварки оцинкованных стальных трубопроводов, которая явилась базой для дальнейшей разработки основных

TJ V />>

положении настоящей работы.

Необходимость сварки по защитным покрытиям оболочковых конструкций, в том числе трубопроводов и резервуаров, в монтажных условиях обусловлена низкой культурой производства сварочных работ в этих условиях, например, трудностью удаления защитных покрытий со свариваемых кромок перед сваркой, при проведении подгоночных и ремонтных работ на трубопроводах и резервуарах и т. д. Кроме того, необходимость выполнения сварки на различных конструкциях с защитными покрытиями, например, на рулонных цилиндрических резервуарах (сварка иахлесточных соединений днища и вертикальных стыков соединений полотнищ стенки, тавровых соединений стенки с днищем и стыковых соединений окраек днища и т. п.) в монтажных условиях требует разработки рекомендаций по сварке таких конструкций, обеспечивающих получение качественных сварных соединений, что требует проведения предварительных исследований, связанных с изучением влияния защитных покрытий на стали на теплофизические и химико-металлургические характеристики процесса сварки. Разрешению этой проблемы посвящена настоящая работа.

В настоящее время, по заданию департамента Нефтепереработки .Минтопэнерго РФ, автор данной работы участвует в разработке и внедрении технологии сварки при сооружении вертикального цилиндрического резервуара с внутренним металлизационным покрытием /29, 84, 97/ объемом 5000 м3, предназначенного для хранения нефти и нефтепродуктов. После обработки соответствующей технологии сварки на экспериментальном резервуаре, сооружение которого предполагается провести на НПЗ г. Киришей, намечается начать промышленное освоение и выпуск рулонных заготовок с алюминиевым металлизационным покрытием на

котельно-сварочном предприятии А.О.НРХС г. Уфы для последующего возведения из них вышеуказанных резервуаров в подразделениях Минтопэнерго и за рубежом.

Результаты работы нашли широкое использование, в промышленности и в строительстве и внедрены или внедряются в ряде организаций: П.О."Татнефть", П.О.Трузнефть" а также подразделениях Минмонтаж-спецстроя, Минтопэнерго, Минтрансстроя и Минметаллургии России и ближнего зарубежья. Результаты работы доложены на ряде научных семинаров и конференций.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СВАРКИ СТАЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРОТИВОКОРРОЗИОННЫМ ПОКРЫТИЯМ 1.1. Механизм коррозии и классификация технологических сред.

Вопросами исследования коррозионной стойкости сварных соединений и повышения надежности их в условиях работы в различных агрессивных средах занимались исследователи как в нашей стране / 36, 114, 118, 126, 139/, так и за рубежом / 17, 171, 182, 190/.

Известно /114, 139/, что под действием теплофизических и химико-металлургических факторов воздействия процесса сварки происходит образование неоднородного сварного соединения, т.е. образование зон с различными физико-химическими свойствами. Различия в химическом составе, структуре и напряженном состоянии шва и основного металла являются причиной электрохимической неоднородности поверхности сварных соединений, особенно в условиях воздействия определенных агрессивных коррозионных сред, обуславливающих повышенную коррозию швов по сравнению с основным металлом.

Сварное соединение представляет собой многоэлектродную короткозамкнутую систему, что существенно усложняет выявление особенностей многоэлектродной системы. Характерные участки сварного соединения: сварной шов, зона термического влияния, имеющая участок с крупнозернистой структурой, а также участок с мелкозернистой структурой, участок неполной перекристаллизации и участок высоко- и низкотемпературного отпуска, переходящий в основной металл без каких-либо структурных или энергетических изменений. Участки от зоны сплавления до участка, в котором происходят процессы, свойственные высоко- и низкотемпературному отпуску, образуют зону термического влияния, ширина которой составляет 2-4 мм /139/.

Основные факторы, определяющие реализацию коррозионных процессов на металле подразделяются: на внутренние и внешние /139/. Влияние среды относится к внешнему фактору конструкции в соответствии с классификацией, приводимой в работе /36/, а по влиянию среды на механические свойства металла их подразделяют:

- неактивные среды - спектрально-чистые инертные газы (аргон, гелий), поверхностно-активные вещества, химически неактивные и слабо активные растворы поверхностно-активных веществ в углеводородах; эти среды влияют на механические свойства через адсорбцию;

- коррозионно-агрессивные среды, к которым относятся некоторые газы, вода, электролиты, расплавы солей и т.п.; они вызывают химическую или электрохимическую коррозию;

- среды, адсорбирующиеся объемом материала и этим изменяющие его механические свойства (например водород), растворяющие материал. В этой связи, для решения задачи повышения коррозионной стойкости сварных соединений разработана классификация разнородных соединений (рис. 1), образующих твердые растворы с материалом (к ним относятся некоторые жидкие металлы, углерод, азот и т.д.): возникновение твердых растворов может привести к увеличению