автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Развитие технологии соединения систем трубопроводов с внутренним эмалевым покрытием и защитой сварного шва

ОАО «Уральский институт металлов» ООО «ЭМАЛЬ-СТАВАН» НП «Уральский межакадемический союз»

На правах рукописи

УДК 666.293

/

/

КАЗАК Андрей Казимирович

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЕДИНЕНИЯ СИСТЕМ ТРУБОПРОВОДОВ С ВНУТРЕННИМ ЭМАЛЕВЫМ ПОКРЫТИЕМ И ЗАЩИТОЙ СВАРНОГО ШВА

Специальность: 05.25.07 - исследования в области проектов и программ

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - действ, член РАЭ, д-р техн. наук, проф.

Дерябин Владимир Андреевич Научный консультант - действ, член РАЕН, д-р техн. наук, проф.

Гольдштейн Сергей Людвигович

Екатеринбург - 2012

Официальные оппоненты:

действ, член РАЕН, проф., д-р техн. наук Смирнов Геннадий Борисович

проф., д-р техн. наук Шардаков Николаи Тимофеевич

Защита состоится 27 декабря 2012 года в 15-00 на заседании диссертационного совета Д098.07 PCO ММС 096 по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 21, УрФУ, физико-технологический институт, аудитория Ф-303.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке УрФУ.

Диссертация в виде научного доклада разослана 26 ноября 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета проф., канд. физ.-мат. наук

Рогович В.И.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ТЕРМИНОЛОГИИ

а.с. - авторское свидетельство _____

I Российская I

КИ - бюллетень изобретений I 0 ьи'ыпн5I

I__?спг I

ЬИ11М - бюллетень изобретения, полезные модели ИСМ -■ издание "Изобретения стран мира" ИЗР - издание "Изобретения за рубежом" Н 1С - научно-технический совет ЗТВ - зона термического влияния

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения

СОТ - соединение эмалированных труб

СТ - системы трубопроводов

НТД- нормативно-техническая документация

ССТ - соединение систем трубопроводов

СПТТР - система принятия технико-технологических решений

СЭ11 - силикатно-эмалевое покрытие

Эмаль - стекловидный материал, который предназначен для получения эмалевого покрытия

Шликер - суспензия, дисперсной фазой которой являются частицы эмалевой фритты, глины и других добавок, дисперсионной средой - как правило, вода с растворенными в ней электролитами

Эмалевое покрытие - оплавленный эмалевый слой, полученный из нанесенного на металл слоя шликера или порошка измельченной фритты

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЬОТЫ

Актуальность исследования

Надежность трубопроводов из эмалированных труб определяется коррозионной и абразивной стойкостью внутренней поверхности сварного соединения, особенно уязвимой в сил) ее трудподоступности для защиты от коррозии и поведения металла сварного шва как активного анода, обладающего меньшей коррозионной стойкостью. Применять в производстве эмалированные трубы с использованием обычных методов соединения сваркой невозможно из-за возникновения серьезных дефектов эмалевого покрытия, которое подвергается высокотемпературному воздействию дуги и в результате разрушается. В процессе сварки структура металла в зоне термического влияния становится неоднородной, при этом изменяются условия взаимодействия между металлом и покрытием, а также условия образования прочного сцепления эмали с металлом. После затвердевания в покрытии могу! возникнуть поры, пузыри, микротрещины или другие дефекты. Необходимо учитывать, что трубопроводы работают при высоких давлениях, в жестких абразивных и коррозионно-агрессивных средах, содержащих активные ионы, кислые газы и механические примеси. При эксплуатации трубопроводов в результате электрохимической реакции образуется постоянно расширяющаяся зона коррозии в местах дефекта эмалевого покрытия и, как следствие, его отслоение от поверхности трубы, в результате чего процесс коррозионного разрушения ускоряется. Именно поэтому разработка и усовершенствование технологии и способов соединения эмалированных труб сваркой с повышенной коррозионной стойкостью внутренней поверхности соединения является актуальной проблемой.

Активно занимаются разработками в данной области следующие предприятия и организации: ЗАО "Негас" г. Москва; ООО "Эмаль-Ставан" (г. Екатеринбург); ОАО "Уральский институт металлов" (г. Екатеринбург); ООО "Инженерно-производственный центр" г. Бугульма; ОАО "Удмуртнефть" г.

Ижевск; ОАО "Татнефть" г. Бугульма: ООО "Целер" г. Самара; DA ICI II HIGH FREQUENCY CO LTD (Япония); KUBOTA CORP (Япония); Stoh Oflshore S.A. (Великобритания); Fraenkischc Rohrwerke Gehr Kirchner Grnbh-Co.Kg (Германия); Pipelife Nederlande B.V. (США); Nippon Sanso Corporation (CIJIA); Framatome Anp Gmbh (США).

Исследования по представленной тематике проводили в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ в ОАО «Уральский институт металлов»: при содействии «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Гос. контракт .Ni!5 I 62р/4656 от 04.06.07г); ряде хозяйственных договоров с предприятиями.

Объект исследования - технология соединения систем трубопроводов с внутренним эмалевым покрытием и защитой сварного шва.

Предмсг исследования - развитие технологии соединения систем трубопроводов с внутренним эмалевым покрытием и защитой сварного шва.

Цель - развитая технология соединения систем трубопроводов с внутренним эмалевым покрытием и защитой сварного шва (обеспечение надежного и долговечного соединения систем трубопроводов за счет формирования качественного защитного силикатно-эмалевого покрытия в зоне сварного шва предложенного способа соединения труб).

Задачи:

1. 11ровести анализ существующих аналогов и прототипов и обосновать необходимость нового способа СЭТ;

2. Произвести научно-техническую и практическую реализацию предлагаемого решения по этапам:

- комплексные исследования технических характеристик сварных соединений систем трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием в зависимости от параметров соединяемых труб, соединительных элементов и транспортируемой среды;

- разработка методики расчета прочности соединения втулки с внутренней поверхностью эмалированных труб, гидравлической эффек-

тивносги эмалевых покрытий, параметров соедини 1елъны.\ втулок н зависимости от геометрических размеров и материала соединяемых труб;

- создание технологической модели производства соединительного элемента, сборки и сварки соединения с применением нового устройства и низкотемпературного шликера легкоплавкой эмали (в т.ч. модель технологии соединения эмалированных труб в полевых условиях);

3. Разработать и утвердить НТД (технологическую инструкцию по сборке и сварке эмалированных труб, согласованную с Госгортехнадэором России. ТУ по требованиям к соединительным втулкам);

4. Оценить эффективность предложенных решений.

Научнан новизна работы:

]. Впервые сформирован пакет научных прототипов по теме диссертационного исследования, отличающийся 2-х ранговой структурой.

2. Впервые расчетным и экспериментальным путем исследованы свойства эмалевых покрытий при сварке труб, а также технические параметры соединения трубопроводов с эмалевым покрытием с использованием защитной втулки.

3. Создана методика по расчету параметров соединительных втулок в зависимости от геометрических размеров и материалов соединяемых труб.

4. Предложен новый способ соединения эмалированных труб к технология его выполнения, отличающиеся тем, что используют специальную втулку с разрезом по ее длине, тем, что сжатие эмалированной втулки проводят до смыкания стенок в местах ее разреза и размещают внутри труб разрезом вниз, причем внутреннее и внешнее эмалевое покрытие имеет марочный состав эмалевого покрытия труб (патент № 2227241 от 20.05.2003).

5. Создано устройство для защиты внутреннего сварного шва трубо-

проводов, о тличающееся параметрами соединительною кольца, которые зависят от диаметра свариваемых груб, толщины стенки трубы (были получены расчетно-эксперименгальным методом и опробованы в промышленных условиях) (патент № 52967 от 27.06.2005. решение о выдаче патента на полезную модель от 01.08.2012. За>ш:-. л .№201 1 147455/06(071 141 j). 6. Предложены эмалевый шликер и эмалевое покрытие на ею основе, отличающиеся тем, что содержит формулу приготовления состава с повышенной адг езией и расширенным температурным диапазоном и КТР и обладает возможностью использования при отрицательных температурах (патент > 2264359 от 26.07.2004, № 236857.1 от 12.05.2008. патент Л» 2440935 от 18.06.2010).

Практическая значимость

Проведенные в ходе выполнения данной работы комплексные исследования технических характеристик сварных соединений систем трубопроводов с силикатпо-эмалевым покрытием позволили повысить уровень надежности и коррозионной стойкости сварного соединения при различных условиях эксплуатации за счет усовершенствования конструкции соединительной втулки и создания новых материалов для защитного покрытия, что позволило в свою очередь снизить энергозатраты и расход материалов, сократить время сборки и сварки соединения по сравнению с существующими аналогами.

Использование предложенного способа соединения эмалированных труб на промышленных предприятиях различных отраслей показало, что по сравнению с аналогом - соединительной втулкой фирмы «ЦЕЛЕР» (г.Самара):

- увеличивается на 7-8% пропускная способность трубопроводов,

- увеличивается стойкость систем трубопроводов гидро- и пневмотранспорта (испытания продолжаются),

- сокращается срок монтажа стыка трубопроводов из эмалированных труб на 35-40% по сравнению с нормативным (норматив по утвержденной техноло-

гической инструкции составляет 75 минут, предложенный способ позволяет сократи1ь время монтажа до 40-45 мин),

- появляется возможность проведения качественных ремонтных и восстановительных работ па существующих трубопроводах. Аналог в настоящее время для этой цели не применяется.

- облаем, использования предложенного способа защиты сварного шва распространяется на трубопроводы с керамическими, оксидными, остеклованными и друг ими видами защитных покрытий,

- предложенный способ не требует использования специального оборудования. дорогостоящих материалов и высокой квалификации персонала.

Ни защиту выносятся:

1. Применительно к системе соединения трубопроводов отсутствуют исследования, направленные на изучение уровня защиты сварных соединений эмалированных трубопроводов. В диссертации разработан 2-х-ранговый пакет научных прототипов по соединению эмалированных трубопроводов, приведена их критика, показаны алгоритм и схема функционирования СЭТ.

2. Существующие в литературе методики исследования неструктурированных проблем соединения эмалированных трубопроводов имеют узкую область применения и при распознавании в сложных задачах недостаточны. В диссертации предложена методика исследования неструктурированных проблем СЭТ, которая обеспечивает полный анализ условий, необходимых для оптимального решения СЭТ, формирования качественного защитного эмалевого покрытия в зоне сварного шва для повышения уровня надежности и коррозионной стойкости предложенного способа.

3. В настоящее время нет методик расчета геометрических параметров соединительных элементов трубопроводов. В данной работе предложена методика расчета геометрических параметров соединительных элемен-

тов трубопроводов, использование которой позволило определить ряд типоразмеров соединительной втулки в зависимости от существующего сортамента труб е СЭП.

4. Новый способ соединения эмалированных, труб и его выполнения.

5. Ус тройство для обеспечения сохранности внутреннего эмалевого покрытия при сварке, а также антикоррозионной защиты зон кольцевых сварных стыков трубопроводных систем.

6. Специальный шликер для формирования эмалевого антикоррозионною покрытия стыка при сварке эмалированных труб в полевых условиях (в том числе при отрицательных температурах).

Апробация результатов

Основные положения диссертации доложены на 4-х научно-практических конференциях. Результаты исследований по тематике заслушивались и обсуждались на МТС в Институте проблем эмалирования ОАО «УИМ» и НТС предприятий-заказчиков. За сформированную концепцию решения проблемы соединения трубопроводных систем на выставке «Трубы» (Уральские выставки - 2002) проект награжден «Бронзовой медалью». Па Международной выставке «Металл - Экспо - 2005» (г. Москва) за разработку нового способа соединения труб авторы проекта награждены «Серебряной медалью».

Публикации

По теме диссертации имеется 6 патентов, 8 публикаций, 3 отчета о законченных НИР.

Структура диссертации приведена на рис.1

Заказ на НИОКР

Информация

Программа 1: Проблематика технологии соединения эмалированных труб

Проект 1.1 - литературно-аналитический обзор

Проект 1.2 - прототипы и гипотезы о предполагаемом решении

1.1.1

Подпроекты

1.1.2

1.1.3

1.2.1

Подпроекты

I ! 1.2.2 !

1.2.3

Программа 2: Модели основных объектов исследования

і Проект 2.1 - системно-структурная модель

Проект 2.2 - алгоритмическая модель ТССТ

Программа 3: Комплексные исследования технических характеристик ССТ

Проект 3.1- исследование свойств эмалевых покрытий при сварке труб

Проект 3.2- исследование характера разрушения эмалевого покрытия труб

Проект 3.3- исследование і технических параметров 1 соединения трубопроводов с СЭП с использованием за-I щитной втулки

Проект 3.4- разработка технологических решений по предотвращению и устранению дефектов на участках трубопроводов с СЭП в заводских и полевых условиях с применением защитных втулок

Поогоамма 4: Технические оешения

Пооект 4.1 - матеоиалы и устройства

4.1.1

Подпроекты

Проект 4.2 - научно-техническая документация

Программа Б: Эффективность предложенных решений

Проект 5.1-научно-техническая эффективность Проект 5.2-экономическая эффективность

Выполненный заказ

V

Новые знания и технологии

Рис. 1 - Структура диссертационного исследования

(1.1.1 -трубопроводные системы; 1.1.2- защитные покрытия трубопроводов; 1.1.3- соединения труб с силикатно-эмалевым покрытием; 1.2.1-аналоги; 1.2.2-прототипы; 1.2.3-гипотезы о предполагаемом развитии прототипов; 4.1.1-устройство для защиты внугреннего сварного шва трубопроводов; 4.1.2-сиециальный легкоплавкий незамерзающий шликер; 4.1.3-способ соединения эмалированных труб с использованием специального устройства).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ПРОГРАММА 1: ПРОБЛЕМАТИКА ТЕХНОЛОГИИ СОЕДИНЕНИЯ ЭМАЛИРОВАННЫХ ТРУЬ

Программа включает 2 проекта и 6 поди рое к job. Проект 1.1 - литературно-аналитический обзор Проект состоит из 3-х подпроектов. Подпроект 1.1.1 обзор по трубопроводным системам Надежность, долговечность и экологическая безопасность являются основными требованиями, предъявляемыми к трубопроводной сети. В настоящее время ситуация с обеспечением надежности л их важнейших и наиболее функционально значимых и уязвимых систем жизнеобеспечения достаточно напряженная. Это связано с нарастающими темпами износа трубопроводов и оборудования. По оценке специалистов количество стальных трубопроводов, ежегодно выходящих из строя вследствие коррозии, составляет 10-12% от объема их производства, а порядка 80% аварий на трубопроводах происходит по причине коррозионных разрушений, из них 90% - по причине внутренней коррозии. Необходимо отметить, что в течении 2-4 лет эксплуатации на внутренней поверхности труб образуются отложения - продукты коррозии, снижающие пропускную способность в 1.3-2 раза, а потери напора увеличиваются в 2-4 раза [1,2].

Целого комплекса проблем можно избежать, если внутреннюю поверхность металлических труб, по которым перекачивается не только вода, но и агрессивные смеси, покрыть защитным слоем. На сегодня используют трубы с пластмассовыми, эпоксидными, лакокрасочными, металлическими, песча-но-керамическими и силикатно-эмалевыми покрытиями.

Результаты исследований и анализа эксплуатации труб с различными видами покрытий показали, что наиболее эффективными и перспективными, в том числе и по экономическим показателям, являются эмалированные трубы. Эмалирование стальных труб при сохранении важнейших преимуществ

меia.ua (технологичности и механической прочности.) придает трубопроводам новые характеристики свойства стекла (стойкость ко всем видам коррозии. твердость и гладкость поверхности, высокую гигиеничность) [3]. По сравнению с черными, оцинкованными и даже нержавеющими трубами, эмалированные чрубы выгодно отличают следующие достоинства:

- химическая стойкость ко всем кислотам (кроме плавиковой) при температуре до 150'С, а также к щелочам;

- низкая электропроводность эмали, что даст защиту металла от «блуждающих токов» и не требует анодной и катодной защиты;

- гладкая, твердая поверхность эмалированных труб не позволяет образовываться отложениям и органическим наростам, что способствует неизменности сечения трубопроводов и обеспечивает равномерную подачу транспортируемой жидкости, что в свою очередь уменьшает энергопотребление подающих насосов;

- возможна транспортировка жидких и газообразных сред, имеющих в своем составе абразивные вещества (например, песок);

- вторичный (при обжиге эмали) нагрев трубы снимает в ней внутренние напряжения, увеличивающие линейное удлинение при пропуске по трубе носителя с температурой до 180'С, что приводит к снижению количества компенсаторов;

- эмалевое покрытие является хорошим теплоизолятором, снижает потери тепла, защищает наружную теплоизоляцию от разрушения.

Подпроект 1.1.2. - защитные покрытия трубопроводов Эмаль не является материалом, функционально применяемым самостоятельно, она превращается в специфический компонент только благодаря соединению с металлом. Эмаль на металле часто рассматривается лишь как покрытие, нанесенное для защиты от коррозии. Однако защита от коррозии является только одной из задач эмалирования, скорее эмаль служит вообще для улучшения качества поверхностей и формирования новых материаловед-ческих, технических и функциональных свойств новой системы эмаль-

металл, которые следует рассматривать как новый композиционным материал, относящийся к числу наиболее надежных и универсальных средств защиты металлических изделий от коррозии. Силикатно-эмалевое покрытие н результате сложного физико-химического воздействия с металлом, проходящего при высокой температуре, приобретает прочность сцепления, превышающую прочность самого покрытия. Значительная эффективность применения эмалированных труб обусловлена превышением их стойкости в .4-5 раз относительно труб из нержавеющей стали ив 10-15 раз относительно труб из углеродистой стали [4]. Этим обуславливается высокий уровень производства эмалированных труб в ряде развитых стран.

11олпроект 1.1.3 - соединение труб с силикатно-эмалевым покрыт ием

Активное использование в различных областях промышленности трубопроводов с силмкатно-эмалевым покрытием ставит перед специалистами задачу обеспечения сохранности внутреннего эмалевого покрытия при сварке, а также антикоррозийной защиты зон кольцевых сварных стыков. Накопленный промышленный опыт монтажа и эксплуатации трубопроводов показал, что соединение эмалированных труб обычными методами сварки невозможно без возникновения серьёзных дефектов эмалевого покрытия. При сварке эмаль подвергается температурному воздействию дуги (5000^7000°С), вследствие чего она выгорает и испаряется [5].

В целях обеспечения сохранности внутреннего эмалевого покрытия при сварке отечественными и зарубежными специалистами разработан целый ряд способов соединения эмалированных и остеклованных труб: фланцевые, резьбовые, паяные, с использованием нержавеющих колец и другие, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Проект 1.2. - прототипы и гипотезы о предполагаемых решениях

Проект содержит три подпроекта.

Подпроект 1.2.1 - аналоги

В результате обзора было отобрано около 150 публикаций по исследуемой тематике, выбрано 10 аналогов, с которыми работали по известной схеме

опенки качества по критериям. В результате получили наилучшие решения, которые приняли в качестве прототипов. Полпроскт 1.2.2 - прототипы Научные прототипы сведены в таблицу 1.

Пакет научных прототипов

Таблица I

l'ai п

Источ-

ник И1І-

upoio- Название прототипа , , Критика прототипов

пик! ;

ими

Технология соединения систем грубо- „. Me гарантирует надежности проводов _ _____■ прп сборке и эксплуатации

' Система 1 создания шликера _ ... Не обеспечивает стойкости в

і Iі

осооо агрессивных средах

I С истема 2 создания коиструкторско- ; ; Не учтены новации

' технологической документации но ]2-8|

CCI'____^ ______,

Система 3 создания инструмсига и но- Нет перехода на новый уро- ! вышепия квалификации исполнителей [3-5,7] вень инструмента и выпол- ] | _ _I пения работ__S

i Система 4 оценки качества соединения i Ile обеспечивает требуемою |

I : уровня качества защиты !

L _______ . : _ I сст _______I

Сложность М0К1 совых условиях

---------1----------

| Система 5 соединения трубопроводов ^ ^ j Сложность монтажа в грае- j

Система 7 настройки на специфику I Сложность выполнения и I объекта ] |1-8] сдачи настроечных работ в • _ _ _I ! изменяющихся условиях !

Подпроект 1.2.3 - гипотезы о предполагаемом развитии прототипов

1. Для парирования недостатков прототипа 0 ранга целесообразно ввести систему настройки на специфику объекта и модернизировать 5 нрототиппых систем.

2. Для развития системы 1 создания шликера предлагается в качестве наполнителя полости между внешней поверхностью соединительной втулки и внутренней поверхностью трубы в месте их соприкосновения вместо герметизирующих составов применить шликер легкоплавкой силикатной эмали, позволяющей использовать данный состав в широком диапазоне температур (в том числе при отрицательных значениях).

3. Для развития системы 2 создания конструкторско-техноло! ическоп документации предлагается включить новые решения в блок документации и утвердить в установленном порядке в соответствии с требованиями действующих НТД.

4. Для развития системы 3 создания инструмента предлагается введеин:-пового технологического оборудования, обеспечивающего возможность полной механизации процесса.

5. Для развития системы 4 опенки качества технологического передела предлагается определить условия формирования качественного защитного С'СТ для повышения надежности и коррозионной стойкос ти.

6. Лля развития системы 5 соединения трубопроводов предлагается применение технических решений, позволяющих обойтись без специального оборудования и сохранения традиционных приемов строительства С'СТ, не приводящих к усложнению технологической схемы и снижению темпов монтажа в трассовых условиях.

7. Для устранения недостатков системы 7 настройки на специфику объекта предлагается в систему настройки включить большее количество параметров для обеспечения настроечных работ в ситуациях любой сложности.

ПРОГРАММА 2: МОДЕЛИ ОСНОВНЫХ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Программа состоит из двух проектов.

Проект 2.1 - системно-структурная модель ТССТ

Исходя из определения технологии как 8АОТ-овской пятерки, на рис. 2 представлена системно-структурная модель прототипа нулевого ранга и его развитие.

Рис. 2 Системно-структурная модель технологии соединения систем трубопроводов (ТССТ) по прототипу 1 [1-8| и предлагаемому решению (системы: 1 подготовки сырья и полуфабрикатов; 2 - создания конструкторски-технологической документации: 3 - создания механизма реализации: 4 - технологического передела: 5 оценки качества продукции; 7 настройки на специфику деятельности;

6.8 - интерфейсов)

Предлагаемое решение связано с введением системы 7 и модернизацией систем 1 -5. Новизна отмечена на рис. 2 фоном, уголками и жирной стрелкой.

Развитие системы 1 связано с проведением анализа теоретических предпосылок и возможных технических решений по изготовлению шликеров силикатной эмали с низкой температурой кристаллизации, позволяющих монтировать соединения в полевых условиях при отрицательных температурах. Были сформулированы основные требования, которым должен удовлетворять шликер как технологический объект. Проведенные испытания показали, что шликеры исследуемых составов не замерзают при температуре -202С, а при обжиге в течение 2-5 минут в температурном диапазоне от 700 до 900°С дают удовлетворительное эмалевое покрытие. Шликером комплектуются поставки соединительных устройств.

Развитие системы 2 связано с разработкой и утверждением нормативно-технической документации на изготовление и монтаж нового типа соединительных элементов. По результатам проведенных разработок была составлена Технологическая Инструкция для использования при строительстве магистральных и промысловых трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием, согласованная с ОАО «ВНИИСТ», Госгортехнадзором России (письмо № 1003/514 от 26.04.2004 г.) и другими организациями. На требования, предъяв-

лясмме к соединительным втулкам при изготовлении, разработаны Технические условия ТУ 14-2Р-387-20! 1.

Развитие системы 3 связано с решением проблемы получения (изготовления) соединительных элементов конкретной конструкции и заданных геометрических параметров с учетом их специфических требований (комнсись ции напряжений, усилия упругой деформации и пр.). Для получения стабильных показателей надежности выпускаемой продукции применяется про цесс изготовления соединительных устройств на специальном технологическом оборудовании, разработанном впервые. Выбранный технологический процесс производства осуществляется на относительно простом оборудовании, занимающего ограниченную площадь, содержит минимальное количество операций, обеспечивает возможность полной механизации процесса, а также стабильность и надежность.

Развитие системы 4 связано с обеспечением производственной технологичности конструкции соединения ССТ (по конструктивным, технологическим и экономическим показателям) более высокого уровня, чем у прототипа, что обеспечивает повышенную степень защиты ССТ. Применение способа сварки соединения по разработанной технологии позволяет получить внутреннюю структуру сварочного шва с требуемыми механическими свойствами.

Развитие системы 5 связано с применением ССТ по предложенной схеме с использованием внедренных материалов и устройства, что позволяет обойтись при монтаже без специального оборудования, дорогостоящих материалов и высокой квалификации персонала. Появляется возможность проведения качественных ремонтных и восстановительных работ на существующих трубопроводах. Устройство обеспечивает сохранение традиционных приемов, оборудования и технологических операций строительства трубопроводов с соблюдением действующих норм и правил, не приводя к снижению темпов их строительства.

Гипотеза о развитии структуры системы 7 (система настройки) решается введением большого количества параметров, учитывающих использование СС'Т примени тельно к меняющимся условиям (в том числе сложным: эксплуатационным, монтажным), что позволило обеспечить настроечные работы с иелыо получения требуемых параметров ССТ в ситуациях любой сложности. В отличие от прототипа, где настройка системы - совокупность узкоспециальных [ечнологических операций, существует возможность изменять параметры в процессе эксплуатации при переходе на новый режим работы.

Проект 2.2 - алгоритмическая модель функционирования технологии соединения систем трубопроводов

Ал горит м функционирования ТСС'Г, представленный на рис. 3, дан в формализме блок-схем по ГОСТ 19.701-90.

11рограмма выполнения разработок по ТССТ выросла структурно из анализа обобщенных данных по ССТ (учитывались затраты и параметры существующих проектов, проведен анализ их техническог о уровня, тенденции развития). По ресурсной базе составляющими служили: целевое финансирование по Государственному контракту, привлечение инвестиционных средств, а также собственные средства. Основной задачей проекта было решение проблемы сварного стыка ССТ. Параллельные работы по нескольким системам с применением аппарата настройки по методам и инструментам технологии разработки позволили провести оценку качества решений по функциональным, техническим и стоимостным критериям. Окончанием цикла по задачам было решение проблемы ТССТ в виде сформированного технологического решения, подкрепленного НТД. Окончанием цикла по ресурсам было создание пилотного производства соединительных элементов с выходом на годовую программу 40 тыс. шт/'год и возможностью его модульного расширения.

Начало цикла по рес\рсам

н

Иифирчыш* и:

- выполненных ранее приемах

- затратач и параметрах разруганных проектов

- іехіпіческом уровне И ! С11.1011 • шіях развит ия

Начало цикла по задачам

14

Эволюционное развитие

10-

у-

11

12

Работа системы 1

9 Г Получение ноною урооня ИИ сірумен'іа и пыполнения рабо і

Работа СИСТЄМВІ 2

13

Работа системы 3

Работа системы 7

15 .. Сочлание нового проду кта с поддержкой по всем видам ресурсов

16

20

Методы и инсгрументы технологии разработки, необходимые в промышленном производстве

•48

Обеспечение логистики

Работа системы 4

17

21

Работа системы 5

Аспекты технологии выполнения нового способа соединения

22

Реализация решений

19

©

Работа спаем б, Я

23

24

Итоги

25

Окончамш; цикла по задачам

27 ^

Окончание цикла по ресурсам

26

29

-ср

28 _

Оценка качества решений по функциональным, техническим, стоимостным критериям

30

Результаты, отчеты, методики, инструкции, технические условии на продукт.

Возможность использования материала для дальнейшего ул>ч-шения технологии

Рис. 3 - Алгоритм функционирования ТССТ

ПРОГРАММА 3: КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЕДИНЕНИЯ СИСТЕМ ТРУБОПРОВОДОВ

11рограмма состоит' из 4-х проектоы.

Проект 3.1 - исследование свойств эмалевых покрытий при сварке труб

В процессе выполнения работ стояла задача определи п. критерии выбора состава си.шка1к0й эмали. ислольчуемоЛ в качестве промежуточного слоя межд\ эмалевым покрытием свариваемых груб и соединительных элементов. Определение состава эмали свя-юно. и первую очередь. с возможностью нсполмовапия тенла от сварки труб на максимально возможном расстоянии от корневого сварного шва для формирования качественною защитного покрытия. От тепловой энергии, выделяемой при сварке и передаваемой мере; выступ и стсикн фуб. происходит прогрев и размягчение .эмалевого покрытия труб н втулки, а также расплавление шликера легкоплавкой эматн. При сварке в результат действия сил поверхностного натяжения и массы жидкого металла, массы жидкой легкоплавкой эмали и давления сварочной дуги происходит термодинамическое взаи.модей-С1вие между контактирующими расплавами эмалей и образование защитной эмалевой композиции.

Ьыли проведены исследования влияния параметров поверхностного натяжения и величин действия межмолекулярных сил на частицы в расплавленном эмалевом покрытии, их влияние на адгезию эмали с металлом, а также способность промежуточного эмалевого покрытия гонким слоем распределяться по поверхности эмалированным груб в условиях существенного перепада температур в зоне сварного шва (от 1500°С до 150ЛС). Установлено, что поверхностное натяжение эмалей сравнительно велико и находится в пределах (180^350) мН/м. Понижение поверхностного натяжения расплавов эмали улучшает смачивание, способствует повышению прочности сцепления с металлом. Было также установлено влияние на растекаемость и адгезию других факторов: состояния поверхности металла (шероховатость, наличие оксидного слоя), температуры, наличия пустот, продуктов реакции и др. Выявлено, что смачивание будет тем лучше, чем больше оксида на поверхности металла, и чем сильнее расплав эмали обогащен оксидами железа..Установлено, что значительное влияние на поверхностное натяжение, смачивание металла, повышение прочности сцепления оказывает состав эмали, ее вяз-

кость а также величина перепада температур з тоне термического влияния. Были получены зависимости вязкости эмали от температуры. При этом установлено. что величина вязкости в зоне термического влияния меняется от ¡0'' Пах в твердом состоянии до 10 Па-с в расплавленном состоянии. Были также проведены исследования теплофизических свойств эмалевых мокр . тий - определены параметры теплопроводности различных марок эмалевых покрытий, определена температура начала размягчения эмалевого покрытия, которая позволит рассчитать параметры зоны термического влияния ПТВ) при сварке.

В таблице 2 представлены результаты расчетов теплопроводности по экспериментальным данным.

Результаты расчетов теплопроводности

Таблица 2

0 ; коп»-

1 (о\:ср

I чеиви

.¿■'СПСПИ- |

ТСП.'ЮГЫ

' о, К-Пг

1..

| ратура ип\т-рошуи понерх-ности 1рубы 1н,

Температура

ИН\Т-

рашей поиерх-

ПОСГИ

эмали, (н. "С

пера-1ура па-грсна ^ргды

I С1ПО-ПрОПОЛ-ИССТЬ л,

13т/(м 'О

"1 60.-1

I [окрмтне С - I

220

150

1 81,5

_|_0.75

I 0.82

_480__ _

Покрытие С

" 1,32

Т М;>

64

0,83

1,34

11<\мер

ЖС11С-

рнмен:а

Количество

Тсм-лерач > -ра внутренней

юн, юты | поверх-

О, кВ т ностл

I трубы

I и. "С

Темг.с-рату ра пну) -ренпси ПСверх-НОЛИ

1ма.'ш -1

|\ря на-I ре «а егкдм

Покрыуис С 2_

_ 5 ??3 6*1,:

Вг'(м

0.М _0.72

0,

481 1 430 Г 1оКрЫП1е С - 4

¿¡у I а/х 2*13 "'" ■"' 0"Й" ' 2 КО ■ _ О .У 8 330 I '1,09"

1.32

Исследования показали, что имеются изменения коэффициента теплопроводности четырех различных образцов с незначительными отклонениями по химическому составу (в пределах допусков по ТУ), но они невелики и составляют до 8%.

Коэффициент теплопроводности покрытий можно рассчитать по формуле [12,13]:

гле с] - удельный тен.юной поток, Вт/м": - толщина слоя т>чалспокрытия, мм: \Т - перепал температур на обрате покрытия.°С: ос - толщина стальной стспки грубы, мм:

и /,, - теплопроводности мста;1лической стенки и эмалепокрьпия грубы при температуре 20 100°С.

По этой формуле получены значения теплопроводности при повышении температуры покрытий, соответствующей специфическим условиям, возникающих при нагреве эмалированного трубопровода. Результаты представлены в таблице 3.

Значения теплопроводности с повышением температуры покрытия

Таблица 3

11огрыт и • Теплопроводность покрытия X, Вт/(м/0С) при повышенных температурах, "С

20_ 0.71

100

200

300

1.18

1.37

1.52

400

1.65

500

600

1.71

1.74

I с 1 0.74 1.21 1,38 1 1.54 1,79 1,73 1,79

С ! 2 0.82 0.85 1.12 1.16 1.31 : 1,47 ; 1.44 1,47 1.54 1,57 1.62 1,67 1.77 1.79

С- 3 ! | 0.86 0.89 1.12 1,22 1.33 1.37 : 1.42 1.46 1.53 1,58 1.62 1,64 1.71 1,74

! с 1 4 1 0.91 0,93 1.09 1,12 ш | 1,24 ] 1.32 1,38 1.52 1,54 1,63 1,66 1.81 1,86

Таким образом, теплопроводность эмалевых покрытий увеличивается на несколько десятых долей при росте температуры. Результаты теоретического и экспериментального исследований отличаются незначительно (соотношение числителя и знаменателя таблицы 3), что подтверждает достоверность проведенных испытаний.

Проект 3.2 - исследование характера разрушения эмалевого покрытия Проведенные лабораторные испытания и экспертиза образцов действующих трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием показали, что эмаль и эмалевое покры тие сохраняют высокие защитные свойства на гладкой поверхности труб. В зонах нарушения сплошности покрытия (на продольных поперечных сварных швах, равно как и на незащищенных концевых швах) наблюдается интенсивная язвенная коррозия, приводящая к выходу из строя трубопровода уже после двух лег эксплуатации.

Разрушение эмалепокрытия происходит, как правило, в местах концентрации напряжений - и в первую очередь в зоне, ограниченной сварным швом. Одним из таких дополнительных концентраторов является место начала сварки, когда количество теплоты, поступающей от источника нагрева больше, чем количество отводимой теплоты за счет' теплопроводности -происходит местный перегрев эмалевого покрытия и металла.

В процессе соединения эмалированных груб сваркой зона сварного стыка подвергается резким перепадам температур: нагрев-охлаждение (рис.4), в результате которого возникают напряжения в системе «эмаль-металл», вызываемые различием величин коэффициента теплового расширения, модуля упругости, теплопроводности и других теплофизических характеристик эмалепокрытия и металла (табл. 4), оказывающих решающее влияние па возникновение и развитие трещин и сколов эмалепокрытия.

шва; В - зона температурного влияния на эмалепокрытие: Ь - зона температурного влияния сварного шва; Ті - подогрев концов труб перед сваркой (250-300 °С); Тг - темпера-

|урное вогчейс гнис лугн ири сварке: I - охлаждение

|ни о [кн.чействия; 0„ - наружный диаметр рубы; внутренний диаметр по )малспокрытиЮ-

эмалепокрытни в зоне темнератур-- внутренний диаметр трубы; с1 -

Основные свойства эмали и металла (Ст 20)

Таблица 4

;Г1- ■■.иашиа : М.ИЧ- 1 [ри'ПН'К г,. Пцтнисп ■ 'к'1юп|К1- Ьо.П гс„. Тггпосм- ■Vl.uv.-li,

. . _: П.-11 '.Г.. ■■.'•..'Г:.. г:^ :>ка:нс ]:.:.чн-х п.. К^-": . \ п[г.

.1 Ж.ШС. ¡(р. МГ!п ¡¡.Ж. \llia ! 1 аоией- ! СПИТ* 1101. ' 214. мм кДл'кг V и м;ь

■0.0 :мо.о 68.-1 ".19.2 104.-15 0.92 28 0.69 10

: (II 1о4о! !

N м-2-

1 ¡¡о 1 1 >( 1 ¡¡"2--Х (1.8-3.0 ■ 7*50.« 112 120.0 .1-1.6 - 0.5М> ЮЛ 10'

!

11С : 20 1

По результатам экспериментальных данных и выполненных расчетов была определена «опасная» зона предельных температур для эмалепокрытия, ограниченная пределами в 276,8 и 465 °С [14], ниже и выше которой оно успешно противостоит резким перепадам температур. Так, в интервале температур от 20 до 276,8 °С эмаль находится в напряженно сжатом состоянии и при медленном нагревании (~2 град/мин) при ас<ам опасных напряжений в эмалепокрытии не возникает. При температуре выше 465 "С эмалепокрытие переходит в вязкое состояние и напряжения уменьшаются. Те же процессы происходят и при остывании, только в обратном порядке. При этом важным фактором возникновения напряжений является скорость нагрева и охлаждения эмалепокрытия, особенно в зоне предельных температур (276,8 и 465 °С), поэтому рекомендуемый нагрев - 2 град/мин, охлаждение - 3 град/мин.

Коррозионное разрушение в основном прогрессирует также в местах концентрации напряжений и там, где появляются первые дефекты от разрушения эмалепокрытия. При этом коррозия трубопроводов проявляется в виде язв или канавок, параллельных сварочному шву.

Упругие напряжения и остаточные деформации металла и покрытия, возникающие при сварке, зависят от скорости нагрева и охлаждения в околошовной зоне, и влияют на изменение структуры металла и покрытия, по-

пижения их пластичности и образования кристалли¿анионных трещим. Если максимальное напряжение превышает прочность материала, то трещина распространяется. Причем существует критическая длина трещины, при которой происходит разрушение. При этом определили, что прочность обратно пропорциональна глубина трещины, которая в змалепокрытии составляет 0.0! 10,0 мкм. При этом с повышением температуры прочность эмалепокрыгия снижается.

Предложенный механизм определения термической стойкости эмалепо-крыгия позволяет в извссгной степени объяснить явления их разрушения в процессе монтажа и эксплуатации эмалированных трубопроводов, характеризующихся резкими изменениями температуры.

Установлено, что при воздействии резких перепадов температуры разрушение эмалепокрытий носит когезионный характер. Трещины в покрытии могут образовываться (две системы трещин - параллельная и перпендикулярная) как на его поверхности, так и в глубинных слоях.

Величина температурного перепада Д1:м будет зависеть от соотношения масс металла и эмали и выразится следующим уравнением, °С:

м. (2)

о,„

После введения в формулу буквенных обозначений, определяющих параметры трубы и эмали, это выражение приобретает следующий вид:

л, (3)

где 0„ - наружный диаметр трубы, м;

О,,,, - вну тренний диаметр трубы, м;

(1 - внутренний диаметр по эмалепокрытию, м; - плотность эмали, кг/м^;

С,,, - теплоемкость эмали, кДж/кг Т;

Ь„ - температура эмали, "С;

у - плотность металла, кг/'мл;

С« теплоемкость металла, кДж/кг'С.

11а рис.5 показаны величины температурного перепада в зависимости от соотношения толщины металла и эмали (по В.М. Гладушу).

Рис. 5. График температурного перепада В реальных условиях в процессе нагрева стальной трубы нагревается также и эмалепокрытие, поэтому фактический перепад всегда будет меньше расчетного. Он может быть минимальным при обжиге тонкого слоя эмали на трубах с толстой стенкой. В случае обжига толстого слоя эмали на тонкостенной трубе температурный перепад может достигать значительной величины.

Изучение механизма разрушения эмалепокрытий под влиянием резких перепадов температур и коррозионного воздействия представляет интерес с точки зрения выявления надежности и сроков использования трубопроводов с учетом их условий эксплуатации.

Проект 3.3 - исследование технических параметров соединения трубопроводов с СЭП с использованием защитной втулки

Исследование особенности металлургических процессов при сварке труб с силикатно-эмалевым покрытием и использованием защитной втулки показали:

1. Химический состав наплавленного металла в зоне сварною шва с\ше-ственно отличается от химического состава электродов, исходного состояния металла в зоне термического влияния и от состава эмалевого покрытия.

2 Установлено, что положение равновесия реакции окисления заданны., элементов (реакция диссоциации его оксидов) всецело определяется величиной упругости кислорода н равновесной системе.

3. В реальных условиях сварки последовательность окисления элемента сплава и скорость протекания окисления зависят не только от сродства элемента к кислороду, но и от концентрации его в расплаве.

4. Предупреждение пористости эмалевого покрытия и металла шва, связанное с выделением оксида углерода в стадии кристаллизации сварочной ванны, достигли введением в состав покрытия ферросилиция.

5. Установлен характер вторичной кристаллизации металла шва и его зависимость от химического состава, скорости охлаждения и ряда других факторов (тсплофизических свойств, термического цикла сварки).

6. Установлена оптимальная скорость проведения сварки (погонная энергия = 7 кДж/см) с использованием защитной втулки, что позволило получить оптимальный состав металла и силикатно-эмалевого покрытия, а также уменьшить зависимость влияния внешних факторов на качество покрытия.

7. Получены зависимости распределения температур и термоупругих напряжений в эмалевом покрытии трубы при охлаждении (нафевании) применительно к трубопроводам теплообменных аппаратов и определены эти значения. Результаты исследований позволяют использовать аналитические расчеты при проектировании систем теплопроводов.

8. Разработана методика расчетов прочностных свойств соединительных элементов трубопроводов, объемов и скорости перемещения среды, а также стойкости соединений трубопроводов при гидравлическом ударе, что позволяет просчитать надежность работы конструкции трубо-

проводных систем, их эксплуатационные характеристики, запас прочности и эффективност ь работы.

Проект 3.4 - разработка технологических решении по предотвращению н устранению дефектов на участках трубопроводов с СЭП в заводских и полевых условиях с применением защитных втулок

Предложена новая технология ремонта и восстановления дефектных участков эмалированных трубопроводов, а также методика контроля качества защиты внутренней поверхности сварного соединения, разработанная на основе результатов проведенных научных исследований и обобщения передового опыта в области создания и применения в трубопроводном строительстве труб с силикатно-эмалевым, стеклоэмалевым и остеклованным покрытиями, а также практики проектирования и эксплуатации (включая техническое обслуживание и ремонт) трубопроводных систем, имеющих этот вид покрытия и предназначенных для трубопроводного гидро- и пневмотранспорта. Предложенная технология прошла успешную апробацию и внедрена в условиях действующих трубопроводных систем ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель». По предварительным оценкам специалистов внедренная технология позволит увеличить срок эксплуатации эмалированных трубопроводов на 7-8 лет при относительно небольших затратах, связанных в основном с закупом втулок.

Разработанные положения позволят обеспечить повышение надёжности и долговечности трубопроводов, подверженных активному воздействию различных агрессивных сред. Основным условием эффективного использования труб с силикатно-эмалевым покрытием и падёжной эксплуатации транспортных систем, где используются эти трубы, является соблюдение комплекса мер по диагностике состояния действующих трубопроводов, направленных на обеспечение сохранности (целостности) покрытия на всех стадиях строительства, обслуживания и ремонта рассматриваемых объектов.

ПРОГРАММА 4: ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

Программа состоит из 2-х проектов и 3-х подпроектов.

Проект 4.1 - материалы и устройства

Накопленный промышленный опыт монтажа и эксплуатации трчбопро-водов показал, что соединение эмалированных труб обычными методами сварки невозможно без возникновения серьезных дефектов эмалевого покрытия. При сварке эмаль подвергается температурному воздействию дуги (5000 - 7000°С), вследствие чего она выгорает и испаряется. В целях обеспечения сохранности внутреннего эмалевого покрытия при сварке была разработана конструкция специального устройства с использованием шликерной пасты.

11одпроект 4.1.1 - устройство для защиты внутреннего сварного шва

В процессе выполнения работы был проведен анализ известных технических решений в области защиты от коррозии внутреннего сварного соединения труб с силикатно-эмалевым покрытием, а также опыта их использования при монтаже трубопроводов. Выявлены их особенности и недостатки. Проведены исследовательские и опытно-экспериментальные работы с целью упрощения процесса сборки трубопроводов, повышения надежности и долговечности сварного шва, в результате которых была разработана новая конструкция соединения с использованием защитной втулки, применение которого не противоречит' требованиям действующей нормативно-технической документации (рис. 6).

трубопроводов

І- ¿6 ± у ...í. Í.

Рисунок 6 - Схема соединения эмалированных труб до сварки

! .2 - спариваемые трубы; 3 - -шалевое покрытие труб; А выступ втулки; 5 - втулка: 6 ■ слом ,'iei коп.тавком эмали; 7 - эмалевое покрытие втулки

Предлагаемое соединение эмалированных труб, представленное на рис. 6, содержит две трубы (1 и 2) с внутренним силикатно-эмадевым покрытием (3) и защитную втулку (5) с внешним радиальным выступом (4), установленную коаксиально внутри труб. При этом втулка выполнена с разрезом по длине, а радиальный выступ расположен по всему периметру среднего сечения втулки. Защитная втулка имеет наряду с внутренним, внешнее эмалевое покрытие (7) такого же марочного состава эмали, что и эмалевое покрытие труб, а в качестве связующего компонента антикоррозионного покрытия, используют силикатную легкоплавкую эмаль (6) с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) равнозначным (близким) ТКЛР эмали труб и втулки.

Радиальный выступ по всему периметру втулки кроме выполнения функции, обеспечивающей симметричную геометрическую фиксацию труб по отношению друг к другу и втулке, при дуговой сварке частично оплавляется, перемешивается с металлом труб и сварочного электрода, а при охлаждении прочно сцепляется с корневым сварочным швом по всему периметру труб.

Разрез по длине втулки, выполненный по одному из предложенных вариантов: по линии, параллельной оси, под углом к оси втулки или по ломаной линии, обеспечивает компенсацию напряжений, возникающих от термических и механических воздействий при сборке соединения, включая сварку.

Значительную роль в предлагаемом соединении эмалированных труб выполняют конструктивные особенности втулки. Соотношения геометрических размеров радиального выступа втулки, длины и толщины ее стенки должны быть взаимоувязаны с толщиной стенок соединяемых труб, обеспечивая высокое качество сварного шва и его защиту, а также надежную защиту эмалевого покрытия труб в зоне термического влияния дуги.

Для определения соотношения размеров радиального выступа втч.ткн. длины и толщины ее стенки (рисунок 6) в зависимости ОТ ТОЛЩИНЫ С1СПОК соединяемых труб была предложена методика расчета указанных параметров и проведены исследования качества защиты сварного соединения на опытных образцах соединяемых груб различных типоразмеров. Экспернменталк по установлены пределы соотношений геометрических параметров соединительной втулки с учетом образования изотермического температурного поля в зоне термического влияния, создаваемого при формировании корневого шва в процессе сварки труб с различной толщиной стенок.

Для расчета длины втулки, как основного параметра, предложена формула:

1 = (4)

где I. - ширина втулки, см;

Я - расстояние от центра источника тепла до границы зоны термического влияния, ограниченной изотермой Т'С, см. где Ь ■ толщина стенки свариваемых труб, см;

к - коэффициент зависимости ширины втулки от толщины стенки свариваемых труб, полученный расчетным путем (для труб с толщиной стенки от 3 до 28 мм к = 2.1).

Расстояние от центра источника тепла до границы зоны термического

влияния (Я), определяли по формуле:

р - 2'а'р

, (5)

где а - коэффициент температуропроводности материала, см2 /с, (аст„ = 0,075-0,09, аМ№, = 0.95-0,96, а„„а„„ = 0,06, ашюм„Н111,= 1,0); р - безразмерная величина, полученная расчетным путем по і-рафику изотермы

0 при температуре плавления эмали; V - скорость сварки (скорость перемещения источника тепла),см/с. При этом:

, (6) где X - теплопроводность материала (Хами™ 0.38-0,42), Вг/см-°С;

І «¡шімшя температура в юне термического влияния па расстоянии К, ранмам температуре плавлении легкоплавкой эмали, °С;

8 - аффективная тепловая мощность процесса сварки.

Для расчета 6 ,ф использовали формулу:

Є = І*. ■ и, ■ п , (7)

! ле - сила тока при сварке, Л,

I', - напряжение дуі н. В;

її - к.п.д. сварочной луги (расчетное значение 0.8).

В результате исследований были определены следующие технологические соотношения ширины (I) и высоты (Ь) радиального выступа втулки, а также длины (1_) и толщины (:) ее стенки к толщине (5) стенки соединяемых груб:

1 / 8 = (0,1 - 0,3), Ь / Б = (0,2 - 0,6), Ь / Б = (2 - 5), Г / Б = (0,12- 0,35).

Использование полученной методики расчета геометрических параметров позволило определить ряд типоразмеров соединительной втулки в зависимости от существующего сортамента труб с силикатно-эмалевым покрытием (табл. 5)

Типоразмеры соединительной втулки и зависимости от сортамента груб

Таблица 5

Параметры свариваемых труб, мм

Диамс ір свари- \ і риемі.іх іруб І \ Толщина стенки . !__ірхй__і

Длина, 1._

57 ■ 25П

251-460

6-8 10-16 Размеры втулок, мм

2,5-3,0 ! 2,5-4,0

461 - 730 6- 10 і 12-24

731 - больше

>14

40-45 і 5(1 1

! 3.0-3.6 : 3,4 4~.5 і

І 1,8-2.8 ! 2,0-3.0 |

| 2.5-3,5 Г"Ї'.0ЙГ0~1

І олщима, І

1,6-2,0

1,8-2,4

Ширина выступа. І

1,0-1,4 ; 1.2-1.6

_ Высота втулки,И ! 2,0-2,5 і 2,0--3,0

6- 12

30 2,0-2,4

35

35

2.4

1,4-1,8

1.4-1,8

2,4

3,0

40 2,6 3.2

2.0 ^ 1,5-2,5 3,0 Г 2,5-4,0

Подпроект 4.1.2 - специальный легкоплавкий незамерзающий шликер Проведенные испытания опытных образцов соединительной втулки показали, что основным недостатком применяемых в настоящее время шликеров специальных силикатных эмалей является сравнительно высокая температура кристаллизации (около 0°С) водной основы, что не позволяет исполь-

човать их в нолевых условиях при от рицательных температурах окружающей среды.

В процессе выполнения работы был проведен анализ теоретических предпосылок и возможных технических решений по изготовлению шликеров силикатной эмали с низкой температурой кристаллизации.

Исходя из общих принципов шликерной технологии эмалирования и учитывая, что шликер является дисперсной системой, можно сформулировать основные требования, которым должен удовлетворять шликер как технологический объект:

- быть ссдименгационно устойчивым и при хранении в течение длительного времени не должен давать плотного неперемешивающегося осадка:

- при нанесении на изделие под механическим воздействием легко стекать с удалением излишков с поверхности изделия;

- после удаления излишков и прекращения механического воздействия оставшийся слой должен обладать способностью к самофиксации, предотвращающей вторичное течение и оголение поверхности субстрата;

- в результате сушки мокрого слоя обладать достаточной механической прочностью и сохраняемостью, а его компоненты при обжиге не должны вызывать излишнего газообразования в толщине обожженного слоя.

Следовательно, эмалевый шликер должен быть седиментационно устойчив, при определенных условиях иметь свойства, присущие жидкостям, а после нанесения на изделие должен приобретать характеристики практически твердого тела. Этими свойствами обладают структурированные полидисперсные коагуляционно-тиксотропныс системы к классу которых и относятся эмалевые шликеры.

Для создания необходимой структуры шликера в качестве жидкой фазы обычно используется вода, имеющая высокую температуру кристаллизации.

Жидкость, которая може і заменит ь воду в шликере, должна отвечать следующим требованиям:

- температура кристаллизации ниже -20°С:

- возможность создания грубодисперсной структуры с эмалевой фриттой;

- срок хранения близкий к сроку хранения водного шликера;

- экологическая безопасность используемых материалов;

- невысокая стоимость.

Наиболее близок к воде по структуре и электролитическим свойствам класс спиртов, образующих при диссоциации анионы 01 Г и катионные комплексы. Кроме того, температура кристаллизации спиртов -20°С. В качестве жидкостей, заменяющих воду, были исследованы: бутанол, глицерин, ме-тилпропапод, этиленгдиколь и нефть.

В результате проведенных исследований установлено, что все предложенные жидкости дают незамерзающий шликер. Однако шликер нужной структуры и вязкости позволяет получить только применение этилепгликоля и бутанола.

Полпроект 4.1.3 - способ соединения эмалированных труб с использованием специального устройства Соединительная втулка наряду с внутренним имеет внешнее эмалевое покрытие такого же марочного состава эмали, что и эмалевое покрытие труб, а в качестве связующего слоя используют специальную силикатную легкоплавкую эмаль с ТКЛР, близким ТКЛР эмали труб и втулки. Перед эмалированием после разреза втулки по длине, осуществляют ее развальцовку по внешнему диаметру до размера внутреннего диаметра эмалированных труб. После эмалирования втулку сжимают до смыкания стенок в местах ее разреза. Затем на соприкасаемые поверхности элементов соединения (втулка и концы труб) наносят шликер легкоплавкой эмали. После размещения втулки внутри труб, поверхности соприкосновения элементов соединения прижимаются друг к другу за счет аккумулированной энергии, освобожденной при разжатии втулки. Сварку соединения производят обычным способом. Ис-

пользование тепловой злері пн. накопленной металлом стенок тр\б при наведении корневого сварного шва, позволяет сформировать антикоррозионное покрытие в виде эмалевой композиции (эмали труб, втулки и силикатной легкоплавкой эмали) по всей поверхности контакта концов труб с втулкой.

Развальцовка разрезанной втулки до размера внутреннего диаметра эмулированных труб позволяет аккумулировать механическую энергию при сжатии втулки, которая затем используется для плотного прилегания поверхностей соприкосновения соединительной втулки и концов соединяемых труб. Это обеспечивает автоматическую компенсацию зазоров между внутренними диаметрами труб и наружным диаметром втулки, возникающих из-за погрешности изготовления, допусков, отклонений по эллипсности. а также колебаний толщины эмалевых покрытий. При разжатии втулки внутри труб происходит принудительное заполнение пустот пастой шликера силикатной легкоплавкой эмали. Таким образом, между слоями эмалевого покрытия из одинаковой марки эмали на трубах и втулке формируется слой шликера силикатной легкоплавкой эмали. Выбор легкоплавкой эмали связан с использованием тепла от сварки труб на максимально возможном расстоянии от корневого сварного шва. 11ри образовании сварочного шва от тепла, аккумулированного металлом труб и втулкой, шликер расплавляется с образованием промежуточного слоя силикатной эмали. В тоже время эмалевое покрытие труб и втулки оплавляется без потери исходного сцепления с металлической поверхностью. В этот период создаются благоприятные термодинамические и кинетические условия для образования прочных химических связей фазовых составляющих компонентов основных эмалевых покрытий с силикатной легкоплавкой эмалью.

Таким образом, при формировании корневого сварочного шва кроме торцов стенок труб происходит расплавление металла верхней части выступа втулки. От тепловой энергии, выделяемой при сварке и передаваемой через выступ и стенки труб, происходит прогрев и размягчение эмалевого покрытия труб и втулки, а также расплавление шликера легкоплавкой эмали. При

сварке в результате действия сил поверхностного натяжения и массы жидкого металла, жидкой легкоплавкой эмали и давления сварочной дуги происходит термодинамическое взаимодействие между контактирующими расплавами эмалей. Благодаря близким значениям ТКЛР эмалей, в процессе остывания сварного соединения происходит формирование прочного, плотного с достаточной пластичностью антикоррозионного покрытия из эмалевой композиции по всей длине и поверхности соприкосновения втулки с концами соединяемых груб. При этом втулка (через радиальный выступ) и трубы соединены корневым сварочным швом, что усиливает прочность соединения в целом.

Проект 4.2 - научно-техническая документация

В процессе выполнения работы основное внимание было уделено отработке технологии соединения и испытанию опытных образцов соединительных элементов с целью получения экспертных заключений от потенциальных потребителей и разрешающих органов. Для проведения испытаний была разработана и утверждена временная технологическая инструкция по соединению эмалированных труб с защитой сварного шва силикатно-эмалевым покрытием и изолирующей втулкой. По результатам испытаний были получены положительные заключения и рекомендации от проектных организаций и организаций - разработчиков (ООО «Институт ВНИИСТ», ОАО «МЕТХИМТЭКС», ОАО «Уральский институт- металлов», ФГУП КТБ ЖБ, ООО «Эмаль-Ставан»), от организаций - производителей эмалированных труб (ОАО "НЕГАСПЕНЗАПРОМ", ЗАО "НЕГАС", ООО "Самаранеф-тепромстрой"), от эксплуатирующих организаций (ОАО "Уралэнергострой", ОАО "Уралмашзавод", ЗАО "Технология"). На основании полученных заключений и протоколов испытаний совместно с ОАО "Институт ВНИИСТ" и был разработан проект технологической инструкции по сборке и сварке эмалированных труб и соединителышх деталей с использованием внутренних эмалированных соединительных втулок новой конструкции, который был

передан на рассмотрение и согласование в ! осгортехнадзор России. Письмом Л"«10-03\519 от 26.04.2004г. Управлением по надзору в нефтяной и газовой промышленности Госгортехнадзора России Инструкция оы.па согласована, что дало возможност ь начать работы по промышленному внедрению соединительных элементов.

Для организации промышленного производства соединительных элементов были разработаны, утверждены и согласованы с основными организациями-потребителями технические условия ТУ 14-2Р-387-2011 «Втулки стальные соединительные с силнкатно-эмалевым покрытием».

ПРОГРАММА 5: ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛОЖЕННЫХ РЕШЕ11ИЙ

Программа состоит из 2-х проектов.

Проект 5.1 - научно-технический эффективность

Научно-техническую эффективность предложенного развития и усовершенствования технологии соединения систем трубопроводов с силикатно-лмалевым покрытием и защитой сварного шва можно оценить на основе анализа уровня комплекса решений, который представлен в табл. 6.

Анализ уровня разработок

Таблица 6

Наименование и единицы измерения гюка-

Значения показателей

1

лучших иромышленно освоениях объектов техники аналогичного назначения (источник ин-

_формации, страна, фирма)

' Отечественных ' ' Зарубежных

" 2 Г 3

I I.Увеличение срока эксплуагации трубо- '

■ проводим* систем с силикатио-эмалевым ■

1 покрытием, кол-во раз: I

| -нефтепромысловых !

1-пульпопроводов___

I 2.Увеличение пропускной способности | трубопроводов с енликатно-эмалевым по-I крыт нем.%

3.Повышение надежности защиты зоны сварного соединения труб (поры; ВОН/КМ ГОлГ

Потери 7,0 (из-за уменьшения сечения)"'

Потери 6.0

(из-за уменьшения сечения)1'

0,084

0,08

плаиируе- | достигнутые мые показа- ! результаты тел и I

I

5" 5"

6"

10-15

0,05

29.0"

Нет данных

Окончание таблицы 6

1 2 4 5

4.'Зашита сварных стыков с нормативным Віллкп изготав- Повышенные Обеспечи- Обеспечива-

p<i <vepi)M смешения кромок ci ык> емь;\ ливают ннлпнн- І'реООіШШЯ К ваеч защит. ет защиту за

i р\ о луально(иногда юнчскам счет измене-

партиями) после труо. калио- нии ГЄОМЄ'1 -

оомеров тр\'0 розка концов труо рических размеров

: И и люжность зашиты сварных счыкон Не применяется 1 le применя- Возмож- Исполыуеч-

:Ои .UMeiiC IpcMOlKC) \4dCTKOh ipyuonpo- ется ность ис- СК

ti.v.lC'i'. пользовании

'•..1 ipoCTOl il II 1С\НОЛОГИЧН0СТЬ операции

i■:'•]! iiLiriViKюэ.-шнн тулок. минимальные

¿arpiSTbí времени при монтаже, мин 75.0 75.0 '' 45,0 30,0^

".Металлоемкость соедини ! ел ьны\ лле-

мен'юн. к! f д. г я л нам. 219 мм) 5,25:| '1.6-' 1.53-0,92 (снижение ñ 3-5 раз) U,7 (снижение о 6,5 раза)

.4.0 Ч'имость изделии ¡i ценах 2006 roía.

osó. i.;li4 лиам. 21<) мм) 3 860.00 6400.00 1544-1286 (снижение в 2,5-3.0 раза) 1 150.00 (снижение в 3.35 раза)

V. возможность монтажа соединения при ! Индукционный Индукцион- Ьез допол- Ьез дополни-

отрицательных температурах без дополни- ПОДОфеВ зоны ный подогрев нительного тельного

тельного ооорудоиання і с 11.1 ка (требуется зоны стыка ооорудопа- ооор\ доиа-

1 дополнительное (требуется ння. Ис- ния. Исполь-

оборудование) дополнитель- пользуется зуется неза-

ное ооорудо- незамерза- мерзающий

ваннс) ющий шликер шликер''

; К).Характеристику! защитного покрытия и

; герметизирующего слоя: 0,14-1,2І}

^ -коррозионная стойкость (20% MCI), 0,11-0,15 0,10-0,13 0.09"

| mi'см* час

: температурный предел применения, СС і До 120вС" До 150вС2' До 150°С До 350йС

Проект 5.2 - экономическая эффективность

Экономическая эффективность технологии соединения систем трубопроводов состоит в том, что, данная работа, научно обоснованная, многократно повышает производительность труда, сберегает рабочее время, уменьшает потребление сырья, изнашивание техники, создает принципиально новые экономические возможности.

"Патент РФ №2080510 от 18.05.95 «Соединение эмалированных труб».

Изготовитель втулок - фирма ООО «Целер» (г.Самара). '^Патент США №3508766 ог28.04.1970 «Сварочное соединение труб, имеющих внутреннее покрытие». Патент США №5342661 от 13.09.1994 «Соединение труб на внутреннюю втулку». Изготовитель втулок - фирма «Tuboscope Veteo International» (США), "lio результатам стендовых и полевых испытании.

"Г1о данным Пензенской Государственной Архитектурно-Строительной Академии. 5)Г1о данным ОАО «ВНИИТнефть», РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина.

Точно подсчитать интегральный экономический эффект от предложенных решений сложно. Но можно укруппенно представить экономический эффем от внедрения:

Объем производства соединительных элементов составляет 40 0U0 пп/год, что позволяет смонтировать 400 км трубопроводов с снлика ■■:!■:■ эмалевым покрытием.

Средний диаметр трубы принимаем 159 мм.

Вес обший трубопровода - 40 тн/к.м.

Цена черной трубы - 35 ООО руб/тн.

Цепа эмалированной трубы - 70 000 руб/тн.

Аналитическим способом установлен коэффициент снижения суммарной стоимости трубопроводной системы - 0,58 [15]. С учетом возможных погрешностей принимаем - 0,5.

Отсюда экономический эффект составит:

400 км х 40 тн х 70000 руб х 0.5 = 560 млн. руб/год.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Автором за период 2003-2011 г.г. были выполнены следующие исследования и работы:

- 11роведен анализ технического уровня защиты внутренней поверхности сварных соединений эмалированных трубопроводов.

- Изучены причины и механизмы разрушений эмалевых покрытий в зоне сварного шва, а также способы их предотвращения.

- Проведен анализ особенностей сварки трубопроводов с эмалевым покрытием.

- Определены условия для формирования эмалевого покрытия в зоне сварного шва.

- Определены критерии выбора состава силикатной эмпли, используемой в качестве промежуточного слоя между эмалевым покрытием свариваемых труб и соединительных элементов.

- Решена задача по защите эмалевых покрытий в зоне термического влияния при сварке трубопроводов.

- Разработан новый способ и технология соединения трубопроводов, обеспечивающая их стабильную эксплуатационную надежность и прочность.

- Предложенный способ соединения эмалированных труб согласован с ОАО «ВНИИСТ», Госгортехнадзором России, с другими эксплуатирующими организациями, включен в «Инструкцию по строительству, эксплуатации и ремонту трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием».

- Освоено промышленное производство защитных втулок для различных диаметров трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием. Втулки поставляются по ТУ 14-2Р-387-2011 «Втулки стальные соединительные с силикатно-эмалевым покрытием» в комплекте с монтажным шликером.

Вывод: Поставленные задачи для решения вопроса качественного соединения трубопроводных систем с силикатно-эмалевым покрытием успешно решены в полном объеме. Предложенное комплексное решение лучше применяемых до настоящего времени способов и позволяет получить качественное соединение трубопроводов сваркой с эффективной защитой сварного шва.

Список цитируемой литературы

1. Н.Л.Гукасов. Ю.Н.Михайловский. В.И.Рнккер. «Теория, практика и мерспект^гш использования |руб. по крыты ч счоклоэмалыо».- М:, ПИК ВНИИОЭПГ. 2000.

2. С.В.Колеспев. «Омыт экспл\а1апии нефтепромысловых тр\б с еиликатио-змалсвым мокрыъ ОАО («-Самаранефчеиз». Материалы конференции. Приволжский лом знаний. Пенза. 2004.

3. I ехно.ю! ия эмали и защитных покрытий. Учеб. пособие / Пол ре л. Л .Л. Красиной. А.П. Зч-бечпна. -Харьков: 1П У «ХПИк Новочеркасск: ЮРП У (НПИ), 2003.

4. Разработка показателей качеств шмалены\ покрытий на Iр>ба.\. применяемых в раипчпыу очрас/.^4; промышленности. Отчет НИР. -Нкатерипбург: ОАО УИМ. Тема .М- 25538. 2003г.

5. Патеншыс исследования техническою уровня зашиты внутренней поверхности сварных сос.ыае-:11-111 эмалированных н остеклованных трубопроводов. Отчет НИР - Ькатеринбург.: ОАО 2ои.\

0. Стеклоп О.И. Техполо1ия сварки трубопроводов с двухсторонним эмалевым покрытием. - ( марочное производство, '1958, №2.

"\ Патент РФ ЛЪ2080510 от I8.05.95 «Соединение эмалированных груб».

8. Патент США №3508766 от 28.0M.I970 «Спарочнос соединение труб, имеющих внутреннее покрытие».

9. Пачегп США №5342661 от 13.09.1994 «Соединение труб на внутреннюю втулку».

К). Операционная технологическая карта сборки и ручной электродуговом сварки стальными электродами с покрытием основного ни да кольцевых неповоротных (поворотных) стыков с инутреи-нпм сгекляппым покрытием. Утв. гл. сварщиком ОАО «Норильский никель» Л.Д. Моториным.-Норпльск, 2005.

11. 14 ководетво по технологии сварки трубопроводов из стальных груб с наружным и внутренним сн-ликатно-эмалевым покрытием.-М: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 1997.

12. Мансутов Р.Л., Канн Л.Г. «Остеклованные трубы в нефтяной промышленности» М:. Недра. 1973г.

13. Ибрагимов 11.10. Определение оптимальной толщины стеклопокрытия чепдообменной трубы. Промышленная энергетика, 1999, №12.

14. Отчет НИР по Госконтракту (№51б2р'4656 от 04.06.07): -Екатеринбург. 2007.

15. Совершенствование систем подачи и распределения воды с применением труб, покрытых эмалью. Демидочкип В.В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук:-Нета. 2000.

Основные публикации по теме диссертационного исследования

1. Пат. .N"2 2227241 РФ, МПК К16Ь8'04. Соединение эмалированных труб и способ его выполнения-Л.Л.Смирнов. В.И.Рнккер, Л.К.Казак . Заявлено 20.05.03. Опубл. 20.04.04. 6ю.ч. 1.

2. Пат. № 52967 РФ, МПК П6ПЗ/02 (2006.01 )В23КЗ 1/00(2006.01). Устройство .ия защиты внутреннего сварного шва трубопроводов' А.К.Казак, В.В.Диденко . Заявлено 27.06.05. Опубл. 27.04.06. Ьюл. № 12.

3. Пат. № 2264359 РФ, МПК СОЗС8/22. Эмалевый шликер грунтового покрытия, способ эмалирования и эмалевое покрытие металлоизделия, выполненное с его использованием/ А.К.Казак, В.В.Дилепко. А.А.Сиротинский. Заявлено 26.07.04. Опубл. 20.11.05. Ьюл. № 32.

4. Пач. № 2368573 РФ. МПК СОЗС8/22 (2006.01). Масса для получения силикатного эмалевого покрытия на стали/ А.К.Казак, В.В.Диденко, Заяалено 12.05.2008. Опубл. 27.09.09. Бюл. №27.

5. Пат. № 2440935 РФ. Эмалевый шликер (варианты)/Казак А.К., Дпденко В.В.. Казак М.К. Заяилсио 18.06.2010. Опубл. 27.01.2012. Бюл. №3.

6. Решение о выдаче патента на полезную модель от 01.08.2012. Соединение эмалированных труб. Заявка №2011147455/06(071141). Казак А.К., Казак К.В., Дидснко В.В., Дудкин С.И.

I I гренок i и мы нсполишнлння дпатомиитого сыр1»и С нерллонской области и эмалировочном пронз-нолс.мс Cickjio и керамика - 2006.- J&3.- С .28-30. Лачуткима О. IV, А. К. Ката к S. ] 1сслсдонание жспд\ a i анионных характеристик эмалей для эмалирования труб'/Стскло и керамика,- 200>. №7. -С.33-34 Лазуткина О.Р.. А.К'.Кизак.

Злили a cncieM трубопроводом надежный способ предотвращения тс\нО(еппых аварии/ Казак А.К. Материалы всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов-", •

Нкачеринбург. 2004.

И). Перспективы применения трубопроводных систем с антикоррозионным силикатно-эмалевым по-крышем и теплогиароизоляциеи' Камк A.K. Межрегиональная научно-практическая конференция 'Инженерные системы, сети и коммуникации: эффективные технологии*. Материалы конференции,- r.Kciicpmióypr. KOCK «Россия^. 1). Новый способ соединения jруб с внутренним силикатно-э.малевым покрытием/ А.К.Казак.

1).13.Дпденко. Сборник докладов ОАО '(Уральский институт металлов»,- 2004 гол. 12 Решение проблемы зашиты зоны сварного соединения трубопроводов/ Казак Д.К". Научпо-течническая конференция «Состояние и перспективы развития производства новою поколения си-ликатно-лмаленых покрытий для зашиты металлоизделий от коррозии». Металл0кспо-2006. VI.: Сборник докладов. 2007. I 3. Сплнкатно-шаденые покрытия труб'/Энергетнка региона,- 200*1. Ж2. А.К.Казак, В.В.Дплсико. i-I. Разработка и внедрение новых технологий в эмалировании Казак А.К. Международная конференция-выставка «11родукиия и технологии Урала для Неларуси». Могилев. Жлобин.- 2004 год. !х Повышение надежности трубопроводов. Решение проблемы защиты внутренней поверхности сварного стыка трубопроводов с антикоррозионным покрытием I Казак А.К., Журнал «Деловой север». - Екатеринбург 08/20/2008.

Отпечатано в типографии ООО «Издательство УМЦ УПИ» 620078, Екатеринбург, ул. Гагарина, 35а, оф. 2. тел. (343) 362-91-16, 362-91-17 Заказ ###8 Тираж /00

12-23 176

2012351662

2012351662