автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Технологические и металлургические принципы создания электродов основного вида для сварки металлоконструкций нефтегазовых объектов

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Макаренко Валерий Дмитриевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ОСНОВНОГО ВИДА ДЛЯ СВАРКИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.03.06 "Технология и машины сварочного

производства"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Челябинск-1998

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Макаренко Валерий Дмитриевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ОСНОВНОГО ВИДА ДЛЯ СВАРКИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.03.06 "Технология и машины сварочного

производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени док гора технических наук

Челябинск - 1998

Работа выполнена в Нижневартовском филиале Тюменскогс государственного нефтегазового университета

Научный консультант - профессор, доктор технически

наук Котельников Д.И.

Официальные оппоненты-

Ведущее предприятие

профессор, доктор технических

наук Бороненков В.Н. /г.Екатеринбург/ профессор доктор технических наук Россошинский A.A. /г.Киев/ профессор, доктор технических наук Гончаров А.Е. /г.Курган/

ОАО "Нижневартовскнефтегаз г. Нижневартовск

Защита состоится "_ / » циОи^ 1998 г. ъ(£ часов на заседании диссертационного Совета Д 053.13.08 пр Челябинском государственном техническом университете п адресу: 454080, г.Челябинск, пр. Ленина, 76.

Ваш отзыв в 2-х экземплярах, заверенных печатью просим направить по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ЧРП Телефон для справок: 39-94-47.

Автореферат диссертации разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук

В.В. Ерофее

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Возрастающие потребности в энергоносителях вынуждают интенсифицировать добычу нефти и газа, что связано с освоением нефтегазовых месторождений в северных районах Западной Сибири с суровыми климатическими (изменение температуры от +30 до -60 С ) и природно-

геологпческимп условиями, предъявляющими высокие требования к качеству сварочно-монтажных работ. Отечественные (УОНИ-13/55, ДСК-50. СМ-11. ВП-6 и др.) и зарубежные (Шварц-ЗК. Гарант, Филипс 27Р, ОК73.36, ЛНО-1 1. ЛНО-9 и др.) элеклроды по своим характеристикам не полностью удовлетворяют современным требованиям из-за крупнокапельного переноса металла и низкой стабильности горения дуги, что вызывает поры, нссплавлеппя, шлаковые включения и другие дефекты в сварных швах, снижает качество и коррозионную стойкость сварных соединений, выполненных в монтажных условиях. Используемые электроды основного вида не обеспечивают надежного провара корня шва, формирование плавных выгнутых швов внутри разделки и выпуклого "обратного" валика внутри трубы, что снижает прочность и трешиностойкость сварного шва. Из-за неоднородности химического сослана, структуры, свойств и напряженного состояния сварною соединения, наиболее интенсивные коррозионные разрушения происходят именно в этой юне, что и определяе! реальный срок службы всей металлоконструкции.

Существовавшие до сих пор научно-технические разработки в повышении сроков службы нефтегазопроводов обнаруживают противоречия и неопределенность, отсутствие количественных шучно обоснованных рекомендаций по составу электродных ■ллюриалов и технологии сварки неповоротных стыков ipiiMCHii зельно к изменившимся условиям, эксплуатации тефтегазопроводов, необходимость комплексного и системного «учения- и определения оптимальных антикоррозионных, металлургических и технологических мер при изготовлении и темонте нефтегазопроводов в трассовых условиях.

Решение научио-практической проблемы, направленной на )а ¡работку высокоэффективных ресурсосберегающих

ехноло!нчеекпх процессов и материалов изготовления 1еталлоконструкций нефтегазовых объектов для условий ксплуатации Западной Сибири, имеющей важное народно-

хозяйственное значение, представляет собой актуальную задачу.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является разработка принципов совершенствования и повышения эффективности ручной электродуговой сварки и качества сварных соединений металлоконструкций нефтегазовых объектов в условиях Западной Сибири на основе решения следующих важных научно-практических задач:

1. Разработка аналитических методов, аппаратуры и критериев количественной оценки и оптимизации сварочно-технологических свойств электродов, феноменологических моделей и таблично-аналитических методов выбора технологических параметров сварки металлоконструкций нефтегазовых объектов в полевых условиях.

2. Установление закономерностей влияния состава покрытия (шлака), коэффициента массы и эксцентриситета покрытия режима сварки, положения шва в пространстве, типа связующего на перенос расплавленного металла и стабильность горения дуги; разработка моделей и средств управления составом покрытия, обеспечивающим высокие сварочно-технологическис свойства электродов в широком диапазоне режимов сварки I монтажных условиях.

3. Выявление взаимосвязи между длительностью коротки) замыканий и характером переноса электродного металла Разработка расчетно-экспериментального метода определенш кинетических параметров переноса электродного металла.

4. Исследование и разработка рекомендаций по оптимизацщ химического и структурного состава металла шва, и способо! реализации, обеспечивающими высокие вязко-пластическш характеристики сварных швов хладостойких сталей пр1 отрицательных температурах (до -60 С).

5. Разработка комплексных методов повышения коррозионнор стойкости сварных соединений и основного металл; нефтегазопроводов и их практическая проверка в условия; Западной Сибири.

6. Изыскание новых сырьевых материалов и способов и: применения в качестве пластификаторов, шлакообразующих 1 модифицирующих добавок в электродном покрытии улучшающих технологию изготовления и повышающи: сварочно-технологические свойства электродов обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристик!

наплавленного металла. Разработка новых марок электродов с покрытием основного вида, проведение их испытаний, опытно-промышленной проверки и внедрение на объектах нефтегазовой промышленности.

Научная новизна работы заключается в комплексе еоретичееких п экспериментальных исследований, разработке ехнологических и металлургических принципов создания новых нпнерсальных электродов с улучшенными сварочно-ехнологическими свойствами и высокими вязко-пластическими и орро ¡ионными характеристиками наплавленного металла, в астности:

1. Разработаны аппаратура и методика количественной пенки характера переноса расплавленного металла и стабильности орения дуги переменного тока при сварке покрытыми лектродами. основанная на статистическом анализе изменений лектрофизических параметров сварочного контура, с спользованием измерительно-аналитической системы АНП-] и >ВМ. В качестве основного критерия оценки характера переноса пектродного металла предложено использовать длительность

орогких ¡амыкапий ТК1 (мс), а стабильности горения дуги -оказатель Вз ( Ом"1 с"1), характеризующий среднюю скорость арастания проводимое! и 15 межэлектродном промежутке в редд у г о в ой н ер 11 од.

2. Установлено, что количественная взаимосвязь размеров 1ассы) электродных капель и длительности коротких замыканий

)к. Мк и Тк 0 при сварке покрьпыми электродами описывается >авнениями регрессии первого и третьего порядка:

0.1 I...0.20) Тк < (мм) и Мк-(0.14...0.33) х 10"4Т\,ч(г). где ^к.ч в

На основе установленных зависимостей, являющихся атистической моделью процесса переноса электродного металла с >роткими замыканиями, разработан расчетно-экспериментальный

.мод определения кинетики переноса, размеров, массы и >лпчесгва переходящих капель и их распределения.

3. Выявленные взаимосвязи критериев Ткз и Вз с

раметрами режима сварки и состава шлака позволяют югнозировать и регулировать процессы плавления электрода,

переноса металла и стабильного горения дуги переменного тока при сварке в монтажных условиях.

4. Разработана концепция создания универсальных электродов с улучшенными сварочно-технологическими свойствами, в основу которой положены принципы выбора оптимального содержания и соотношения основных газошлакообразующих компонентов (СаСОэ, CaO, CaF2, Si02, Ti02) фтористокальциевого покрытия с учетом изменений его коэффициента массы и эксцентриситета, состоящие в

необходимости получения мелкокапельного переноса металла (Тк.з < 12...14мс, 1св—1 ЮА), стабильного горения дуги (Вз> 130...140 Ом"1 с"1, 1св=160А) при сохранении высоких технологических свойств

электродов (незначительное разбрызгивание металла й^нь=1...3%,

3 2

легкая отделимость шлаковой корки Ауд=4...6 х 10 Дм/м , качественное формирование металла шва) при сварке в различных пространственных положениях и переменном монтажном зазоре (от 0 до 5...7мм). Этим требованиям удовлетворяют шлаки, в которых (Si02+Ti02)=25...35%, a CaF2/Z(CaO+CaF2)=0.30...0.45; причем CaF2 в шлаке составляет 20...25% при его основном Косн=1.2...1.4. Эти композиции реализуются при соотношении "мрамор-плавиковый шпат" в покрытии, равном 1.3...2.0, и содержании плавикового шпата не более 20...25% при коэффициенте массы покрытия 55...60% и его эксцентриситете 0.05...0.10мм.

5. Установлено, что для сварки на переменном токе высокая стабильность горения дуги (Вз > 130... 140 Ом"'с"', 1св=160А) и высокие технологические свойства электродов обеспечиваются при содержании в покрытии основных газошлакообразующих компонентов: 20...40% СаС03, 5...25% CaF2, 5...10%Si02, или ТЮ2, поскольку активными дестабилизаторами дуги являются пары SiF4, TiF4 и CaF2, при этом стабильность горения дуги возрастает:

1) с изменением диаметра электрода от 3 до 5мм и при сохранении коэффициента массы покрытия в пределах 50...60%;

2) с изменением плотности тока от 11.1 до 15.9А/мм2. эксцентриситет покрытия должен быть <0.05...0.10мм, так как егс

увеличение с 0.10 до 0.3мм увеличивает Тк.з в 1.3...3.0 раза и снижает Вз в 1.3...2.0 раза.

6. Установлена последовательность влияния оксидов делочных металлов при их равной концентрации на улучшение

арактера переноса электродного металла: Li20; Na20; К20; Cs20, то позволило установить оптимальное содержание и скомандовать их применение в электродных покрытиях.

7. Установлено, что комплексные лигатуры, содержащие ЗМ. Zr. Ва - модификаторы, во фтористокальциевых покрытиях беспечивают ударную вязкость (KCV) металла [ива со 100 до 180 ,ж/см~ при t=+20'C и от 40 до 80 Дж/см~ при t= -40ПС благодаря игженшо в 1.5...2 раза содержания водорода и кислорода в оплавленном металле при одновременном повышении содержания

;ота в 1.2 раза, увеличении Тк i в 1.5...2 раза и Й^нб в 2...3 раза .

пределено, что оптимальным является содержание в-покрытии одифицирующих комплексных лигатур в пределах 1...2% при их [сперсности 0.2...0.3мм.

8. Установлено, что для повышения коррозионной ойкости отечественных и зарубежных низкоуглеродистых и 13колегированных сталей, используемых для производства :фтегазопроводов, необходима термообработка или псролегированнс РЗМ и ЩЗМ. Определены оптимальные щцентраиип .микролегирования низколегированных трубных алей ( в " и): Се 0.01...0.03: Y 0.01 ...0.025; Ва 0.007...0.015; I 0.001...0.0025; Zr 0.02...0.004 и металла сварных швов фтегазоироводов ( в 1> »):

* 0.01 ...0.02; Y 0.015...0.022; Ва 0.0014...0.0025; Са 0.0012...0.0020: Zr )31 ...0.044. Это повышает трещнностоикость и вязко-астические характеристики стали и сварных соединений путем мельчения зерен аустенита и бейнита, очищения их границ, лбуляризаиии сульфидных соединениП Fe и Мп, снижения личсства неметаллических включении при одновременном гличении их дисперсности и равномерности распределения в зуктуре S, Р, Мп и Si.

9. Установлено, что активация питтинговой жтрохимическои коррозии сварных соединений ¡п ¿газопроводов Западной Сибири вызвана п>фатвосстанавливающнми бактериями и локализуется в их тонных зонах с зарождением микротрещин, вызывающих 1Бфидное растрескивание в зоне термического воздействия [рного соединения и развитием его по границам зерен вплоть до

разрушения конструкции.

10. Установлено, что наиболее высокие и стабильные

2 0

значения ударной вязкости (59...70 Дж/см при t= -60 С) и характеристик сопротивляемости развитию трещин (Kic=76.6...87.6 МПа х м1/2 и 6с=0.21...0.30мм при t= -70°С) металла шва хладостойких сталей достигаются при концентрации никеля в нем от 1.6 до 2.2%, которая реализуется введением в электродное покрытие никелевого порошка в количестве 3...4%. Определен оптимальный химический состав наплавленного металла обеспечивающий получение мелкозернистой структуры содержащей незначительное количество неметалических включениР глобулярной формы ( в % ): С < 0.10, Si 0.20...0.40; Мп 0.80...1.20 Ni 1.6...2.2; S, Р<0.025, реализуемый оптимальным содержанием j соотношением ферросплавов в электродном покрытии: FeMr 4...5%, FeSi 5...8%, FeTi 7...10%, FeTi: FeSi: FeMn=2:1.5:l.

11. Показано, что выявленные закономерности изменения i взаимосвязи технологических характеристик электродов i сварочной дуги с химическим составом электродных покрытий i гозошлаковой системы сварочных ванн, позволяю' оптимизировать состав и повышать качество сварочны: электродов и обеспечивать получение качественных сварны соединений нефтегазопроводов в трассовых условиях Западно] Сибири. Разработана серия марок электродов АНО-25, АНО-26 АНО-27 и АНО-28 для сварки и ремонта ответственны металлоконструкций нефтегазовых объектов, обладающи улучшенными сварочно-технологическими свойствами и высоким! вязко-пластическими и коррозионными характеристикам наплавленного металла.

Электроды успешно прошли опытно-промышленны испытания в АО "Уралхиммаш", "Уралмаш1 "Нижневартовскнефтегаз" и др., организовано их применение производстве нефтегазовых объектов. Разработаны электрод! марки АНО-Т и АНО-ТМ для сварки и ремонта монтажных стыко трубопроводов, обеспечивающие формирование "обратног валика" при сварке корня шва в потолочном положении 6t последующей подварки изнутри трубы. Электроды АНО-ТР применяются на монтаже при сварке и ремонте неповоротны стыков трубопроводов нефтегазовых предприятий ОА< "Нижневартовскнефтегаз" и "Сибнефтегазпереработка Электроды АНО-25, АНО-26, АНО-27 аттестован

Международным научно-техническим центром сертификации "СЕПРОЗ", а электроды АНО-ТМ, кроме этого, аттестованы Международной страховой компанией "Ллойда" и Морским Регистром РФ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика п критерии количественной оценки характера переноса электродного металла и стабильности горения дуги переменного тока с использованием информационно-тмерительнои системы "Анализатор нестационарных процессовАНП-1" и ЭВМ. Методика определения количественной

взаимосвязи между длительностью коротких замыканий Тк.з,

размером и массой электродных капель, переходящих мере'« дуговой промежуток. Методика и аппаратура фиксации диффузионно-подвижного водорода в расплавленных каплях в зависимости от их гранулометрического состава.

2. Результаты анализа, расчета и оптимизации состава электродных покрытий, обеспечивающих заданный состав газошлаковой системы в зоне сварки, заданный состав и требуемое качество металла шва. и позволяющих прогнозировать и регулировать в широком диапазоне технологические характеристики сварочных электродов, процессов переноса металла Ii стабильности горения сварочной дуги.

3. Результаты исследования коррозионной стойкости .■парных соединений и основного металла при легировании их микродобавками РЗМ, ЩЗМ и Zt. Новые сведения: о причинах и механизмах локальной коррозии ЗТВ сварных соединении шфтегазопроводов; о совместном влиянии серы и водорода на грещиностойкость металла сварных швов трубопроводов.

4. Новые данные по целесообразности использования новых ,-ырьевых материалов - волластонита, биотита и борной кислоты в »лектродном покрытии в качестве пластификаторов, а также сомплексных лигатур, содержащих Ва, РЗМ и Zr, в качестве лодифицирующих добавок взамен ферросплавов.

5. Результаты исследования и оптимизации химического :остава металла швов хладостойких сталей, легированных никелем, (водимым в электродное покрытие.

6. Результаты разрабо тки серии универсальных электродов с юкрытием основного вида марок АНО-25, АНО-26, АНО-27, \.НО-28, АНО-Т и АНО-ТМ. и их опытно-промышленных

испытаний и внедрения при сварке и ремонте ответственных металлоконструкций нефтегазовых объектов. Практическая ценность. Результаты исследований и предложенные решения послужили научной основой создания эффективных технологических процессов и прогрессивных электродов с покрытием основного вида, обладающих улучшенными сварочно-технологическими свойствами и высокими вязко-пластическими и коррозионными характеристиками наплавленного металла и предназначенных для сварки и ремонта на постоянном и переменном токе ответственных металлоконструкций нефтегазовых объектов, эксплуатируемых в суровых климатических и природно-геологических условиях Западной Сибири и работающих с коррозионно-активными продуктами. Составы покрытий разработанных сварочных электродов (двенадцать марок) защищены авторскими свидетельствами на изобретения, организован выпуск шести марок (АНО-25, АНО-26, АНО-27, АНО-28, АНО-Т, АНО-ТМ) на заводах-изготовителях, осуществлено их применение на многих предприятиях и организациях химической и нефтегазовой промышленности. В частности, сварка и ремонт металлоконструкций на объектах ОАО "Нижневартовскнефтегаз" и его дочерних предприятиях "Белозернефть", "Самотлорнефть", "Приобьнефть", "Нижневартовскнефть" с 1988 года осуществляется, в основном, электродами АНО-Т, АНО-ТМ, АНО-25, АНО-26 и АНО-27.

Разработанная технология сварки корневого шва монтажных неповоротных стыков трубопроводов в полевых (трассовых) условиях с применением электродов АНО-ТМ, обеспечивает формирование "обратного" валика, что исключает необходимость подварки корневого слоя изнутри трубы. Внедрение разработанных электродов на монтаже позволило повысить надежность и долговечность сварных соединений, снизить брак при сварке монтажных стыков в трассовых условиях, сократить число порывов трубопроводов, снизить затраты на текущий амортизационный ремонт (капитальный) этих конструкций, значительно улучшить экологическую обстановку в районах сооружения нефтегазопроводов, водоводов, трубопроводов газлифтных систем и нефтекомпрессорных станций. Суммарный экономический эффект от применения разработанных электродов только в ОАО "Нижневартовскнефтегаз" и его дочерних

предприятий составил более 3000 тыс.руб (в ценах 1998 г.), полученный при монтаже и ремонте промысловых и межпромысловых нефтесборных трубопроводов и водоводов и достигну!' за счет снижения стоимости электродов, повышения производительности наплавки, увеличения срока службы этих сооружении с 4...5 до 10... 15 лет но сравнению с анало! пчными конструкциями, выполненными традиционными электродами УОМИ-13/55. Разработанные расчетно-экспериментальные методы используются в отделах главного сварщика и сварочных лабораториях АО "Орловский сталепрокатный завод", "Киевский завод сварочных материалов", "Уралхиммаш", "Уралмаш", "Тюменский СибЭЗ", "НижневартовскНИПИнефть" и др. для разработки новых или совершенствования существующих электродов с учетом конкретных задач и требований, а также для прогнозирования основных сварочно-технологических свойств электродов и коррозионной стойкости сварных соединений металлоконструкций нефтегазовых объектов.

Результаты экспериментальных и аналитических исследований положены в основу новой информационно-измерительной системы второго поколения АНП-2, а также копфоль-фепажераХК-5000. В составлении технического ¡адания на п\ пзюговленпе участвовал автор совместно со специалистами ИЭС им. Е.О.Паюна п Института ядерных исследований ИЛИ Украины. Приборы ЛНГ1-2 и ХК-5000. кроме исследовательских целей, можно использовать для диагностики и контроля качества сварных соединений, сварочных и наплавочных материалов, а также объективной оценки квалификации сварщиков.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, используются в учебных курсах "Материаловедение", "Технология конструкционных материалов", "Сооружение и ремонт нефтегазовых обьекюв". читаемых в Нижневартовском филиале Тюменского i осударственно! о нефтегазового университета; в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании, в научно-исследовательской работе студентов специальностей "Проектирование и сооружение нефтегазопроводов и хранилищ", "Эксплуатация и ремонт нефтегазопроводов и хранилищ", "Машины и оборудование нефтегазопромыслов". Материалы диссертации введены в учебные планы по теории и техноло1Ии сварочных процессов на факультете "Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов". Рекомендации автора внедрены в

отраслевые нормативные документы, используемые НижневартовскНИПИнефть при проектировании промышленных баз и нефтегазовых объектов, в частности, кустовых и дожимных насосных станций (КНС, ДНС), пунктов подготовки нефти (ППН), нефтесборных сетей и др. при обустройстве и реконструкции Самотлорского месторождения.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы доведены до сведения научной общественности и инженерно-технических работников, полно и своевременно опубликованы в академических, отраслевых и научных журналах и сборниках организаций, признаваемых Высшей аттестационной комиссией.

По материалам диссертации издана 1 монография, опубликована 61 работа, получено 12 авторских свидетельств, из них 6 применены на производстве. Результаты работы и ее разделы докладывались на 14 Международных и отраслевых научных семинарах, конференциях и совещаниях в 1978... 1997гг. Работа в целом обсуждалась на семинаре кафедры "Технология и оборудование сварочного производства" Черниговского технологического института (1996г.; 1997г.), ИЭС им. Е.О.Патона (1997г.), факультета "Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов" Тюменского ГНГУ (1996г.; 1997г.), на технических советах ОАО "Нижневартовскнефтегаз" (1994г.; 1996г.) и НижневартовскНИПИнефть (1995г.), на объединенном семинаре сварочных кафедр УГТИ-УПИ (апрель 1998 г.).

Материалы диссертации отмечались премией Министерства цветной металлургии СССР (1988г.), Министерства нефтяной промышленности СССР (1990г.), Министерства строительства предприятий нефтяной и газовой промышленности СССР (1989г.). Структура диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, общего заключения, списка литературы из наименований, приложений (акты испытаний, заключения о выпуске, применении и экономической эффективности, техническая документация), всего на 400 страницах.

Основное содержание работы.

В первой главе приведен аналитический обзор, литературы о влиянии состава покрытия, режима сварки, коэффициента массы (толщины) и конструкции покрытия на перенос электродного металла и стабильность горения дуги; рассмотрены методики исследования и критерии оценки стабильности горения дуги и

переноса металла.

Плавление и перенос металла при сварке покрытыми электродами исследовали И.К.Походня, А.А.Ерохин, А.Г.Мазель, Д.Рефсльдт, Ф.Эрдман-Еснитцер и другие отечественные и зарубежные ученые. Испотьзуя ociиплографироваппе, скоростную кино- и реи i генокпносъемку с р\чпой обработкой полученных результатов, они покатали, что состав покрытия, в частности, соотношение CaCoy'CaFj. доля в нем ферросплавов и щелочных металпов, его толтина и конструкция, а также режим сварки влияю г на мереное i.ieKipo;uioi о металла. Наиболее •достоверные данные о переносе мс!алла при сварке покрытыми электродами получены с помощью рентгенокиносъемки, однако, из-за большой Фудоомкоии jioio моíода сбт-см ;дехсд::ого экспериментального материала для статистической обработки невелик. Кроме того, полученные результаты относятся к узкому диапазону составов электродных покрытий, относящихся к шлаковой системе СаО-CaF2-S¡02-T¡02. Различные критерии оценки переноса металла, выбранные указанными авторами, а также условия проведения экспериментов и составы исследуемых электродов затрудняют анализ и сопоставление полученных результатов.

Размер капель электродного металла и частота из переноса ¡авпеят от соотношения сил. дейсп'л юших на жидкую каплю на горце покрыто! о >декгрида. Основные из них - поверхностное натяжение, реакшвпие давление парой, элек i po.Niai нитиая и тролинлмическая сты зависят от состава и толщины покрытия, режима сварки, измсим-: которые можно существенно влиять на чаракгер переноса элек гродьш «i мешлла и технологические люпетва электродов.

Исследованиями показано, что между характером переноса, сачеспюм сварного шва и ею механическими свойствами ;>iueciB>ei прямая <.в:пь: более мелкокапельному и регулярному тереносу металла соответствуют швы, в которых отсутствуют дефекты (поры, трещины, шлаковые включения) и обладающие осокой пластичностью металла, в частности, высокой ударной никое JI.10 при отршшельных юмпература.х. Электроды с телкокапельным переносом расплавленного металла обеспечивают (езначительпое разбры л ивание расплавленного металла и ;opo!iiiiií товарный вид сварною соединения. Стабильный процесс орения дуги уменьшает чувствительность таких электродов к шгнитному "дутью", что имеет важное значение при сварке в

монтажных условиях.

Положительное влияние стабильности горения дуги на снижение пористости и шлаковых включений в сварных швах объясняется лучшей металлургической обработкой металла на стадии капли.

Исследованию стабильности горения сварочной дуги посвящены работы Б.Е.Патона, В.К.Лебедева, Г.И.Лескова, В.М.Язовских, И.В.Кирдо, Г.Е.Вайншенка, Т.Саладжена, Г.Эггерса, А.Каррера и ряда других отечественных и зарубежных ученых. Большая часть этих работ относится к отработке методики и поиску критериев оценки стабильности горения дуги при сварке в защитных газах и под флюсом. Проблемам стабильности дуги при сварке электродами с основным покрытием посвящены работы К.К.Хренова, Г.И.Лескова, В.М.Язовских, В.Н.Горпенюка, Л.Г.Шафранского и др., в которых изучены термоэмиссионные свойства шлаков, дестабилизирующие свойства фторсодержащих соединений, роль щелочных и щелочно-земельных металлов в повышении стабилизирующих свойств покрытия. Однако результаты этих исследований получены на различных электродных покрытиях с использованием различных критериев оценки, что весьма затрудняет их сопоставление и анализ. Метод ручной обработки осциллограмм, использованный в ряде этих работ, трудоемок, в связи с чем объем исходного экспериментального материала для статистической обработки невелик.

Из аналитического обзора литературных данных следует, что существующие методы исследования переноса электродного металла и стабильности горения дуги переменного тока характеризуются высокой трудоемкостью и длительностью обработки данных, низко- точностью и достоверностью полученных результатов. Этих недостатков лишены быстродействующие электронные измерительные системы, включающие обработку результатов измерений с помощью ЭВМ.

Известен ряд показателей переноса электродного металла (длительность коротких замыканий, асимметрия, эксцентриситет, эксцесс и др.) и стабильности горения дуги (13, и3,Дз, В3, ит1Пхл и др.), которые могут быть получены обработкой электрических и временных параметров сварочной дуги с помощью электронных измерительных систем. Однако, для оценки переноса металла и стабильности горения дуги с помощью статистических методов

исследования при сварке электродами с основным покрытием требуется конкретизация и уточнение этих показателей.

Во второй главе проведены исследования влияния режима сварки , состава и геометрических параметров покрытия на перенос электродного металла.

Для исследования характера переноса металла при сварке покрытыми электродами автором совместно со специалистами Института электросварки им. Е.О.Патона и Института ядерных исследований HAH Украины была разработана и апробирована аппаратура и методика, основанная на статистическом количественном анализе изменений электрофизических параметров сварочной дуги, с использованием информационно-измерительной ;:ис<смы, состяшей из анализатора нестационарных процессов (AHil-i) и ЭВМ(М-бООО). Учитывая, чго изменение электрических сигналов дуги подчиняется закону нормального (Гауссовского) распределения, характер переноса электродного металла оценивали

то средним значениям длительностей коротких замыканий Тк.з.

Вспомогательными критериями служили среднестатистическая тлительность интервалов между короткими замыканиями / Тк.з /, ■шетота коротких замыканий / Мкч / и стандартное отклонение

¡начений Tic < / т /. Разработанный метод анализа позволяет

юлучнть результаты измерений (Тк Тк ¡) с точностью 0.1 мс, при ix воспроизводимости -90...95" о.

Чтобы убедиться в правомерности использования Ткз в

сачестве показателя, характеризующего размеры переходящих 1ерез дуговой промежуток капель, были проведены специальные

ичсперпменты. Установлено, чго с увеличением диаметра (массы)

;апель пропорционально увеличивается величина Тк.з при сварке

лектродами с покрытием основного и рутилового вида (рис.I, а, ')}. По результатам измерений получены количественные данные о оопюшеннн между числом и массой капель переходящих с .ороткими замыканиями (к.з), и общим числом и массой капель.

М„Ю~'г

2001-г-

~1 N

А. и*

КО

3

7

I

КО

во

О 3 6 3 12 15Т0,*С

а

$

О 3 6 9 П 15 к

Рис.1. Взаимосвязь между диаметром (а), массой (б) электродных капель и длительностью коротких замыканий при сварке электродами: О-АНО-11 (промышленные); I - АНО-11 (лабораторные); • -УОНИ-13/55; ▲ - АНО-6; Д - АНО-4. Обозначение см. в тексте.

Взаимосвязь между средними значениями диаметра капель и длительностью коротких замыканий для электродов с покрытием основного и рутилового вида выражается уравнениями регрессии первого порядка:

I) О1 к=0.20Тк.з(мм) - для капель, переходящих с короткими

замыканиями (кривая "2" на рис.1, а); 2) Вк=0.18Ткл - для общего количества капель, проходящих с к.з. и без них (кривая "1"); 3) О 11

к= 0.1 ] Тк.3 - для капель, проходящих без к.з. (кривая"3").

Взаимосвязь между массой капель и длительностью коротких замыканий выражается уравнениями регрессии третьего порядка:

4) М 1 к=0.33 х 10"4Т3кл(г) - кривая "2" (рис. 1,6); 5) Мк=0.20 х 10"

в мс. Уравнения (1-6) могут быть использованы в интервале

Т к.з - кривая "1"; 6) М 11 к=0.14 х 10"4 Т3к.з - кривая "3", где X

к.з

изменения среднестатистических значений Тк.з от 3 до 25мс с

достоверностью 95%.

Полученные уравнения регрессии являются статистической моделью переноса металла и могут быть использованы для прогнозирования показателей переноса при сварке электродами основного и рутилового вида.

На основании полученных результатов, автором был разработан расчегно-экспериментальный метод определения показателей переноса электродного металла. Суть его состоит в определении массы и количества переходящих капель и их распределения с использованием данных о длительности и частоте коротких замыканий и массовой скорости плавления электрода, измеренных в широком диапазоне сварочных токов. По известным среднестатистическим значениям длительности коротких

замыканий и их количества, определяемых из гистограмм Ткз,

рассчитывается суммарная масса капель, переходящих с короткими замыканиями /ИМ к к V. Общая масса и количество капель /ЕМк.

переходящих дуговой промежуток с короткими замыканиями и без них, рассчитывается с учетом средних значений соотношения Шкк"</Шк и *

Проверка корректности разработанного метода показала, что ошибка определения показателей переноса металла составляет 3.5... 10%. Большая погрешность соответствует электродам с мелкокапельным переносом, когда значительная часть капель переходит в сварочную ванну без коротких замыканий.

В опытах по изучению переноса металла использовали промышленные марки электродов отечественного и зарубежного производства (32 марки) и экспериментальные с переменным соотношением "мрамор-плавиковый шпат" в покрытии (серия В1-В10).

На рис.2 показана зависимость Ткз от соотношения

СаСОз/СаРт в электродном покрытии. Видно, что введение СаР2 в юкрытпе вызывает значительное увеличение длительности чоротких замыканий, что связано с укрупнением переходящих сапель. Увеличивая силу сварочного тока можно добиться

;нижения величины Тк.з.

\ Область. примерзало ч \ пи я "электрода 4

КЛ»'

ЭО

Ммя'

50 45 40 35 30 25СаСОд,% 0 5 10 15 20 25СаРа,%

Рис.2. Влияние состава покрытия (соотношение "мрамор-плавиковый шпат") на длительность коротких замыканий и интервалов между ними.

Установлено, что критическое значение Тк.з , при котором начинается "примерзание" электрода /0 4мм/ к изделию,

составляет 16...18мс, что позволяет рекомендовать критерий Тк.з в

качестве "браковочного" количественного показателя при разработке, испытании и производстве электродов основного вида. Из рис.3 следует, что отрицательное влияние фторида кальция на перенос металла носит общий характер. СаР2 изменяет поверхностные свойства шлака и в значительной мере увеличивает межфазное натяжение на границе "шлак-металл". С увеличением содержания молекулярных ионов соединений фтора в межэлектродном промежутке возрастает контрагирование плазмы дугового разряда, при этом осевая составляющая электромагнитной силы и реактивное давление паров возрастают и противодействуют отрыву капель.

20 Г5 Ю 5

9 в 16 2': 32 СаГ914

Рпс.З. Зависимость длительности коротких замыканий от содержания СаР2 в шлаках электродов отечественного (О) и зарубежного (О) производства.

Установлена взаимосвязь критерия Тк.з, коэффициента

набрызгивания сСи.в и минимально допустимого сварочного тока с

параметрами режима сварки и состава шлака, выраженная уравнениями множественной ретрессии при сварочном токе 110...200Л (коэффициенты корреляции по И-критерию Фишера равны г=0.88...0.95):

, к 1=36.92-1.55Хг0.53Х++7.24 \ 1(ГХ5-8.30 х К) Х"6+3.86 Х,Х4;

8) Тк 1—0.88-2.17 х КГ х Х,+3.93 х 10"' х Х4+0.16 х Х.,+0.18Х0-3.70 х 1(Г х Х:6+0.25 х Х| х Х4;

<)) сСи |,=30.5+0.21X, +0.05Х1.7Х5+0.02(Х52+Х4Х5+Х,Х6)-

0.38(Х|+Х4+Х5 + Х6);

10) сСт\= -1.42+1.01 Тк.з; 11) 1оГп = 76.6+0.55Тк.з+0.14Тк.з2,

Iдо X,, Х4, Х? и Х6 - это доля '['¡От, СаО. СаГ. 8Ю3 в шлаке

соответственно.

Уравнения (7-11) можно использовать в качестве формальных расчетных моделей для прогнозирования и регулирования процесса переноса электродного металла. Для

получения мелкокапельного переноса металла (Ткл < Ю...12мс)

содержание основных компонентов в шлаке должно быть равным (в%): 34...40 СаО, 18...25 СаР2, 20...26 8Ю2 и 2...5 ТЮ2, при этом 1„т1п

= 90...100А, а сС\\.ъ <1.5...3.5%.

Многочисленными опытами установлено, что введение в покрытие СаР2 сужает область рабочих токов. Для обеспечения устойчивого процесса сварки электродами с содержанием в покрытии 25...30% СаР2 необходимо увеличивать силу тока или длину дуги. Одним из наиболее простых решений сокращения вероятности "примерзания" электрода является увеличение глубины втулки за счет утолщения покрытия.

Рис.4. Влияние коэффициента массы покрытия на длительность коротких замыканий при сварке электродами диаметром 4 мм в нижнем (I) и потолочном (II) положении.

Из рис.4 следует, что увеличение коэффициента массы (толщины) покрытия позволяет существенно сократить длительность коротких замыканий. Это, вероятно, связано с уменьшением величины сил, удерживающих кайлю на торце электрода, в частности, осевой составляющей электромагнитной силы, реактивного давления паров и силы поверхностного натяжения металла капли вследствие уменьшения

0

20 40 60 ЛЛЯ.%

теплопроводности более толстого покрытия в сочетании с экранированием дуги, наблюдающимся по мере роста Км.п. Показано (рис.5), что увеличение толщины покрытия ослабляет отрицательное влияние его эксцентричности на перенос металла и повышает стойкость сварных швов против образования пористости.

Т, „НС

761-1-1-1-г I-

/41-1ЮА .

2-160 А

,г1 3-200А.

:о,

а___

2

О 0,05 0,10 0,15 0,200,75 0,30

'не.5. Зависимость длительности коротких замыкании от эксцентриситета [окрытия при сварке на обратном полярности: О, Х,Д - Км,~г35%; О, Л. В -См ,=55 %

Установлена последовательность влияния оксидов ЩМ на лучшение характера переноса электродного металла: 1л20. №20, 120 и С$20. что позволило установить оптимальное содержание и екомендовать их применение в электродных покрытиях.

Как показали результаты исследования опытных электродов рн сварке в различных пространственных положениях, змельчение переходящих через дуговой промежуток капель

Гкз < 12... 14мс при 1с„= 110А), устранение "примерзания" текгрода при сварке на малых режимах 1С„=90...100А, 0 4мм),

мепыпепме разбрызгивания металла {<С\\х~ 1...3%), качественное

ормирование металла шва при переменном монтажном зазоре (от до 5...7мм) достигается при соотношении СаСОэ/СаР2 в покрытии, ивном 1.3...2.0, и содержании СаР2 не более 20...25% при

-1-1 1

1-1ЮА

2-160 А

1 3~200А 4

111«

0,05 010 0,15 0,200,25 0,30

коэффициенте массы покрытия 55...60% и его эксцентриситете < 0.05..,0.10мм.

В третьей главе исследовали влияние режима сварки, состава и геометрических параметров покрытия на стабильность горения дуги переменного тока.

Для количественной оценки стабильности горения дуги была разработана методика, основанная на статистическом анализе изменений электрофизических параметров сварочного контура, с использованием измерительно-аналитической системы АНП-1 и ЭВМ.

В качестве основного критерия оценки стабильности горения дуги предложено использовать показатель

Вз= —1з—= 2Tlf х I з /

U3 x t3/ U3(arcsmU3/V2Uxx- cpXOm'V1), представляющий собой среднюю скорость нарастания электрической проводимости межэлектродного промежутка в предцуговой период.

Исследования показали, что с увеличением сварочного тока и соотношения CaC03/CaF2 в покрытии и уменьшением содержания CaF2 в шлаке возрастает стабильность горения дуги (рлс.6, а, б). Известное дестабилизирующее действие CaF2 проявляется во всех случаях независимо от состава электродного покрытия (шлака), причем CaF2 является основным компонентом, вызывающим ухудшение повторного зажигания дуги.

С увеличением сварочного тока растут температура и масса расплавленного металла, что увеличивает тепловую инерционность электродов и атмосферы, заполняющей межэлектродный промежуток. Возрастающая в связи с этим постоянная времени дуги способствует снижению сопротивления всех участков межэлектродного промежутка и облегчает повторное зажигание дуги. Расчетно-экспериментальным путем показано, что стабильность горения дуги электродов с основным покрытием снижается при увеличении парциального давления SiF4, TiF4 и CaF2 в атмосфере дуги, попадая непосредственно в столб дуги, газообразные молекулярные соединения SiF4, TiF4 и CaF2 образуют отрицательные ионы (SiFn , TiF„ и CaF) в периферийных областях дугового разряда, что вызывает контрагирование столба дуги.

Зажмое значение имеет и то, что отрицательные ионы, как показал Т.В.Стародубцев, приводят к созданию некомпенсированного отрицательного объемного заряда у поверхности электрода, на сотором в новом полуперподе формируется катод. Наличие такого отрицательного объемного заряда препятствует выходу электронов 13 катода и их поступлению в межэлектродный промежуток, что худшает условия повторного зажигания дуги.

В3,0м"-с

т

зоо

200 юо

и-1-г

1св-»0А ФЬнм

Ч> СптЪилыЮВ - "ц^ горение дуги/ /77% Р-МШ!,

05рыВи дуги | |_1_

500,-г-

Ш

~1-!-Г

1С$»П0А 4 Анн Стабильное ~

О 5 Ю 15 20 25СаРг^ О 50 45 40 35 30 25СаС0л£

в 16 24 32СаРг,"А

ис.6. Зависимость показателя стабильности от содержания СаР, в

окрытии электродов серии В1-В 1(1 (а) и шлаках электродов качественного (О)п зарубежного (О) произвола на (б). * - шлаки и'ктродов марки УОНП.

Установлена взаимосвязь между показателем В3 и основными о.мнонемтамп шлаков фтористокальцпевых электродов, а также

ежду В3 и коэффициентом набрызгвапня сС\\\\ . между В3 п Ткз в

нтервале сварочного тока 140...220А, выражающаяся уравнениями

агрессии (коэф(|)пциенты корреляции по Р-критерию равны г=0.88-94):

2)В3=554.8+1.2Х,-7.ЗХ4-19.8Х5+8.43 х 10"2Х24 -0.28Х25-2.7 х 10"2Х26; 5 )^н.ь= -97.6+79.8(Вя/100)-26.7(В3/100)2+3.1(В,/100)3+48.6(100/В,);

I) В3=965.7-281.5Тк.з+3 1 .ЗТ2к.з-' —Т' кл, где X,, Х4, Х5 и Х6 - это )лп ТЮ2. СаО. СаР2 п ЗЮ2 в шлаках соответственно.

Полученные уравнение регрессии (12-14) могут применяться практических расчетах в качестве математических моделей для

прогнозирования и регулирования показателя стабильности горения дуги при сварке электродами основного вида.

На основании исследований 32 марок электродов отечественного и зарубежного производства установлено, что высокая стабильность дуги(В3 > 130... 140 Ом" с"1, 1св=160А) и мелкокапельный перенос металла при сохранении высоких технологических свойств шлака может быть достигнута при соотношении Са С03/СаР2 > 1.3...2.0 и содержание СаР2 в покрытии не более 20...25%.. Дополнительное повышение стабилизирующих свойств дуги достигается увеличением коэффициента массы покрытия Км.п=55...60% (рис.7). Это вызвано тем, что с увеличением толщины покрытия уменьшаются потери тепла дуги, что способствует увеличению тепловой инерционности столба дуги и повышению температуры капель.

В3,0м-'-с''

400 300 200 100 О

20 40 60 /(„.„,%

Рис.7. Влияние коэффициента массы покрытия на стабильность горения дуги переменного тока при сварке электродами диаметром 4 мм: 1 -положительный, 2 - отрицательный полупериоды.

На примере тройных систем газошлакообразующих компонентов покрытия основного вида (СаС03 - СаР2 -ТЮ2, СаС03 - СаР2 - 8Ю2, СаСо3 - СаР2 - РеТ1 и СаСОэ - СаР2 - РеБО показано, что в присутствии СаР2 наличие в покрытии небольших количеств (5... 10%) ТЮ2 или ЗЮ2 резко ухудшает стабильность горения дуги, что объясняется образованием летучих фторидов Т\ и 81, являющихся активными дестабилизаторами дуги.

Многочисленными экспериментами установлено, что для сварки на переменном токе высокая стабильность горения дуги (В3 > 130...140 Ом"'с"') и высокие технологический свойства электродов достигаются при содержании в покрытии основных газошлакообразующих компонентов 20...40% СаСОэ , 5...25% СаР2,

..10%5Ю2(ТЮ2), ПРИ этом стабильность дуги возрастает: с изменением диаметра электрода от 3 до 5мм и при сохранении »эффициенга массы покрытия в пределах 50...60%. с изменением плотности тока от 11.1 до 15.9А/м.\Г, при этом сцентриситет покрытия должен быть < 0.05...0.10мм, так как его еличение с 0.10 до 0.30мм снижает В3 в 1.3...2.0 раза.

В четвертой главе приведены результаты разработки новных принципов выбора газошлакообразующеи системы жрытия электродов основного вида и системы легирования галла сварного шва. Анализ литературных данных показал, что 1сокие и стабильные значения вязко-пластических характеристик талла сварных швов хладостойких сталей в наибольшей мере гжет быть обеспечена традиционной системой раскисления и гирования и Мп при дополнительном легировании металла келем и ограниченном содержании Б и Р.

Результаты комплексных исследований (механических и таллографических) позволили установить, что наиболее высокие стабильные значения ударной вязкости (59...70 Дж/см2 при ;С) и характеристик сопротивления развитию трещин к-=76.6...87.6МПа м'/2 и 5с=0.21 ...0.30мм при 1= -70°С)

галла шва хладостойких сталей достигаются при концентрации <еля в нем от 1.6 до 2.2"л>, которая реализуется введением в ■ктродное покрытие никелевого порошка в количестве 3...4%. что [чнтельно снижает себестоимость электродов по сравнению с ированием через стержень.

Микроструктурные исследования металла шва на растровом кгронном микроскопе ",18М-35СР" (Япония) и 8ЕМ-905

1дерланды) показали, что легирование его никелем в количестве 2% вызывает значительное изменение микроструктуры металла 1 одновременном уменьшении степени его химической и уктурной неоднородности. Микроанализ неметаллических ючений (сульфидов, силикатов, оксисиликатов и др.) на ргодисперсном спектрометре "(ЖТЕС" (США) и "Бурег-ргоЬе-" (Япония) показал, что никель не входит в их состав, а образует рдый раствор замещения в а-решетке Ре. сужая при этом асть у-а-превращения. Идентификацию фаз в структуре и еделение микронеоднородности осуществляли на :роанализаторе МБ-46. Размер, количество и объемную долю еталлических включений в структуре определяли на

количественном телевизионном микроскопе "Квантимет-720" (Германия). Фрактографическими исследованиями установлено, что металл сварного шва, не содержащего никель, разрушается по зернам доэвтектоидного феррита, в то время как легирование егс никелем (свыше 1%) вызывает разрушение по субзернам нижнегс бейнита, за счет чего значительно возрастают параметры вязкостг

разрушения металла (Ян, Юс, 8с).

Определен оптимальный химический состав наплавленногс металла, обеспечивающий получение мелкозернистой структуры содержащей незначительное количество неметалических включении глобулярной формы (в%): С<0.10; 81 0.20...0.40; Мп 0.8...1.20; N 1.6...2.2; 8, Р < 0.025, реализуемый оптимальным содержанием \ соотношением ферросплавов в электродном покрытии РеМп 4...5% РеБ1 5...8%; РеТ\ 7... 10%; РеТкРе8кРеМп=2:1.5:1.

Для выработки принципов рационального выбор; газошлакообразующей системы покрытия основных электродов, ; также содержания и соотношения в покрытии и шлаке основны: компонентов проводились дополнительные исследования Результаты их послужили основой предложенного принцип: выбора оптимального содержания и соотношения основны газошлакообразующих компонентов (СаС03, СаР2, СаО, БЮ2, ТЮ2 фтористокальциевого покрытия с учетом изменений еп коэффициента массы и эксцентриситета, состоящего

необходимости получения мелкокапельного переноса металла (Тк < 12...14мс, 1св=1ЮА), высокой стабильности горения дуги (В3 130...140 Ом"'с"', 1св=160А) при сохранении высоки технологических свойств электродов (незначительно

разбрызгивание металла ¿¿н.б=1.-.3%, легкая отделимость шлаково

3 2

корки Ауд=4...6 х 10 Дж/м , качественное формирование металл при сварке в трудных для исполнения положениях шва) при свари в различных пространственных положениях и переменно монтажном зазоре (до 5...7мм).

Установлено, что этим требованиям удовлетворяют шлак! в которых £<£Ю2+ТЮ2)=25...35%, а СаР2/1(СаО+СаР2)=0.30...0.4 причем СаР2 в шлаке составляет 20...25% при его основност Косн=1.2...1.4. Эти композиции реализуются при соотношении покрытии СаС03/СаР2 < 1.3...2.0 и содержании СаР2 < 20...25% пр

•ффициенте массы покрытия -55...60% и его эксцентриситете < 5...0.10мм, причем содержание и соотношение ферросплавов в срытии должно быть в следующих пределах: FeMn 4...5%; FeSi 8%; FeTi 7... 10%; FeT¡:FeSi:FeMn=2:1.5:1.

В пятой главе приведены результаты комплексных ледованнй коррозионной стойкости сварных соединений и обного металла НГП.

Исследованиями российских ученых О.И.Стеклова, 1. Протасова. Л.С.Саакияп, украинских С. И. Кучук-Я ценко, ■Т. Лобанова. И.К.Походпи и других уегановлены юавные ¡равленпя в изготовлении НГП и предотвращении их коррозии. :азаны принципиальные проблемы, возникающие при плуатацпп ПГП в современных условиях: агрессивность и )гофазпос1ь фапспор i ируемы.х продукюв, пх

)гокомпонентность и бактериальная насыщенность; ;рогенность структуры и повышенная коррозийная уязвимость П в зонах сварных соединений, многовариантность дологических факторов процесса сварки и сварочных ериалов для изготовления и ремонта НГП; разнообразие и пределенность в выборе структурных характеристик основного алла для НГП; многофакторная взаимосвязь технологических аметров сварки с коррозийной стойкостью НГП; сложность леи и ремонта в трассовых условиях; противоречие щцпопно используемых при изготвлении НГП основных и ючмых материалов современным условиям их эксплуатации:

В работах И.К.Походпи, В.Н.Шлепакова, В.Д.Тарлинского др. рассмотрены сварочные материалы и технологии менительно к изготовлению НГП. В трудах О.И.Стеклова, .Афанасьева, Ф.Ф.Ажопша, А.А.Гоипка, А.П.Лубенского, .Саакиян и др. показана актуальность изучения и защиты от i ерпалыюс i имулнруемой коррозии 11ГГГ необходимость менення катодной и анодной систем защита,! НГП от коррозии, также необходимость предотвращения водородного /пчивания НГП, а в работах А.А.Россошинского, Александрова, Ю.Н.Савонова, П.П.Лазебного.

Каменникова и др. показано влияние РЗМ и ЩЗМ на :льные эксплуатационные характеристики металла сварных .инений.

Однако, в противовес благоприятным предпосылкам в >1шении срока службы НГП обнаружены противоречия и

неопределенность, отсутствие конкретных и количественны: научно обоснованных рекомендаций по составу сварочны материалов и технологии сварки применительно к изменившимс условиям эксплуатации НГП, необходимость комплексного i системного изучения и определения оптимальных технологически* антикорозионных и металлургических мер при изготовлении ! ремонте НГП в трассовых условиях, а также необходимост оптимизации состава основного и сварочного материалов НГГ необходимость изучения и установления значимости различны видов коррозии в снижении сроков службы НГП, потребность прогнозировании служебных характеристик НГП.

Учитывая, что коррозионная стойкость сварны металлоконструкций во многом зависит от содержания в металл серы и водорода, способствующих образованию зародышевы трещин, то нами изучались методы снижения концентрации их сварном шве.

На примере тройных систем Ca0-CaF2-Si02, CaO-CaF2-TiO Ca0-CaF2-(Si02+Ti02) и Ca0-CaF2-Al203 с использование

энергий взаимодействия для бинарных составов исследован термодинамические свойства шлаков и сформулирован требования к оптимальному содержанию основных компонентов их активностям, обеспечивающих высокую степень десульфураци сварочной ванны (58. ..67%) и низкое содержание серы наплавленном металле (не более 0.017...0.020%). Этим требования отвечает выбранное оптимальное с металлургической точки зрен1< отношение активностей окислов кальция и железа, равнс

аою/аРеО=0.з5...0.50.

Показано, что для повышения отношения З-ою/Ва-о шлаках фтористокальциевых электродов и обеспечения высоко степени десульфурации сварочной ванны необходимо увеличиват содержание окислов Ti, Si и AI, что достигается введением электродное покрытие алюмосиликатов (полевого шпата), FeTi FeSi при одновременном ограничении в допустимых предел; концентрации окислов Fe (до 3...4%), Ca (до 30%) и Mg (до 1.,.2'И Наиболее высокой степенью десульфурации, обеспечивающ( низкое содержание серы в металле, характеризуются электрод серии АНО-25, - АНО-26, АНО-27, АНО-28, АНО-Т. Известнь электроды отечественного (УОНИ-13/55, ВСФС-50) и зарубежно] (Шварц-ЗК, LB-26, ОК-38.65) производства имеют низкие значен!

ношения асао/а,:ео (0.01 ...0.084), вследствие чего шлаковая фаза : обеспечивает глубокую десульфурацию сварочной ванны.

Данные оценки термодинамической вероятности протекания ■зможных реакций фторирования в зоне сварочной дути для ементов, наиболее часто применяющихся для изготовления ектродов основного вида, показали, что эти элементы могут быть едставлены по убывающе!! степени сродства к фтору в виде едуюшего ряда: 81 -» А1 -» П Са -> Ми -* Ре С. а разующиеся газообразные (¡»'гористые соединения в виде ряда: СГ;4-> СОЬ\ НР. Показано, что соединения Р в зультате активною взаимодействия с водородом хотя и снижают > содержание I! металле, однако вызывают укрупнение исходящих через дуговой промежуток электродных капель. Нами гановлено. что размер (масса) капель, а, следовательно, нтельность К.З. в значительной степени влияют на содержание

порода в наплавленном металле: чем выше показаталь Тк.з., тем

пыле содержание диффузионного водорода в наплавленном галле и электродных каплях. Для фиксации диффузионно-цвижного водорода в электродных каплях была разработана щиальная методика.

Показано, что влияние СаР: на содержание водорода в тэавлеином металле носит двойственный характер, способствуя уменьшению при низких содержаниях СаР: за счет связывания в учпе соединения и увеличивая при высоких за счет укрупнения »сходящих капель, т.е. увеличения времени взаимодействия плавленного мет алла с газами в дуге.

Поэтому одним из путей эффективного снижения ержания водорода в металле шва является измельчение еходящих через дуговой промежуток электродных капель, а цовательно, уменьшение длительности коротких замыканий.

Исследования трещиноетойкости сварных соединений в исимости от количества растворенных в металле серы и орода показали, что порог критических напряжений, ывающих зарождение и рост микротрещин, может быть сималыю повышен при оптимальном сочетании низких ¿ржаний в металле 5(<0.020%) и водорода (<3.0см7100г.), чем полученные закономерности нашли подтверждение и при икс трещиностойкости сварных соединений в условиях

)

малоциклового иагружения. Исследования кинетики ро трещины в сварных соединениях позволяют выявить материа. наиболее стойкие против развития локального разрушения в 3TI

Испытания образцов на сульфидное растрескивание методике NACE показали, что низкое содержание S (<0.020%) i (<3.0см3/100г.) способствует повышению стойкости металла про сульфидного растрескивания, причем эта тенденция проявляе как и в условиях циклических нагружений.

Полученные результаты позволили сформулиров требования к концентрации растворенных в металле [S] и | обеспечивающих высокую трещиностойкость сварных соедине в условиях статического и циклического иагружения коррозионно-агрессивных средах: S<0.015...0.020% Н<2...3см3/100г.

Исследование причин и механизма локальной (питтингог коррозии сварных соединений НГЛ позволило установить:

1. Локальная (питтинговая) коррозия углеродистых ст< НГП со стороны внутренних поверхностей труб инициирует« местах, благоприятных для жизнедеятельности и биоце» микроорганизмов (СВБ и ГТБ). В таких местах начш развиваться микробиологическая коррозия, образующая коле зародышевых язв, являющихся очагом местной коррозии.

2. На последующих стадиях основную роль иг электрохимический механизм "хлоридно-углекислотной" корро приводящей сначала к слиянию зародышевых язв в вытян> каньон, а затем к естественному образованию и дислок< хлоридных и карбонатных продуктов коррозии в самом глубс месте каньона и ускоренному локальному утонению стенки вп до разрушения с образованием "свища".

3. Локальная коррозия стенки трубьг сопровождг наводороживанием металла вокруг зародышей язв, приводя его к охрупчиванию, что облегчает распространение трещин.

С целью поиска и разработки методов повыш коррозионной стойкости сварных НГП, были исследо! коррозионные свойства более 10 марок углеродисты: низколегированных трубных сталей, изготавливаемых на заводах. Для оценки стойкости сталей против общей и питтинг коррозии использовали: малоцикловую вольтамперометри ■тлекислотной модели пластовой воды, метод ГНЦ РФ НИ< ЧКарпова, потенциодинамическую и гальваностатиче

оляризацию, метод цветных индикаторов. Результаты сследований показали, что: а) термообработка (ТО) повышает эррозионную стойкость стали Ст.20 и не эффективна для 09Г2С; б) икродобавка церия в Ст.20 повышает коррозионную стойкость в >й же мере, как и ее ТО; в) добавки хрома до !"» в С г.20 не эвышают ее коррозионной стойкости; г) сталь 08Х18Н10Т-Ш гтойчпва в хлоридны'х растворах; д) перспективным путем

звышения коррозионной стойкости сталей для изготовления НГП шяется легирование РЗМ и ЩЗМ.

Для исследования были выбраны церий, иттрий, барий, шьций и цирконий, как наиболее доступные, недефицитные и -шускаемые промышленностью. Микродобавки вводили в сталь ПС в процессе плавления в индукционной печи и в покрытие (ытных электродов. При этом изучали следующие свойства :талла: а) коррозионную стойкость и сульфидное растрескивание агрессивных средах; б) вязко-пластические характеристики; в) нетику зарождения и роста микротрещины, для чего были юведены комплексные исследования, в частности: коррозионные пытания опытных сталей и сварных швов (включая ЗТВ); чаничеекпе испытания в статическом и динамическом режимах; |актографическпе, рентгеноспектральиые и рентгеноструктурные следования изломов образцов.

Установлено, что эффективность микролегированпя для вышения коррозионной стойкости. трещиностойкости и 1ротивляе,мости хрупкому разрушению возрастает в следующем рядке: /г, Са, Ва. У, Се. Комплексные металлографические следования выявили, что мнкролегирование РЗМ, ЩЗМ и Zг зме измельчения струк туры шва и ЗТВ очищает границы зерен от металлических включений, вызывая их глобуляризацию и мюмерное распределение по объему металла.

Оптимальными концентрациями модифицирующих добавок тось для:

сварного шва (в%): Се - 0,01...0,02; У - 0,015...0,022; Ва -) 14...0,0025: Са - 0.0012... 0.0020; 7л - 0.031... 0.044; для низколегированной стали (в"..): Се - 0,01...0.03; V -I ...0.025: Ва - 0,007...0,015; Са - 0.001 ...0.0025; 0.02...0,04.

Данные комплексных испытаний коррозионных и щиностойкости сварных соединений позволили создать иномиальные модели для численного прогнозирования розионных процессов, где в качестве параметров были приняты:

X, - %Се; Х2 - %У; Х3 - %Са; Х4 - %Ва; Х5 - %1х\ Хб - №С1, г/л; X ЛГ; Х8 - РС02 МПа; Х9 - Р(125, МПа, а функциями отклика бы.

скорость коррозии У,г/м2ч; параметры вязкости разрушен

1/2

К1с(МПа . м ) и 5с(мм), размеры кристаллической структуры < мкм; I, мм) и скорость роста трещины V, мм/цикл, регрессионн модели синтезировали в виде матричных уравнений, а для оцен неизвестных параметров регрессии применяли метод наименьш квадратов. Адекватность моделей проверялась по критер1 Фишера с доверительной вероятностью выше 95%.

Полученные модели удобны для инженерных расчетов прогнозных оценок, которые подтверждают возможно* повышения срока службы сварных НГП в условиях Западн Сибири в 2... 3 раза, т.е. до 10... 15 лет.

В шестой главе приведены сведения о разрабо' универсальных электродов с улучшенными свароч! технологическими свойствами. Учитывая, что в последние го некоторые сварочные материалы, входящие в состав покрыт электродов основного вида, стали остродефицитными дорогостоящими продуктами (слюда-мусковит, синтетичеа слюда, титанат калия и др.), вызывающими снижение произволе прогрессивных марок электродов, то необходим был по! различных заменителей.

Как показали наши. исследования, использова! природного волластонита, биотита и порошка борной кисло которые представляют собой материалы с ярко выражен! волокнисто-игольчатой (анизодиаметрической) формой част позволяет улучшить пластические свойства обмазочных м электродов, что обеспечивается за счет их ориентации I истечении обмазочных масс, и способствует понижению тре между сдвигающимися слоями. При этом повышается в 1.5...2 р прочность сырой массы и готового покрытия по сравнении электродами УОНИ-13/55.

Показана целесообразность использования природн волластонита, биотита и борной кислота в электродном покры в количестве 8...9, 6...8 и 0.2... 1.0% соответственно, что позво; при использовании технологии, сочетающей низковязкое жи,п стекло и небольшое содержание КМЦ в шихте (1... 1.5%), получ обмазочные массы с высокими технологическими свойствами.

Изучено также влияние минерала ревдинскита на сваро1 технологические свойства электродов, что позвол

тимизировать его содержание. Было установлено, при держании в покрытии 8... 12% ревдинскита улучшается делимость шлаковой корки (Ауд=3.2...4.5кДж/м"; д=16.4кДж/м2 - электроды УОНИ-13/55): образующиеся шлаки тадают равномерной кроющей способностью и обеспечиваю) тучение мелкочешуйчатых швов с хорошим товарным видом.

Одним из методов улучшения качества и повышения ишических свойств сварных швов является введение в них сродобавок легирующих элементов-модификаторов - РЗМ, >М или их соединений. Эффективность влияния таких микро-¡авок связана с изменением морфологии, распределения и персности структурных составляющих металла, а также состава )стояния границ зерен.

Исследовали влияние добавок модифицирующих элементов мплсксных лигатур, содержащих А!, Ва, Р31М) в покрытии ктродов. а также их дисперсности на основные показатели рочно-технологических свойств электродов, содержание газов в давленном металле и его вязко-пластические характеристики.

Установлено, что комплексные лигатуры, содержащие РЗМ, Ва, - модификаторы, во фтористокальциевых покрытиях :печивают ударною вязкость (КСУ), металла со 100 до 180 см" при { = -40 С благодаря измельчению микроструктуры, гржащей незначительное количество мелкодисперсных еталлических включений глобулярной формы, и снижению 15 .2 раза содержания водорода и кислорода в наплавленном игле при одновременном повышении содержания азота в 1.2

и увеличении Ткл в 1.5 раза и сС\{\, в 2...3 раза.

Определено оптимальное содержание в покры ифицирующих комплексных лигатур, равное 1...2%, п»* 1ерспости 0.2...0.3мм. Полученные результаты свидетел; терспективности применения комплексных лига" •ходпмо учитывать при разработке новых и соверше // хтвующих марок электродов с основным покрытк;7*'//

Результаты комплексных металлу^' 'О, ологических исследований послужили основ^ ^// Зазе газошлакообразующей системы С гродов марок АНО-25, АНО-26. АНО-2-7 п )-ТМ, отличающихся улучши

алогическими свойствами I! высоким

коррозионными характеристиками сварного соединени Электроды АНО-26, АНО-27 и АНО-28 предназначены для свар} во всех пространственных положениях (кроме вертикально! "сверху-вниз") металлоконструкций нефтегазовых объектов углеродистых и низколегированных сталей, а электроды АНО-2^ для сварки хладостойких ста-лей, конструкции из которь эксплуатируются при отрицательных температурах ( до -70 С), покрытии электродов АНО-26 в качестве пластификато использовали синтетическую слюду, а раскислителем служит Ие марки ФС-15гс.

Вследствие дефицитности синтетической слюды существующих трудностей в поставках гранулированного Р( марки ФС-15гс, в покрытии электродов АНО-27 использова! слюда-мусковит и РеБ1 марки ФС-45. Электроды АНО-25 в отлич от АНО-26 содержат в составе покрытия никелевый порошок.

В покрытии электродов АНО-28 в качестве пластификато используется природный или обогащенный волластонит, а качестве раскислителя служит РеБ1 марки ФС-45. В покрыт разработанных электродов дополнительно введен Ре - порош< Комплексное раскисление РеЙп, РеБ1 и РеТл обеспечивает высоь механические свойства металла шва.

По механическим свойствам электроды марки АНО-АНО-26, АНО-27 и АНО-28 удовлетворяют требовани ГОСТ9467-75 к типу Э50А (табл. I).

Таблии

§

Ф <Хц, Дж/см2, при Т,1

%

+20 -40

28.0

68.5 200 90

29.0

67.0 170 95

29.5

68.0 165 92

26.5

72.0 155 71

пектроды АНО-25 обеспечивают более высокие значе зязкости сварных соединений по сравнению с шир ченными электродами отечественного и зарубежн ч, предназначенных для сварки хладостойких стй

яков в целом трубопровода зависит от качества корневых швов, ш этом очень важно формирование "обратного валика", т.е. тения шва, особенно при сварке в потолочном положении, так к в случае провисания корневого шва требуется его подварка <утри трубы, что при малых диаметрах (< 720мм) не едставляется возможным выполнить.

Исследованиями установлено, что для формирования Зратного валика" необходимо выполнение двух условий: ¡данне мощного газового потока, обеспечивающего измельчение тель и перенос их в сварочную ванну; получение шлака, хорошо щипающего кромки стыка и подтягивающего к нему жидкий галл, что особенно важно при сварке в поюлочном положении.

Установлено, что требуемое сочетание свойств электрода тигается при определенном содержании п соотношении ювиых компонентов покрытии, количество которых находится в исимости от фторида кальция, содержание которого изменяется ределах огбдо 8';...

При этом содержание мрамора составляет 5.5...6.0 частей Ч рутила 0 9. 1.0 и полевого пшата 1.25..Л.35 части СаР2. панн им пределам соответствует следующий конкретный состав работанного покрытия электродов АНО-Т. Его модификацией яются электроды АНО-ТМ, в покрытие которых дополнительно тен никелевый порошок, что позволяет использовать их для тки низколегированных хладостойких и высокопрочных сталей

строительстве и ремонте фубопроводов в суровых матических условиях (+30...-60"С). При этом они могут эльзоваться для специальных ремонтных работ: сварке катушек. :естов, отводов, кривых, запорной арматуры и гд.. когда 1ьявляются особо жесткие требования к качеству сварки и >зможна подварка изнутри стыка.

Элекфоды АПО-Т и АНО-ТМ характеризуются :оканельиым переносом металла, (тк (=6.7мс, 1св=80А). высокой пльиостыо юрения душ В -1(»и Ом"'с*'. 1(И-Л20А, 0 Змм), ачи тельным ра збры згпванием металла (¿^=2...3.0%). По ржанию кислорода и азота в наплавленном металле электроды )-ТМ не уступают апалокгм. а содержание водорода при их льзовании ниже, чем у электродов УОНИ-13/55 (табл.6).

Таблш

Марка [Н], см7100 г [N] [О]

электрода диффуз. остаточн. %

АНО-ТМ 2.3 1.0 0.010 0.033

УОНИ-13/55 3.5 2.3 0.009 0.035

Разработана технология сварки корневого слоя ст электродами АНО-Т и АНО-ТМ, включающая технику сварки различных положениях шва и подготовки стыка, что обеспечи: получение мелкочешуйчатого "обратного валика" с xopoi проплавлением кромок стыка.

Промышленная технология изготовления электродов А 25, АНО-26, АНО-27 и АНО-28 освоена в АО "Уралхимм (г.Екатеринбург), ОЗСМ ИЭС им Е.О.Патона (г.Киев), "Электрод" (г.Шадринск), АО "Сталепрокатный за! (г.Череповец), АО "Атоммаш" (г.Волгодонск). Электроды про широкую опытно-промышленную проверку на нефтехимических и машиностроительных предприятий организаций России и стран СНГ, в частности, Уралм Уралхиммаше, Уралгидромаше, Уральском компрессорном за1 Челябинском тракторном заводе. Черновицком машза! Опытном судоремонтном заводе (г.Клайпеда, Литва), тр« Уралэнергострой, Уралэнергомонтаж, Донбасс-домнаре\ Уралцветметремонт и др.

Производство электродов АНО-Т и АНО-ТМ организо на ОЗСМ ИЭС (г.Киев), в АО "Орловский сталепрокатный за (г.Орел), ОСЗ (г.Москва), в АО "ОСП-ЭЛКОМ"(г.Комсомо. на-Амуре). Электроды АНО-Т и АНО-ТМ успешно прс опытно-промышленные испытания на различных объб нефтегазовой промышленности. Электроды АНО-25, АНО-АНО-27 аттестованы Международным научно-техниче центром сертификации "СЕПРОЗ", а электроды АНО-ТМ, к этого, аттестованы Международной страховой компа "Ллойда" и Морским Регистром РФ.

Электроды АНО-25, АНО-26, АНО-27, АНО-28, АНС АНО-ТМ широко используются при монтаже металлоконстру нефтегазовых объектов ОАО "Нижневартовскнефтегаз" и дочерних предприятий "Белозернефть", "Приобыш "Самотлорнефть", "Нижневартовскнефть", в "Черногорнефть", "Ваньеганнефть", "Мегионнефт«

ургутнефтегаз", "Сибнефтегазпереработка", Нижневартовском и юзерном ГПЗ и др.

Экономически!! эффект от применения только электродов (0-25 и АНО-ТМ взамен электродов "Тарант", "Шварц ЗК", OK 70, OK 73.70 и ЛБ-52У в ОАО "Нижневартовскнефтегаз" и его lepinix предприятий составил 3000 тыс. рублей (в ценах 1998г.)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны аппаратура и методика количественной нки характера переноса расплавленного металла и стабильности ения дуги переменного тока при сварке покрытыми :стродамп, основанная на статистическом анализе изменении агрофизических параметров сварочного конiура, с ользованием измерительно-аналитической системы АНП-1 и VI.

2. Установлено, что количественная взаимосвязь размеров :сы) электродных капель и длительности коротких замыканий , Мк и тк.ч) при сварке покрытыми электродами описывается мнениями регрессии первого и третьего порядка: DK=( ...0.20) х ik ! (mm) и Мк=(0.14...0.33) \ К)"'1!3;; 1 (г), где tu 1в mc. На .же установленных зависимостей, являющихся статистической елыо процесса переноса электродного металла с короткими иканиями, разработан расчет но-экснери ментальный метод „■деления кинетики переноса, размеров, массы и количества ■ходящих капель и их распределения.

3. Установлены количественные взаимосвязи критериев тк s с параметрами режима сварки и состава шлака, позволяющие

-позировать и регулировать процессы переноса электродного тла и стабильности горения дуги переменного юка при сварке н гажных условиях.

4.Разработана концепция создания универсальных тродов с улучшенными сварочно-технологическими ствами, в основу которой положены принципы выбора мального содержания и соотношения основных шлакообразующих компонентов (CaCOj. CaO, CaF2, SiO:, ) фторпстокальцневого покрытия с учетом изменений его фициента массы и эксцентриситета. состоящие в ходимости получения мелкокапельного переноса металла (тк.з

< 12...14мс, 1св=П0А), стабильного горения дуги (Вз> 130...140 С с"1, 1св=160А) при сохранении высоких технологических свой электродов (незначительное разбрызгивание металла ¿нб=1... легкая отделимость шлаковой корки Ауд=4...6 х 10 Дж качественное формирование металла шва) при сварке в различ! пространственных положениях и переменном монтажном зазоре 5...7мм). Этим требованиям удовлетворяют шлаки, в кото] (8Ю2+ТЮ2)=25...35%, а СаР2/Е(СаО+СаР2)=0.30...0.45; причем С в шлаке составляет 20...25% при его основном Кос:н=1-2...1.4. ! композиции реализуются при соотношении "мрамор-плавико! шпат" в покрытии, равном 1.3...2.0, и содержании плавиков шпата не более 20...25% при коэффициенте массы покры 55...60% и его эксцентриситете 0.05...0.10мм.

5. Установлено, что для сварки на переменном токе высс стабильность горения дуги (Вз> 130... 140 Ом^с"1, 1св=160у высокие технологические свойства электродов обеспечиваются содержании в покрытии основных газошлакообразую! компонентов: 20...40% СаС03, 5...25% СаР2, 5...10%8Ю2, или Т поскольку активными дестабилизаторами дуги являются пары 5 "ПЯд и СаР2, при этом стабильность горения дуги возрастает:

-с изменением диаметра электрода от 3 до 5мм и сохранении коэффициента массы покрытия в пределах 50...60%;

-с изменением плотности тока от 11.1 до 15.9А/ эксцентриситет покрытия должен быть <0.05...0.10мм, так как увеличение с 0.10 до 0.3мм увеличивает тк.з в 1.3...3.0 раза и сни) Вз в 1.3...2.0 раза.

6. Установлено, что комплексные лигатуры, содержа РЗМ, Zr, Ва - модификаторы, во фтористокальциевых покры обеспечивают ударную вязкость (КСУ) металла шва со 100 до Дж/см2 при 1=4-20С и от 40 до 80 Дж/см2 при 1= -40°С благо, измельчению микроструктуры, содержащей незначител количество мелкодисперсных неметаллических включ' глобулярной формы, и снижению в 1.5...2 раза содерж водорода и кислорода в наплавленном металле при oднoвpeмe^ повышении содержания азота в 1.2 раза, увеличении тк.з в 1 раза и «Гн.б в 2...3 раза. Определено, что оптимальным явл) содержание в покрытии модифицирующих комплексных лигат пределах 1...2% при их дисперсности 0.2...0.3мм.

7. Установлено, что для повышения коррозио

эйкости отечественных и зарубежных низкоуглеродистых и зколегированных сталей, используемых для производства 1)тегазопроводов, необходима термообработка или кролегпровапие РЗМ и ЩЗМ. Определены оптимальные нцентрацип микролегирования низколегированных трубных |лей ( в % ): Се 0.01...0.03; У 0.01...0.025; Ва 0.007...0.015; Са 01...0.0025; Ък 0.02...0.004 и металла сварных швов |)тегазопроводов ( в % ): Се 0.01...0.02; У 0.015...0.022; Ва 014...0.0025; Са 0.0012...0.0020; Ъг 0.031 ...0.044. Это

зышает трещпностойкость и вязко-пластические характеристики ¡ли и сварных соединений путем измельчения зерен аустенита и шита, очищения их границ, глобуляризации сульфидных ■динений Ре и Мп, снижения количества неметаллических ночений при одновременном увеличении их дисперсности и шомерности распределения в структуре Б, Р, Мп и 81.

8. Установлено, что активация питтинговой ктрохимической коррозии сварных соединений )тегазопроводов Западной Сибири вызвана ьфатвосстанавливающими бактериями и локализуется в их юйных зонах с зарождением микротрещин, вызывающих ьфидное растрескивание в зоне термического воздействия рного соединения и развитие его по границам зерен вплоть до рушения конструкции. Повышению коррозионной и щиностойкости сварных соединений НГГ1, эксплуатируемых в |розионно-агрессивных средах, содержащих СВБ, способствует ювременное снижение содержания в металле серы (не более 15...0,020 %) и остаточного водорода (не более 2...3 см3/100г).

9. Установлено, что наиболее высокие и стабильные

2 О

чения ударной вязкости (59...70 Дж/см при 1= -60 С) и

актеристнк сопротивляемости развитию тредцин (Кк =76.6...87.6 1а х м|/_ и 5с=0.21...0.30мм при -70°С) металла шва достойких сталей достигаются при концентрации никеля в нем 1.6 до 2.2%, которая реализуется введением в электродное рытие никелевого порошка в количестве 3...4%. Определен имальный химический состав наплавленного металла, спечивающип получение мелкозернистой структуры, фжащей незначительное количество неметаллических ючений глобулярной формы ( в % ): С < 0.10, 0.20...0.40; Мп ...1.20; N1 1.6...2.2; 5, Р<0.025.

10. Предложены математические модели численного

прогнозирования коррозионных процессов сварных соединений основного металла, эксплуатируемых в агрессивных средах пс напряжением, которые могут использоваться для инженернь расчетов и прогнозных оценок ресурса службы сварнь металлоконструкций нефтегазовых объектов Западной Сибири.

11. Разработана серия марок электродов АНО-25, АНО-2 АНО-27 и АНО-28 для сварки и ремонта ответственнь металлоконструкций нефтегазовых объектов, обладаюнц улучшенными сварочно-технологическими свойствами и высоки№ вязко-пластическими и коррозионными характеристика?/ наплавленного металла. Электроды успешно прошли опытна промышленные испытания в АО "Уралхиммаш", "Уралмаш "Нижневартовскнефтегаз" и др., организован их выпуск применение в производстве нефтегазовых объекто Вышеперечисленные электроды аттестованы Международны научно-техническим центром сертификации "СЕПРОЗ".

12. Разработаны электроды марки АНО-Т и АНО-ТМ технология сварки и ремонта монтажных стыков трубопроводе обеспечивающие формирование "обратного валика" при свар] корня шва в потолочном положении без последующей подварт изнутри трубы. Они аттестованы Международной страховс компанией "Ллойда" и Морским Регистром РФ и Международнь научно-техническим центром сертификации "СЕПРОЗ Организовано их производство и применение при монтажнс сварке и ремонте неповоротных стыков трубопровод« нефтегазовых предприятий "Нижневартовскнефтегаз "Сибнефтегазпереработка"и др . Экономический эффект < производства и применения новых электродов составил свыше млн. руб. (в ценах 1998 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Монография

1. Макаренко В.Д., Грачев С.И., Прохоров Н.Н и др. Сварка и корроз нефтегазопроводов Западной Сибири, под ред. В.Д Макаренко - Киев, 1996, 549с

Статьи.

2. Макаренко В.Д., Походия И.К., Марченко А.Е. и др. Исследование оперативи1 свойств покрытых электродов с помощью анализатора нестационарных процесс! -В кн: Информационные материалы СЭВ. -Киев. ИЭС им Е.О.Патона, 1979 , вып с.157-168.

3. Походия И.К., Горпеиюк В.Н., Макаренко В.Д. и др. Методика определен стабильности горения дуги переменного тока. -Автомат, сварка, 1979, Л1>12, с.16-

4. Походня И.К., Горенкж В.Н., Макаренко В.Д. и др. Метод и аппаратура ;] использования оперативных свойств сварочных материалов. В кн.: Всесою:

jjcpcii. по сварочным материалам. Киев: Наук.думка, 1982, с.18-24. лрпсигок ВН., Макаренко В.Д., Мпличенко С.С. п др. Пути улучшения свойств лпетка.тыщевы.х элеклродов для мошажной сварки. В кн.: Всссоюзн. [iCpcn. по сварочным Maiepna.iaxt. Киев' Наук.думка, 1982, с.92-95. Макаренко В Л Влияние толщины нокрышя па операшвпые свойства фодов с фюрнсюкальниевым иокрышем. В кн.: Всссоюзн. коиферен. по •очным маюрпалам. Киев: На\к думка, 1982. с.33-37

Макаренко В.Д.. Походня И.К., Горпенюк В.II. Влияние составляющих и,кия основною nina на сварочио-(cxno.ioi ичсские свойства электродов. В Информационные Maiepiia.iw, СЭВ Киев. На\к.думка, 1983. вып.J, с.82-88. Походня II.К". Макаренко В Д.. Горпенюк В.II. Взаимосвязь между е.п.носiыо коротких замыкании и массой ):icki родных капель. -Автомат, ка, 1988, №9, с. 28-31.

1о\очня И.К., Горпенюк В.Н., Макаренко В.Д. и. др. Исследование emiocieii переноса мечтиш ¡ ек'.бпльмогтн горения дуги при сварке гродами с основным покрьнием-Автомпт сварка. '19S4, Si 4, с t-<v

Макаренко В.Д., Походня U.K. Влияние диаметра лтемрода н т ранет■венного положения шва на характеристики переноса электродного лла при сварке электродами с фгорпегокалышевым покрытием. В 1нформ.материалы СЭВ. Киев:Наук.думка, 1984, вып.1, с.64-64. Pochodnja J.К., Gorpcnjuk V.N., Makarcnko V.D. Einfluss der ulliings/usammensctung auf das Schweissvcrhalten von basischen Elcktroden-■cissicchnik, 1981, № 9, s.410-412.

\>clmdnja J.K Olcngendcn R.G., Makarcnko V.D. u.a. A bevont clektrodar

ologiai \ iselkede^cnk usgalata iibUicioiiariiih lolvamauinali/atorrial. Gcp., 1981, №

:33-23s.

'oehodnja J K.. (iorpcnjuk Y.N.. Makarcnko I). Studs of alternating eiirrenl are li!\. - Jnlernalion.il Conylercnce "Arc I'lnsio ami Weld Pool lienaviour". I.ondon, p 93-99,

1о\одня 11.К, Горпенюк В.П.. Макаренко В.Д. и др. Влияние дпа.мсчра рода и нрос i ране i венН01 о положения шва на харак lep переноса >. ick i родио; о |да при сварке фтрисюка и.ннеиыми элекi родами. - Атома i .сварка, 1984, М' 7-6S.

1оходня И.К'., Макаренко В.Д., Мпличенко С.С. Влияние эксиешричпост .ггпя на сварочно-технологичсские свойства электродов и kuhccibo iнденного ме i ал. ia.-Ав i ома i .сварка. 1985. S: I I, с.20-22

Походня 11.К., Марченко А.Г... Макаренко В.Д. и др. Служебные стсрпстикн новых электродов марок Al 10-25, А110-26. АНО-27 и АНО-Д.-В 'Свариваемость и технология сварки конструкционных сталей и чугунов". : Академия наук УССР, 1985, с.43-53.

Макаренко В.Д., Похочня И.К., Горпенюк В.Н. н др, Зависимость деристк переноса металла oí сослана и kohci р\ кипи покрытия электродов тою шпа. В кн.. Пиформ. мак-риалы СЭВ, Киев: Наук, думка, 1985. ими 2,

о,

\1акареико , Походня ПК., Горпенюк В 11. Влияние толщины и трнчностн нокрышя на сиарочпо-icxno.ioi ичсские свойсчва элекмродов и гво наплавленного металла. В кн.:Информ. мангриалы СЭВ. Киев: думка, 1985, вып.2, е.83-87.

19. Макаренко В.Д., Походня И.К., Мнличенко С.С. Влияние конструкн покрытия на содержание газов в наплавленном металле. В кн.: Информ. матери« СЭВ. Киев: Наук.думка, 1985, вып.2, с.88-90.

20. Макаренко В .Д., Походня И.К., Горпешок В.Н. Зависимость свароч! технологических свойств электродов с покрытием основного типа от вида состава связующего,- В кн.: Информ.материалы СЭВ. Киев: Наук.думка, 19 вып.2, с.90-94.

21. Походня И.К., Горпешок В.Н., Макаренко В.Д. к др. Некоторые п> улучшения характера переноса металла при сварке электродами с ооювн покрытием,-Автомат.сварка, 1985, № 1, с.30-33.

22. Макаренко В.Д., Походня И.К., Горпешок В.Н. и др. Зависимость показате.) сварочно-технологических свойств электродов от типа связующего и i расположения в покрытии основного типа.- В кн.: Информ.материалы СЭВ. Кн Наук.думка, 1986, вып.), с.94-97.

23. Походня И.К., Макаренко В.Д., Мнличенко С.С. и др. Влияние никеля структуру и механические свойства шва, выполненного электродам» с основн покрытием. -Автомат.сварка, 1986, № 2, с. 1-5.

24. Походня И.К., Пономарев В.Е., Макаренко В.Д. и др. Влияние типа н сост; связующего на сварочно-технологнческие свойства электродов с основн покрытием. -Автомат.сварка, 1986, № 4, с.33-35.

25. Походня И.К., Мнличенко С.С., Макаренко В.Д. и др. Влияние сост; связующего в покрытии электродов основного вида па их свароч технологические свойства. -Автомат.сварка, 1986, № 5, с.27-29.

26. Тараборкнн Л.А., Привалов Н.Т., Макаренко В.Д. Рост газового пузырьк кристаллизующемся металле при подпитке из жидкой и твердой фазы. В i Современные процессы обезуглероживания и дегазации легированных стале! сплавов. Днепропетровск, 1987, с.66-67.

27. ЛюбичА.И., Чернов В.Ю., Макаренко В.Д. и др. Расчет термодинамичеа вероятности образования тетрафторидов титана и кремния в шлаках электроде основным покрытием. - Сварочное производство, 1988, № 5, с.37-39

28. Макаренко В.Д., Шатпло С.П. Стабильность горения дуги при сва фтористокальциевыми электродами. -Сварочное производство, 1989, № 7, с.35-3

29. Любич А.И., Чернов В.Ю., Макаренко В.Д. Технологические свойс электродов с основным покрытием при использовании новых сырье! материалов,- Сварочное производство, 1989, №11, с. 19-21.

30. Макаренко В.Д., Моргун И.Д. Особенности влияния бария на мсханичес свойства наплавленного металла при сварке фтористокальциевыми электрода» Сварочное производство, 1990, № 4, с.8-9.

31. Квасшщкий В.Ф., Чернов В.Ю., Макаренко В.Д. Некоторые пути улучше пластических свойств покрытий фтористокальциевых электродов.- Сб. науч! трудов "Прогрессивная технология судостроения и сварочного производсп Николаев, 1990, с. 12-16.

32. Макаренко В.Д., Чернов В.Ю., Пономарев В.Е. Методика оценки стабильно повторного зажигания дуги переменного тока.- Сб. научных тру ""Прогрессивная технология судостроения и сварочного производства", Никол; 1990, с.69-76.

33. Любич А.И., Макаренко В.Д., Чернов В.Ю. и др. Использова модифицирующих лигатур в покрытиях фтористокальциевых электродов Сварочное производство, 1987,

10, с.16-18.

Кабацкий В Н., Привалов Н.Т., Макаренко В.Д. Особенности влияния тлексных липиур на содержание газов в наплавленном металле при сварке ктродамн с основным покрытием. - Сварочное производство, 1986, № 12, с.4-5. Любим Л.П., Макаренко В.Д., Миличенко С.С. и др. Влияние волластоннта на рочно-техполо! пчеекпе свойства фiориаокал,пневых электродов. - Сварочное чтзводство, 1986, Al; 12, с.6-7.

Походня 11.К., Миличенко С.С., Макаренко В.Д. и др. Влияние слоисюго оения элект родием о покрытия на содержание (азов в наплавленном мекттле. -•омат.сварка, 1985, Л1> 4, с.22-24.

Макаренко В Д.. Чернов В.Ю.. Тараборкпп Л Л. и др Основные принципы выбора i азошлакообразуюшеп сиск'мы покрытия электродов основного типа. -Сварочное производство, 1989, № 2, с.20-23. Тезисы докладов

Макаренко В.Д.. Горпешок В.II. Влияние толщины нокрьпня на оперативные ¡ства фтористокалышевых электродов. - В кн.. Всесоюз. конф. по сварочным :рналам.Кпев:ИЭС им Е.О.Патона, 1979, с.25-27.

Походня U.K., Горпешок В.Н., Макаренко В.Д. и др. Оперативная оценка одности фтористокалышевых электродов для монтажной сварки. - В Зесеоюз. конф. по сварочным материалам Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1979, ■89.

Макаренко В.Д., Горпешок В.Н. Влияние толщины покрытия на сварочно-ологнческие свойства электродов с фторнстокальциевым покрытием. - В кн.: льная научномехннчеекпя конф. "Пут повышения эффективности, качества и

Ж1КК1П в сварочном произволе i не", Красноярск, 1979, с.23-24. !о\одня U.K.. Горпешок В.П., Макаренко В.Д. Исследование влияния состава ы i и я па сварочпомехнодо! нческис свойсша элек [родов. - В кн.: Зональная i. сварщиков Урала "Прогрессивная технология. механизация п машзанпя сварочною производеша", Сверл,ювек, 1983, с.8-10. 1оходня П.К.. Горпешок ВН., Макаренко В Д. н др. Новые электроды с щепными сварочпо-кхчполо! ическими свойствами,- В кн.: "Прогрессивная 1.101 ия, механизация н автомаппацня сварочною производства", Свердловск, с.53-54.

Макаренко В.Д., Горпешок В.Н., Тараборкин Л.А. Исследование ипзпругопшх свойств покрытии основных электродов с помощью G-

юпшмаTi.Hoi о плана эксперимента. - В кн.: Всезоюз. конф. по сварочным лшлам. Киев: НОС им Е.О.Патна, 1983, с.4-6,

Макаренко В.Д., Горпешок В.Н. Расчетно-экспериметальнын меюд дования переноса металла при сварке покрытыми электродами.- В кн.: юз. конф. по сварочным материалам. Киев: ИЭС им Е.О.Патона, 1983, с.6-8. 1акаренко В,Д., Горпешок В.П. Опенка термодинамической вероятности оваппя 1Сфафторидов Ti и Si в шлаках электродов с основным покрьппем. -Всезоюз. конф. по сварочным материалам. Кис»: ИЭС им Е.О.Патона, 1983,

7

акаренко В.Д. Элек i роды Al 10-25 для сварки хладост ойких сталей. - В кн.: юз. конф. по сварочным материалам. Киев: ИЭС им Е.О.Патона, 1983, с.72-

оходня И.К., Горпешок В.И., Макаренко В.Д. Универсальные электроды с

улучшенными сварочпо-технологическими свойствами.- В кн.: Всезоюз. koik) сварочным материалам. Киев: ИЭС им Е.О.Патопа, 1983, с.73-74.

48. Макаренко В.Д. Влияние эксцентричности покрытия на сваро технологические свойства электродов и качество наплавленного металла. - В Всезоюз. конф. по сварочным материалам. Киев: ИЭС им Е.О.Патопа, 1983, 82.

49. Походня И.К., Горлешок В.Н., Макаренко В.Д. и др. Электроды AHO-основным покрытием для сварки хладостойких низколегированных ста Информ. письмо Института электросварки Академии паук УССР, 1985, № 36, ■

50. Походня И.К., Горпешок В.Н., Макаренко В.Д. и др. Электроды AHO-АНО-27 основного типа с улучшенными сварочно-тсхнологическими свойств; Информ. письмо Института электросварки Академии наук УССР, 1985, № 37, •

51. Походня И.К., Макаренко В.Д., Мнличенко С.С. Некоторые пути улучи характера переноса металла при сварке в монтажных условиях электрода основным покрытием. - В кн.: "Экономия материальных, энергстическ! трудовых ресурсов в сварочном производстве", Челябинск,1986, с.12-13.

52. Походня И.К., Макаренко В.Д., Мнличенко С.С. Опыт использое универсальных фтористокальцнеых электродов для ремонта доменных пе1 конвертеров - В кн.: "Экономия материальных, энергетических и труд ресурсов в сварочном производстве", Чслябинск,1986, с.13-14.

53. Походня'И.К., Макаренко В.Д., Мнличенко С.С. Повышение качества ме: шва при монтажной сварке. - В кн.: "Экономия материальных, энергетичеа трудовых ресурсов в сварочном производстве", Челябинск, 1986, с. 14-15.

54. Макаренко В.Д., Горпешок В.Н., Мнличенко С.С. и др. Расч экспериментальный метод исследования переноса металла при сварке покры электродами. - В кн.: "Экономия материальных, энергетических и трух ресурсов в сварочном производстве", Челябинск, 1986, с. 108-109.

55. Походня И.К., Мнличенко С.С, Макаренко В.Д. Применение вычислите.! техники для исследования сварочно-технологическпх свойств покр электродов.- В кн.: "Экономия материальных, энергетических и трудовых рес в сварочном производстве", Челябинск, 1986, с.340-341.

56. Горпешок В.Н., Макаренко В.Д., Пономарев В.Е. О возмож прогнозирования порообразования в сварочном шве с помощью электрс устройств при сварке покрытыми электродами. - В кн.: "Экономия материал энергетических и трудовых ресурсов в сварочном производстве", Челябинск, с.341-342,

57. Макаренко В.Д., Чернов В.Ю. Влияние стекла с барием в электр« покрытиях основного вида на свойства сварных соединений. - В кн.: Т докладов областной научно-теоретической конф.(28-29 апреля 1993г.) "Социг экономические и технологические проблемы Причерноморья и пути их peinei Николаев, 1993, с.74-75.

58. Макаренко В.Д., Чернов В.Ю. Влияние комплексных лигатур на свар технологические свойства электродов основного вида,- В кн.: Тезисы док областной научно-тсоретической конф.(18-20 апреля 1995г.) "Соци; экономические и технологические проблемы АПК и пути их решения в уел юга Украины". Николаев, 1995, с.59-61.

59. Макаренко В.Д., Шатило С.П., Беляев В.А. Особенности влияния пике структуру и механические свойства наплавленного металла при < нефтегазопроводов. - В кн.: Тезисы докладов международной и;

еретической конф.(21-23 мая 1996г.) "Нефть и газ Западной Сибири". - Тюмень, 96, с. 13-14.

. Макаренко В.Д., Беляев В.Л.. Шагпло С.П. Опыт внедрения электродов при мошкой сварке нефтепроводов в условиях 'Западной Сибири. - В кн.: Тезисы кладов международной научно-теорешческой конф.(21-23 мая 1996г.) "Нефть и i 'Западной Сибири". - Тюмень, ¡496. с.18-19.

Макаренко В.Д , Беляев В.Л., Чернов В. 10. Коррозионная етйкоси» сварных :дппеиин нефтепроводов в северном исполнении. - В кн.. Тсзлсы докладов жд\народной на\чпо-теорс1Пческоп конф.(21 -23 мая 1996г.) "Нефп, и ia¡ тадноп Спбпрп". - Помет., 1996, е.87-88. юрские свидетельства

Л е. .Vj 1076239 СССР, В23К35/365. Cocían элеклродною покрышя / К.По.ходня, А.Е.,Марченко, В.Д.Макаренко и др., 1982

A.c. № 1252104 СССР, В23К35/365. Состав 1 Дюбич. В Н> Черной, В.Д.Макаренко л др., 1934 A.c. Л1> 1283006 СССР, B23IC35/365. Состав ТЛюбнч, В.Ю.Чернов, В.Д.Макаренко н др., 1985 A.c. № 1303342 СССР. В23К35/365. Состав I.Любим. В.Ю.Чернов, В.Д.Макаренко н др., 1984 A.c. № I 103441 СССР, В23К35/365. Состав (.Котельников, В.Г.Коробко, В.Д.Макаренко н др., 1982

A.c. № 1139044 СССР, В23К35/365. Состав электродного I.Котельников, H.A.Малый, В.Д.Макаренко и др., 1984

A.c. .4« 1269955 СССР, В23К35/365. Состав электродного иЬобич, В.Ю.Чернов. В.Д Макаренко и др., 1985 Ас. .4' 1057222 СССР, В23К35/365 Сослав элекл родною Koie.ii.инков, H.A.Малый, В.Д.Макаренко и др., I9S4 Ас. .V- 1180217 СССР. В23К35/365. Сослав xicki родною Дюбпч, В.Ю.Чернов, В.Д.Макаренко и др., 19S4 A.c. 1105288 СССР. В23К35/365. Сослав ,:icki родного Ноходня, В.! ГГорпенюк, В.Д.Макаренко и др , 1983 A.c. .Y> 1250431 СССР, В23К35/365. Сослав элеклродною .Ноходня, В.Д.Макаренко, Н.Н.Горпенюк и др , 1985 A.c. № 1106098 СССР, В23К35/365. Сослав элеклродною Горпешок, И.К.По.чодня, В.Д.Макаренко, и др., 1983.

электродного покрытия /

электродной) покрышя ! электродного покрытия / электродного покрытия /

покрытия /

покрытия /

покрышя /

покрышя /

покрышя I

покрышя /

покрышя

У/: О0-5/0 ; г

I I ч»/ ^ /

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Нижневартовский филиал

МАКАРЕНКО ВАЛЕРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ОСНОВНОГО ВИДА ДЛЯ СВАРКИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ

^(^нодаШйй и фашины сварочного " производства"

96 -

йееЕРТАЦИя на соискание ученой степени доктора технических наук

Н аучный-коисультант: профессор, доктор технических наук Д.И. Котельников

Нижневартовск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение 1

Глава 1. Сварочно-технологические свойства электродов и

методы их исследования (аналитический обзор) 13

1.1. Взаимосвязь сварочно-технологических свойств электродов с качеством сварных швов металлоконструкций

и их служебными характеристиками 13

1.2. Особенности переноса электродного металла 15

1.3. Стабильность горения дуги при сварке электродами с

покрытием основного вида 23

1.4. Методы исследования и критерии оценки переноса

электродного металла и стабильности горения дуги 26

1.4.1. Методы исследования переноса металла 26

1.4.2. Критерии оценки переноса электродного

металла 32

14.3. Методы исследования и критерии оценки

стабильности горения дуги 39

Выводы 47

Глава 2. Влияние режима сварки, состава и геометрических

параметров покрытия на перенос электродного металла 48

2.1. Методика, аппаратура и критерии исследования переноса электродного металла 48

2.2. Взаимосвязь между длительностью коротких замыканий и

характером переноса электродного металла 56

2.3. Феноменологическая модель переноса электродного

металла 77

2.4. Влияние режима сварки на перенос металла 82

2.5. Влияние состава покрытия (шлака) на перенос металла 89

2.6. Влияние коэффициента массы (толщины) покрытия 101

2.7. Влияние эксцентричности покрытия 109

2.8. Влияние диаметра электрода и пространственного

положения шва 116

2.9. Влияние состава и конструкции покрытия 118

2.10. Влияние вида и состава связующего 122 Выводы 125

Глава 3. Влияние режима сварки, состава и геометрических параметров покрытия на стабильность горения дуги

переменного тока 127

3.1. Методика исследования стабильности горения дуги

переменного тока 127

3.2. Влияние сварочного тока 133

3.3. Влияние состава покрытия (шлака) 135

3.4. Влияние коэффициента массы (толщины) покрытия 151

3.5. Влияние эксцентричности покрытия 154

3.6. Влияние диаметра электрода и положения шва в

пространстве 156

3.7. Исследование стабилизирующих свойств

трехкомпонентных систем 156

Выводы 167

Глава 4. Основные принципы выбора газошлакообразующей системы покрытия электродов основного вида и системы

легирования металла шва 168

4.1. Влияние химического состава на механические

свойства металла шва 168

4.2. Влияние технологических параметров сварки на

механические свойства металла шва 172

4.3. Влияние никеля на механические свойства металла

шва 174

4.4. Основные принципы выбора газошлакообразующей

системы покрытия 188

Выводы 196

Глава 5. Повышение коррозионной стойкости сварных соединений нефтегазопроводов (НГП)

5.1. Десульфурация наплавленного металла сварных

соединений НГП 198

5.2. Снижение водорода в сварных соединениях 211

5.3. Совместное влияние серы и водорода на

трещиностойкость сварных соединений 223

5.4. Причины и механизм локальной коррозии сварных

нефтепроводов 231

5.5. Исследование коррозионной стойкости металла НГП 248

5.5.1. Оценка коррозионной стойкости труб из

углеродистых и низколегированных сталей 248

5.5.2. Повышение коррозионной стойкости сварных

НГП путем микролегирования 251

5.5.3. Прогнозирование коррозионной стойкости НГП 265 Выводы 270

Глава 6. Разработка электродов с улучшенными сварочно-технологическими свойствами для сварки нефтегазовых

объектов 272

6.1. Поиск новых сырьевых материалов 272

6.1.1. Волластонитовый концентрат 272

6.1.2. Биотит и ревдинскит 284

6.1.3. Борная кислота 288

6.1.4. Барий металлический 292

6.1.5. Модифицирующие комплексные лигатуры 296

6.2. Универсальные электроды общего назначения 308

6.3. Электроды для сварки корня шва трубопроводов 330 Выводы 342

Общие выводы 344

Литература 348

Приложение 361

Введение

Ответственные металлоконструкции нефтегазовых объектов, в частности, магистральные и промысловые нефте-и газопроводы, применяемые дня добычи и транспортировки нефти и газа, зачастую работают в экстремальных климатических и ириродно-геологических условиях, контактируя с коррозионно-агрессивными продуктами; их разрушение сопровождается крупными материальными и экологическими потерями. Поскольку основу трубопроводного строительства составляют сварочно-монтажные работы, в значительной степени определяющие надежность сооружаемых объектов, то в реальных трубопроводных конструкциях появление трещины наиболее часто обусловлено напитаем сварочных соединений. Поэтому к качеству сварки при строительстве таких объектов предъявляются очень высокие требования. Кроме того, в значительной мере срок службы трубопроводов, эксплуатируемых в коррозионно-активных зонах нефтегазовых месторождений, определяется коррозионной стойкостью сварных швов и соединений Такие дефекты, как непровары, подрезы, шлаковые и неметаллические включения и пустоты в сварном шве обуславливают зарождение микротрещии и их интенсивное развитие вплоть до разрушения, что в конечном итоге приводит к аварийным утечкам продукта.

Учитывая, что металлоконструкции нефтегазовых объектов являются достаточно металлоемкими и технически сложными сооружениями, проблема повышения их ресурса и эксплуатационной надежности является весьма актуальной.

Основным способом сварки неповоротных стыков трубопроводов при соединении секции или отдельных труб в непрерывную нитку, а также при проведении ремонтных работ на трубопроводах, газгольдерах, нефтехранилищах и других объектах в настоящее время остается ручная дуговая сварка покрытыми электродами.

Большой удельный вес ручной дуговой сварки штучными электродами среди других сварочных процессов объясняется универсальностью, маневренностью, простотой оборудования, возможностью сварки в груднодостугшых местах в условиях монтажа.

Рост объемов производства сварных металлоконструкций нефтегазовых объектов, в том числе нефтегазопроводов, эксплуатируемых в условиях Западной Сибири, непрерывно повышает спрос на электроды с покрытием основного вида, обеспечивающие наиболее высокие механические характеристики металла шва и сварных соединений. В тоже время качество сварных швов при использовании наиболее распространенных марок электродов с покрытием основного вида зачастую

уже не удовлетворяет предъявляемым к ним все возрастающим требованиям. Кш показывает практика, качество сварных соединений во многом зависит от характер* переноса металла и стабильности горения дуги, являющихся важными показателям! сварочно-технологических свойств электродов с покрытием основного вида.

Выпускаемые в настоящее время нромьшшенностью электроды с покрытием основного вида ( УОНИ-13/55, ДСК-50, СМ-11, АНО-11, СК-2-50, ВСФ-65, ВСФ-50 К-5А, ОК46.00, Шварц ЗК, Гарант и лр. ) по своим характеристикам не полностьк удовлетворяют современным требованиям. Наиболее существенными недостатками указанных электродов. являются крупнокапельный перенос электродного металла и низкая стабильность горения дуги, неблагоприятные последствия которых особенно заметны при сварке в монтажных условиях. Так, например, крупнокапельный перенос затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положениях, способствует "примерзанию" электрода к изделию, что сопровождается образованием дефектов в металле шва. Опасаясь "примерзания" электрода, сварщики вынуждены удлинять дугу, что приводит к появлению пор в металле шва.

Нестабильное горение дуги при сварке электродами с покрытием основного вида на переменном токе может сопровождаться ее "обрывами" и необходимостью возобновлять сварку повторно, что приводит к образованию, так называемых, "стартовых" пор, н епр ошв о дительиым затратам рабочего времени. Низкая стабильность горения дуги затрудняет использование электродов основного вида для сварки переменным током.

Указанные недостатки серьезно ограничивают применение электродов основного вида при сварке на монтаже в трассовых условиях.

Прищипиалъно важным является то, что требуемая эксплуатационная надежность монтажных стыков нефтегазопроводов обеспечивается благодаря высокому качеству корневых швов. В настоящее время в пршсгике сварки покрытыми электродами монтажных стыков конкурируют две тенденции.

Первая базируется на традиционной сварке корневого слоя целлюлозными электродами, когда высокая производительность достигается путем применения техники сварки "на спуск", которую допускают эти электрода. Остальные слои, в том числе и облицовочные, выполняются фтористокалыщевыми электродами соответствующего класса прочности. Вторая тенденция основывается на использовании фтористокштьциевых электродов как для заполняющих, так и для сварки корневых слоев. Низкое содержание водорода в ншшавленном металле, высокая его пластичность и стойкость против кристаллизационных трещин гарш пируют требуемое качество корневого слоя, позволяют на 100°С снизить

температуру предварительного подогрева и отказаться от выполнения "горячего" прохода, что особенно важно для северных районов России. Центратор может переводиться на новую позицию фазу после завершения корневого слоя и за счет этого общая производительность сварки монтажных стыков практически сохраняется на нужном уровне, даже если корневой слой сваривается менее производительным способом "наподъем".

Учитывая, что сварочные работы при ремонте трубопроводов, в связи с особыми условиями их выполнения, обычно включают приемы и операции, направленные на: снижение остаточных напряжений, обеспечение полного провара свариваемых кромок (в некоторых случаях провар изнутри невозможен), повьцпеше деформационной способности металла шва, поэтому важно, чтобы сварочно-технологические свойства электродов обеспечивали высокое качество и уровень вязко-пластических свойств металла шва.

Известно, что уложенные в землю грубы подвергаются действию почвенной коррозии, температурных напряжений и напряжений от осадки грунта, вследствие чего при эксплуатации происходят их повреждение, разрывы монтажных и заводских сварных швов, а также основного металла труб. Каждое такое повреждение может привести к значительным потерям газа, нефти и др. продуктов. Поэтому трубопровод может работать только при систематическом и своевременном его ремонте.

При ремонтных работах нефтегазопроводов вваривают новые участки из нескольких плетей, отдельные плети и трубы, катушки, заваривают каверны и свищи в теле трубы, в кольцевых монтажных и продольных заводских сварных швах, вваривают заплаты, заваривают трещины.

Ремонт трубопроводов путем вварки заплат, заварки: трещин и каверн в теле трубы и сварных швах во многом отличается от работ, выполняемых при сварке монтажных стыков трубопроводов, что требует повышенного качества сварочно восстановительных работ.

Как показали результаты комплексных исследований, проведенных в трассовых условиях строительства и ремонта нефте-и газопроводов, используемые электроды отечественного производства с основным покрытием ( например, марок УОНИ-13/55, ВСФС-50 и др.), а также большинство зарубежных электродов (марок Гарант, Щварц-ЗК, (Ж"46.00 и: др.), применяемых, при сварке трубных стыков, кроме электродов ЬВ-521.1 (Япония), не обеспечивают стабильного формирования "обратного" валика корневого шва. Особенно важным является обеспечение качественного провара корня шва и формирование "обратного" валика внутри трубы, чтобы исключить

необходимость подварки шва изнутри. Именно этому следует уделять главное внимание при разработке новых электродов для сварки и ремонта нефтегазопроводов.

Качество сварных соединений связано в значительной мере с характеристиками электродов, содержанием газов, растворяемых в металле и находящихся в виде неметалических включений. Проюводитстносгь сварки зависти от энергетических характеристик дуги, определяемых составом покрытия (шлака), режима сварки, параметров переноса расплавленного металла и других факторов.

Для установления количественных характеристик этих процессов необходимо знать кинетику и тепловые условия в зоне сварки. Поэтому изучались особенности плавления и переноса электродного металла и стабильности горения душ, процессы теплообмена между дугой и расплавленным металлом на горце электрода, проанализировано влияние тешюфизичееких характеристик элсжтродных материалов и газовой атмосферы, электрических параметров на частоту переноса капель и их массу.

В последние годы некоторые материалы, используемые для изготовления электродов с основным покрытием, по ряду причин относятся к числу остродефивдгп-вых. Это слюда-мусковит, синтетическая слюда, волоютстьш титан калия, применяемые в качестве шхастифшсаторов обмазочных масс, полевой и плавиковый шпаты как основные шлакообразуюшие компоненты покрытия и др. Нехватка сырьевых материалов тормозит дальнейший рост производства прогрессивных марок электродов и приводит к необходимости применения различных заменителей.

Необходим поиск новых, дешевых и относительно широко распространенных материалов, пригодных для использования в качестве пластификаторов и шлакообразующих. компонентов.

Одним из методов улучшения качества и повышения механических свойств наплавленного металла является введение в него микродобавок легирующих, элементов-модификаторов, например, щелочно- и редкоземельных элементов или их соединений. Эффективность влияния таких микродобавок связана с изменением морфологии, распределения и дисперсности структурных составляющих металла, а также состава и состояния границ зерен.

Эффективность влияния способа микролегировш-гая на сварочио-технологические свойства электродов и вязко-пластические характеристики металла шва, особенно при минусовых температурах, до настоящего времени не была изучена.

Исследование и разработка указанных выше направлений позволит реализовать научные и технические решения в создании новых универсальных электродов с улучшенными сварочно-техволо1'ическими свойствами и высокими вязко-

шгастическими и коррозионными характерисгаками металла шва и технологических приемов сварки корневых швов мюитажных. стыков трубопроводов в трассовых условиях.

Цель и.......задачи работы. Целью настоящей диссертации является разработка

принципов совершенствования и повышения эффективности ручной электродуговой сварки и качества сварных соединений металлоконструкций нефтегазовых объектов в условиях Западной Сибири на основе ранении следующих важных научно практических задач:

1. Разработка шхшштических методов, аппаратуры и критериев количественной оценки и оптимизации свароздю-технологических свойств электродов, феноменологических моделей и табяишю-аншшхических методов выбора технологических параметров сварки металлоконструкций нефтегазовых, объектов в полевых условиях.

2. Установление закономерностей влияния состава покрытия (шлака), коэффициента массы и эксцентриситета покрытия, режима сварки, положения шва в пространстве, типа связующего на перенос расплавленного металла, и стабильность горения дуги; разработка моделей и средств управления составом покрытая, обеспечивающим высокие сварочпо-технологагаеские свойства электродов в широком диапазоне режимов сварки в монтажных условиях.

3. Выявление взаимосвязи между длительностью коротких замыканий и характером переноса электродного металла. Разработка расчетно-экспериментального метода определения кинетических параметров переноса электродного металла.

4. Исследование и разработка рекомендаций по оптимизации химического и структурного состава металла шва, и способов реализации, обеспечивающими высокие вязко-плшяические характеристики сварных, гавов хладостойких, сталей яри отрицательных температурах (до -60°С).

5. Разработка комплексных методов повышения коррозионной стойкости сварных соединений и основного металла нефтегазопроводов и их практическая проверка в условиях Западной Сибири.

6. Изыскание новых сырьевых материалов и способов их гфименения в качестве пластификаторов, шлакообразующих и модифшщруюгцих добавок в электродном покрытии, улучшающих технологию изготовления и повышающих, сварочно-технологачесасие свойства электродов; обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики наплавленного металла. Разработка новых марок

электродов с покрытием основного вида, проведение их иш