Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов
Министерство образования
Ростовский государственный
Институт промышленного и
Кафедра промышленного транспорта и механического оборудования
Голушко Максим Борисович
Магистерская диссертация по направлению
«Строительство»
«АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ»
Научный руководитель__________________
Научный консультант___________________
Рецензент_____________________
г. Ростов-на-Дону
2002 г
Министерство образования
Ростовский государственный
МАГИСТРАТУРА
Утверждаю ____________________
Зав. Кафедрой __________________
1. Индивидуальный план работы студента Голушко М.Б.
2. Институт промышленного и гражданского строительства_________________
3. Кафедра промышленного транспорта и механического оборудования_______
4. Научный руководитель: Мещеряков В.М.
5. Период обучения в
6. Наименование профессионально-
7. Тема магистерской диссертации:
8. Срок представления студентом диссертации _______ июня 2002 г.________
9. Срок сдачи государственного экзамена по направлению ___25 июня 2002 г.__
10. Содержание ОПП________________
№№ п/п |
Наименование дисциплин, практик |
Кол-во аудитор-ных часов |
Формы аттеста-ции |
Планир. срок аттест. |
Отметки рук. о выполнении ат. (оценки, даты) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1 |
Современные проблемы строительной науки, техники и технологии |
18 |
зачет |
12.01.02 |
зачтено 12.01.02 |
2 |
История и методология строительной науки |
19 |
зачет |
6.06.01 |
зачтено 6.06.01 |
3 |
Компьютерные технологии в строительной науке и образовании |
38 |
зачет |
26.05.01 |
зачтено 26.05.01 |
4 |
Методология научного творчества |
18 |
зачет |
22.12.00 |
зачтено 22.12.00 |
5 |
Философские вопросы технических наук |
19 |
зачет |
7.06.01 |
зачтено 7.06.01 |
6 |
Научные проблемы экономики строительства |
18 |
зачет |
28.12.00 |
зачтено 28.12.00 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Аналитические и численные методы решения уравнений математической физики |
36 |
зачет |
28.12.00 |
зачтено 28.12.00 |
8 |
Менеджмент |
54 |
зачет |
29.12.00 |
зачтено 29.12.00 |
9 |
Маркетинг |
57 |
экзамен |
16.01.01 |
отлично 16.01.01 |
10 |
Современные методы проектирования и
строительства системы и объект |
51 |
экзамен |
12.01.01 |
отлично 12.01.01 |
11 |
Оптимальные методы тех. эксплуатации
парка машин и механизмов для
строительства магистральных |
51 |
экзамен |
27.06.01 |
отлично 27.06.01 |
12 |
Методы оценки прочности магистральных трубопроводов |
34 |
зачет |
5.06.01 |
зачтено 5.06.01 |
13 |
Современные информационные технологии в строительстве магистральных трубопроводов |
34 |
зачет |
26.12.00 |
зачтено 26.12.00 |
14 |
САПР строительства |
54 |
зачтено |
23.01.02 |
зачтено 23.01.02 |
15 |
Прогрессивные технологии изготовления труб и сварки магистральных трубопроводов |
51 |
экзамен |
22.06.01 |
отлично 22.06.01 |
Подпись студента ______________________________
Подпись научного руководителя__________________
Оглавление
Введение
На сегодняшний день нефть и газ являются важнейшим товаром России на мировом рынке. Доходы от их продажи составляют весьма значительную часть (до 30% – по заявлениям премьер-министра России, хотя на самом деле эта цифра очевидно больше) бюджета государства. Кроме того, они являются важнейшим сырьем для многих отраслей экономики самой России, в том числе, топливно-энергетического комплекса. Поэтому главнейшими для нефтегазовой отрасли и всей страны в целом являются вопросы эффективной добычи и транспортировки полезных ископаемых к потребителю (или покупателю).
Географически районы добычи и потребления нефти и газа разделены значительными расстояниями, поскольку основные запасы полезных ископаемых сосредоточены на Севере и на Востоке, а главными их потребителями являются центральные и западные регионы. В связи с этим, одной из наиболее существенных является проблема транспортировки нефти и газа. Безусловным лидером среди различных способов доставки является трубопроводный транспорт.
Применение его для передачи нефти и газа на большие расстояния было предложено еще во второй половине XIX века – в самом начале эры промышленного использования этих полезных ископаемых. Первые трубопроводы предназначались для транспортировки продукта от промысла к пункту сбора (т.е. были промысловыми). К 1890 году в районе Баку эксплуатировалось около 40 подобных трубопроводов общей протяженностью 300 км. Первый магистральный трубопровод (т.е. трубопровод, предназначенный для передачи продукта от места добычи к месту потребления) был построен в 1896-1906 гг. Это был керосинопровод Баку-Батуми длиной 883 км, диаметром 203 мм с соединением труб на винтовых муфтах.
С того времени и материалы,
и способы изготовления
1) высокая экономическая эффективность применения трубопроводов. При больших объемах транспортируемого продукта (а именно этим отличаются современные нефте- и газодобывающая отрасль) затраты на перекачку единицы объема этого продукта по трубопроводу (удельные затраты) значительно меньше затрат на пересылку той же единицы объема автомобильным или железнодорожным транспортом.
2) высокая производительность. Трубопровод способен доставить гораздо большее количество продукта чем любой другой вид транспорта за то же время.
3) минимум потерь продукта при транспортировке.
4) быстрота сооружения трубопроводов. При одинаковых затратах время на строительство ветки трубопровода значительно меньше времени, необходимого для строительства авто- , а тем более, железной дороги.
5) земли, необходимые для строительства, после окончания этого строительства могут снова использоваться.
И это неполный список всех преимуществ трубопроводов транспорта перед остальными видами транспорта. Совокупность этих достоинств и обеспечили лидирующие позиции трубопроводного транспорта в вопросе передачи нефти и газа на большие расстояния. В этих условиях целесообразно рассмотрение проблемы качества сооружения магистральных трубопроводов как фактора, во многом определяющего последующую надежность их функционирования, от которой в значительной степени зависит благосостояние страны в целом
Проблема качества сооружения магистральных трубопроводов автоматически распадается на более мелкие, поскольку качество сооружения всего трубопровода в целом зависит от качества отдельных видов работ, выполняемых при строительстве: подготовительных, земляных, сварочно-монтажных, изоляционно-укладочных, испытаний. Важнейшим процессом, значительным образом влияющим на эксплуатационные характеристики будущего сооружения, являются сварочно-монтажные работы. Сварка на сегодняшний день является единственным способом соединения отдельных труб в секции (укрупнительная сварка поворотных стыков) и в непрерывную нитку (сварка неповоротных стыков). Самым распространенным в трубопроводном строительстве России по сравнению с другими методами сварки неповоротных стыков все еще остается ручная (электро)дуговая сварка (РДС) толстопокрытым электродом. Обусловлено такое положение дел несколькими причинами. Во-первых, это достоинства РДС:
1) универсальность метода. РДС подходит для сварки всех видов соединений магистральных трубопроводов (МТ). Более того, некоторые виды сварочных работ, согласно действующим нормам, требуют только ручной дуговой сварки (так называемые специальные сварочные работы).
2) отсутствие необходимости применения сложной высокотехнологичной техники и высококвалифицированного персонала для ее обслуживания, что необходимо для большинства методов автоматической сварки.
3) дешевизна метода (это особенно характерно для России, где отношение затрат на рабочую силу к общим затратам на строительство на порядок ниже того же показателя в развитых странах).
Во-вторых, следует упомянуть условия и события характерные для нашей страны с конца восьмидесятых годов и до наших дней:
1) развал СССР и экономический кризис, приведшие в упадок всю строительную индустрию, в том числе, и строительство магистральных трубопроводов. Одним из результатов этих процессов стало ухудшение материально-технической базы строительства. В качестве примера можно привести ситуацию с установками для автоматической электроконтактной сварки оплавлением неповоротных стыков труб больших диаметров «Север». Эти установки успешно применялись в строительстве, так как обеспечивали высокое качество сварки, большую производительность и полную автоматизацию сварочных работ. В настоящее время все они находятся в состоянии, непригодном для эксплуатации, а их восстановление или строительство новых экономически неоправданно.
2) временное отсутствие необходимости применения методов сварки, обеспечивающих большую производительность. Связано это, опять-таки, с экономическим положением в стране. Потребность в бόльших размерах строительства существует, но пока на реализацию этих планов средств нет. Ручная дуговая сварка вполне способна обеспечить выполнение тех небольших объемов работ, заказы на которые возникают в настоящее время. Соответсвенно нет смысла в неоправданном использовании дорогостоящих автоматических методов, неспособном окупить себя.
3) общее техническое и технологическое отставание России от развитых стран, в которых применение автоматических методов сварки обусловлено как высоким уровнем культуры строительства (чего эти методы требуют), так и гораздо лучшей материально-технической обеспеченностью процесса строительства.
Таким образом, в условиях строительства магистральных трубопроводов, характерных для сегодняшнего положения экономики России, ручная дуговая сварка несмотря на кажущийся архаизм, является оптимальным выбором. В отличие от других, автоматических методов сварки неповоротных стыков, она не требует столь значительных капитальных вложений. Технология РДС является сравнительно простой и хорошо освоенной и позволяет получать сварные соединения, вполне удовлетворяющие тем жестким требованиям, которые предъявляются к стыкам магистральных трубопроводов.
Все вышеперечисленные факторы обуславливают столь широкое применение ручной дуговой сварки при сооружении магистральных трубопроводов, даже учитывая то обстоятельство, что метод не является прогрессивным. Не вызывает сомнения тот факт, что с развитием экономики России в строительстве магистральных трубопроводов широкое распространение получат автоматические методы сварки. Но это вопрос не столь отдаленного, но все же будущего. А в настоящее время ручная дуговая сварка остается наиболее используемым методом сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов. Значит, существует объективная необходимость максимального усовершенствования технологии, которая сегодня все еще удовлетворяет основному требованию экономики строительства – построить в кратчайшие сроки с необходимым качеством за минимальную цену.
В этой работе сделана попытка
1.Элементы теории сварочных процессов
1.1 Сварка как способ получения монолитных соединений
1.1.1 Понятие сварки
В технике широко используют различные виды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолитными (сплошными) и немонолитными (например, заклепочные). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием. Сварку и пайку в настоящее время используют для соединения между собой металлов и неметаллов. Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ.
Сваркой называется технологический процесс получения неразъемного монолитного соединения материалов путем введения и термодинамически необратимого преобразования вещества и энергии в месте соединения. Сварным соединением называется сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла, подвергшиеся тепловому воздействию сварочного термического цикла. Сварным швом называют участок сварного соединения, образовавшийся в процессе кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.
1.1.2 Механизм образования монолитного
соединения
На первый взгляд кажется, что образование монолитного соединения двух одинаковых монокристаллов с идеально гладкими и чистыми поверхностями возможно при любой температуре и без приложения внешней энергии. Для этого достаточно сблизить их поверхности на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки (порядка долей нанометра). Тогда между сопряженными атомами возникнут связи, граница раздела Δ (рис. 1) исчезнет и произойдет сварка. Такой процесс кажется вероятным и не противоречит второму началу термодинамики, так как свободная энергия системы при этом должна уменьшиться на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.
В действительности даже в идеальном
случае для соединения поверхностей
требуются затраты энергии. Дело
в том, что любому устойчивому
состоянию системы соответствуе
Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум) или из-за ее ослабления. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла wп. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия w0 (см. рис. 2), то для выхода в окружающую среду wп, причем wп > w0. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется деформационная или тепловая, энергия извне, превышающая граничную энергию wг.
Внешняя энергия деформации будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в решетке кристаллов, возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится выигрыш энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения — энергии активации. Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, уве-личивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении
Сварку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 3). Двухстадийность характерна только для микроучастков соединяемых поверхностей. На первой стадии А развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояние, требуемое для межатомного взаимодействия, а также происходит подготовка поверхностей к взаимодействию. На второй стадии Б — стадии химического взаимодействия – заканчивается процесс образования прочного соединения.
Практически получение монолитных соединений осложняется двумя факторами:
1) свариваемые поверхности имеют микронеровности (даже при тщательной обработке), высота которых измеряется микрометрами. Поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках;
2) свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.
Для качественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активизировать ее. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:
1) для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи;
2) для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера охватывания, т. е. для перехода их в активное состояние.
Такая энергия активации может в общем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).
1.1.3 Образование монолитного соединения
при сварке плавлением
При сварке плавлением сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей тел жидким металлом, а активация поверхности твердого металла – путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий металл может растекаться по всей поверхности тела и обеспечивать соприкосновение и прилипание (или адгезию) его молекул и поверхностного слоя твердых тел.
При затвердевании расплавленного материала слабые адгезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и типу их кристаллической решетки. Вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромки и т.д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом материалах, их взаимное растворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны обеспечивают объемное строение зоны сварки, что обычно повышает прочность сварного соединения.
Сварка плавлением происходит без приложения осадочного давления путем спонтанного слияния объемов жидкого металла. Она обычно не требует тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.
Обе стадии процесса соединений – физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, – протекают достаточно быстро (см. рис. 3, кривая 1). Для однородных металлов это не опасно. Но в случае разнородных материалов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в контакте.
При быстром образовании
1.1.4 Образование монолитного соединения
при сварке давлением
При сварке давлением (в твердом состоянии) сближение атомов и активация (очистка) поверхностей достигаются в результате совместной упругопластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто одновременно с дополнительным нагревом.
Длительность стадий образования физического контакта А и химического взаимо-действия Б здесь существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов: физико-химических и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверхности, состава внешней среды, характера приложения давления и других средств активации (ультразвук, трение и т. д.).
В последнее время предложены методы
приближенного расчета
Однако принято считать, что при соединении металлов в твердом состоянии имеет значение не только схватывание, но и спекание. Спекание – комплекс диффузионных процессов, протекающих во времени при повышенных температурах. Схватывание – бездиффузионное явление – объединение кристаллических решеток, находящихся в контакте тел в результате их совместного пластического деформирования. Относительная роль схватывания и спекания в разных методах соединения металлов раз-лична и определяется в основном температурой, временем и давлением в контакте. Например, диффузионную сварку при большом времени выдержки можно считать основанной на явлении спекания. Во всех остальных случаях схватывание первично, а диффузионные и рекристаллизационные процессы, если они вообще происходят, вторичны.
1.2 Классификация сварочных процессов
1.2.1 Признаки классификации
При классификации процессов сварки целесообразно выделить три основных физических признака:
1) наличие давления;
2) вид вводимой энергии;
3) вид инструмента – носителя энергии.
Остальные признаки можно условно
отнести к техническим или
технологическим (табл.1). По виду вводимой
в изделие энергии все
Термические процессы идут без давления (сварка плавлением), остальные – обычно с давлением (сварка давлением).
Термины «класс», «метод», «вид», «способ» условны, но будут использованы в классификации, они позволяют в дальнейшем ввести четкую систему типизации процессов сварки. Термин «процесс» используют как независимый от классификационных групп.
Таблица 1
Признаки и ступени
Наименование признака |
Содержание признака |
Ступени классификации и порядок расположения процессов |
Физические |
Наличие давления при сварке |
Класс |
Вид энергии, вводимой при сварке |
Подкласс | |
Вид нагрева или механического воздействия (вид инструмента) |
Метод | |
Технические |
Устанавливается для каждого метода отдельно |
Группа Подгруппа Вид Разновидность |
Технологические |
То же |
Способ Прием |
Технико-экономические |
Удельная энергия, необходимая для соединения, удельные затраты и т.п. |
Устанавливается порядок в расположении методов сварки от механических к термическим процессам по увеличению удельных показателей |
1.2.2 Классификация сварочных процессов
по физическим признакам
Классификация методов сварки по физическим признакам приведена в табл.2. Физические признаки – общие для всех методов сварки. Технические признаки могут быть определены только для отдельных методов сварки.
Таблица 2
Классификация методов сварки по физическим признакам
Сварка без давления (плавлением) |
Сварка давлением | |
Термические процессы |
Термомеханические процессы |
Прессово-механические процессы |
Газовая Термитная Дуговая * Электрошлаковая * Индукционная Электронно-лучевая Фотонно-лучевая (лазерная) Плазменно-лучевая (микроплазменная) |
Контактная * Газопрессовая Индукционная с давлением Дугопрессовая (дугоконтактная) Печная с давлением Термитная с давлением Термокомпрессионная Диффузионная |
Холодная Трением Взрывом Ультразвуковая Вакуумным схватыванием |
* - рекомендуется дополнительная классификация по техническим и технологическим признакам | ||
Энергетический анализ показывает, что все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются введением только двух видов энергии – термической и механической или их сочетаний. Поэтому в группу особых процессов пока могут быть включены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которое практически происходит без введения энергии. Сварка вакуумным схватыванием (не в отдельных точках, а по всему стыку) возможна только при наличии сдавливания, поэтому она также отнесена к механическим процессам, хотя при сварке здесь энергия может даже выделяться, а не вводиться извне.
Сложившийся годами термин «сварка давлением» не совсем точен, так как давление в этих процессах – не единственное внешнее воздействие. Однако он общеупотребителен. Давление необходимо всегда, когда при сварке отсутствует ванна расплавленного металла, и сближение атомов (их активация) достигается вследствие упругопластической деформации материала поверхностей.
Следует отметить, что и при наличии давления может происходить расплавление металла, например, при термитной сварке с давлением, контактной точечной и шовной сварке с образованием литого ядра, стыковой сварке оплавлением, сварке трением и др.
Для всех термических процессов сварки, независимо от вида носителя энергии (инструмента), в стык она вводится в конечном итоге всегда через расплавленный материал. Энергия хаотически движущихся частиц расплавленного материала носит в термодинамике название термической, чем обосновано наименование этих процессов.
К термомеханическим процессам относятся процессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке. Теплота может выделяться при протекании электрического тока, газопламенном или индукционном нагреве, введении в зону сварки горячего инструмента и т. п. Сварка может вестись как с плавлением металла (частичным или по всему соединению), так и без плавления.
В основе всех прессово-механических процессов лежит пластическая деформация, создаваемая тем или иным способом в зоне сварного соединения. Для пластичных материалов возможна деформация в холодном состоянии (холодная сварка), при увеличении свариваемых сечений и повышении прочности свариваемого материала (сталь) для уменьшения усилий деформирования и повышения пластичности материала его предварительно подогревают (кузнечная сварка). В ряде случаев нагрев свариваемых изделий осуществляется в результате преобразования первичной механической энергии в тепловую (сварка трением, ультразвуковая сварка). Давление в прессово-механических сварочных процессах может осуществляться как при помощи мощных пневмогидравлических устройств, так и за счет энергии взрыва (сварка взрывом).
Наибольшее распространение в промышленности получили дуговые методы сварки, в которых необходимая энергия выделяется при горении сварочной дуги. Она идет на расплавление основного и присадочного металлов, сообщения их атомам энергии активации, образование физического контакта и др. процессы, имеющие место при сварке. Одним из способов дуговой сварки и является рассматриваемая в этой работе ручная электродуговая сварка плавящимся толстопокрытым электродом.
1.2.3 Классификация методов сварки магистральных трубопроводов
В период расцвета трубопроводного строительства еще в Советском Союзе применялось множество методов сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов. Такой вывод можно сделать хотя бы по содержанию основного ведомственного нормативного документа Миннефтегазстроя СССР, регламентирующего организацию и технологию сварочных работ – ВСН 006-89 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка». Данный документ является действующим. Он регламентирует:
- ручную электродуговую сварку штучными толстопокрытыми электродами;
- автоматическую сварку под флюсом;
- сварку порошковой проволокой с принудительным формированием шва;
- автоматическую и полуавтоматическую сварку в защитных газах;
- ручную аргонодуговую сварку корневого шва;
- стыковую сварку оплавлением;
- сварку вращающейся магнитоуправляемой дугой.

- Анализ и совершенствование товарной политики предприятия (на примере ООО «Рыбзавод №1»)
- Анализ и совершенствование товарной политики предприятия ООО «МагияПринт»
- Анализ и совершенствование управления оборотными активами в ООО «ТАИБА»
- Анализ и совершенствование управления оборотными средствами на предприятии ОАО «Элеконд»
- Анализ и совершенствование управления оборотными средствами на предприятии ОАО «Элеконд»
- Анализ и совершенствование управления оборотными средствами на предприятии ООО «КО «Радуга»
- Анализ и совершенствование управления стимулированием труда на предприятии
- Анализ и совершенствование стратегии ОАО «Сильвинит»
- Анализ и совершенствование стратегии предприятия на примере ООО ПермПтица
- Анализ и совершенствование стратегии развития
- Анализ и совершенствование структуры управления в ООО ПКФ «М. Сервис
- Анализ и совершенствование структуры управления сельскохозяйственного предприятия
- Анализ и совершенствование схемы оплаты труда
- Анализ и совершенствование технологии выработки управленческих решений в организации