Анализ современных методов получения сварных труб

     Министерство  образования и науки Российской Федерации

     Федеральное агентство по образованию

     Государственное образовательное учреждение

     высшего профессионального образования

     «Комсомольский-на-Амуре» государственный технический университет»

     Факультет  ИКП МТО

     Кафедра  МТЛП 
 
 
 
 

     КНИРС

     Тема: Анализ современных методов получения  сварных труб 
 
 
 
 
 

     Студент группы 3ОД-1      Петров С.И. 

     Руководитель  проекта      Симонов А.В. 
 

     2009

Технические требования и сортамент  сварных труб. 

     Сварные трубы изготавливают малых (5-114), средних (114-480) и больших (480-2520 мм) диаметров с толщиной стенки 0,5-28 мм.

     Сварные трубы малых диаметров применяют  в автомобильной и тракторной промышленности, сельскохозяйственном, энергетическом, химическом и нефтяном машиностроении, а также для изготовления трубчатых электронагревателей, велосипедов и в других конструкциях.

     Сварные трубы средних диаметров 159-480 мм используют для паропроводов низкого  давления, для газопроводов и нефтепроводов, а также для трубопроводов, при  изготовлении деталей конструкций различного назначения для мелиорации, водоснабжения, в коммунальном хозяйстве и т.д.

     Прямошовные и спиральношовные трубы большого диаметра предназначены для магистральных  трубопроводов газа, нефти, нефтепродуктов, а также для водо- и паропроводов низкого давления.

     Широкое применение сварных труб способствует их более низкая (на 15-20%) стоимость; по сравнению с бесшовными возможно в более короткие сроки организовать их производство при меньших капитальных  затратах с получением экономии металла за счет применения более тонкостенных труб.

     В мировом производстве труб доля сварных  труб составляет ~ 60%.

Сортамент сварных труб

Сортамент и  предельное отклонение по диаметру сварных труб средних диаметров приведены ниже:

     Предельное  отклонение толщины стенки не должно превышать требований ГОСТ 19903-74 для  максимальной толщины листа нормальной точности. Допускается утолщение  стенки у грата на 0,15 мм. 
 

Производство труб сваркой токами высокой

(радиотехнической) частоты 

     Сварку  ТВЧ до 500 Гц применяют для  получения  труб диаметром 6-529 мм со стенкой толщиной 0,5-10 мм. Основные преимущества этого  способа: возможность значительного  увеличения скорости сварки труб (до 120 м/мин) из углеродистых и легированных сталей, цветных и редких металлов; получение труб с качественным швом из горячекатаной нетравленой ленты, значительное уменьшение расхода электроэнергии на тонну готовых труб; осуществление сварки труб из различных металлов на одном сварочном оборудовании.

     Применяют два способа подвода ТВЧ к  кромкам трубной заготовки –  контактный и индукционный (рис. 1 и 2).

     При контактном подводе тока большая  часть возникающей тепловой энергии  выделяется на поверхности торца  кромок трубной заготовки. При подводке ТВЧ  к кромкам свариваемой трубной заготовки с помощью пары контактов образуются два возможных направления тока: 1) от первого контакта ко второму по периметру трубы, 2) от первого контакта вдоль кромки трубы до точки сварки и вдоль противоположной кромки ко второму контакту – путь наименьшего электрического сопротивления. При высокочастотной сварке с контактным способом подвода ТВЧ, протекая по пути, параллельному кромкам трубной заготовки, разогревает их до температуры сварки. Шовсжимающие валки сдавливают и соединяют (сваривают) кромки между собой в пластическом состоянии. Однако при сварке труб диаметром менее 20-25 мм меньшее сопротивление может быть на пути тока по периметру трубы, а не вдоль кромок. В этом случае для обеспечения прохождения тока вдоль кромок свариваемой заготовки  внутрь последней в зону сварки помещают магнитный сердечник (ферритный стержень), увеличивающий индуктивное сопротивление по периметру трубы.

     Рис. 1.Схема высокочастотной сварки с  контактным подводом тока:

     1 – токоподводящие контакты; 2 –  трубная заготовка; 3 – шовсжимающие  валки; 4 – точка схождения кромок; 5 – возможные пути тока (пунктирные  линии).

     Рис. 2.Принципиальная схема радиочастотной сварки с индукционным подводом тока:

     1 – трубная заготовка; 2 – индуктор; 3 – точка схождения кромок; 4 – шовсжимающие валки. 

     При индукционном способе передачи энергии  сварку заготовки осуществляют кольцевым  или щелевым индуктором. Индуцируемый в заготовке ток, проходя по периметру, достигает максимальной концентрации на свариваемых кромках. Для усиления эффекта нагрева внутрь трубы обычно вводят магнитный сердечник, набранный из ферритных колец. 
 

     Технология  производства труб индукционной сваркой 

     Индукционная  сварка обеспечивает производство водо-газопроводных труб и труб нефтяного сортамента. Принципиальная схема индукционной сварки труб приведена на рис. 3.

     Рис. 3.Принципиальная схема процесса индукционной сварки труб:

     1 – трубная заготовка; 2 – индуктор; 3 – сварочные валки; 4 – трансформатор. 

     Кромки  трубной заготовки, сформированной из рулонной ленты, непрерывно движутся под индуктором, постепенно разогреваются  и при температуре сварки сдавливаются шовсжимающими валками. Для нагрева  применяют плоский индуктор с  магнитопроводом. Магнитный поток, создаваемый током индуктора, пересекает трубную заготовку перпендикулярно ее поверхности. Индуктируемый ток концентрируется под индуктором, течет вдоль кромок, нагревая их до температуры сварки.

     Подвод  энергии к трубной заготовке  осуществляется бесконтактным способом. Это позволяет изготавливать трубы из горячекатаной ленты без специальной обработки кромок.

     В зависимости от толщины стенки и  производительности стана нагрев кромок трубной заготовки осуществляется одним или двумя индукторами. Частота сварочного тока определяется в зависимости от применяемого материала заготовки и толщины стенки и должна обеспечить проникновение тока на всю толщину кромки трубной заготовки.

     В настоящее время в России применяют  следующие частоты сварочного тока в зависимости от толщины стенки трубы S: 

     S, мм……….1,5-4,0          3,0-7,0          5,0-10,0

     Одним из важнейших параметров процесса индукционной сварки труб, влияющим на формирование шва и его структуру, является температура нагрева кромок: с повышением температуры уменьшается требуемое давление осадки и улучшается свариваемость металла.

     Исследованиями  установлено, что при температуре 1380-1420⁰С окислы железа на кромках трубной заготовки находятся в жидком состоянии и при осадке легко выходят за пределы основного сечения свариваемых кромок. Большой градиент температур между нагретым и холодным участками трубной заготовки создают условия для преимущественной пластической деформации нагретых кромок непосредственно в стыке и околостыковой зоне, что обеспечивает получение качественного сварного соединения. Давление при этом должно быть в пределах 34,3-88,0 МПа, а величина осадки 0,7-1,3 от толщины стенки свариваемых труб.

     Нагрев кромок трубной заготовки при индукционной сварке осуществляется на сравнительно большом расстоянии. Расстояние от последней клети с разрезной шайбой формовочных станов до сварочного калибра достигает 3 м, вследствие чего станы очень чувствительны к настройке и качеству штрипса. Это часто приводит к изменению температуры и ее распределению на кромках по длине штрипса во время сварки, что в сильной мере влияет на качество шва.

     При ведении процесса сварки труб шовсжимающие валки установлены на определенном расстоянии друг от друга, поэтому увеличение температуры нагрева кромок снижает сопротивление осадки кромок трубной заготовки, что уменьшает давление на кромки и вызывает снижение прочности шва. Снижение температуры нагрева увеличивает давление на кромки, что способствует хорошему сжатию кромок, однако низкая температура не обеспечивает должной свариваемости из-за присутствия на кромках неоплавленных окислов.

     Регулировка усилия осадки кромок шовсжимающими  валками во время работы стана  снижает стабильность качества сварного шва и усложняет работу сварщика, поэтому необходимо вести нагрев кромок с неизменной температурой, что возможно благодаря установке на станах системы автоматического регулирования температуры.

     Для получения качественной сварки достаточно нагреть до сварочной температуры каждую кромку трубной заготовки на ширину 0,5-1,3 от толщины стенки. Зона нагрева зависит от ширины индуктирующего провода индуктора и времени нагрева. Зазор между кромками под индуктор должен быть минимальным. Наилучшие условия нагрева обеспечиваются при сжатых кромках, в этом случае объемы нагретого металла на каждой из кромок максимальны и наиболее высокая температура будет непосредственно на них.

     Практические  допуски по ширине ленты и допустимые усилия на разрезную шайбу последней формовочной клети затрудняют подводку под индуктор трубной заготовки с плотно сжатыми кромками. Однако необходимо обеспечить минимальный зазор между кромками, который не должен превышать 3 мм (рис. 4), при большем зазоре сложнее произвести равномерный нагрев, что приводит к увеличению расхода мощности.

     Рис. 4.Влияние зазора между кромками трубной заготовки на

     ширину  зоны нагрева:

     а – ширина индуктирующего токопровода; б – нормальный зазор между  кромками; в – большой зазор  между кромками. 

     При минимальном зазоре окалина, находящаяся внутри трубы, не будет притягиваться к индуктору, что предотвращает замыкания между индуктором и трубной заготовкой и тем самым увеличивает срок его службы.

     Кромки  трубной заготовки должны находиться строго в вертикальной плоскости под индуктором. Смещение разъема кромок относительно индуктора на 1,5-2 мм в ту или другую сторону приводит к неравномерному разогреву кромок и, как правило, к потере устойчивости в шовсжимающих валках в момент осадки и ухудшению качества сварного соединения.

     Для равномерного нагрева кромок при  максимальной эффективности индуктора  необходимо выдержать определенный зазор между кромками трубной  заготовки и индуктором (рис. 5). Пластины магнитопровода индуктора должны находиться точно в плоскости симметрии по отношению к нагреваемым кромкам.

     Рис. 5.Положение индуктора относительно кромок трубной заготовки

     Нарушение процесса нагрева кромок часто вызывается неправильной стыковкой ленты на стыкосварочных машинах, что приводит к неустойчивому положению кромок относительно индуктора и неравномерному их разогреву вследствие перекоса и смещения стыкуемых переднего и заднего концов ленты.

     При неравномерном разогреве кромок (рис. 6, а) даже в случае отсутствия смещения их в шовсжимающих валках, качество сварки снижается из-за различной деформации каждой из кромок (б). 

     Рис. 6.Сварной шов при неравномерном  нагреве кромок трубной заготовки 

     При нагреве кромок трубной заготовки  двумя индукторами необходимо вести  процесс сварки с минимальной  разницей между температурами кромок на выходе из первого индуктора и на входе во второй.

     Для нагрева кромок трубной заготовки  скорость выделения тепловой энергии  в объеме нагреваемого металла должна обеспечить нагрев до сварочной температуры  по выходе их из зоны действия индуктора.

     Смещение  кромок трубной заготовки относительно индукторов приводит к ухудшению качества шва. Смещение происходит в основном из-за большого расстояния между последней формовочной клетью с разрезной шайбой и шовсжимающими валками. Особенно велико это расстояние при использовании двухиндукторной схемы нагрева. Поэтому для повышения устойчивости трубной заготовки необходимо сократить расстояние между последней клетью формовочного стана и шовсжимающими валками сварочного узла, что возможно при применении сварки с одним индуктором увеличенной длины. 
 

     Производство  труб аргонно-дуговой  сваркой 

     Дуговая сварка с защитой  дуги инертным газом 

     Дуговую сварку с защитой дуги инертным газом (гелием или аргоном) применяют для  получения труб диаметром 6-426 с толщиной стенки 0,2-5,0 мм из высоколегированных сталей (коррозионно-стойких и жаропрочных), а также из ряда цветных металлов (алюминия, магния и т.д.) и их сплавов. Скорость сварки труб в зависимости от материала, размера свариваемых труб и применяемой  защитной атмосферы составляет 0,5-8 м/мин.

     При дуговой сварке в среде инертных газов электрическая дуга горит  между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемой трубой. Для подвода  тока и подачи инертного газа применяют  специальную горелку. Сварку производят постоянным током прямой или обратной полярности в зависимости от металла штрипса, а также переменным током. Трубы из коррозионно-стойких и хроможелезоникелевых сталей сваривают на постоянном токе прямой полярности ( к электродам подключают отрицательный полюс), а трубы из алюминия, магния и их сплавов – на токе обратной полярности. В качестве источника питания применяют обычные сварочные генераторы.

     Высокая теплопроводность и теплоемкость гелия  способствует созданию в зоне нагрева  металла условий, при которых значительно повышаются механические свойства сваренной трубы и улучшаются условия работы вольфрамового электрода. К недостаткам применения гелия относят его высокий расход вследствие низкой плотности.

     Теплопроводность  и теплоемкость аргона значительно ниже, чем у гелия, а плотность выше. Теплопроводность аргона почти равна теплопроводности воздуха, а теплоемкость почти вдвое меньше, чем у воздуха. Поэтому при использовании аргона зона термического влияния намного больше, чем в случае применения гелия.

     Для неплавящихся электродов применяют  вольфрам марки ВТ-15, содержащий 1,5-2% оксида тория. Диаметр электродов из торированного вольфрама 1-7,5 мм.

     Сварочная горелка стана для дуговой  сварки труб

     На  рисунке показан один из основных узлов стана – сварочная горелка. Вольфрамовый электрод 1 зажимается в электродержателе 2, к которому подведен ток. Через керамическое сопло 3 корпуса горелки 4 подается защитный газ; корпус горелки и электрододержатель охлаждаются водой. Инертный газ по трубе 5 поступает в камеру 6 над электрододержателем и из нее через отверстие 7 попадает в керамическое сопло 3. Охлаждающая вода по трубке 8 подается непосредственно к электрододержателю и затем выходит из горелки по трубке 9, охлаждая при этом расположенный в ней силовой кабель. Расход воды составляет примерно 0,5 л/мин. При сварке кромок заготовки 10 сжимаются валками 11. Специальный подающий механизм регулирует установку горелки с электродом относительно свариваемых кромок. 

     Аргонно-дуговая  сварка дугой непрерывного действия (S<0,6 мм) 

     Дуговая сварка в среде защитных газов  материалов толщиной <0,6 мм имеет ряд  особенностей. Высокие требования предъявляются  к точности сборки кромок перед сваркой. В соответствии с действующими производственными отраслевыми инструкциями допустимые зазоры в соединении и величины смещения кромок не должны превышать 10-20 % толщины основного материала. Для материалов толщиной <0,6 мм допустимые зазоры и смещения кромок составляют сотые доли миллиметра. Обеспечение такой точности — сложная техническая задача.

     Процесс сварки отличается высокой чувствительностью  к колебаниям теплового режима из-за небольшого теплосодержания сварочной ванны. Изменения тепловой мощности дуги, условий теплоотвода от места сварки нарушают термическое равновесие в сварочной ванне и приводят к изменению размеров шва, а в ряде случаев к прожогам или к непроварам. Потому для получения качественных швов при сварке тонкостенных труб необходимо обеспечить стабильность горения дуги, постоянство параметре режима и условий теплоотвода. Отсюда высокие требования к характеристикам источника питания, конструкции оборудования и оснастки.

     Для выполнения указанных условий необходимо автоматическое регулирование параметров режима, применение источников питания с крутопадающими внешними характеристиками, активирование вольфрамового электрода и обеспечение плотного прилегания свариваемых кромок. При сварке тонколистового материала ванна находится в состоянии динамического равновесия под действием сил поверхностного натяжения, массы жидкого металла и давления дуги. При этом формирование шва в основном обусловливается поверхностным натяжением. При увеличении зазоров поверхностное натяжение может способствовать нарушению формирования шва и несплавлению кромок.

     Регулировать  эффективность воздействия поверхностного натяжения металла на формирование шва позволяют следующие способы: увеличение объема сварочной ванны в результате отбортовки полосы или введения присадочного металла, импульсивное расплавление металла и др. При сварке тонкостенных труб возникают остаточные деформации элементов свариваемой полосы. Деформации кромок при сварке материалов толщиной 0,6 мм не только ухудшают формирование и качество шва, но и в большинстве случаев служат причиной прожогов. Например, могут возникнуть сварные швы с «провисанием», что снижает работоспособность соединений при знакопеременных нагрузках. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению короблений и потери устойчивости кромок в процессе сварки.

     Широкое распространение во многих отраслях промышленности при изготовлении тонколистовых  конструкций тонкостенных и особотонкостенных  труб получила аргонно-дуговая сварка дугой непрерывного и импульсного действия. 

     Аргонно-дуговая  сварка тонколистовых материалов импульсной дугой 

     Создание импульсного или пульсирующего источника в значительной степени способствовало решению проблемы сварки тонколистовых материалов. При сварке импульсной дугой плавление металла осуществляется дугой, горящей периодически, в сочетании с «дежурной» дугой. Сплошной шов получается в результате расплавления отдельных точек с заданным перекрытие предыдущей точки.

     Температурная деформация кромок при импульсной сварке на 30-40% меньше, чем при сварке дугой  постоянного действия. Повышается надежность получения сплошных швов без прожогов. Импульсное введение полосы обеспечивает получение сварочной ванны, по форме близкой к кругу, вследствие чего силы поверхностного натяжения достигают максимального значения. При этом уменьшается провисание швов и улучшатются аэродинамические свойства сварных соединений. По сравнению с дугой непрерывного действия импульсная дуга обладает более широким диапазоном регулирования теплового воздействия источника теплоты на металл. Регулируя ток, скорость сварки, длительность импульса и паузы, можно в широких пределах изменять размеры шва. Например, с увеличением силы тока или длительности импульса при постоянной скорости сварки и длительности паузы глубина проплавления, ширина шва и величина перекрытия точек увеличиваются. Размеры шва в большей степени зависят от силы тока, чем от длительности импульса. С увеличением длины дуги глубина проплавления шва уменьшается, так как при этом снижается удельная тепловая энергия, вводимая в изделие. Поэтому при сварке импульсной дугой швов большой протяженности необходимо обеспечивать стабилизацию длины дуги. 

     Плазменная  сварка 

     Плазма  представляет собой высокоионизированный газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц (объемные плотности зарядов которых практически одинаковы - условие квазинейтральности). Свободно движущиеся электроны могут передавать электрический ток, поэтому плазму можно назвать токопроводящим газом. Резкой границы между плазмой и газом нет. Плазма подчиняется тем же законам, что и газ, но имеет и свои особенности: например, взаимодействие с магнитным полем, движение частиц можно направлять по определенному руслу.

     Температура плазмы измеряется миллионами градусов. Существует еще так называемая холодная плазма с температурой в десятки тысяч градусов. Такую плазму можно получить ионизацией газа. Существует несколько способов ионизации: теплом, излучением, электрическим разрядом. Для искусственного получения плазмы наиболее приемлем способ ионизации электрическим разрядом. 

     Сварка  труб сжатой дугой (S₀=0,2-0,6 мм) 

     В последнее время при производстве сварных труб используют сжатую дуговую плазму. Сжатая дуговая плазма - источник теплоты, характеризующийся большой сосредоточенностью и высокой температурой нагрева. Дуговая плазма создается в плазмотроне при пропускании нейтрального газа через столб электрической дуги, заключенной в канале. Канал сопла и поток газа охлаждают наружные слои дугового столба, в результате этого в зоне дугового разряда происходит ионизация газа и, как следствие, сжатие дугового столба. Последнее вызывает повышение температуры и увеличение скорости струи. Максимальная температура наблюдается на оси столба.

     При сжатии дуги ограничивается свободное  перемещение активного пятна  по поверхности изделия. Вследствие этого тепловой поток становится высоко концентрированным и строго направленным. С помощью изменения диаметра канала сопла и расхода плазмообразующего газа можно в широких пределах регулировать тепловое воздействие дуги на металл.

     Возможности плазменной сварки расширились в результате разработки процесса сварки тонколистовых материалов закрытой сжатой дугой. Схема процесса представлена на рис. 7. Дуга и сварочная ванна закрыты от окружающего воздуха фильерой, которая выполняет функцию микрокамеры. Плазмотрон опирается соплом 4 на микрокамеру. Трубная заготовка перемешается относительно плазмотрона со скоростью сварки. Дуга и ванночка расплавленного металла, ограниченные микрокамерой, защищены потоком инертного газа, выходящим из сопла под избыточным давлением. Высокая эффективность защиты достигается при расходах инертного газа на наружную сторону шва, значительно меньших, чем при сварке свободной дугой. Например, при сварке труб из стали 12Х18Н10Т толщиной 0,25-0,35 мм расход аргона составляет 0,15—0,2 л/мин.

     Рис. 7.Схема процесса сварки сжатой дугой:

     1 – фильера; 2 – указатель; 3 – электрод; 4 – сопло; 5 – сварной шов.

     Микроплазменная сварка 

     Схема микроплазменной сварки представлена на рис. 8. Сварка осуществляется дугой  прямого действия, горящей между вольфрамовым электродом и изделием. В начальный момент с помощью осциллятора производится зажигание дежурной дуги между электродом 1 и металлическим соплом 2, в которое подается плазмообразующий газ. Основная дуга 4 зажигается при помощи дежурной дуги между электродом и изделием 5. Защитный газ подается к месту сварки через зазор между соплом 2 и керамическим соплом 3. Устойчивое и стабильное горение микроплазмы на малых токах ( А) обеспечивается высокой степенью сжатия столба дуги каналом сопла малого диаметра (<1 мм).

     Рис. 8.Схема процесса микроплазменной  сварки 

     В качестве плазмообразующего газа используют аргон, а в качестве защитного  – аргон, гелий, азот, смесь аргона с водородом, аргона с гелием, аргона с азотом, азота с водородом (в зависимости от свариваемого шва).

     Микроплазменная сварка имеет более широкие технологические  возможности, чем сварка сжатой дугой. Сила сварочного тока оказывает более интенсивное действие на размеры шва, чем диаметр канала сопла и расход плазмообразующего газа. С уменьшением диаметра канала сопла ширина шва по сравнению с глубиной проплавления изменяется незначительно. Повышение расхода плазмообразующего газа от 0,1 до 0,3 л/мин при диаметре канала сопла 1 мм и силе тока 6 А способствует интенсивному увеличению глубины проплавления при незначительном изменении ширины шва. При дальнейшем увеличении расхода плазмообразующего газа глубина проплавления уменьшается.

     Повышение содержания водорода в смеси защитного  газа до 10% при ее постоянном расходе также приводит к увеличению глубины проплавления при практически неизменной ширине шва. Таким образом, изменяя параметры режима микроплазменной сварки, можно в широких пределах регулировать степень воздействия дуги на свариваемый металл. 

     Электронно-лучевая сварка 

     Электронно-лучевую  сварку применяют обычно для соединения деталей из химически активных, тугоплавких  и других металлов, ее можно также  использовать и для сварки труб. Благодаря высокой концентрации энергии, электронный луч позволяет  получать узкое и глубокое проплавление при незначительной зоне термического влияния.