Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ I. Анализ состояния длительно эксплуатируемых магистральных газопроводов 9
1.1. Система магистральных газопроводов, проблемы надёжности и безопасной эксплуатации 9
1.2. Структурные изменения и особенности накопления повреждений трубопровода при длительной эксплуатации ... 10
1.3. Анализ дефектов возникающих в газопроводах в процессе длительной эксплуатации 20
Выводы по разделу 23
РАЗДЕЛ II. Анализ напряжённо - деформированного состояния сварных соединений с механической неоднородностью 25
2.1. Сварные соединения с мягкими прослойками 25
2.1.1. Особенности разрушения сварных соединений с механической неоднородностью 28
2.2. Напряжённо деформированное состояние механически неоднородного сварного соединения с мягкой прослойкой при статическом нагружении 30
2.3. Хрупкая прочность сварного соединения с тонкой мягкой прослойкой 47
2.4. Циклическая прочность механически неоднородного сварного соединения с мягкой прослойкой 50
Выводы по разделу 58
РАЗДЕЛ III. Разработка методики по расчету параметров конструкций газопроводов на основе учета и регулирования механической неоднородности сварного стыкового соединения 60
3.1. Определение оптимальных прочностных и геометрических параметров механически-неоднородного варного стыкового соединения газопровода 61
3.1.1. Определение эквивалентного значения относительной толщины мягкой прослойки 61
3.1.2. Определение максимально допустимого значения коэффициента механической неоднородности 64
3.1.3. Влияние механической неоднородности сварного соединения на прочность трубопровода под действием рабочего давления 66
3.2. Анализ влияния механической неоднородности на пластические характеристики сварного стыкового соединения 71
3.3. Экспериментальные исследования напряженного состояния в механически неоднородном сварном
стыковом соединении 74
3.3.1. Испытания механически неоднородного сварного соединения на статическое растяжение 74
3.3.2. Испытания механически-неоднородного сварного соединения на ударный изгиб 80
3.3.3. Измерение твердости металла различных участков сварного соединения 83
3.3.4. Обработка экспериментальных данных 84
Выводы по разделу 86
РАЗДЕЛ IV. Практическая реализация результатов работы 87
4.1. Разработка технологии создания оптимального сварного стыкового соединения трубопровода с заданной механической неоднородностью 87
4.1.1. Влияние многослойности шва на структуру сварного соединения 89
4.1.2. Принципы выбора сварочных материалов 91
Выводы по разделу 93
Основные выводы по диссертации 94
Список литературы
- Структурные изменения и особенности накопления повреждений трубопровода при длительной эксплуатации
- Напряжённо деформированное состояние механически неоднородного сварного соединения с мягкой прослойкой при статическом нагружении
- Определение максимально допустимого значения коэффициента механической неоднородности
- Влияние многослойности шва на структуру сварного соединения
Введение к работе
Актуальность темы. Газотранспортная система России (ГТС) - самая крупная в мире по протяжённости и производительности. По газопроводам только Западной Сибири ежедневно транспортируется более 1,5 млрд. л*3 газа. На сегодняшний день ОАО «Газпром» производит свыше 20% мировой и 94% Российской добычи природного газа. Протяжённость магистральных газопроводов в нашей стране превысила 150 тыс. км.
Наиболее распространенные материалы, используемые в трубопроводном строительстве, это низкоуглеродистые и низколегированные стали, обладающие хорошей свариваемостью и относящиеся к феррито-перлитному классу. Под влиянием длительно действующих постоянных напряжений, меньших предела текучести, в материалах конструкций происходит постепенное накопление дефектов и образование зародышей трещин (замедленное разрушение). Феррито-перлитные стали содержат мало углерода и легирующих элементов. Поэтому они пластичны, а пластическая деформация, предшествующая зарождению трещины и наблюдаемая у её вершины, весьма велика, что приводит к релаксации напряжений и обеспечивает их малую склонность к замедленному разрушению. Но одновременно с этим имеются и другие причины, способствующие замедленному разрушению — это зоны сварных соединений, которые отличаются структурной неоднородностью и наличием остаточных сварочных напряжений (например, область перегрева, примыкающая к линии сплавления).
В связи с этим для повышения надежности линейной части требуются более точные методы определения прочности и надежности базовых элементов реальных газопроводов, а также разработка методов и приемов оптимизации конструктивных элементов и технологии их изготовления, что и является подтверждением актуальности рассматриваемой проблемы.
Состояние изученности вопросов темы. Исследованию вопросов определения прочности металлоконструкций, а так же влияния механической
неоднородности на прочностные, пластические и другие характеристики базовых элементов конструкций нефтегазовой отрасли посвящены работы большого числа ведущих российских и зарубежных ученых: Бакши О.А., Богомолова А.С., Вахитова А.Г., Васильева Г.Г., Гумерова А.Г., Гутмана Э.М., Ерофеева В.П., Зайнуллина Р.С., Иванова В.А., Кульневича Т.В., Махутова Н.А., Морозова Е.М., Серенсена СВ., Стеклова О.И.,
Харионовского В.В., Шаталова А.Т., Шахматова М.В., Atsumi A., Chen Е.Р.,
Loeber J.F. и других, на результаты работ которых опирался автор в своих
исследованиях.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является
прочностная оптимизация механических и геометрических параметров
сварного стыка газопровода.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследовать работу стыкового соединения трубопровода в упругопластической стадии деформации;
определить особенность работы сварных соединений газопроводов под нагрузкой при наличии механической неоднородности;
определить прочностные параметры сварного соединения с учетом механической неоднородности;
установить возможность регулирования механической неоднородности в зависимости от геометрических параметров соединения;
разработать методику расчета прочностных характеристик сварного соединения регулированием механической неоднородности.
Методика исследования. Поставленные задачи решались проведением теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретические и практические исследования были посвящены изучению работы механически-неоднородного сварного стыкового соединения трубопровода в упругопластической области деформации с целью оптимизации конструкций трубопроводов. Теоретические исследования базировались на теории упругости и пластичности, а также на теории сварочных процессов.
Научная новизна. На основании выполненной работы получены следующие результаты:
-
Установлено влияние механической неоднородности на прочностные свойства сварного стыкового соединения газопровода при различных видах нагрузки.
-
Разработана методика расчета прочностных характеристик сварного соединения газопровода на основе регулирования механической неоднородности с учетом геометрических параметров соединения.
-
На основе теории упругости и пластичности получена зависимость предельного разрушающего давления в трубопроводе с механически неоднородным сварным соединением от степени механической неоднородности и от геометрических параметров соединения.
Практическая ценность. Результаты исследований рекомендуется использовать при проектировании и производстве сварочно-монтажных работ в процессе сооружения и ремонта магистральных газопроводов. А также назначая остаточный ресурс газопровода определить его прочностные характеристики.
Апробация работы и публикации. Основные положения
диссертационной работы докладывались в рамках II научной школы-
семинара молодых ученых, аспирантов, студентов, посвященной 75 летию
Тюменского государственного университета: «Теплофизика,
гидрогазодинамика, теплотехника»; на IV региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии — нефтегазовому региону 2005»; на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири 2005», на региональной конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта 2005»; на X Международном симпозиуме студентов и молодых учёных имени академика М.А. Усова 2006 г. «Проблемы геологии и освоения недр»; на V региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии нефтегазовому региону 2006». По результатам исследований опубликовано 9 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, выводов. и 1 приложения. Работа изложена на 106 страницах и содержит 12 таблиц, 36 рисунков и список литературы из 119 наименований.
Структурные изменения и особенности накопления повреждений трубопровода при длительной эксплуатации
В нашей стране газовая промышленность играет одну из ведущих ролей как в энергетическом комплексе, так и в экономике страны. Поэтому обеспечение долговечности, надёжности, а также определение остаточного ресурса конструкций газотранспортной системы отработавших большой срок эксплуатации (более 35 лет) и имеющих дефекты различного происхождения является актуальной проблемой в настоящее время, тем более что ликвидация или полная замена потенциально опасных объектов не может быть осуществлена по экономическим соображениям.
Конструкции газопроводов находятся под действием комплекса нагрузок вероятностного характера, подвержены интенсивному воздействию окружающей среды. Анализ аварийных разрушений труб на магистральных газопроводах, имевших место в последние годы, не позволяет объяснить причины этих аварий с позиций классических представлений сопротивления материалов, заложенных в основу нормативных прочностных характеристик трубопроводов, или отклонением от установленных норм противокоррозионной защиты. По действующим нормам в прочностных расчётах учтена работа трубопроводов под статической нагрузкой при отсутствии коррозии, проектирование же защиты от почвенной коррозии ведут без учёта механических напряжений (напряжений вследствие механической неоднородности) и структурночувстви-тельных свойств стали. Однако необходимо отметить, что в реальных условиях магистральные трубопроводы и их сварные узлы испытывают действие как статических, так и циклических нагрузок от колебаний давления, температуры транспортируемой среды, пульсации газа и других силовых воздействий (пучение грунтов, недостаточная балластировка) при одновременном действии кор к розионнои среды, приводящих в совокупности к коррозионной и временной усталости металла. Между тем технические условия на производство и контроль качества труб не учитывают в комплексе всех условий эксплуатации, определяющих стойкость и их надёжность [34].
При анализе надёжности трубопроводов, как и других технических объектов, используют классическую кривую расчётного срока службы (рис. 1), на которой выделяют три основных этапа: Структурные изменения и особенности накопления повреждений трубопровода при длительной эксплуатации
Конструкции и оборудование в газовой отрасли относятся, в основном, к листовым соединениям. В системе добычи и транспорта газа это сборные трубопроводы газовых промыслов, низконапорные газовые сети, магистральные транспортные газопроводы, объемные конструкции, технологические трубопроводы компрессорных станций и др.
Все выше перечисленные конструкции являются сварными. Поэтому для их изготовления используют низкоуглеродистые и низколегированные стали, обладающие хорошей свариваемостью и достаточно высокой сопротивляе 11 мостью зарождению и развитию дефектов, которые могут привести к разрушению сооружения в целом или отдельных его узлов. Большинство этих сталей относится к ферритоперлитному классу. Наиболее распространёнными сталями, используемыми в трубопроводном строительстве, являются следующие марки: ВСтЗсп, Сталь 20, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С, 09Г2С, 13Г2АФ, 17Г1СФ [104]. Свойства некоторых сталей представлены в табл. 1.
Ударная вязкость кси,Дж/см2 30 (-40 С) 34 (-40 С) 29 (-70 С) 40 (-40 С) 30 (-70 С) Содержание вредных примесей, %, не более Сера-0,030 фосфор-0,035 Сера-0,030фосфор -0,035 Сера-0,035 фосфор - 0,035 Содержание углерода, % 0,15-0,20 Не более 0,12 0,14-0,20 Эквивалент углерода 0,46 0,46 0,46 Основной составляющей в сталях феррито-перлитного класса является феррит. Он присутствует как в виде отдельных ферритных зёрен, так и в виде составляющей перлита. Поэтому основные процессы, определяющие сопротивляемость стали внешним нагрузкам и воздействиям, развиваются именно в феррите [97].
Другой фазой, определяющей свойства стали, является цементит, входящий в состав перлита, либо выделившийся из феррита при охлаждении сплава. Известно, что с увеличением количества углерода в стали растёт и количество цементита, что приводит к повышению прочности стали и одновременному снижению пластичности. Это связано с тем, что карбиды цементита, как и границы ферритного зерна, являются препятствиями на пути движения дислокаций, скользящих по зерну под действием внешних сил. В результате дислокации скапливаются у препятствия, что и вызывает упрочнение. Кроме того, в результате скопления дислокаций у препятствий в виде границ зерна феррита или цементитных пластин перлита образуются зародыши микротрещин, что создаёт дополнительную концентрацию напряжений и снижает сопротивляемость металла разрушению.
Из вышесказанного следует, что свойства конструкционных сталей зависят от размеров ферритных зёрен, а также размеров и строения перлитных образований (размеров, образующих перлит, слоев феррита и цементита). Эта зависимость обусловлена условиями движения, торможения и накопления дислокаций у границ зёрен феррита и перлита.
В частности, измельчение ферритного зерна повышает прочность стали, её сопротивляемость разрушению, ударную вязкость и трещиностойкость. Это связано с тем, что у границ мелкого зерна будет скапливаться меньше дислокаций, чем у границ крупного, так как с уменьшением расстояния между границами зёрен уменьшается длина свободного пробега дислокаций, и возникает меньше источников размножения (появления) дислокаций при их движении. Дальнейшее движение дислокаций будет тем самым затруднено. Чем чаще на пути движения дислокаций будут встречаться барьеры в виде границ зёрен, тем сильнее будет их торможение и, соответственно, упрочнение.
Напряжённо деформированное состояние механически неоднородного сварного соединения с мягкой прослойкой при статическом нагружении
На характер разрушения сварных соединений существенное влияние оказывают специфические макро- и микроструктурные особенности сварных соединений. Как уже упоминалось выше, отличительной особенностью сварных соединений является структурная неоднородность, обусловливающая различие механических свойств отдельных участков соединения. Кроме этого, для сварных соединений характерно появление в них дефектов (непровар, холодные и горячие трещины, поры, включения и др.), а также в сварных соединениях выше уровень напряженности из-за остаточных (сварочных) напряжений.
В случае, если металл шва имеет более высокие механические свойства, то при отсутствии макроскопических дефектов при статическом нагружении разрывы происходят по основному металлу согласно механизма вязкости или хрупкого разрушения. Основные типы разрушения сварных соединений представлены на рис. 5.
Основные типы разрушения сварных соединений: а - схема сварного соединения; б - разрушение по линии сплавления; в - разрушение срезом; г - разрушение отрывом; д - разрушение по шву. Нередко в сварных соединениях имеют место так называемые мягкие и твердые прослойки, соответственно, с пониженными и повышенными прочностными свойствами которые существенно измененяют характер и местоположение разрыва (рис. 6).
Схемы разрушения механически неоднородных сварных соединений: а - схема сварного соединения с мягкой (твердой) прослойкой; б - вязкое разрушение соединения с широкой мягкой прослойкой; в - квазихрупкое разрушение соединения с мягкой прослойкой; г - разрушение соединения с тонкой прослойкой; д - разрушение соединения с твердой прослойкой
В широких мягких прослойках разрушение происходит в результате косого среза или конуса аналогично разрушению однородного металла. С уменьшением ширины мягкой прослойки характер разрушения заметно изме зо няется. В достаточно узких прослойках участок прямого излома занимает большую часть прослойки, чем зона среза. Это объясняется тем, что в тонких мягких прослойках в результате стеснения деформаций мягкого металла развивается объемное напряженное состояние, жесткость которого тем больше, чем уже прослойка. При некоторых геометрических и механических ограничениях, несмотря на наличие мягких прослоек в сварных соединениях, разрушение может происходить по основному металлу [26].
Напряжённо деформированное состояние механически неоднородного сварного соединения с мягкой прослойкой при статическом нагружении Анализируя работу механически неоднородного сварного соединения, содержащего мягкую прослойку, можно принимать следующие условия и допущения: - соединение состоит только из двух материалов (материала прослойки и основного материала); - механическая неоднородность соединения определяется как: неоднородность по показателям прочности Icr/fr «(jj,,(j« 7д , неоднородность по параметрам упругих свойств Ем Ф Ет ,GM Ф GT ,/Л Ф /Л ; - материал мягкой прослойки и основного металла являются идеально упруго пластическим, т.е. 7 = (Тд и Gj JTB; - прослойка является тонкой (h .D).
Сначала рассмотрим работу мягкой прослойки в составе сварного соединения, механическая неоднородность которого проявляется в неоднородности по показателям прочности материала.
Предельное значение средних напряжений в механически неоднородном соединении определяется по формуле: Деформационная характеристика неоднородного соединения с идеально упруго-пластическим материалом
Эти напряжения определяют предел текучести CTj, прослойки, работающей в составе сварного соединения, а также её временное сопротивление 7д, поскольку материал прослойки идеально упруго-пластический ((Ту = 7д). На рис. 7 представлена так называемая диаграмма Прандтля, которая является одной из наиболее простых аппроксимаций реальной диаграммы растяжения и согласно которой площадка текучести считается бесконечной. Такое предположение является вполне оправданным, поскольку деформации, соответствующие концу площадки текучести на реальной диаграмме, для многих материалов в 30 - 40 раз превышают деформации, соответствующие концу линейного участка. Подобное упрощение применительно к низкоуглеродистым сталям не приводит к большим погрешностям, так как истинная диаграмма характеризуется наличием площадки текучести при протекании пластических деформаций до 3...4%. Максимальный уровень пластических деформаций при сварке, как правило, не превышает указанной величины. Но следует отметить, что не всегда контактное упрочнение может быть реализовано в полной мере. Это обстоятельство учитывается с помощью коэффициента реализации контактного упрочнения &р 1,0. Следовательно, прочностные характеристики прослойки следует подсчитывать с учетом данного коэффициента с помощью следующих формул [21]:
Формула (4) относится как к случаю растяжения, так и сжатия. Приведенные формулы (4) и (5) позволяют оценить напряжения ау и (7В мягкой прослойки как в элементах компактного сечения, так и в пластинах, и в трубах. Величина предела текучести и временного сопротивления материала прослойки находится в гиперболической зависимости от её относительной толщины X С уменьшением относительной толщины растут предел текучести и временное сопротивление прослойки, что и является проявлением эффекта контактного упрочнения. Практическое выравнивание напряжений по контактным плоскостям будет иметь место в достаточно тонких прослойках. С увеличением относительной толщины мягкой прослойки поверхности скольжения будут лишь частично совпадать с контактными плоскостями и в пределе будут касаться их в точках на наружной границе контактных поверхностей. Однако это не меняет качественной картины достижения предельного состояния прослойки. Вышесказанное касается мягких прослоек, как в компактном сечении, так и в пластине и в трубе. Коэффициент контактного упрочнения к% для случая поперечной мягкой прослойки в растягиваемой трубе зависит от соотношения внутреннего и наружного диаметров сечения трубы (А.С. Богомолова):
Определение максимально допустимого значения коэффициента механической неоднородности
Основываясь на проведенном анализе, можно утверждать, что учет влияния механической неоднородности сварного соединения и ее регулирование позволяют по-новому оптимизировать конструкции и технологии их изготовления, а также более адекватно оценивать механические свойства реальных соединений. Существующие методы расчета сварных соединений основываются на предположении, что сварное соединение является механически однородным. В то же время, учитывая и регулируя механическую неоднородность сварного соединения, можно создать оптимальную конструкцию сварного стыкового соединения, наличие мягкой прослойки в котором повысит его несущую способность за счет образования в нем пластических деформаций и перераспределения поля напряжений.
В общем случае под оптимизацией понимается комплекс мероприятий, направленных на достижение экстремального уровня некоторого обобщенного показателя качества [60]. Под мероприятиями при этом понимаются математические приемы поиска экстремальных значений. Что касается обобщенных показателей, то из технических показателей такими являются характеристики надежности, а из нетехнических - экономическая эффективность, непосредственно связанная со стоимостью материала и технологическими затратами. 3,1. Определение оптимальных прочностных и геометрических параметров механически-неоднородного сварного стыкового соединения газопровода
Определение эквивалентного значения относительной толщины мягкой прослойки При сварке стыковых соединений магистральных газопроводов большого диаметра относительная толщина шва (мягкой прослойки) X будет зависеть от толщины стенки трубопровода и от типа разделки кромок. Согласно [93] рекомендуется применять при строительстве магистральных трубопроводов следующие типы разделки кромок труб (рис. 21).
Так как эффект контактного упрочнения проявляется в достаточно тонких прослойках, то, следовательно, требуется создать такое соединение (не отклоняясь от требований нормативных документов), в котором относительная толщина прослойки будет достаточно тонкой. Эквивалентное значение относительной толщины мягкой прослойки в трубопроводе (рис. 22) определяем по формуле:
Из формулы (30) видно, что эквивалентное значение относительной толщины зависит от площади прослойки А и от толщины стенки трубопровода. В свою очередь, площадь прослойки зависит от геометрических параметров соединения (рис.22) А[В ,С ,(Х ,3). Следовательно, регулируя значения вели чин В, С, ОС в допустимых нормативными требованиями пределах, можно в определенной степени регулировать относительную толщину мягкой прослойки.
Эквивалентное значение относительной толщины мягкой прослойки Определим минимально возможные значения относительной толщины прослойки, регулируя в допустимых пределах значения ВЬС,СС при различных значениях толщины стенки трубопровода. Принимаем # = 25, В=3, С=3 и получаем следующую формулу для определения площади А при толщине стенки не более 16 мм (рис. 21, а):
Зависимость эквивалентного значения относительной толщины мягкой прослойки Хэ от толщины стенки трубопровода (? (случай а рис.21)
Зависимость относительной толщины мягкой прослойки от толщины стенки, представленную на рис. 23, можно выразить через следующее уравнение: ;Гэ = 0,0045-2-0,1206--1,8074 (33) с величиной достоверности аппроксимации R = 0,9764 Результаты расчетов для разделки кромок типа (рис. 21,6) показывают возможность достижения эквивалентного значения относительной толщины прослойки в пределах % =0,846...0,884 при значениях толщины стенки трубопровода S=\5..32MM.
Для определения максимально возможного коэффициента механической неоднородности при соблюдении условия равнопрочности сварного стыкового соединения с мягкой прослойкой воспользуемся формулой (6).
Предположим, что контактное упрочнение может реализоваться полностью (что вполне соответствует реальному сварному соединению, подкрепленному более прочными участками ЗТВ (рис. 9)). Определяются значения коэффициента механической неоднородности, при которых будет соблюдаться условие равнопрочности соединения с мягкой прослойкой с уже заданным эквивалентным значением относительной толщины прослойки.
Так как коэффициент контактного упрочнения для случая поперечной мягкой прослойки в растягиваемой трубе зависит от параметра у - характеризующего соотношение внутреннего и наружного диаметра трубопровода, то произведем расчет с определения этого параметра. Для этого автором была установлена и построена зависимость параметра у от диаметра трубопровода при
По физическому смыслу коэффициент контактного упрочнения ку \. Так как прочность сварного соединения с мягкой прослойкой 7 не может превышать прочности основного металла 7 , можно, исходя из условий (10), (12), (14) и зная значение относительной толщины мягкой прослойки, определить коэффициент механической неоднородности, который будет отвечать условию равнопрочности сварного соединения с мягкой прослойкой.
Рис. 25. Контактное упрочнение мягкой прослойки в растягиваемой трубе Таким образом, регулируя геометрические параметры сварного стыкового соединения трубопровода и степень механической неоднородности данного соединения, можно выполнить сварное соединение, в котором шов будет являться мягкой прослойкой, наличие которой не только не снизит прочность самого соединения, но, как показывают экспериментальные исследования, повысит его несущую способность за счет образования пластических деформаций и перераспределения поля напряжений.
Влияние многослойности шва на структуру сварного соединения
При сборке и сварке каждого конструктивного элемента газопровода должны выполняться мероприятия, направленные на снижение сварочных деформаций и получение требуемой геометрической формы соединения. При сварке газопровода должна соблюдаться последовательность выполнения сварных швов.
Сварка производится при стабильном режиме. Предельные отклонения заданных значений силы сварочного тока не должны превышать 10%, а напря жения дуги 5%. Оборудование для сварки подключается к отдельному фридеру. Колебания напряжения питающей сети, к которой подключено сварочное обо рудование, не должны превышать ±5%.
Многослойные швы стыковых соединений при механизированной и ручной дуговой сварке выполняются способами, обеспечивающими уменыпе-ние скорости охлаждения сварного соединения. Каждый последующий валик многослойного шва сварного соединения выполняется после тщательной очистки предыдущего валика (слоя) от шлака, брызг металла. Участки шва с порами, кратерными трещинами и другими дефектами удаляются до наложения последующих слоев, а кратеры в местах обрыва дуги зашлифовываются и завариваются. Сварка стыковых многослойных швов ведется непрерывно до заполнения проектной разделки. В процессе сварки необходимо обеспечивать плавный переход от шва к основному металлу. Величина выпуклости сварных швов не должна превышать значений, указанных в проектной документации. Если высота усиления превышает допустимую, она снимается с помощью шлифмашинки.
Ручная дуговая сварка при монтаже газопроводов должна выполнятся с применением сварочных электродов, марки которых подбираются по требуе 88 мым механическим характеристикам, рассчитанным по методике, которая разработана в III разделе. При сварке магистральных газопроводов рекомендуется корневой слой и все последующие слои шва выполнять электродами с основным видом покрытия на постоянном токе обратной полярности. Ручную дуговую сварку следует выполнять с поперечными колебаниями электрода на «короткой» дуге. Режимы ручной дуговой сварки при использовании электродов с основным видом покрытия представлены в табл. 12.
В соответствии с операционной технологической картой Электроды с основным видом покрытия используются при выполнении специальных сварочных работ - сварке разнотолщинных соединений, захле-стов, стыков труба - запорная арматура и при сварке в нитку газопровода. Также электроды с основным видом покрытия используются для ремонта кольцевых стыков труб, выполненных любыми методами сварки. Влияние многослойности шва на структуру сварного соединения
Так как толщины стенок магистральных трубопроводов являются достаточно большими, то, соответственно, при сваривании таких конструкций швы выполняют многослойными и, следовательно, выполнение каждого последующего валика (слоя) приводит к дополнительному тепловому воздействию термического цикла сварки как на металл ранее выполненных слоев шва, так и на металл околошовной зоны. В результате такого воздействия металл предыдущих слоев и околошовных зон может изменить свою структуру (главным образом в сторону получения более равновесных структур), а, следовательно, и свойства. Степень этого влияния определялась соответствующим термическим воздействием (максимальная температура нагрева, скорость охлаждения и пр.) при выполнении последующих слоев и зависела от расстояния определенного объема металла от границы сплавления выполняемого слоя, способа сварки и погонной энергии.
Рассмотрим две области в зоне термического влияния, на общей схеме заполнения стыкового шва с V-образной разделкой по сварке, отмеченные точками 1 и 2 рис. 36, а.
Схема заполнения сварного стыкового шва с V-образной разделкой Наиболее сложным является термическое воздействие на объемы ме-талла, соответствующие точке 1. Если свариваемый металл представляет собой закаливающуюся сталь, то при сварке корневого слоя I эта часть металла попадает в зону, нагревающуюся выше 4: (очерчена штриховой линией Г), и в результате последующего охлаждения закалится. 4с3 " эт0 критическая температура. При наложении слоя II металл этого участка зоны термического влияния вторично нагревается выше А (зона такого нагрева очерчена штриховой линией II ) и вторично закалится. Для металла шва, который обычно содержит несколько меньше углерода, чем основной металл, режим дополнительного термического воздействия может не приводить к закалке, а является термической обработкой типа нормализации. В этом случае структура металла шва во всей зоне, нагревавшейся выше А ., получается улучшенной, мелкозернистой.
В результате нагрева зоны ІГ при сварке слоя III максимальная температура нагрева будет ниже А . (точка 1 находится за пределами штриховой линии ПГ, характеризующей достижение критической температуры превращения Fea - Fer), но все же достаточно высокой (участок кривой III на рис. 36, б). При этом закаленный металл нагревается до температуры высокого отпуска и его структура после охлаждения может, в основном, характеризоваться сорбитом отпуска. Последующие воздействия тепла на эту зону при сварке валиков IV, V (и других) нагревают металл в точке 1 до еще более низких температур. Их воздействие на структуру и свойства рассмотренного участка зоны термического влияния практически ничтожно. Общая схема термического цикла точки 1 при выполнении сварки многослойного шва представлена на рис. 36, б.
Более простым является термическое воздействие сварки на зоны металла, отмеченные точкой 2. Этот объем металла нагревается выше 4:3 только при сварке слоя V. Если этот слой выполняется последним, то в такой зоне сварного соединения металл так и остается закаленным. При наложении еще одного слоя, например VI, даже если он не нужен по запроектированному сечению шва, его можно так расположить по отношению к границе сплавления слоя с основным металлом, что в зоне 2 будут при этом достигаться температуры отпуска, т.е. термический цикл воздействия на эту зону будет соответствовать представленному на рис. 36, в. Такой технологический прием улучшения структуры околошовной зоны носит название сварки с отжигающим валиком.
При сварке многослойных швов происходит также и обработка металла ранее выполненных слоев. Для того, чтобы степень улучшения структуры металла шва была бы достаточно полной, необходимо, чтобы при сварке последующего слоя предыдущий прогревался почти целиком (на все сечение) до температур выше А . Это возможно только при определенном согласовании режима сварки предыдущего и последующего слоев [23], [74]. Из вышесказанного следует, что при определенных условиях возможно создание многослойного шва, неоднородностью которого можно пренебречь, т.е. шов (мягкую прослойку) будем считать однородной.
