Введение к работе
Актуальность работы. В условиях монтажа оболочковых конструкций (трубопроводов, резервуаров и т.д.) с защитными покрытиями в полевых условиях актуальной становится задача получения качественной сварки плавлением на этих конструкциях. Необходимость защиты оболочковых конструкций возникает в связи с тем, что ежегодно коррозия приводит к разрушению конструкций общей массой до 1/3 всей выплавки стали в мире. Еще большие материальные потери возникают от выхода из строя отдельных узлов оборудования и установок, завязанных в общую цепь того или иного технологического процесса в результате коррозии.
Преимуществами процесса сварки стальных конструкций по противокоррозионным покрытиям являются сокращение затрат, связанных с удалением этих покрытий, устранением операции по зачистке свариваемых кромок, на которую приходится 15-20% от всей трудоемкости сварочных работ, повышение уровня заводской готовности свариваемых элементов конструкций, предварительная консервация свариваемых элементов значительно сокращает потери металла при транспортировке и хранении, вызванных коррозионным воздействием среды и т.д.
При сооружении этих конструкций, а также при проведении ремонтных работ на них используется металлопрокат и трубы, изготовленные из углеродистых и низколегированных сталей с различными противокоррозионными покрытиями. При проведении этих работ применяется сварка, но технологические и металл у ргические вопросы получения качественного сварного соединения на этих конструкциях до настоящего времени разработаны недостаточно полію, что является актуальной задачей.
Научные исследования по теме диссертационной работы проведены в соответствии с научно-технической Программой по проблеме 0.73.01 на 1986-1990 гг. (Постановление ГКНТ и Госплана СССР от 30 октября 1985 г., задание 03.02.02Т, научно-производственной подпрограммы № 4 "Повышение качества и долговечности металлических труб" (Постановление Госстроя от 8 октября 1987 г., задание № 1,.7).,
Цель работы. Определение металлургических и технологических основ сварки плавящимся электродом, обеспечивающих полуцение качественных сварных соединений при сзарке оболочковых стальных конструкций с противокоррозионными покрытиями.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
теоретически и экспериментально исследовать изменение параметров физических условий существования дугового разряда при св-рке стали по различным противокоррозионным покрытиям (лакокрасочных, металлических из цинка или алюминия, боросили-катных) и выявить их связь с параметрами режима сварки;
исследовать показатели свариваемости этих конструкций и их влияние на механические свойства сварных соединений;
разработать сварочные материалы (например, электроды для ручной дуговой сварки), составы безбористых силикатных покрытий, предназначенных для остеклования углеродистых стальных труб;
исследовать возможность использования серийно выпускаемых источников питания сварочной дуги при сварке по противокоррозионным покрытиям.
исследовать механизм защитного действия покрытия в сварных соединениях при эксплуатации их в коррозионной среде (на примере оцинкованных сварных труб).
Методы исследования. При изучении процесса сварки плавящимся электродом стальных оболочковых конструкции с защитными покрытиями применялись различные методы исследований. При исследовании физических условий существования дугового разряда использовался метод спектроскопической диагностики для определения средней температуры плазмы столба дуги, метод сближения контактов до короткого замыкания и методика определения суммы эффективных значений напряжения с последующим разделением по тепловому балансу.
Для исследования переноса электродного металла применялась черно-белая скоростная киносъемка с синхронным оецнллографи-ровг.ннем при исследовании проплавляющей способности сварочной дуги основного металла использовался калориметрический метод. Для исследования динамических и статических характеристик сварочной дуги применялась специальная методика наложения импульсов тока на стационарно-горящую дугу от импульсного источника питания.
При исследовании пористости металла швов использовался рен-тгеноструктурный акализ. Для исследования микроструктуры распределения неметаллических включений и сопротивляемости ме-.талла швов сварных соединении, кинетики изменения механических свойств сварных соединений в зависимости от типа и толщины защитного покрытия на стали использовались методы микроскопической фрактографии и рентгеноспектрального анализа с использованием анализаторов типа "Cameka" и "Camebax". Состав
неметаллических включений исследовался методом электролитического растворения с последующим химическим анализом.
Научная новизна. 1. Показано, что при сварке сталей по противокоррозийным покрытиям, испаряющиеся под действием тепла сварочной дуги компоненты покрытий лакокрасочных и цинковых существенно изменяют физические условия существования лугового разряда (величины эффективного потенциала столба дуги, теплопроводность ее, остаточную проводимость дугового промежутка, динамические свойства ее и т.д.), что приводит к изменению проплавляющей способности сварочной дуги основного металла и требует компенсации' затрат тепла на их испарение н выгорание (противокоррозионных покрытий).
-
Установлено испарение защитных покрытий при сварке, а также действие плазменных потоков со стороны катода-изделия, которые изменяют характер переноса электродного металла, а повышенное перемещение катодного пятна влияет на физическую устойчивость процесса.
-
Показано, что попадание в расплав сварочной ванны компонентов покрытий водорода, цинка, алюминия и его оксидов, а также бора может приводить к образованию целого ряда дефектов з кристаллизующемся металле шва:
пор, при сварке стали по лакокрасочным и цинковым покрытиям;
горячих трещин - при сварке стали по цинковым и боро-силпкатным покрытиям;
засорению металла оксидами алюминия и упрочению границ зерен бором, что способствует изменению температуры перехода металла шва в хрупкое состояние и другим дефектам, что требует в случае невозможности удаления защитного покрытия ограничения их толщины на свариваемых кромках основного металла и проведения различных мероприятий ш. локализации и компенсации их вредного влияния (корректировки режимов сварки, разработки способа многопроходной сварки, применения разработанных без-бористых составов силикатных покрытий и т.д.).
-
Показано, что переход различны/, компонентов покрытий при сварке плавящимся электродом в металл шва приводит к ухудшеииго механических свойств сварных соединений, в частности, изменению температуры перехода в хрупкое состояние металла шва, что требует учета этого фактора и корректировки требованігіі, предъявляемых при проектировании сварных конструкций по СНиПу.
-
Установлено, что сохранившиеся после сварки фрагментарные остатки цинкового покрытия в зоне термического влияния совместно
с покрытием основного металла свариваемых оцинкованных труб, продолжают выполнять функции протектора по отношению к оголенным участкам шва и ЗТВ, что повышает коррозионную стойкость сварных соединений в целом.
Практическая ценность. Результаты исследований и предложенные решения явились основой для разработки и практического применения технологии дуговой сварки плавящимся электродом различных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей по противокоррозионным покрытиям, в том числе и для оболочковых конструкций.
На основании изменения физических условий существования разряда и показателей свариваемости при сварке стали по защитным покрытиям различной толщины разработан способ многопроходной сварки металлизированных алюминием стальных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей, позволяющий получить шов сварных соединений с нормативными механическими характеристиками, допустимыми для данных марок сталей.
Осуществлен выбор параметров режима сварки плавящимся электродом с учетом изменения физических условий существования дугового разряда, а также изменения показателей свариваемости в зависимости от типа и толщины защитного покрытия.
В результате проведенных исследований установлены предельнее величины по толщине защитных покрытий на конструкциях из углеродистой стали, подлежащих сварке плавлением: для лакокрасочных - до 50 мкм, для цинковых, полученных методом горячего цинкования - чс 90 мкм, для газотермического напыления - до 200 мкм и для алюминиевых - полученных "методом металлизации - до 280 мкм. В случае превышения этих предельных величин рекомендуется производить их снятие со свариваемых кромок разделки основного металла до соответствующих верхних допустимых пределов с использованием механических, химических и других способов удаления защитных покрытий.
Результаты исследований использованы при сооружении водоводов нефтекомпрессорных станций (НГДУ) с защитными покрытиями в П/О "Татнефть", "Грузнефть", "Куйбышевнефть". Суммарный экономический эффект от'применения предложенных разработок только в П/О "Татнефть" составил более 7 млн рублей в ценах 1987 г., полученный при монтаже 450 км водоводов и трубопроводов из остеклованных стальных труб с помощью сварки и достигнут за счет увеличения срока службы этих сооружений с 4 до 15 лет по сравнению с аналогичными конструкциями без покрытий, а также сокращения числа порывов трубопроводов, а
следовательно затрат на текущий амортизационный ремонт (капитальный) этих конструкций, что позволило значительно улучшить окружающую экологическую обстановку в районах сооружения нефтекомпрессорных станций, газопроводов и нефтепроводов.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на II международном конгрессе "Защита-95" и всесоюзных и оеспуб-ликакских совещаниях и конференциях. По теме диссертации опубликовано 32 печатных работы, в том числе получены 4 авторских свидетельства на изобретения, которыми защищены новые технологические способы и материалы. Работы в целом обсуждалась на научном семинаре кафедры "Сварка и защита от коррозии" ГАНГ им. Й.М. Губкина, научном семинаре "Машины и ав'. ліатизацня сварочных процессов МГТУ им. Н.Э.Баумана и НТС А/О "ВНИ-ЙМонтажспецстроя".
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, изложенных на 334 страницах машинописного текста, с .59 таблицами и 69 иллюстрациями, списка литературы из 196 наименований и 4 приложений.