Технологические и металлургические принципы создания электродов основного вида для сварки металлоконструкций нефтегазовых объектов Макаренко, Валерий Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Возрастающие потребности в

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

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

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

Решение научно-практической проблемы, направленной на
кпработку высокоэффективных ресурсосберегающих

ехнологичеекпх процессов и материалов изготовления іеталлоконструкций нефтегазовых объектов для условий ксплуатации Западной Сибири, имеющей важное народно-

хозяйственное значение, представляет собой актуальную задачу.

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в комплексе еорстических п экспериментальных исследований, разработке ехнологических и металлургических принципов создания новых ниверсальных электродов с улучшенными сварочно-ехнологическими свойствами и высокими вязко-пластическими и оррошонпымп .характеристиками наплавленного металла, в астности:

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

орогких смыканий Т_к , (мс), а стабильности горения дуги -

оказатель Bt ( Ом" с"), характеризующий среднюю скорость арастания проводимое! и в межэлектродном промежутке в реддуговоп период.

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

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

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

:. На основе установленных зависимостей, являющихся атистической моделью процесса переноса электродного металла с іроткими замыканиями, разработан расчетно-экспериментальный

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

3. Выявленные взаимосвязи критериев Ткч и Bj с

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

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

4. Разработана концепция создания универсальных
электродов с улучшенными сварочно-технологическими
свойствами, в основу которой положены принципы выбора
оптимального содержания и соотношения основных
газошлакообразующих компонентов (СаСО_э, CaO, CaF₂, Si0₂,
Ті0₂) фтористокальциевого покрытия с учетом изменений его
коэффициента массы и эксцентриситета, состоящие в

необходимости получения мелкокапельного переноса металла (Тк.з

< 12...14мс, 1св-\ ЮА), стабильного горения дуги (Вз> 130...140 Ом"¹ с"¹, 1св⁼160А) при сохранении высоких технологических свойств

электродов (незначительное разбрызгивание металла Лнь=1...3%,

легкая отделимость шлаковой корки Ауд=4...6 х 10 Дм/м , качественное формирование металла шва) при сварке в различных пространственных положениях и переменном монтажном зазоре (от 0 до 5...7мм). Этим требованиям удовлетворяют шлаки, в которых (Si0₂+Ti0₂)=25...35%, aCaF₂/E(CaO+CaF₂)=0.30...0.45; причем CaF₂ в шлаке составляет 20...25% при его основном Косн=1.2...1.4. Эти композиции реализуются при соотношении "мрамор-плавиковый шпат" в покрытии, равном 1.3...2.0, и содержании плавикового шпата не более 20...25% при коэффициенте массы покрытия 55...60% и его эксцентриситете 0.05...0.10мм.

5. Установлено, что для сварки на переменном токе высокая
стабильность горения дуги (Вз> 130...140 Ом" с"¹,1св=160А) и
высокие технологические свойства электродов обеспечиваются при
содержании в покрытии основных газошлакообразующих
компонентов: 20...40% СаС0₃, 5...25% CaF₂, 5...10%SiO₂, или ТЮ₂,
поскольку активными дестабилизаторами дуги являются пары SiF₄,
TiF₄ и CaF₂, при этом стабильность горения дуги возрастает:

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

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

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

6. Установлена последовательность влияния оксидов
делочных металлов при их равной концентрации на улучшение
арактера переноса электродного металла: Li₂0; Na₂0; К₂0; Cs₂0,
то позволило установить оптимальное содержание и
скомеидовать их применение в электродных покрытиях.

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

;ота в 1.2 раза, увеличении Т« -і в 1.5...2 раза и ctw в в 2...3 раза .

пределено, что оптимальным является содержание в-покрытии одифицирующих комплексных лигатур в пределах 1...2% при их ісперсности 0.2...0.Змм.

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

; 0.01...0.02: Y 0.015...0.022; Ва 0.0014...0.0025; Са 0.0012...0.0020; Zr )31...0.()44. Это повышает трещиностопкость и вязко-астические характеристики стали и сварных соединений путем мельчения зерен аустенита и бейнита, очищения их границ, лбуляризапии сульфидных соединении Fe и Мп, снижения личсства неметаллических включении при одновременном сличении их дисперсности и равномерности распределения в гуктуре S, Р, Мп и Si.

9. Установлено, что активация питтинговой
жтрохимическои коррозии сварных соединений
фтегазопроводов Западной Сибири вызвана
п>фатпосстанавливающпмп бактериями и локализуется в их
тонных зонах с зарождением микротрещин, вызывающих
іьфидное растрескивание в зоне термического воздействия
ірного соединения и развитием его по границам зерен вплоть до

разрушения конструкции.

10. Установлено, что наиболее высокие и стабильные

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

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

Электроды успешно прошли опытно-промышленны
испытания в АО "Уралхиммаш", "Уралмаш'

"Нижневартовскнефтегаз" и др., организовано их применение
производстве нефтегазовых объектов. Разработаны злектроді
марки АНО-Т и АНО-ТМ для сварки и ремонта монтажных стыко
трубопроводов, обеспечивающие формирование "обратног
валика" при сварке корня шва в потолочном положении 6t
последующей подварки изнутри трубы. Электроды АНО-ТГ
применяются на монтаже при сварке и ремонте неповоротны
стыков трубопроводов нефтегазовых предприятий ОА<
"Нижневартовскнефтегаз" и "Сибнефтегазпереработка

Электроды АНО-25, АНО-26, АНО-27 аттестован

Международным научно-техническим центром сертификации "СЕПРОЗ", а электроды АНО-ТМ, кроме этого, аттестованы Международной страхової! компанией "Ллойда" и Морским Реї негром РФ.

На защиту выносятся следующие положения:

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

взаимосвязи между длительностью коротких замыканий Тк.з,

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

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

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

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

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

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

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

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

предприятий составил более 3000 тыс.руб (в ценах 1998 г.), полученный при монтаже и ремонте промысловых и

межпромысловых нефтееборных трубопроводов п водоводов II достигнут за счет снижения стоимости электродов, повышения производительности наплавки, увеличения срока службы этих сооружений с 4...5 до 10...15 лет по сравнению с аналої нчнымп конструкциями, выполненными традиционными электродами УО И И-13/55. Разработанные расче і но-экеперп ментальные методы используются в отделах главного сварщика и сварочных лабораториях АО "Орловский сталепрокатный завод", "Киевский завод сварочных материалов'*, "Уралхпммаш"', "Уралмаш", "Тюменский СибЭЗ", "НижневартовскНИПИнефть" и др. для разработки новых или совершенствования существующих электродов с учетом конкретных задач и требований, а также для прогнозирования основных сварочно-технологических свойств электродов и коррозионной стойкости сварных соединений металлоконструкций нефтегазовых объектов.

Результаты экспериментальных и аналитических исследований положены в основу новой информационно-измерительной системы второго поколения АНГТ-2, а также коптроль-трепажсраХК-5000. В составлении технического задании на п\ и зі оговление участвовал автор совместно со специалистами 1Г)С им. Е.О.Патона и 14нспнута ядерных исследовании МАП Украины. Приборы АНГ1-2 и ХК-5000. кроме исследовательских целей, можно использовать для диагностики и контроля качества сварных соединений, сварочных и наплавочных материалов, а также объективной оценки квалификации сварщиков.

Результаты исследований, изложенные в диссертации,
используются в учебных курсах "Материаловедение", "Технология
конструкционных материалов", "Сооружение и ремонт
нефтегазовых обьекюи". читаемых в Нижневарювском филиале
Тюменского і осударсі венного нефтегазового университета; в
лабораторном практикуме, курсовом и дипломном

проектировании, в научно-исследовательской работе студентов специальностей "Проектирование и сооружение нефіегазопроводов н хранилищ", "Эксплуатация и ремонт нефтегазопроводов н хранилищ", "Машины и оборудование нефтегазопромыслов". Материалы диссертации введены в учебные планы по теории и технолоіии сварочных процессов на факультете "Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов". Рекомендации автора внедрены в

отраслевые нормативные документы, используемые

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

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

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

Материалы диссертации отмечались премией Министерства

цветной металлургии СССР (1988г.), Министерства нефтяной

промышленности СССР (1990г.), Министерства строительства

предприятий нефтяной и газовой промышленности СССР (1989г.).

Структура диссертации. Работа состоит из введения, шести

глав, общего заключения, списка литературы из наименований,

приложений (акты испытаний, заключения о выпуске,

применении и экономической эффективности, техническая

документация), всего на 400 страницах.