Изготовление и монтаж опоры технологического трубопровода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Изготовление и монтаж опоры технологического трубопровода

Введение

В 1802 г. русский академик В.В. Петров впервые в мире открыл и описал явление электрической дуги, а также указал на возможность использования ее теплоты для расплавления металлов. В 1882 г. русский академик Н.Н. Бенардос изобрел способ дуговой сварки с применением угольного электрода. В 1888 г. русский инженер-металлург Н.Г. Славянов разработал металлургические основы дуговой сварки, создал первый автоматический регулятор длины сварочной дуги и изготовил первый в мире сварочный генератор.

Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого (ГОСТ 2601-84). Различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.

Сущность сварки состоит в том, что металл по кромкам свариваемых частей оплавляется под действием теплоты источника нагрева. Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей путем их сжатия под нагрузкой при температуре ниже температуры плавления.

К сварке плавлением относится также газовая сварка, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси газов, сжигаемой с помощью горелки. Способ газовой сварки был разработан в конце прошлого столетия, когда началось промышленное производство кислорода, водорода и ацетилена.

Газовая сварка применяется во многих отраслях промышленности при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали, сварке изделий из алюминия и его сплавов, меди, латуни и других цветных металлов и их сплавов. Разновидностью газопламенной обработки является газотермическая резка, которая широко применяется при выполнении заготовительных операций при раскрое металла. Контактная сварка занимает ведущее место среди механизированных способов сварки. Особенность контактной сварки - высокая скорость нагрева и получение сварного шва, это создает условия применения высокопроизводительных поточных и автоматических линий сборки узлов автомобилей, отопительных радиаторов, элементов приборов и радиосистем.

Сварку плавлением в зависимости от различных способов, характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок деталей можно условно разделить на следующие основные виды:

- электрическая дуговая, где источником тепла является электрическая дуга;

- электрическая сварка, где источником теплоты является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток;

- электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление металла производится потоком электронов;

- лазерная, при которой нагрев и расплавление металла происходит сфокусированным мощным лучом микрочастиц - фотонов;

- газовая, при которой нагрев и расплавление металла происходит за счет тепла пламени газовой горелки.

1. Общая часть

1.1 Назначение сварочной конструкции; условия работы.

Опора технологического трубопровода представляет из себя металлическую конструкцию из стали марки 09Г2С, установленную на металлические сваи из трубы Ш219S8, также из стали 09Г2С.Сваи установлены вибропогружной установкой на глубину не ниже 6 м,т. е. до отметок термостабильного грунта. На сваи установлены колонны из труб Ш219S8,которые связаны между собой поперечными траверсами из профилей коробчатого и двутаврового сечения с раскосами. Конструкция в сборе представляет из себя опору технологического трубопровода-линию факельного газа,с рабочим давлением до 0,2 МПА,Ш630 мм S12.Условия работы-статически нагруженная конструкция, рабочий диапазон температур от -45С до +35С.

1.2 Технические условия на материал конструкции

Объект, частью которого является изготовляемая опора расположен в районе Крайнего Севера, в арктической зоне. Поэтому металл опоры должен обладать определённой хладостойкостью, не образовывать закалочных структур при сварке, иметь хорошую свариваемость, а также обладать относительно невысокой себестоимостью. Всем данным условиям удовлетворяет сталь марки 09Г2С.

Свойства и характеристика стали 09Г2С, как материала с уникальными свойствами:сталь 09Г2С - сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций, по своим свойствам эта сталь относится к морозостойким сталям, выдерживающим очень низкие эксплуатационные температуры.

Применение стали 09Г2С наиболее целесообразно в районах Крайнего Севера.

Табл. 1. Обозначения

Марка:	09Г2С
Заменитель:	09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т,10Г2С
Классификация:	Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций
Применение:	различные детали и элементы сварных металлоконструкций, работающих при температуре от --70 до +425°С под давлением.

Табл. 2. Химический состав в % материала сталь 09Г2СГОСТ 19281 - 89

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
до 0.12	0.5 - 0.8	1.3 - 1.7	до 0.3	до 0.04	до 0.035	до 0.3	до 0.008	до 0.3	до 0.08

Температура критических точек материала сталь 09Г2С = Ac1 = 725, Ac3(Acm) = 860, Ar3(Arcm) = 780, Ar1 = 625

Табл. 3. Механические свойства (характеристики) при Т=20С материала сталь 09Г2С

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Лист ГОСТ 5520-79		-	430-490	265-345	21		590-640	Нормализация 930 °С, воздух

Табл. 4. Физические свойства (характеристики) материала сталь 09Г2С

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20
100		11.4
200		12.2
300		12.6
400		13.2
500		13.8
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

Табл. 5. Технологические свойства (характеристики) материала сталь 09Г2С

Свариваемость (сварка стали 09Г2С):	без ограничений.
Флокеночувствительность:	не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна.

Табл. 6

Механические свойства:
sв	- Предел кратковременной прочности [МПа]
sT	- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации) [МПа]
d5	- Относительное удлинение при разрыве[ % ]
y	- Относительное сужение[ % ]
KCU	- Ударная вязкость [ кДж / м2]
HB	- Твердость по Бринеллю [МПа]
Физические свойства:
T	- Температура, при которой получены данные свойства [Град]
E	- Модуль упругости первого рода , [МПа]
a	- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ) [1/Град]
l	- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) [Вт/(м·град)]
r	- Плотность материала [кг/м3]
C	- Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T ) [Дж/(кг·град)]
R	- Удельное электросопротивление [Ом·м]

Табл. 7

Свариваемость:
без ограничений	- сварка производится без подогрева и без последующей термообработки, однако при температурах менее +5 требуется просушка кромок (Т?50C)-ВСН 006-89

1.3 Свариваемость сталей. Расчёт эквивалента углерода

Для расчёта режимов сварки конструкции необходим расчёт эквивалента углерода, абсолютная величина которого в достаточной мере характеризует свариваемость стали, как один из основополагающих параметров режима.

Табл. 8. Химический состав стали 09Г2С (указаны максимальные значения компонентов)

С	Si	Mn	Ni	Cr	Cu	S	P	As
0,12	0,8	1,7	0,3	0,3	0,3	0,04	0,035	0,08

Рассчитаем эквивалент углерода по следующей эмпирической формуле:

Сэкв=С+Mn/20+Cr/10+Ni/15+V/10+Mo/10+Cu/10; Сэкв. 09Г2С=0,12+1,7/20+0,3/10+0,3/15+0,3/10=0,285.,

II группа свариваемости, хотя в реальности сварка данного сорта стали не имеет ограничений.

Также, если провести расчёт Сэкв.согласно СНиП 2.05.06-85, свариваемость данного вида стали (расчётная) окажется ограниченной, что не соответствует действительности. Расхождения в величине Сэкв ещё раз доказывают, что реальную картину свариваемости любого вида стали дают только испытания..

1.4 Обоснование выбора способа сварки

В зависимости от типа производства, особенностей конструкции и оснащенности сборочного цеха сборка может производиться на одном стационарном рабочем месте, к которому подаются все детали и узлы, инструмент и приспособление, либо при перемещении изделия от одного рабочего места к другому: при этом на каждом рабочем месте устанавливается определенная деталь или узел. Кроме того, в зависимости от ранее указанных факторов, существует два вида сборки

- сборка конструкции из отдельных деталей - подетальная методом наращивания

- сборка из отдельных узлов - поузловая, на которые расчленяют конструкцию. В серийном и массовом производстве сборка ведется на специальных сборочных стендах, или в специальных сборочно-сварочных приспособлениях. Они обеспечивают требуемое расположение входящих в узел деталей и точность сборки изготавливаемого узла в соответствии с требованиями и технических условий на сборку. Кроме того, сборочные приспособления обеспечивают сокращение длительности сборки и повышение точности сборки, и улучшение качества готовой сварной конструкции. Собираемые под сварку детали крепятся в приспособлениях и на стендах с помощью различного вида винтовых, рычажных, пневматических и других зажимов, также электродуговой сваркой прихватки.

При выборе способа сварки проводят экономическое сравнение. Для этого производят расчеты стоимости сварки одного погонного метра наплавленного металла по тем показателям, которые зависят от способа сварки. Такое сравнение стоимости одного погонного метра наплавленного металла при различных способах сварки даст возможность сделать вывод о применении наиболее экономичного способа сварки.

Для сварки данной сварной конструкции рациональным решением будет выбор из следующих способов сварки: РДС с покрытыми электродами(способ ММА) и полуавтоматическую сварку в среде защитных газов(способ MIG/MAG). Определённая стоимость одного погонного метра шва при РДСбольше аналогичного параметра при полуавтоматической сварке. .Однако стоимость транспортных издержек по доставке сварочных газов,устройство укрытий для п/а сварки сводит к минимуму экономическое превосходство MIG/MAGнад MMA в монтажных условиях открытой строительной площадки на Крайнем Севере. Наш выбор- РДСпокрытым штучным электродом(ММА).

1.5 Выбор рода и полярности тока

Ручная дуговая сварка имеет технологические свойства, обеспечивающие быстрое зажигание, устойчивое горение и малую чувствительность к изменению длины дуги в определенных пределах, быстрое зажигание дуги после погашения, нужное проплавление основного металла. Сварка данным способом возможна как на переменном токе, так и на постоянном.

Преимуществом сварки на переменном токе является меньшая себестоимость, простота оборудования. Недостатком- более низкая, по сравнению с постоянным током, производительность наплавки вследствие более высокого коэффициента потерь на разбрызгивание. Но для сварки данной конструкции данное свойство не критично, а вот возможность сварки электродами с основным видом покрытия, которые ,в основном, подразумевают сварку на постоянном токе обратной полярности, весьма желательна.

Поэтому рекомендуется применение постоянного тока обратной полярности, но возможно и применение постоянного тока прямой полярности, если производитель сварочных материалов и проект не запрещают прямо данный вид сварки по технологическим причинам.

Полуавтоматическую сварку в среде защитных газов, учитывая условия производства данной конструкции, применять не целесообразно.

Сущность данного способа сварки: электрическая дуга и расплавленный металл, защищенный от влияния кислорода и азота воздуха потоком защитного газа и шлака, образующегося при сгорании обмазки покрытого электрода под воздействием тепловой энергии электрической дуги.

Преимущества ручной дуговой сварки покрытым электродом:

1. Простота процесса сварки.

2. Возможность выполнения швов в различных пространственных положениях.

3. Сравнительно небольшой объем шлаков, позволяющий получить швы высокого качества.

4. Возможность соединения металлов различных толщин.

5. Низкое разбрызгивание при сварке на короткой дуге (для постоянного тока).

1.6. Металлургические процессы при дуговой сварке покрытым электродом

Металлургические процессы при дуговой сварке отличаются от процессов в плавильных печах следующими особенностями:

· малый объем расплавленного и нагретого металла;

· высокая температура процесса;

· быстрый отвод тепла от расплавленного металла при сравнительно холодном основном металле.

Высокая температура сварочной дуги значительно ускоряет процессы в металле при сварке. Молекулы кислорода, водорода и азота распадаются на атомы и взаимодействуют с расплавленным металлом, происходит окисление элементов, содержащихся в металле, и насыщение его водородом и азотом.

Металлургические процессы при сварке представляют собой процессы взаимодействия расплавленного и нагретого металла со шлаками, образующимися при сварке, газами и воздухом, переход металла шва каплями через сварочную дугу в сварочную ванну сопровождается выделением газов, которые остаются в наплавленном металле шва.

Кислород попадает в зону сварки из воздуха, флюса или электродного покрытия, взаимодействует с металлом жидкой ванны, окисляя железо и другие элементы, содержащиеся в стали. В связи с этим он является наиболее вредной примесью, так как образует растворимые в стали окислы, переходящие в металл шва, которые снижают пределы прочности и текучести, относительное удлинение и ударную вязкость металла сварного соединения. Это также приводит к снижению антикоррозионных свойств шва и к образованию горячих и холодных трещин.

Реакции взаимодействия с кислородом:

2Fe + O2 = 2FeO; Fe + О = FeO; 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3; 3Fe + 2O2 = Fe3O4.

При этом получаются: закись железа FeO, окись железа Fe2O3, окись-закись железа Fe3O4.

Взаимодействие влаги с железом по реакции:

Fe + Н20 = FeO + Н2.

Закись железа FeO наиболее неблагоприятна, так как при высокой температуре растворяется в стали до полного насыщения и при затвердевании частично остается в шве.

Кислород также вступает в соединение с другими элементами, входящими в состав стали:

С + О > СО ;Мn + О > МnО ; Si + 2O > SiO2,

где С, Мn, Si -- соответственно углерод, марганец, кремний.

Азот, поступая в зону сварки из воздуха, под действием высокой температуры нагревается и растворяется в жидком металле, образуя при охлаждении сварного шва химические соединения (нитриды) с железом и другими элементами стали.

Медленное охлаждение металла шва способствует удалению азота в атмосферу, быстрое охлаждение -- задержанию его в шве.

Основные нитриды железа образуются по реакциям:

8Fe + 2N = 2Fe4N ; 4Fe + 2N = 2Fe2N ; 2Fe4N + 2N = 4Fe2N

Нитриды располагаются в шве в виде азотных игл и повышают твердость и хрупкость металла шва.

Ухудшение свойств низкоуглеродистых сталей наблюдается при содержании в них азота более 0,05%. При сварке электродами с толстым покрытием достигается уменьшение содержания азота в сварном шве до 0,02...0,05%, при сварке закрытой дугой под флюсом -- до 0,008% и применением сварочных проволок с повышенным содержанием марганца. Содержание азота в сварном шве уменьшается с увеличением силы тока и уменьшением дугового промежутка.

Более устойчивыми являются нитриды алюминия, марганца, титана и кремния:

Al + ЅN2 > AlN ;Ti + ЅN2 > TiN ; 5Mn + N2 > Mn5N2 ; 3Si + 2N2 > Si3N4.

Легирование стали алюминием, марганцем, титаном и кремнием, которые связывают азот в стойкие нитриды, позволяет предупредить старение стали и повышает пластичность соединения.

Водород может поступать в зону сварки из влаги окружающего воздуха, покрытий и флюсов, ржавчины кромок металла. Сварной шов при высоком содержании водорода становится менее пластичным и хрупким в холодном состоянии. В шве появляются также газовые пузыри пористости, мелкие трещины и небольшие светлые пятна с малой полостью в центре, которые встречаются на поверхности излома. Эти свойства более выражены при сварке на переменном токе и менее выражены при сварке на постоянном токе обратной полярности.

Молекулы водорода в сварочной дуге распадаются (диссоциируют) на атомы:

Н2 = Н + Н.

Диссоциированный водород активно соединяется с кислородом, азотом, серой и фосфором, при этом происходит восстановление железа из окислов, нитридов, сульфидов и хлоридов, что нежелательно.

Против насыщения металла шва газами применяют:

· прокаленные электроды и флюсы, хранящиеся в сухом месте;

· кромки металла шва сухие и очищенные от ржавчины;

· сварку металла при низких температурах в закрытых помещениях;

· защиту свариваемого металла от попадания влаги;

· защиту сварочной проволоки от образования ржавчины.

При сварке стали в первую очередь окисляется железо, являющееся основным элементом. Другие элементы окисляются тем быстрее, чем больше химическое сродство данного элемента с кислородом. По степени уменьшения химического сродства с кислородом элементы могут быть поставлены в следующий ряд: алюминий, титан, кремний, марганец, хром, молибден, железо, никель, медь.

Углерод при повышении температуры увеличивает активность к кислороду и при 1700° С превышает своей активностью титан, а при 2100° С -- алюминий.

По мере уменьшения в зоне реакции концентрации элементов, обладающих большим сродством к кислороду, скорость их окисления падает. Соответственно возрастает скорость окисления других элементов, обладающих меньшим сродством с кислородом, которые начинают выгорать более интенсивно до тех пор, пока их концентрация не уменьшится до равновесной и не прекратится реакция окисления.

Такой процесс последовательного увеличения скорости окисления отдельных элементов продолжается до тех пор, пока концентрации всех элементов не будут соответствовать равновесным, после чего процессы окисления металла в сварочной ванне прекратятся.

При сварке стали окисление железа может происходить также под действием кислорода газов: СО, С02 и паров воды Н20 по реакциям:

Марганец и кремний, обладающие высоким сродством к кислороду, могут интенсивно выгорать при сварке стали. Выгорание углерода при сварке стали протекает по реакциям:

При нагреве ржавого металла присутствующая в ржавчине влага испаряется, а содержащийся в ней кислород окисляет свариваемый металл. Если кромки покрыты окалиной, то последняя при плавлении переходит в закись железа (FeO) с выделением кислорода. Кислород закиси железа и выделившийся из окалины свободный кислород также окисляют металл шва.

Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в первую очередь, сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного металла: понижаются временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость. Кроме того, кислород снижает стойкость металла против коррозии, повышает склонность к старению, делает металл хладноломким и красноломким.

Таким образом, главным условием получения наплавленного металла высокого качества является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков, а также раскислением металла шва.

2. Технологическая часть

сварка межатомный металл

2.1 Выбор сварочных материалов

Все электроды для РДС должны удовлетворять следующим основным требованиям:

а) обеспечивать получение наплавленного металла требуемого химического состава и свойств;

б) обеспечивать получение плотных беспористых швов, стойких против образования горячих трещин;

в) обеспечивать хорошие технологические свойства, т.е.устойчивое горение дуги во всём диапазоне применяемых режимов, позволять вести сварку в любом пространственном положении, давать лёгкое отделение шлаковой корки, обеспечивать хорошее отделение шлаковой корки, обеспечивать хорошее формирование шва;

г) обеспечивать достаточно высокую производительность сварки, характеризуемую коэффициентом наплавки;

д) не содержать, по возможности, в составе покрытия дорогостоящих и дефицитных материалов;

е) не оказывать вредного воздействия на работающих;

Всем данным условиям, а также требованиям проекта(тип электродов Э50А) соответствуют электроды марок УОНИИ 13/55,произв. ESAB-СВЭЛ(С-Петербург)Ш 3и 4 мм, LB-52U, производства компании Kobelcoltd, Япония,Ш2,6;3,2 и 4 мм.

Характеристики данных марок электродов

LB-52U (ЛБ 52У) - сварочный электрод с пониженным содержанием водорода, что позволяет значительно улучшить характеристики сварного шва. Использование данного электрода позволяет получить отличный наплавленный металл шва и аккуратный корневой чешуйчатый валик без дефектов при сварке с одной стороны соединения. Электрод LB 52U обеспечивает высокую ударную вязкость и его часто используют для сварки труб, морских конструкций и сооружений типа резервуаров, которые необходимо сваривать только с одной стороны. Обеспечивает намного лучшую стабилизацию дуги и проплавление, чем другие низководородные электроды.

Табл. 9. Химический состав (%)

Ш, мм	C	Si	Mn	P	S	Ni*	Cr*	Mo*	V*
2.6	0.06	0.52	1.00	0.011	0.005	0.01	0.03	0.01	следы
3.2	0.06	0.51	1.02	0.011	0.006	0.01	0.02	0.01	следы
4.0	0.06	0.49	1.01	0.013	0.004	0.01	0.03	0.01	следы

* Эти элементы специально не добавлялись.

Табл. 10. Механические свойства

Содержание диффузионного водорода, мл/100г	Ударная вязкость, Дж/см2
1.6	130

Табл. 11

Диаметр, мм	Предел текучести, Н/мм2	Предел прочности, Н/мм2	Удлинение, %	RA, %
2.6	441	546	31	75
3.2	446	540	34	77
4.0	455	530	35	75

Табл. 12. Стандарты и одобрения

Классификация	Одобрения регистров
JIS	AWS	LRS	ABS	DNV	NKK	BV
Z3211 D4316	A5.1 E7016	3. 3Y(H15)	3H10. 3Y	3Y(H10)	KMW53HH	3. 3YHH

Табл. 13. Размеры электродов и сила тока при сварке

Диаметр, Ш мм	2.6	3.2	4.0	5.0
Длинна, мм	350	350/400	400	400
Ток, А	F	60~90	90~130	130~180	180~240
	V&OH	50~80	80~120	110~170	150~200
	OSW	30~80	60~110	90~140	130~180

Примечание: AC, DCEP или DCEN, однако DCEN только в случае прохода при сварке корня шва(здесь - аббревиатуры рода тока и полярности по международной классификации).

Сварочные электроды УОНИИ-13/55 (ЭСАБ-СВЭЛ)производства компании “ESAB-СВЭЛ” (Россия, С-Петербург)

Высококачественные сварочные электроды

Тип электрода Э50А по ГОСТ 9466, -75, 9467-75

Достоинства сварочных электродов УОНИИ-13/55:

-электроды имеют повышенные сварочно-технологические свойства;

- легкое начальное и повторное зажигание дуги;

- повышенная устойчивость обмазки к растрескиванию и осыпанию;

- уменьшенное разбрызгивание.

Сертификаты:

Электроды УОНИИ-13/55 аттестованы НАКС.

Назначение электродов УОНИИ-13/55 - сварка ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей, в т.ч. работающих при знакопеременных нагрузках и отрицательных температурах.

Вид покрытия - основной. Допустимые пространственные положения - все, кроме вертикального «сверху-вниз»,оставим последнее утверждение на совести производителя, сварка возможна при всех пространственных положениях.

Род тока - постоянный, полярность обратная (+).

Табл. 14. Химический состав наплавляемого металла (%)

C	Si	Mn	S	P
0,11	0,30-0,70	0,95-1,70	не более 0,025	не более 0,025

Табл. 15. Механические свойства металла шва

Наименование параметра	Значение
Предел текучести, МПа	380
Предел прочности, МПа	490
Относительное удлинение, %, не менее	26
Ударная вязкость, Дж/см2 (KCU) (+20°С)	240
(KCV) (-40°С)	160
Диаметр электрода	Вес упаковки, кг
3,0	4,5
4,0	6,0

2.2 Определение режимов сварки

При ручной дуговой сварке (наплавке) к параметрам режима сварки относятся сила сварочного тока, напряжение, скорость перемещения электрода вдоль шва (скорость сварки), род тока, полярность и др.

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла, типа сварного соединения и положения шва в пространстве.

При выборе диаметра электрода для сварки можно использовать следующие ориентировочные данные

Табл. 16

Толщина листа, мм		1-2	3	4-5	6-10
Диаметр электрода, мм	1,6-2,0	2,0-3,0	3,0-4,0	4,0 -5,0

В нашем случае мы применяем электрод диаметром 4 мм, а толщина свариваемого металла 8 мм.

В многослойных стыковых швах первый слой выполняют электродом 2,5-3-4 мм, последующие слои выполняют электродами большего диаметра.

Сварку в вертикальном положении проводят с применением электродов диаметром не более 5 мм. Потолочные швы выполняют электродами диаметром до 4 мм.

Сила сварочного тока, А, рассчитывается по формуле:

где К - коэффициент, равный 25-60 А/мм; dэ - диаметр электрода, мм.

Силу сварочного тока, рассчитанную по этой формуле, следует откорректировать с учетом толщины свариваемых элементов, типа соединения и положения шва в пространстве.

При толщине металла S ? 3dЭзначение IСВ следует увеличить на 10-15%. Если же S ? 1,5dЭ, то сварочный ток уменьшают на 10-15%. При сварке угловых швов и наплавке, значение тока должно быть повышено на 10-15%. При сварке в вертикальном или потолочном положении значение сварочного тока должно быть уменьшено на 10-15%.

Для большинства марок электродов, используемых при сварке углеродистых и легированных конструкционных сталей, напряжение дуги

Uд= 22 ч 28 В.

Выбор режима сварки покрытым электродом зависит от толщины свариваемого металла, типа сварного соединения и положения шва в пространстве.

К основным параметрам режима сварки относятся

а) сила сварочного тока (Iсв, А);

б) напряжение на дуге (Uс,В);

в) диаметр и тип электрода (d эл, мм);

г) скорость сварки (Vс, м/ч);



Рисунок 2. Геометрические параметры сварных швов: а) тавровое соединение Т1-?8; б) угловое соединение У4-?8

Произведем расчет режимов сварки:

Определяем расчетную длину проплавления по формуле:

hp=(0.4ч1.1)K

где К-катет шва, мм.

Принятые числовые значения символов: К=8мм

Решение: hp=0.75*8мм=6мм.

Площадь поперечного сечения шва за один проход принимаем:

Fн=0,517 см2

Определяем диаметр электрода по формуле:

dэл=Iр /Кпл.I(А/ мм2)

Решение:

dэл=120А/30 А/мм2=4 мм

Производим расчет скорости сварки по формуле:

Vсв.=Кн*Icв / 7,85*F,

где F-площадь сечения шва,см2,7,85-плотность стали,г/см3

Здесь мы определим расчётную скорость сварки, без учёта коэффициента загрузки сварочного поста.

Кз.св.п. примем равным нижней границе, т.е .0,4-величина определена эмпирическим путём и определяет минимальную временную нагрузку на сварочный пост РДС. Верхняя планка Кз.св.п определена в 0,6, и в идеале стремится к 1..

Решение(для Ш3 мм)

Vсв.=9,5*90/7.85*0,517=855/4,05=211 см/ч=2,11 м/ч

где 9,5г/А*ч- коэффициент наплавки УОНИИ 13/55А, влияющий на скорость сварки,const.

Итого с учётом положений определяем режимы сварки с электродами УОНИИ13/55А-Ш3 мм,Iсв.90-110А, Vcв?2.11 м/ч; Ш4 мм 120-140А,Vcв =2,81 м/ч, обратная полярность; с электродами LB-52U параметры аналогичны, однако сварка возможна также на прямой полярности и на переменном токе (DC(-) рекомендуется при корневом проходе, при толщинах ? 8 мм). Конечно, линейная скорость сварки выше, тем более, что при многопроходной сварке сечение каждого слоя меньше, нежели суммарное сечение всего шва; линейная скорость сварки при данных видах соединений, типах электродов, тока и напряжения будет находиться в пределах 10 м/ч.Однако с учётом коэффициента загрузки сварочного поста(0,4-0,6),площади сечения выбранного соединения, количества проходов при катете 8(не менее 2-х),результирующая скорости не выйдет из величин, рассчитанных выше.

2.3 Выбор сварочного оборудования

Табл. 17

Фото	Характеристики	Значение
	Напряжение входное	380 В
	Частота	50 Гц
	Продолжительность нагрузки (ПН)	60 %
	Диаметр электродов	2-6 мм
	Диапазон регулирования сварочного тока	30-315 А
	Напряжение холостого хода	60-70 В
	Мощность	24 кВт
	Габаритные размеры	560х400х600 мм
	Масса	90 кг

Описание.

Сварочный выпрямитель ВД-306 предназначен для питания электрической сварочной дуги постоянным током при ручной дуговой сварке, резке и наплавке металлов при трехфазном питании от сети переменного тока.

Климатическое исполнение сварочного выпрямителя ВД-306 "У" категория размещения 3, тип атмосферы по ГОСТ 15543-70 и ГОСТ 15160-69, но для работы при нижнем значении температуры окружающей среды от 233К (-40°C) до 313К (+40°C). Оборудован устройством тепловой защиты обмоток трансформатора и блоков диодов от перегрева.

Рекомендуемая область применения.

Сварочный выпрямитель ВД-306 предназначен для работы в закрытых помещениях, с естественной вентиляцией, температурой окружающей среды от -40°C до +40°C. Не допускается использование выпрямителя в среде насыщенной пылью, едкими парами и газами, разрушающими изоляцию, во взрывоопасной среде, при работе на открытых монтажных площадках необходимо укрытие от атмосферных осадков.

2.4 Расчёт и проектирование сборочно-сварочного приспособления

Выбор схемы сборочно-сварочного приспособления определяется характером или типом производства. Различают три типа производства: единичное, серийное и массовое. Единичное производство предусматривает изготовление разнообразных по назначению, форме и размерам конструкций. Партия однотипных конструкций при производстве состоит из одной или нескольких единиц. Особенностью производства является отсутствие специализации рабочих мест. Переход на выпуск других конструкций требует иногда переоснащения рабочего места. Применение специализированных приспособлений в единичном производстве экономически не оправдывается. Поэтому рабочие места оснащают универсальными приспособлениями, которые могут быть использованы при изготовлении различных конструкций.

При изготовлении изделий большими партиями производство является серийным. Рабочие места при серийном производстве оснащают специализированными приспособлениями, применение которых позволяет увеличить производительность труда и повысить качество продукции. В серийном производстве заготовки обычно изготовляют более точно, поэтому объем пригоночных работ минимален.

При массовом производстве рабочие места также строго специализированы и оснащены специализированным оборудованием и быстродействующими приспособлениями. Пригоночные операции при массовом производстве отсутствуют, так как детали изготовляют с жесткими допусками. При массовом производстве применяют механизированные поточные линии сборки и сварки, а также автоматические линии.

В данном случае изготовление опоры технологического трубопровода в условиях монтажной площадки является единичным производством.

Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры изготовляемых или ремонтируемых изделий и малым объемом их выпуска. Объем выпуска -- количество изделий определенных наименований, типоразмера и исполнения, изготовленных или ремонтируемых объединением, предприятием или его подразделением в течение планируемого интервала времени.

Производственный процесс изготовления продукции носит прерывный характер. На выпуск каждой единицы продукции затрачивается относительно продолжительное время. На предприятиях применяется универсальное оборудование, сборочные процессы характеризуются значительной долей ручных работ, персонал обладает универсальными навыками.

На предприятиях единичного производства количество выпускаемых изделий и размеры операционных партий заготовок исчисляются штуками и десятками штук; на рабочих местах выполняются разнообразные технологические операции, повторяющиеся нерегулярно или не повторяющиеся вообще; используется универсальное оборудование, которое расставляется по монтажной площадке по задачам технологического процесса; специальные приспособления и инструменты, как правило, не применяются (они создаются только в случае невозможности выполнения операций без специальной технологической оснастки); исходные заготовки -- простейшие (прокат, литье в землю, поковки) с малой точностью и большими припусками; требуемая точность достигается методом пробных ходов и промеров с использованием разметки; взаимозаменяемость деталей и узлов во многих случаях отсутствует, широко применяется пригонка по месту; квалификация рабочих очень высокая, так как от нее в значительной мере зависит качество продукции; технологическая документация сокращенная и упрощенная; технические нормы отсутствуют; применяется опытно-статистическое нормирование труда.

В единичном мало-серийном производстве широко используют Универсально-сборные приспособления (УСП).

УСП являются системой стандартных средств технологического оснащения сборочно-сварочного оборудования. Особенность технологической подготовки производства с применением УСП заключается в том, что вместо специальных приспособлений предприятию достаточно иметь универсальный набор взаимозаменяемых деталей и узлов. При необходимости из них собирают разнообразные приспособления для выполнения конкретных операций. По окончании обработки требуемого количества деталей приспособление разбирают на составляющие его элементы, которые используют для компоновки других приспособлений, предназначенных для выполнения иных операций.

Приспособления собирают без чертежей и схем, не затрачивая времени на проектирование и изготовление специальных приспособлений. Стоимость комплекта деталей УСП окупается в течении короткого периода за счет незначительных затрат времени на сборку и возможности многократной оборачиваемости элементов УСП. В нашем случае УСП:

-магнитный монтажно-сварочный угольник, применяемый для позиционирования взаимно перпендикулярных поверхностей при монтаже деталей опоры технологического трубопровода;

- монтажный эксцентриковый ручной захват.(на монтажном сленге-«крокодил», «мартышка», «кочерга»).

2.5 Расчёт сварочных напряжений и деформаций

Сварка, как и другие процессы обработки металлов (литье, прокатка, штамповка, термообработка), вызывает в изделиях собственные напряжения. Собственными напряжениями называют напряжения, которые существуют в изделии без приложения внешних сил. Собственные напряжения, различаются: по времени существования, по характеру распределения, по объему изделия и по направлению в пространстве.

По первому признаку собственные напряжения подразделяют на временные и остаточные. Временные напряжения возникают в изделиях при неравномерном нагревании. Если при этом напряжения в любом объеме изделия не превысят предела упругости, они исчезают после охлаждения изделия. Остаточные напряжения остаются в изделии после исчезновения причины, их вызвавшей. Эти напряжения также возникают при сварке вследствие неравномерного нагрева изделия. Однако в отдельных объемах тела должны иметь место термопластические деформации или структурные превращения. Эти необратимые пластические деформации или структурные превращения, сопровождающиеся изменением удельных объемов, при сварке в большинстве случаев имеют место в околошовной зоне и в шве.

По второму признаку собственные сварочные напряжения классифицируют в зависимости от величины объема, в котором они уравновешиваются.

Собственные напряжения первого рода уравновешиваются в объемах, соизмеримых с целым изделием. Величины напряжений первого рода могут быть определены расчетным путем (чаще всего приближенно) или экспериментально, причем последний способ в практических целях является предпочтительным.

Собственные напряжения второго рода уравновешиваются в микрообъемах тела, соизмеримых с размерами одного или нескольких зерен, не имеют определенной ориентировки и не зависят от формы изделий. Величину этих напряжений можно определить рентгенографированием.

Собственные напряжения третьего рода связаны с искажением кристаллических решеток и уравновешиваются в ультрамалых объемах.

Эти напряжения также не ориентированы определенным образом и не зависят от формы и размеров изделия. Величину напряжений третьего рода также определяют рентгенографированием.

Расчетными инженерными напряжениями являются напряжения первого рода. Особенности этих напряжений, механизм их возникновения и влияние на прочность сварных конструкций изучены достаточно полно. В дальнейшем при рассмотрении вопросов сварочных напряжений речь будет идти только о напряжениях первого рода.

По направлению в пространстве собственные напряжения классифицируют на одноосные, двухосные (плоскостные) и трехосные (объемные). Собственные сварочные напряжения, строго говоря, всегда являются объемными. Однако во многих случаях составляющие собственных объемных напряжений, действующих по одной или двум осям, малы по величине и ими пренебрегают. В этих случаях условно считают собственные напряжения соответственно плоскостными (сварка тонких листов) или одноосными (сварка стержней). Напряжения, действующие вдоль сварного шва, называют продольными, действующие перпендикулярно продольной оси шва в плоскости свариваемых элементов, называют поперечными.

Независимо от характера распределения Собственные напряжения в любом сечении, полностью пересекающем тело, всегда уравновешены.

Механизм образования сварочных напряжений и деформаций. Сварка металлов протекает в широком интервале температур: от температуры окружающей среды до 3000--4000° С. При этом интенсивному нагреву подвергаются небольшие объемы металла -- шов и околошовная зона. С удалением от оси шва температура нагрева снижается, периферийные, участки свариваемых изделий могут вообще не подвергаться нагреву. Через определенный промежуток времени после начала сварки в теле изделия наступает предельное температурное состояние, характеризующееся постоянным положением изотерм в металле относительно источника тепла. После наступления предельного температурного состояния изотермы и источник тепла движутся с одинаковой скоростью, и различные сечения свариваемого изделия претерпевают в разные моменты времени одинаковые температурные состояния. Графическое изображение подвижного температурного поля предельного состояния показано на рис. 139. Как видно, неравномерность нагрева пластины очень высока.

Равномерный нагрев и охлаждение свободно лежащего элемента не вызовут появления в нем ни временных напряжений в процессе нагрева, ни остаточных напряжений после охлаждения. Однако если элемент закреплен, то даже равномерный его нагрев вызывает появление в элементе напряжений. Если возникающие напряжения не превысят предела упругости, то к моменту полного охлаждения (до исходной температуры) элемента они исчезнут. Если же напряжения в каком-либо объеме элемента превысят предел упругости и достигнут величины предела текучести, то в элементе появятся после его охлаждения остаточные напряжения. Аналогичным образом возникают остаточные напряжения, если элемент не имеет внешних закреплений, но нагревается или охлаждается неравномерно так, как это происходит при сварке. Роль закреплений в этом случае играют ненагретые части элемента,

При рассмотрении механизма возникновения сварочных напряжений необходимо иметь в виду, что механические свойства металлов зависят от температуры. Например, предел текучести низкоуглеродистой стали при нагреве постепенно понижается. В интервале температур 500--600° С величина этой характеристики резко уменьшается. Практически можно принять, что при нагреве свыше 600° С низкоуглеродистая сталь имеет предел текучести, близкий к нулю.

Рисунок 3

Рассмотрим механизм возникновения собственных напряжений и деформаций при наплавке валика на поверхность стального листа. Примем следующие допущения, в принципе не искажающие происходящие при наплавке физические явления: валик накладывается одновременно на всю длину листа, в процессе наложения валика нагреву подвергается только центральная полоса пластины I (на рис. 140, а заштрихована), края пластины II и III остаются ненагретыми. Допустим также, что полоса I по толщине нагревается равномерно.

В какой-то момент времени после наложения валика в полосе I наступит тепловое равновесие, и температура нагрева достигнет величины Т. Если бы волокна полосы / не были связаны с волокнами полос // и Шу то полная длина полосы / вследствие нагрева до температуры Т стала бы равной

к =Л <1 +а

где а -- коэффициент теплового расширения (принимают постоянным) Однако такая связь имеется, и все три полосы пластины могут деформироваться только совместно. Поэтому полоса I удлинится до величины /2, меньшей /3 (рис. 140, б). Вместе с ней удлинятся настолько же полосы II и III, которые в этом случае будут играть роль связей, препятствующих тепловому удлинению полосы I. Следовательно, в процессе нагрева в полосе / возникнут напряжения сжатия, в полосах II и III -- напряжения растяжения. Если в процессе нагрева напряжения сжатия в полосе I превысят предел упругости и достигнут предела текучести (что имеет место на практике при сварке и наплавке), то полоса претерпит пластическую деформацию сжатия, равную А/Пл.



Рисунок 4

При охлаждении полоса I будет стремиться укоротиться на величину полученной деформации сжатия А/Пл, но этому препятствуют полосы II и III. После полного охлаждения лист в целом получит усадку А/ост, меньшую, чем А/Пл. Вместе с этим в полосе / возникнут остаточные напряжения растяжения, в полосах II и III -- остаточные напряжения сжатия. Поле остаточных сварочных напряжений в листе в целом будет находиться в равновесии.

Остаточные напряжения равны по величине и обратны по знаку временным напряжениям, имевшим место в период нагрева и исчезнувшим вследствие протекающих пластических деформаций. Упрощенные эпюры временных и остаточных напряжений показаны соответственно на рис. 140б, 140в. В действительности, при сварке и наплавке распределение температуры в элементе подчиняется более сложному закону (см. рис. 139б). Являясь функцией температуры, тепловые деформации и, следовательно, временные и остаточные напряжения также распределяются по сечениям элемента по более сложным законам. Тем не менее в любом случае сварки и наплавки (плавлением) в сварном изделии практически всегда можно выделить участки, где будут протекать пластические деформации и возникнут остаточные сварочные напряжения, равные пределы текучести материала или близкие к нему. Чаще всего это участки шва и околошовной зоны. Протяженность этих участков зависит от многих факторов, в числе которых можно назвать режимы сварки и геометрические размеры изделия.

Структурные превращения как причина возникновения остаточных напряжений.

Нагрев металла при сварке и наплавке вызывает не только температурные объемные изменения, но и структурные превращения. Эти превращения также приводят к объемным изменениям и возникновению в ряде случаев остаточных (структурных) напряжений.

Механизм возникновения структурных напряжений можно представить следующим образом. Околошовная зона подвергается нагреву до температур, превышающих Асг и Ас3. В интервале этих температур имеет место аустенитное превращение, связанное с уменьшением удельного объема (рис. 5, кривая I). Низкоуглеродистые стали при этих температурах пластичны, и происходящие объемные изменения не сопровождаются образованием напряжений в металле.

При охлаждении распад аустенита у низкоуглеродистых сталей происходит примерно в том же интервале температур, вследствие чего и это фазовое превращение не вызывает возникновения внутренних напряжений (рис. 5, кривая).

Рисунок 5

При охлаждении легированных сталей распад аустенита может сопровождаться образованием мартенситной фазы. Образование мартенсита связано с увеличением удельного объема (рис. 5, кривая 3). В зависимости от химического состава и скорости охлаждения распад аустенита и образование мартенсита может иметь место при низких температурах, когда сталь находится в упругом состоянии. В этом случае расширению объемов с образовавшейся структурой мартенсита препятствуют участки, не претерпевшие структурных превращений. Поэтому в объемах со структурой мартенсита возникают остаточные напряжения сжатия.

Возникновение структурных остаточных напряжений при сварке закаливающихся сталей существенно изменяет характер распределения сварочных напряжений. Например, при сварке стали 35XH3Mв шве и околошовной зоне возникают остаточные напряжения сжатия вместо растягивающих напряжений, которые имели бы место при отсутствии структурных превращений.

Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность сварных соединений и конструкций.

Напряжения, возникающие при сварке, часто достигают в отдельных участках сварного соединения величины предела текучести. Иначе говоря, в сварном изделии действуют напряжения, превышающие допускаемые, еще до приложения к ней полезной нагрузки. Прочность сварной конструкции может оказаться выше расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения разного знака взаимно компенсируются. При этом остаточные сварочные напряжения являются резервом повышения прочности сварной конструкции.

При статической нагрузке остаточные сварочные напряжения не влияют на прочность сварных соединений и конструкций, когда металл сохраняет способность пластически деформироваться. Если напряжения от внешней нагрузки складываются с остаточными напряжениями, наступает местная пластическая деформация, в результате которой увеличение напряжений выше предела текучести не происходит. Местная текучесть обычно захватывает небольшие участки сварного соединения и не исчерпывает пластических свойств металла. В результате местной текучести прочность, а также геометрические размеры соединения или конструкции не изменяются или изменяются незначительно, однако это явление не желательно в конструкциях точных станков и приборов.

Металл утрачивает способность пластически деформироваться в следующих случаях:

- при наличии объемного поля остаточных сварочных напряжений (большие толщины, закрепление изделия по трем осям). В этом случае при сложении объемных остаточных напряжений с рабочими разрушение может произойти до появления пластической деформации, так как металл переходит в хрупкое состояние. Следует отметить, что плоское поле остаточных напряжений также снижает способность металла пластически деформироваться, хотя и в меньшей степени;

- при наличии резкого концентратора напряжений (острый надрез, непровар, неплавный переход от одного речения к другому), расположенного поперек действия растягивающих остаточных и рабочих напряжений;при низкой температуре, которая может перевести металл в хрупкое состояние.

Металл с низкими пластическими свойствами склонен к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени, чем пластичный.Ввиду этого сварные соединения и конструкции из высокопрочных сталей весьма чувствительны к наличию остаточных напряжений. Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность при усталостной нагрузке подчиняется общим закономерностям, рассмотренным выше. Эффективность влияния остаточных напряжений на усталостную прочность увеличивается при наличии концентраторов напряжений в виде острых надрезов, а также с понижением пластических свойств металла.

Хрупкое разрушение при наличии сварочных напряжений имеет следующие особенности: разрушение носит внезапный характер и не имеет следов пластических деформаций, хрупкая трещина, возникая в местах концентрации напряжений, пересекает большую часть или все сечение, разрушение наступает при незначительных рабочих напряжениях.

В этом случае поле остаточных сварочных напряжений играет роль источника энергии для развития возникающей хрупкой трещины. Высокие остаточные сварочные напряжения являются также необходимым (силовым) компонентом условий для возникновения и развития холодных технологических трещин в период времени, непосредственно следующий за сваркой.

Остаточные сварочные сжимающие напряжения могут быть также причиной потери устойчивости листовых сварных конструкций (резервуаров различного рода, трубопроводов), а также колонн и стоек. Потеря устойчивости элементов или конструкций в целом может иметь место даже при отсутствии рабочих напряжений, если уровень остаточных напряжений превысит критический.

Влияние остаточных деформаций на качество сварных конструкций проявляется в следующем. Остаточная деформация узлов и элементов крупной конструкции затрудняет сборку или делает ее невозможной без подгонки, подрубки, правки. Это усложняет технологию и увеличивает трудоемкость изготовления конструкции.

Возникающие в процессе сварки деформации заготовки требуют назначения повышенных припусков на механическую обработку.

Очень опасно искажение расчетных геометрических сечений элементов и конструкции в целом в результате сварочных деформаций. Это явление может привести к появлению неучтенных напряжений при эксплуатации конструкции и выходу ее из строя. Искажение формы трубопроводов и других изделий может существенно изменить эксплуатационные характеристики сварного изделия. И, наконец, остаточные деформации ухудшают внешний вид изделия. Это в основном относится к листовым обшивкам кабин автомобилей, вагонов и др.

Итого, резюмируем: снятие остаточных сварочных напряжений с целью повышения прочности и долговечности сварных конструкций должно подтверждаться действительной необходимостью операции, так как во многих случаях остаточные сварочные напряжения не влияют на прочность сварных конструкций. Напряжения, возникающие вследствие изменений структуры металла, могут иметь практическое значение только при сварке легированных и высокоуглеродистых сталей, склонных к закалке. При сварке обычной незакаливаемой низкоуглеродистой стали возникающие от изменения структуры металла напряжения незначительны и не берутся в расчёт при изготовлении сварных конструкций.

2.6 Методы снижения напряжений и деформаций в процессе сварки

Разработаны следующие методы устранения сварочных напряжений.

Общий высокий отпуск в термических печах. Конструкцию нагревают до 600--650° С и выдерживают при этой температуре при толщине элементов до 20 мм 3 ч, свыше 20 до 36 мм 4 ч. После выдержки -- охлаждение на воздухе, в нашем случае выполнение данного способа практически нереализуемо, ввиду значительных размеров конструкции.

Местный высокий отпуск применяют для снижения уровня остаточных напряжений в отдельных участках или элементах сварных конструкций, а также для повышения пластических свойств. Элементы нагревают в переносных термических печах (т. в. ч.). Следует учитывать, что неравномерный нагрев при местном отпуске вызывает свои остаточные напряжения, которые могут достигать значительной величины. Данный способ для снятия напряжений и деформаций в процессе сварки опоры технологического трубопровода также неприменим.

Механический отпуск заключается в воздействии на конструкцию напряжений, равномерно распределенных по сечению и достигающих предела текучести. Этот способ вызывает побочные явления: наклеп, снижение пластических свойств, а также затруднителен для выполнения, так как требует приложения к конструкции значительных усилий.

Термопластический отпуск заключается в нагреве смежных параллельных шву зон, в которых действуют остаточные напряжения сжатия. Удлинение нагреваемых зон вызывает в шве напряжения растяжения и пластическую деформацию, снимающую остаточные напряжения.

Метод проковки швов также устраняет одновременно остаточные напряжения и деформации. Более эффективна проковка швов в горячем состоянии.

Возникновение остаточных сварочных напряжений можно предотвратить снижением степени неравномерности нагрева изделия при сварке. Поэтому стремятся выбрать режим, обеспечивающий наиболее равномерный нагрев изделия по поперечному сечению, а также применяют сопутствующий подогрев.

Деформации сварных конструкций можно условно подразделить на следующие виды.

Продольное укорочение является следствием продольной усадки шва и околошовной зоны АС

Поперечное укорочение обусловлено поперечной усадкой шва и околошовной зоны. Оба вида деформации образуются при симметричном наложении сварных швов. Численные значения усадки для различных типов сварных соединений в зависимости от способа сварки приведены в табл. 188.