книги из ГПНТБ / Таран, Владимир Деомидович. Технология сварки и монтажа магистральных трубопроводов

Индуктивное сопротивление дросселя при синусоидальном напряжении тока может быть представлено выражением

время, ток регулируется изменением зазора, что является наибо­

врезультате перемагничивания, ее снабжают приспособлением для прочного зажима.

Краткие технические характеристики трансформаторов, наи­ более широко применяемых на трассах трубопроводов, приведены

втабл. 45.

Таблица 45

Краткие характеристики сварочных трансформаторов, применяемых

159

Глава V III

ПРЕССОВЫЕ МЕТОДЫ СВАРКИ ТРУБОПРОВОДОВ

Существенным отличием прессовых методов сварки трубопро­ водов является образование шва одновременно по всему пери­ метру стыка. Это позволяет вести сварку без вращения труб, из­ бавляет от необходимости предварительно заготовлять секции п дает возможность сооружать трубопроводы последовательным наращиванием.

Имеется несколько прессовых методов сварки. Всем им при­ сущи некоторые общие черты как в оборудовании, так и в техно­ логии работ.

Прессовая сварка трубопроводов осуществляется осевым сдав­ ливанием кромок, предварительно нагретых до значительной темпе­ ратуры. Соединение образуется не путем сплавления, а за счет сра­

П р и м е ч а н и е . При сварке трением для нагрева вращают между соединяемыми трубами трубную вставку.

Каждый метод имеет свои технологические особенности, вли­ яющие на форму стыка и структуру сварного шва. Эти особенно­ сти определяются главным образом скоростью и интенсивностью нагрева кромок, температурным градиентом вдоль оси трубы, химическим воздействием окружающей среды на металл кромок при нагреве и т. д.

ФИЗИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕССОВОЙ СВАРКИ

Любой метод прессовой сварки связан с необходимостью сбли­ жения поверхностных атомов на величину межатомного расстоя­ ния в кристалле (для стали это расстояние в среднем (2-^3) X

10-8 см). Требуемое сближение при сварке стальных труб до­ стигается сдавливанием кромок, нагретых до температуры

При сварке пластичных металлов (медь, алюминий) сближе­ ние поверхностных атомов может быть достигнуто сдавливанием без нагрева (путем холодной пластической деформации). Этот способ получил название холодной сварки.

Таким образом, общим для всех технологических вариантов прессовой сварки является необходимость приложения сжимаю­ щего давления.

Если на сближаемых поверхностях окажутся грубые макро­ неровности, пленки окислов или адсорбированные газы (кисло­ род, азот, водород и др.), то они будут разобщать атомы п пре­ пятствовать образованию межатомных связей. Следовательно, вторым условием получения соединений при прессовой сварке является чистота свариваемых поверхностей в момент их сближе­ ния.

Известно, что металл или сплав состоит из большого числа зерен или кристаллитов, имеющих самую различную ориенти­ ровку. При сближении двух поверхностей вступают в непосред­ ственный контакт зерна с различной ориентировкой и с различ­ ным расположением атомов на гранях. Наилучшие же возмож­ ности для образования межатомных связей создаются при одинаковом расположении атомов на соединяемых поверхностях. Поэтому третьим условием прессовой сварки является идентичное расположение поверхностных зерен соединяемых деталей. При холодной сварке такое условие выполнить трудно, в связи с чем этот метод не применяют для соединения стальных деталей.

Когда сталь нагревают до высоких температур и приклады­ вают сжимающие усилия, в ней происходят процессы, облегчающие получение сварного соединения. К таким процессам отно­ сятся рекристаллизация и фазовые превращения в связи с пере­ ходом феррита в аустенит при нагреве и аустенита в ферритокарбидиую смесь при охлаждении. Эти процессы связаны с диффу­

161

зией атомов и поэтому возможны лишь при нагреве. Фазовое пре* вращение «феррит — аустенит» может быть при нагреве выше критической точки Ася (для железа 910° С).

Пластическая деформация стали в условиях низких или вы­ соких температур приводит к возникновению н а к л е п а . При холодной пластической деформации наклеп вызывает резкое паде­ ние пластичности и повышение прочности стали (охрупчивание). В процессе пластической деформации зерна стали дробятся на отдельные блоки, обладающие значительной свободной энергией (укрупнение зерен способствует уменьшению свободной энергии). Поскольку последующий или сопутствующий нагрев ускоряет движение атомов, то при нагреве раздробленные блоки стано­ вятся центрами, из которых происходит рост новых крупных

стали связаны с диффузией атомов, что может оказать вспомога­ тельное влияние на образование сварного соединения.

Кристаллы стали, нагретой до температуры выше критической точки Ас3, обладают одинаковой аустенитной структурой. Гра­ ничащие кристаллы аустенита имеют случайную ориентировку. Перемещение атомов в связи с рекристаллизацией и фазовыми превращениями в условиях высоких температуры и давления способствует выравниванию соприкасающихся граней зерен аусте­ нита и формированию связи между поверхностными атомами по определенным кристаллографическим плоскостям.

В процессе рекристаллизации новые крупные зерна образу­ ются при соприкосновении мелких зерен за счет их материала. Поэтому при соприкосновении двух зерен на свариваемых кром­ ках процесс рекристаллизации будет проходить с участием ато­ мов поверхностных зерен. Это может вызвать взаимное переме­ щение атомов через бывшую границу раздела и способствовать лучшему соединению зерен в одно целое. Соединению способ­ ствует и диффузионное перемещение атомов при фазовом пре­ вращении аустенита в феррит. Только нагрев стали выше крити­ ческой точки Ас3 обеспечивает достаточную прочность сварного соединения.

При прессовой сварке в твердом состоянии свариваемые по­ верхности покрыты, тонким слоем окислов. Окислы железа — твердое и хрупкое веш.ество — связаны с зернами стали. В про­ цессе рекристаллизация зерна, находящиеся под окислами, раз­ мягчаются, пленка окислов теряет твердую опору и под действием осадочного давления разрушается. Следовательно, процесс ре­ кристаллизации способствует также удалению окислов со свари­ ваемых поверхностей.

Наиболее легко соединение металлов при прессовой сварке осуществляется оплавлением кромок. Этот вариант реализуется при электроконтактной сварке оплавлением.

105

Наиболее совершенный контакт между поверхностными зер­ нами кромок может быть достигнут при большом давлении (что трудно осуществимо) или при наличии на поверхности кромок слоя жидкого металла. Жидкий металл предохраняет кромки от окисления. Быстрая осадка удаляет весь жидкий металл и окислы, благодаря чему в непосредственный контакт вступают твердые зерна, между которыми нет промежуточных тел. Наилучшие условия для удаления окислов из стыка создаются, когда металл и окислы на свариваемых поверхностях в момент осадки нахо­ дятся в жидком состоянии.

При сварке в твердом состоянии для облегчения соединения зерен иногда вводят флюс (буру, смесь поваренной соли и буры, песок). Между кромками флюс способствует уменьшению темпера­ туры плавления окислов и удалению их в момент осадки.

На поверхности кромок при выдавливании жидкого металла или шлака создаются особенно благоприятные условия для по­ явления многочисленных центров новых кристаллов, главным образом на границе гетерогенной области, где остаются отдельные микроучастки или частицы расплавленного металла.

2) кромки труб соприкасаются большинством зерен для об­ разования непосредственного контакта металлических кристал­ лов;

3)осадочное давление достаточно, чтобы вызвать местную пластическую деформацию поверхностных слоев металла (со­ здать наклеп);

4)температура достаточна для рекристаллизации деформи­ рованного металла.

ЗАЖИМНО-ОСАДОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

Сварочные аппараты снабжены устройствами для надежного захвата концов соединяемых труб. Поскольку трубопроводы со­ оружают из гладкостенных труб, последние удерживаются от осевого смещения при сварке только силой трения. Если принять, что максимальное осевое усилие, развиваемое в процессе сварки (например, для осадки), составит Р кГ, то при коэффициенте трения / трубы о зажимные башмаки зажимное усилие Q будет:

Зажимные башмаки или плашки могут обеспечивать сплош­ ной охват (например, в стациопарных аппаратах для электроконтактной стыковой сварки) или прерывистый охват (например, в передвижных аппаратах для электроконтактной газопрессовой сварки). В последнем случае каждый башмак (или плашка) дол­

16«

жен создавать равномерный радиальный нажим на трубу, равный Ру. Таким образом,

Усилие Ру должно быть таким, чтобы стенка трубы не изогну­ лась, а наружная поверхность не получила от насечек башмака царапин глубиной более 0,25 мм:

Усилие зажима трубы Q можно определить также из прибли­ женной формулы

Q = кР0С, (VIII. 4)

где /V. — усилие осадки в кГ;

к — коэффициент (обычно к — 1,3).

На рис. 98 показана схема аппарата для прессовой сварки. Аппарат зажимает концы труб Д и Д ' башмаками или плашками Б и Б ' . Осадочное усилие развивается в устройствах В и В ’. При помощи направляющих тяг Е и Е' обе половины А и А' аппарата сближаются и трубы сжимаются в осевом направлении.

Зажим труб осуществляется гидравлическим или пневмати­ ческим способом. Осадочное давление достигается гидравличе­ ским, пневматическим или механическим путем (от электродви­ гателя). В мощных установках обычно предусматриваются два привода осадочного механизма — гидравлический и электромеха­ нический, действующие одновременно.

На рис. 98 показан также нагреватель Г.

Установка для прессовой сварки состоит из следующих ос­ новных элементов: осадочно-зажимного механизма; нагреватель­

167

ного устройства; источника технологической энергии для осу­ ществления процесса сварки; источника силовой энергии для приведения в действие механизмов и управления ими; транспорт­ ного устройства (трактора, автомобиля, комбайна) для переме­ щения аппаратуры по трассе. Трактор или автомобиль являются базой, объединяющей все агрегаты установки.

Компоновка частей осадочно-зажимного механизма видна из

поверхности башмаков 1, находящихся в направляющих вырезах обоймы 5. Башмаки при радиальном перемещении надавливают на трубы с усилием Рг. На рис. 101 показана схема действия сил при давлении роликов на башмак.

Пример. Определим силу Р±1 с которой один башмак давит на стенку трубы.

В каждом из двух сегментов по восьми роликов. Следова­ тельно, усилия башмаков, действующие на трубу, расположены

168