книги / Основы сварочных работ при сооружении магистральных трубопроводов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Е.М. Федосеева, Е.С. Саломатова, Т.В. Ольшанская

ОСНОВЫ СВАРОЧНЫХ РАБОТ ПРИ СООРУЖЕНИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2019

УДК 621.791:621.643.053(075.8) Ф32

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор В.Я. Беленький (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

д-р техн. наук, профессор В.Я. Браверман (Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева)

Федосеева, Е.М.

Ф32 Основы сварочных работ при сооружении магистральных трубопроводов : учеб. пособие / Е.М. Федосеева, Е.С. Саломатова, Т.В. Ольшанская. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019. – 160 с.

ISBN 978-5-398-02071-7

Рассмотрены элементы теории сварочных процессов, классификация способов сварки, строение сварного шва, требования по входному контролю сварочных материалов. Описаны материалы и современные технологии сварки магистральных трубопроводов и объектов нефтегазового комплекса.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения технических специальностей.

УДК 621.791:621.643.053(075.8)

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Свыше 10 000 км магистральных трубопроводов используется для передачи нефти и газа от района добычи до крупных промышленных зон (потребителя). Так как они могут пролегать на расстояниях в несколько тысяч километров и проходить через обширные территории, к ним предъявляют жесткие требования (к качеству материала, поверхности, точности размеров труб, качеству сварных швов). Утечки перекачиваемой нефти даже через небольшие трещины, образующиеся в трубопроводе, загрязняют окружающую среду

иприводят к экономическому ущербу. Разрывы трубопроводов больших диаметров могут нанести значительный экономический

исоциальный ущерб.

Всвязи с этим каждый этап сооружения трубопроводов должен проводиться в соответствии с определенной нормативно-техниче- ской документацией.

Сварка трубопроводов – основной и наиболее ответственный этап. Сварочные работы в трубопроводном строительстве непрерывно совершенствуются. Повышаются производительность труда, темпы сварочно-монтажных работ и качество свариваемых соединений.

1.СВАРКА. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ

Твердое тело рассматривается как агрегат атомов, находящихся во взаимодействии. Физические и прочностные характеристики тела определяются расположением атомов и химическими связями, действующими между ними. Очевидно, что неразъемное соединение будет обладать теми же свойствами, что и соединяемые твердые тела. В связи с этим все существующие способы сварки и пайки следует рассматривать как технологические приемы, направленные на решение одной задачи − установление межатомных связей на границах раздела соединяемых элементов.

5

Во всех способах образования неразъемных соединений предварительно соединяемые поверхности подвергают определенной обработке, обеспечивающей удаление поверхностных загрязнений и определенную геометрию поверхностей. Удаление неизбежных поверхностных загрязнений, формирование сплошного физического контакта, а также химических связей зависят от способа выполнения соединений.

В жидком металле связи между атомами сохраняются. Сохраняются они и на образовавшихся при расплавлении кромок межфазных границах твердый металл − жидкий. Поэтому для образования непрерывной межатомной связи достаточно появления общей сварочной ванны и, как следствие, исчезновения границы между соединяемыми поверхностями. Образование общей сварочной ванны − основной и обязательный этап формирования соединения при сварке плавлением. Необходимые свойства соединение приобретает после охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны.

Сварка – технологический процесс получения неразъемного монолитного соединения материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми поверхностями при их местном нагреве (сварка плавлением), или пластическом деформировании, или при сочетании того и другого (сварка давлением).

На рис. 1 представлена схема классификации способов сварки. Сущность сварки заключается в сближении элементарных частиц свариваемых частей настолько, чтобы между ними начали действовать межатомные связи, которые обеспечивают прочность со-

единения.

Так как свариваемые поверхности неоднородны, имеют макро- и микронеровности, оксидные пленки, загрязнения, то для сварки необходимо приложить внешнюю энергию. В зависимости от вида энергии различают три класса сварки: термический, термомеханический и механический [21].

К термическому классу относят виды сварки, осуществляемой плавлением, т.е. местным расплавлением соединяемых частей с ис-

6

пользованием тепловой энергии: дуговую, газовую, электрошлаковую, электронно-лучевую, плазменную и др. (см. рис. 1).

Рис. 1. Классификация способов сварки

Дуговая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев осуществляют электрической дугой. Особым видом дуговой сварки является плазменная сварка, при которой нагрев осуществляют плазменной (сжатой) дугой.

Газовая сварка – сварка плавлением, при которой кромки соединяемых частей нагревают пламенем газов, сжигаемых на выходе горелки для газовой сварки.

Электрошлаковая сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева металла используют тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак.

7

При электронно-лучевой сварке для нагрева соединяемых частей применяют энергию электронного луча. Тепло выделяется за счет бомбардировки зоны сварки направленным электронным потоком.

Местное расплавление соединяемых частей при лазерной сварке осуществляют энергией светового луча, полученного от оптического квантового генератора – лазера.

Ктермомеханическому классу относят виды сварки, при ко-

торых используют тепловую энергию и давление: электроконтактную, диффузионную и др.

Основным видом термомеханического класса является электроконтактная сварка – сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляют теплом, выделяемым при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.

Диффузионная сварка – сварка давлением, осуществляемая взаимной диффузией атомов контактирующих частей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и при незначительной пластической деформации.

Кмеханическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодную, взрывом, ультразвуковую, трением и др.

Холодная сварка – сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых частей.

Сварка взрывом – сварка, при которой соединение осуществляется в результате вызванного взрывом соударения быстро движущихся частей.

Ультразвуковая сварка – сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний.

Сварка трением – сварка давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызываемым вращением свариваемых частей друг относительно друга.

В соответствии с классификацией способов сварки выделяют отличительные особенности сварки плавлением и давлением.

8

1.Сварка плавлением (термические способы – расплавление кромок):

1)расплавление свариваемых кромок и образование сварочной

ванны;

2)образование связей между атомами металла сварочной ванны

иосновного металла;

3)кристаллизация и образование монолитного сварного шва.

2.Сварка давлением:

1)упруго-пластические деформации в месте контакта, смятие неровностей и удаление загрязнений (частично);

2)под действием дальнейшего деформирования (механические способы) или при вводе тепловой энергии (термомеханические способы) происходит химическое взаимодействие. В случае ввода тепла на границе раздела соединяемых поверхностей образуются общие кристаллы (в результате рекристаллизации);

3)диффузионные процессы.

2.ВИДЫ СВАРНЫХ ШВОВ И СОЕДИНЕНИЙ

Сварной шов – участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации металла сварочной ванны.

Рис. 2. Сварное стыковое соединение в поперечном сечении (на примере сварного соединения из стали Х65)

Зона термического влияния – участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке.

9

Виды сварных швов:

1.Стыковой (при стыковом типе соединения).

2.Угловой (при угловом, нахлесточном и тавровом типах соединений) (рис. 3).

Рис. 3. Основные типы сварных соединений

Классификация швов по положению в пространстве приведена на рис. 4.

Рис. 4. Классификация швов по положению в пространстве

Различают нижние, горизонтальные, вертикальные (для сварки кольцевых швов говорят о вертикальном сверху вниз – на спуск и снизу вверх – на подъем) и потолочные швы.

Типы сварных соединений. Различают четыре основных типа сварных соединений (рис. 5): угловое, тавровое, стыковое, нахлесточное и торцевое.

10