Сварка трубопроводов

Курсовой проект

Сварка — технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Сварка — экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Сварка трубопроводов — основной и наиболее ответственный этап в технологическом процессе строительства трубопроводов, определяющий надежность всей трубопроводной системы в период эксплуатации.

Сварочные работы в трубопроводном строительстве непрерывно совершенствуются. В результате автоматизации процессов сварки резко повысились производительность труда, темпы сварочно-монтажных работ и качество свариваемых соединений. За последние годы разработаны и широко применяются принципиально новые виды сварки.

1. Техническая часть

1.1 Оборудование для стыковой контактной сварки трубопроводов

Электроконтактную сварку непрерывным оплавлением впервые начали применять на строительстве магистральных трубопроводов в 1952 г., когда Институтом электросварки им. Е. О. Патона была создана установка КТСА-1 для сварки труб диаметром 219 — 529 мм в непрерывную нитку.

Дальнейшее усовершенствование технологической схемы сварки труб оплавлением благодаря разработкам ИЭО им. Е. О. Патона, ВНИИСТ, КФ СКВ «Газстроймашина» и другими привело в 1980-е годы к использованию двух групп установок — ПЛТ для сварки труб в секции на стационарных трубосварочных базах и ТКУП (Север) — для сварки труб или секций в непрерывную нитку.

Для сварки трубопроводов различных диаметров были разработаны установки, приведенные в табл. 1

Таблица 1

Электроконтактные сварочные установки.

Тип установки

Тип сварочной головки

Диаметр свариваемых труб, мм

Потребляемая мощность, кВ-А

Производительность, стык/ч

Север-4

К-810

1420

1500

6

Север-5

К-830

720-820

800

6-8

ПЛТ-321

К-584-М

114-325

250

6

ПЛТ-141

К-700-1 .

1420

1000

8-10

Север-1

К-700

1420

1160

6

Север-3

К-800

1020-1220

1160

6

ТКУП-321

114-325

200

6,5

ПЛТ-531

377-530

500

8

В состав полустационарных и передвижных установок входят: сварочная машина с аппаратурой управления и контроля процесса сварки, наружный и внутренний гратосниматели, агрегат зачистки концов труб под контактные башмаки сварочной машины, транспортный рольганг электростанции, транспортное средство.

Сварочные машины предназначены для центровки свариваемых труб, подвода к ним электроэнергии и перемещения навстречу друг другу в процессе оплавления и осадки, удаления грата (в отдельных случаях) табл. 2

Таблица 2

Техническая характеристика сварочных машин.

Показатели

Тип и марка сварочных машин

К-584М

К-805

К-800

К-700

Наружный диаметр свариваемых труб, мм

114-325

377-530 1020-1220 1420

Максимальное свариваемое сечение, мм2

14000

22000

60000

92300

Мощность сварочного трансформа тора, кВ * А

200

400

790

820

Вторичное напряжение сварочного трансформатора, В

7,3

6,8

7,4

7,4

Сопротивление сварочного контура при коротком замыкании, мкОм

110

16

14

13,5

Рабочее давление масла в гидросистеме, МПа

12,25

16

20

16

Рабочий ход поршня механизма оплавления, мм

70

85

85

85

Максимальное усилие осадки, МН

0,52

1

3,9

4

Скорость оплавления, мм/с

0,1-1,5

0,1-1,5

0,1-1,5

0,1-1,5

Скорость осадки, мм/с

(на холостом ходу)

70

90

90

60

Масса, кг

3300

9000

25000

28000

сварка трубопровод инструмент материал

В зависимости от диаметра свариваемых труб сварочные машины изготавливают в соответствии с типовым рядом. По конструктивному исполнению их делят на наружные и внутритрубные. Машины для сварки труб диаметром до 530 мм изготавливают в наружном варианте, а для сварки труб диаметром 720 — 1420 мм — внутритрубные.

Машины наружного типа К-584М и К-805 разъемные и могут перемещаться от стыка к стыку независимо от труб. Машины внутреннего типа К-700, К-755, К-800 перемещаются от стыка к стыку по внутренней поверхности трубы с помощью привода, встроенного в машину.

Для выполнения основных функций все сварочные машины имеют следующие узлы: понижающий трансформатор, силовой корпус с центрирующим и зажимным устройствами, механизм перемещения свариваемых труб, включающие и отключающие устройства, аппаратуру управления и регистрации основных параметров процесса сварки.

Важнейший узел сварочной машины — сварочный трансформатор. Он предназначен для преобразования электрической энергии стандартного (промышленного) напряжения 380 В в сварочное с низким (4 —8 В) вторичным напряжением и большим током. Необходимость такого преобразования связана с физической сущностью процесса оплавления. В стыковых сварочных машинах непрерывным оплавлением в основном применяют трансформаторы броневого и кольцевого типов.

Кольцевой трансформатор состоит из кольцевого магнитопровода, первичной и вторичной обмоток. Первичная обмотка представляет собой катушки, равномерно расположенные на магнитопроводе и соединенные параллельно, вторичная обмотка состоит из одного витка.

Трансформаторы броневого типа соединяют параллельно как со стороны первичной, так и вторичной обмоток и располагают равномерно по периметру трубы. Такие трансформаторы называют блочными.

Сварочные машины наружного типа К-584М, К-805 оснащены блочными трансформаторами. Масса блочного трансформатора больше, чем кольцевого, но он проще в изготовлении, удобнее и надежнее в эксплуатации.

Основными характеристиками сварочного трансформатора являются полное ZK.З., активное RK.З. и индуктивное ХК.З. сопротивления короткого замыкания и коэффициент мощности ф = R K.З. /Z K.З Сопротивления Z K.З , R K.З и ХК.З. определяют замыканием вторичного витка накоротко при пониженном первичном напряжении U1 измерением силы тока I1 и мощности Р1 в первичной цепи и расчетом по формулам

Большая часть трансформаторов машин для сварки труб диаметром 57 мм, 377 — 1420 мм имеет воздушное охлаждение. Трансформатор машины К-584М имеет жидкостное охлаждение.

Кольцевые трансформаторы применяют в основном на машинах К-700, К-755, К-800, К-810 для сварки труб большого диаметра. Причем кольцевые трансформаторы могут быть в разном исполнении: многосекционные, двухсекционные и неразъемные. Многосекционные трансформаторы состоят из большого количества секций (на К-700 девять секций) с разделенным секционно магнитопроводом и раздельных обмоток, соединенных параллельно. В двухсекционных конструкциях магнитопровод разделен на две части, а неразъемный имеет сплошной кольцевой магнитопровод и непрерывную обмотку первичных витков.

Вторичное напряжение сварочного трансформатора на свариваемые детали передается через токоподводящие шины и башмаки. Токоподводящие шины вторичного контура большинства сварочных трансформаторов выполнены из большого количества лент медной фольги толщиной 0,2 мм.

Для придания шинам гибкости в местах изгиба они распушены. Число разъемных соединений должно быть минимальным. Болтовые соединения должны обеспечивать удельное давление в нахлесточных соединениях не менее 20 МПа.

Токоподводящие башмаки, обеспечивающие электрическую связь между шинами и свариваемыми деталями, выполняются, как правило, из бронзы, обладающей наибольшей твердостью и малым активным сопротивлением. Этим требованиям удовлетворяют бронзы марок КН-1-3 или БРАЖ9-4. Усилие прижима токоподводящих башмаков к поверхности стальных изделий должно быть 2 — 3 кг/мм2.

Силовой корпус сварочной машины с центрирующими и зажимными устройствами — главная составная часть — выполняет следующие функции: осуществляет зажим труб по всему периметру и устраняет овальность концов труб, при этом обеспечивает соосное их выставление и равномерный и надежный прижим токоподводящих и силовых башмаков к поверхности труб, синхронное перемещение свариваемых поверхностей по заданному закону как в процессе оплавления, так и в процессе осадки, удаление грата и усиления сварного шва после сварки, должен перемещаться к следующему стыку без повреждения стенок труб и изоляции как на прямолинейных, так и криволинейных участках трубопровода.

Для зажатия труб с обеспечением совпадения соединяемых кромок труб без значительных смещений (не более 2 мм) необходимо, чтобы центратор сварочной машины осуществлял центровку правой и левой половин сварочной головки по осям. В этом случае разница в диаметрах труб при центровке равномерно распределится по окружности труб.

Для обеспечения смещения концов труб при центровке не более 2 мм разница в периметрах свариваемых труб не должна превышать 12 мм. Сварочные машины К-700. К-755, К-805 обеспечивают центровку труб по осям, а сварочная машина К-584М — центровку по поверхности соединяемых труб, т. е. имеется базовая поверхность правой и левой половины сварочной машины, относительно которой и зажимаются трубы. При центровке по поверхности обеспечить отсутствие смещений сложнее.

Поэтому в таких машинах (К-584М) предусмотрена возможность в небольших пределах (±2,5 мм) смещать оси зажимных устройств правой и левой половин сварочной машины относительно друг друга (рис. 1).

26

Внутритрубные сварочные машины К-700, К-755, К-800 имеют механизм зажатия, у которого перемещение зажимных и токоподводящих башмаков синхронизировано с помощью одновременно перемещающихся ломающихся рычагов, одна ось которых закреплена на подвижной каретке, а другая связана с рычагом зажатия.

26

Перемещение каретки осуществляется гидроцилиндрами, равномерно расположенными по периметру сварочной машины. У сварочной машины К-805 синхронность перемещения за¬жимных и токоподводящих башмаков обеспечивается отдельным следящим гидроприводом, имеющимся на каждом башмаке (рис. 2)

Перемещение свариваемых деталей в процессе оплавления и осадки осуществляется с помощью гидроцилиндров, управляемых следящим гидроприводом.

У сварочной машины К-700 имеет¬ся девять цилиндров, обеспечивающих перемещение подвижной части сварочной машины в процессе оплавления и осадки. Число и размер цилиндров определяют исходя из необходимого для осад¬ки усилия и развиваемого каждым цилиндром давления.

Усилие осадки рассчитывают исходя из удельного давления 40 МПа, передаваемого на стык. Для обеспечения высокой начальной скорости большая часть сварочных машин имеет гидроаккумуляторы, обеспечивающие подачу большого количества масла в начале (5 — 6 мм) осадки.

Наибольшие усилия корпус сварочной машины воспринимает при зажатии труб и осадке, поэтому его силовая часть рассчитывается исходя из условий минимальной деформации при зажатии и осадке, а также его минимального веса.

Управление перемещением подвижной части сварочной машины в процессе оплавления и осадки по заданной программе осуществляют с помощью следящего гидропривода, включающего гидроцилиндры, следящий золотник, электродвигатель с редуктором и командоаппарат.

Принцип действия такой системы состоит в следующем: перемещение подвижной части сварочной машины в заданном направлении определяется наличием давления масла в одной из полостей гидроцилиндров, связанных с корпусом машины и ее подвижной частью.

Поступление масла в ту или иную полость гидр о цилиндра определяется положением подпружиненного штока следящего золотника. Управление штоком осуществляется парой винт — гайка, приводимой в поступательное движение двигателем постоянного тока, управляемого командоаппаратом через машинный усилитель. Шток золотника стремится стать в нейтральное положение, закрывая доступ масла в обе полости гидроцилиндров. В связи с тем, что корпус золотника закреплен на подвижной части сварочной машины, при перемещении его штока на заданную величину в ту или иную сторону масло будет подаваться соответственно в одну из полостей гидроцилиндров до тех пор, пока подвижная часть сварочной машины не сместится на ту же величину в направлении, обеспечивающем выставление золотника в нейтральное положение.

Командоаппарат (КЭП) представляет собой многокулачковую систему, управляющую замыканием или размыканием контактов в заданное по циклограмме время включения отдельных механизмов сварочной машины. С помощью командоаппарата на машинах К-584М подается команда на начало и окончание процесса оплавления, изменение напряжения в процессе оплавления, включение начала форсировки и осадки, на перехват трубы зажимными губками сварочной машины для снятия грата, включение и выключение самопишущего прибора для регистрации параметров процесса. На машинах К-700, К-800, К-805 помимо указанных выше команд с помощью второго командоаппарата осуществляется ступенчатое изменение скорости форсировки (девять ступеней).

Электрическая схема машин К-584М, К-700, К-800, К-805 предусматривает коррекцию по току (разведение оплавляемых деталей) на этапе оплавления, если процесс входит в короткое замыкание. Перед началом форсировки коррекция по току выключается контактами командоаппарата. Длительность осадки под током устанавливается отдельным электромеханическим реле времени.

Управление процессом сварки на всех сварочных машинах практически одинаково. Перед началом сварки включают гидростанцию, после чего в гидросистеме устанавливается рабочее давление. После зажатия свариваемых труб в зажимах центратора нажатием кнопки «Пуск» включают силовой контактор и подают напряжение на сварочный трансформатор. Далее процесс идет по программе, установленной на КЭПе.

Все внутритрубные сварочные машины имеют механизм, обеспечивающий их перемещение внутри трубы. Наружные машины перемещают с помощью вспомогательных транспортных средств. В зависимости от года выпуска сварочной машины электропривод может включать электродвигатель постоянного тока и асинхронный.

Установочная скорость в последнем случае обеспечивается с помощью включения добавочных балластных сопротивлений или тиристорного привода.

Снятие грата у внутритрубных сварочных машин осуществляется ножами, равномерно расположенными по всему периметру на корпусе машины при ее перемещении к следующему стыку после сварки. В процессе снятия грата максимальное усилие резания на каждом ноже достигает 500 Н. При этом температура срезаемого грата может достигать значений не менее 800 — 850 °С.

К недостаткам гратоснимателей такого типа можно отнести плохое слежение рабочей поверхности ножей за поверхностью трубы, а также сложность их использования при сварке спирально-шовных и многослойных труб. Преимуществом является высокая надежность, производительность и простота конструкции.

В наружных сварочных машинах К-584М, К-805 снятие грата осуществляется ножами, приводимыми в действие гидроприводом осадки по всему периметру стыка одновременно.

Параметры процесса сварки регистрируются на самопишущих приборах типа Н-338 с чернильной записью измеряемых электрических и механических характеристик процесса. Регистрации подлежат: сварочный ток, напряжение в первичной обмотке сварочного трансформатора, перемещение подвижной части сварочной машины в процессе оплавления и осадки, напряжение на якоре двигателя оплавления, пропорциональное скорости оплавления.

Для регистрации указанных параметров сварочные машины снабжают специальными датчиками и преобразователями. Датчиком сварочного тока и напряжения служат трансформаторы тока и напряжения. Сигнал с трансформаторов подается на преобразователь (рис. 3.), где переменный ток преобразуется в постоянный.

Датчиком перемещения является круговой резистор, один оборот которого соответствует перемещению подвижной части машины на величину 2,8 мм. Преобразование указанных параметров для регистрации на. самописце Н-338 по величине и характеру сигналов осуществляется специальным блоком.

Зачистные устройства обеспечивают подготовку труб к сварке и предназначены для зачистки пояска на поверхности труб до металлического блеска на ширину прилегания контактных башмаков. Зачистные устройства, как и сварочные машины, делят на внутритрубные и наружные. Отличаются они принципом очистки (абразивные, скребковые и иглофрезерные) и конструктивным исполнением.

Концы труб зачищают, вращая рабочие инструменты (иглофрезерные) или перемещая их по зачищаемой поверхности с заданным усилием поджатия (скребковые, абразивные).

Усилие поджатия у иглофрезерных зачистных машин составляет (в Н): 300 — 500, у скребковых — 20 — 50, а у абразивных — до 20. Зачистные машины с абразивным инструментом в настоящее время не применяются.

26

Наибольшее распространение получили зачистные машины с иглофрезерной очисткой поверхности труб, так как они наиболее качественно готовят поверхность труб под контактные башмаки. К агрегатам с иглофрезерной зачисткой относят: АЗТ-141, АЗТ-121, АЗТ-82. Эти агрегаты готовят зачищенный поясок на внутренней поверхности труб. Ширина пояска составляет 150—170 мм. Располагается он на расстоянии 50 мм от торца трубы.

Все механизмы зачистного агрегата (рис. 3.) смонтированы на специальном упоре-демпфере 1, ограничивающем ее вхождение в трубу. На упоре-демпфере закреплен ротор 4 с четырьмя за-чистными головками 6 и электродвигателями 5. Гидроцилиндры 7 обеспечивают выведение зачистной головки в рабочее положение и возвращение в исходное. Ротор приводится во вращение от мотор-редуктора 8. Зачистной агрегат фиксируется в трубе гидроцилиндром 3.

Принципиальная гидросхема зачистного агрегата аналогична гидросхеме агрегата для снятия наружного грата. Зачистной агрегат подвешивают на стреле трубоукладчика, питание — от автономной электростанции мощностью 30 кВт.

Образующийся в процессе оплавления и осадки грат и усиление сварного шва удаляют с помощью специальных гратоснимающих устройств. Необходимость удаления внутреннего грата диктуется тем, что он снижает пропускную способность трубопровода, а наружного — тем* что он не позволяет качественно осуществить наружную изоляцию труб, а также может быть причиной наличия концентратора напряжений в стыке при его эксплуатации. Грат удаляют в горячем и в холодном состоянии. На трубах малого диаметра (57 — 325 мм) внутренний и наружный грат удаляют в горячем состоянии, а наружный — в холодном. Основной показатель качества удаления грата — высота оставшегося усиления. Она не должна превышать 3 мм. При этом в оставшемся усилении не должно оставаться острых кромок (R = 0,2 мм).

В связи с тем что наружные сварочные машины снабжены гратоснимателями, комплексы комплектуют отдельными внутренними гратоснимателями. При внутренних машинах они комплектуются наружными гратоснимателями.

1.2 Сварка встык нагретым инструментом

Нагрев свариваемых поверхностей производится металлическим нагретым инструментом. Из-за прямого контакта с нагретым инструментом теплоперенос гораздо более интенсивный, чем в случае сварки горячим воздухом; распределение тепла в массе свариваемого материала в этом случае также более благоприятно, никакие зоны материала не получают большего термического стресса, чем необходимо для сварки. Получаемые в результате сварные швы не имеют зон термически поврежденного материала. Прочность соединения труб при таком способе сварки не ниже, чем прочность исходной трубы.

Принципиальные положения

Рисунок №5 « Сварка встык »

Сварка встык заключается, в принципе, в нагреве торцов свариваемых труб до расплавления материала и в последующем сжатии нагретых торцов для остывания.

Однако, реализация этой простой идеи требует аккуратного выполнения целого ряда условий для получения качественного сварного соединения.

Современные автоматизированные аппараты для стыковой сварки существенно снижают влияние человеческого фактора на качество стыкового сварного соединения, но полностью его не устраняют.

Минимальный состав оборудования показан на рис. 2 и 3 и зависит от типа привода аппарата.

Рисунок №6 «Состав оборудования с механическим приводом для стыковой сварки»

Рисунок №7 «Состав оборудования с гидравлическим приводом для стыковой сварки »

В состав оборудования обязательно входит:

центратор с одним или двумя неподвижными зажимами для трубы (1) и одним или двумя подвижными зажимами (2).

Центратор располагается на раме (3).

Подвижные хомуты приводятся в движение с помощью давления масла в гидросистеме, производимого гидравлическим агрегатом, или с помощью ручки механического привода (4).

Для очистки и выравнивания торцов свариваемых труб перед нагревом служит торцеватель (5), который может быть электрическим или механическим.

Для нагрева свариваемых торцов предназначено сварочное зеркало (6).

Торцеватель и зеркало могут быть закреплены на раме центратора, а могут храниться на подставке (7).

Для фиксации труб различных диаметров служат сменные вкладыши (7) для подвижного и неподвижного зажимов центратора

Свариваемые части трубопровода должны быть зафиксированы в центраторе (см. рис. 4) сварочного аппарата. Как правило, центратор жестко крепит одну трубу и обеспечивает осевое перемещение второй трубы. Для устранения трения подвижной трубы о землю целесообразно пользоваться, например, роликовыми упорами.

Кроме коаксиальной фиксации труб, фиксатор обеспечивает перемещение подвижной трубы в направлении неподвижной трубы с контролируемым усилием. Наиболее распространенные способы создания усилия — механический (вращение ручки привода) и гидравлический.

Рисунок №8 «Фиксация труб в центраторе»

Для предотвращения прилипания трубы к нагретому инструменту и для облегчения удаления нагретого инструмента из зоны сварки после нагрева, поверхность инструмента, как правило, покрыта тефлоном. Тефлоновые покрытия также облегчают очистку инструмента.

После фиксации труб их торцы выравниваются и торцевателем (см. рис. 5), который представляет собой дисковый рубанок. Свариваемые поверхности необходимо прижать к рабочим поверхностям торцевателя и обработать до достижения ровной плоской поверхности. Для максимального приближения формы готовой поверхности к идеальной плоскости глубина торцевания за один проход ножа торцевателя не должна превышать 0,2 мм. Торцеватель обеспечивает последующее плотное прилегание свариваемых торцов труб к поверхности нагретого инструмента, а также удаляет возможные загрязнения и оксидный слой.

Момент окончания торцевания легко определить визуально по появлению сплошной кольцевой стружки с обеих сторон торцевателя.

Не останавливая торцеватель, ослабьте усилие прижима и отведите подвижную трубу от торцевателя. Это позволит плавно и без задиров закончить торцевание.

Рисунок №9 «Установка торцевателя между свариваемыми торцами труб»

После торцевания необходимо чистым инструментом удалить стружку из зоны сварки, особенно — изнутри трубы. Не касайтесь свариваемой поверхности руками!

После удаления стружки сведите трубы и проверьте плотность прилегания свариваемых поверхностей. Остаточный зазор не должен превышать значения, указанного в табл. 1. Кроме того, несовпадение стенок свариваемых труб должно быть не более 10% толщины трубы. Некоторые конструкции центраторов позволяют в случае необходимости уменьшить несовпадение специальными регулировками соосности. Отторцованные трубы должны выступать из фиксирующих зажимов центратора на расстояние не менее толщины стенки этих труб (см. п.5)

Таблица №3

«Максимально допустимая величина зазора между торцами труб

Наружныйдиаметр трубы, мм

Ширина зазора, мм

? 355

0,5

400 … < 630

1,0

630 … < 800

1,3

800 … < 1000

1,5

Нагревательный элемент (т.н. сварочное зеркало), нагретый до необходимой температуры (см. рис. 7 и 8) располагается между свариваемыми торцами труб, затем торцы труб прижимаются к нагревательному элементу для предварительного нагрева.

При небольшом увеличении видно, что гладкая на вид поверхность сварочного зеркала на самом деле имеет неровности. Поверхность торца трубы, обработанная торцевателем, тоже всё-таки отличается от идеальной плоскости. Поэтому для достижения равномерного контролируемого нагрева свариваемых торцов необходимо в первый момент эти торцы прижать к нагретому сварочному зеркалу с существенным усилием. Через короткое время материал свариваемых поверхностей оплавляется и плотно прижимается к поверхности сварочного зеркала, увеличивая площадь теплопереноса до 100% площади торца трубы.

Каким должно быть усилие прижима при предварительном нагреве? Усилие это, очевидно, ограничено двумя условиями:

  • Создаваемое давление должно быть как можно больше, чтобы 100%-ный тепловой контакт между торцом трубы и сварочным зеркалом был достигнут как можно быстрее;
  • Создаваемое давление должно быть не очень большим, чтобы выдавливаемый материал был вполне расплавленным и текучим.

Этим условиям удовлетворяет усилие, создающее давление 1,5 кгс/см2 для изделий из ПНД или 1,0 кгс/см2 для изделий из ПП. Для конкретной трубы усилие прижима рассчитывается с учетом материала трубы, ее диаметра и толщины стенки.

В результате нагрева под давлением по внешнему и внутреннему периметру торца трубы выступает валик пластифицированного материала, который называется гратом (см. рис. 1).

Отрицательной особенностью грата является некоторое уменьшение условного прохода трубы после завершения сварки; поэтому, в частности, детали безнапорной канализации не рекомендуется соединять с помощью сварки.

Однако, грат увеличивает толщину стенки трубы в месте сварного шва. Если учесть, что любой полимер при нагреве до пластического состояния в большей или меньшей степени подвергается термическому шоку, то увеличение толщины стенки в зоне сварного шва — это единственный способ достичь здесь прочности не ниже прочности исходной трубы. Поэтому нагрев с приложением усилия продолжают и после того, как достигнут 100% тепловой контакт между сварочным зеркалом и торцом трубы — пока грат не достигнет рекомендуемой величины. Очевидная закономерность: необходимая высота грата тем больше, чем больше толщина стенки свариваемых труб (или толщина свариваемых листов).

Оптимальная высота грата к моменту окончания предварительного нагрева определена для каждой толщины свариваемых изделий и для различных термопластов, она указывается в сварочных таблицах (см. табл. 4).

Замечание: Занижение давления прижима при создании грата ведет лишь к отсрочке момента 100%-ного контакта между торцом трубы и поверхностью зеркала. Дополнительное время, которое в этом случае требуется на создание грата, нельзя считать потерянным, т.к. большая его часть — это уже, фактически, начало основного нагрева (см. п.5).

А вот превышение давления при создании грата ведет к выдавливанию недогретого материала, который формирует грат неправильной формы и не обеспечивает должного усиления шва.

5. Основной нагрев поверхностей В течение времени нагрева, которое начинается после создания грата нужной высоты, давление прижима — почти нулевое:

это давление должно быть ничтожно мало, чтобы не вызывать дальнейшего увеличения грата, однако это давление должно быть достаточным, чтобы гарантировать контакт торцов трубы со сварочным зеркалом.

На рис. показано изменение давления прижима в ходе сварочного процесса.

Рисунок №10 «Изменение давления прижима в ходе сварочного процесса»

Отличительной особенностью стыковой сварки является медленный глубокий нагрев поверхностей сварочным зеркалом, нагретым до сравнительно невысокой температуры (около 200-210°С).

Теоретически, для сварки более толстостенных изделий рекомендуется применять более низкую температуру зеркала в течение более длительного времени (см. рис. 7 и 8), чтобы прогреть толстостенное изделие (трубу) на большую глубину. С другой стороны, погрешности оборудования и окружающая среда вносят отклонения температурного режима больше, чем рекомендуемые изменения настроек температуры в зависимости от толщины стенки трубы. Поэтому на практике температура зеркала не зависит от толщины стенки трубы.

Замечание: Рекомендуемые и общепринятые режимы нагрева труб и листов (температура и время) подобраны таким образом, что обеспечивают плавный прогрев материала на глубину, приблизительно равную толщине стенки трубы или толщине листа (см. рис. 9).

Это обстоятельство рекомендуется учитывать при фиксации труб и торцевании. Отторцованная труба должна выступать из зажимов центратора на длину не менее толщины стенки трубы.

Рисунок №11-12 «Температура сварочного зеркала для ПНД и ПП»

При температуре сварочного зеркала около 200°С и при температуре окружающей среды около комнатной скорость прогрева материала в глубину поддается точному расчету (для ПНД условно считается приблизительно равной 1мм за 10 сек).

Эта скорость определяет рекомендуемое время нагрева в зависимости от толщины стенки трубы (см. табл. 2).

Рисунок №13 «График распределения температуры в трубах с разной толщиной стенки»

После нагрева поверхностей решающее значение имеет быстрое удаление нагретого инструмента и совмещение нагретых свариваемых поверхностей. При этом необходимо не смять, не запачкать и не повредить другим способом нагретые поверхности! Максимально допустимое время на отведение подвижной трубы, удаление сварочного зеркала и сведение торцов труб называется временем перестановки и указывается в сварочных таблицах. Превышение этого времени ведет к остыванию оплавленных торцов и, как следствие, к плохому качеству шва. Очевидно, что для более толстостенных изделий допустимое время перестановки выше (см. табл. 2).Замечание: Во время перестановки нагретый материал, контактируя с воздухом, быстро окисляется. Кроме того, тонкий слой нагретой поверхности успевает немного остыть. Поэтому следует стремиться к уменьшению времени перестановки.

Скорость сведения труб в момент их контакта должна быть как можно ближе к нулю. Приложение значительного давления в первый момент контакта приведет к выдавливанию расплавленного материала из зоны шва и, к тому же, сильно увеличит высоту грата.

От момента контакта свариваемых поверхностей, по мере остывания материала, давление прижима поверхностей необходимо медленно и плавно увеличивать до рекомендуемого давления охлаждения. При увеличении давления расплавленный материал частично выдавливается из зоны шва и течет в направлении наружного и внутреннего грата, при этом тонкий слой материала, окислившийся и остывший во время перестановки, смешивается с более глубокими слоями и не оказывает отрицательного влияния на качество шва.

Экспериментально определенное оптимальное время, в течение которого должно быть плавно достигнуто давление охлаждения, известно как время осадки и указывается в сварочных таблицах (см. табл. 2).

Во время осадки и на первом этапе последующего охлаждения происходит окончательное формирование грата.

При охлаждении окончательно формируется зона сварного соединения. Основная идея этого процесса состоит в том, чтобы толщина стенки трубы в зонах, прилегающих к сварному шву, увеличилась. Причем это увеличение должно быть тем больше, чем больше был нагрет (подвергся термической деградации) материал в данной точке. Рекомендуемые режимы нагрева и осадки подобраны таким образом, что оптимальным для охлаждения является усилие прижима, равное усилию при предварительном нагреве.

После осадки давление прижима деталей сохраняется постоянным до полного охлаждения при комнатной температуре. Время охлаждения зависит от материала и толщины стенки свариваемых труб (или толщины листов) и указывается в сварочных таблицах (см. табл. 2).

Не следует пробовать ускорить остывание (применение холодной воды или пр.) — это приведет к созданию внутренних напряжений в материале и, как результат, к снижению прочности шва.

После остывания сваренные части можно вынуть из аппарата.

Замечание: Перед раскрытием зажимов, фиксирующих трубы в фиксаторе, не забудьте сбросить усилие прижима до нуля!

Таблица №4

«Основные параметры для сварки встык труб из ПНД»

Толщина

стенки, мм

Температура

сварочного

зеркала, °С

Высота

грата, мм

(Р=1,5 кгс/см2)

Время

нагрева, сек.

(Р=0,15 кгс/см2)

Время

перестановки,

сек.

Сварка (Р=1,5 кг/см2)

Время осадки, сек.

Охлаждение, мин.

до 4,5

4,5 — 7,0

7,0 — 12,0

12,0 — 19,0

19,0 — 26,0

26,0 — 37,0

37,0 — 50,0

50,0 — 70,0

210

207

200

197

193

192

191

190

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

45

45 — 70

70 — 120

120 — 190

190 — 260

260 — 370

370 — 500

500 — 700

5

5 — 6

6 — 8

8 — 10

10 — 12

12 — 16

16 — 20

20 — 25

5

5 — 6

6 — 8

8 — 11

11 — 14

14 — 19

19 — 25

25 — 35

6

6 — 10

10 — 16

16 — 24

24 — 32

32 — 45

45 — 60

60 — 80

Отличие практической сварочной таблицы от теоретической

На практике при сварке пластиковых труб оператор не может непосредственно измерить давление P прижима свариваемых поверхностей к сварочному зеркалу или друг к другу. Конструкция любого аппарата для стыковой сварки труб позволяет измерить только усилие F прижима в единицах, которые зависят от конструкции аппарата. Например, в аппаратах с гидравлическим приводом логично измерять усилие прижима в единицах давления масла в гидросистеме аппарата. А в случае аппаратов с механическим приводом усилие измеряется степенью сжатия пружины, единицы индикации зависят от градуировки шкалы — ньютоны (Н), килограммы (кгс), «попугаи» или «бананы».

Поэтому для практического использования к каждому аппарату стыковой сварки производитель аппарата прикладывает сварочные таблицы для различных термопластов. В такой таблице параметры сварки, включая усилие прижима, указываются в зависимости от диаметра и толщины стенки трубы.

При выполнении сварных работ зона сварки должна быть защищена от влияния неблагоприятных погодных условий (т.е. высокой влажности, ветра, яркого солнца и температур ниже 0°).

Сварку можно проводить в любых погодных условиях, если будет гарантировано, что применение специальных мер (тепловые пушки, палатки, тенты и пр.) позволит поддерживать температуру стенки трубы на подходящем и постоянном уровне.

В реальных условиях подвижная труба, как правило, имеет существенную длину, лежит на грунте и требует ненулевого усилия для ее перемещения вдоль оси. Это усилие, известное как усилие пассивного сопротивления, необходимо измерить сразу после фиксации труб в центраторе и затем добавлять величину этого усилия к рекомендуемому усилию на каждом этапе процесса.

Применение сварки нагретым инструментом встык

Как видно из описания процедуры сварки встык, этот способ сварки требует точного выполнения целого ряда последовательных процедур на довольно сложном оборудовании. Поэтому выбор между стыковой и раструбной сваркой склоняется в пользу стыковой сварки чаще при монтаже трубопроводов большого диаметра:

  • соединительные муфты для раструбной сварки трубопроводов больших диаметров, если бы они были представлены на рынке, стоили бы очень дорого по технологическим причинам;

раструбная сварка трубопроводов большого диаметра (в отличие от малых диаметров), так же как и стыковая сварка , требует применения центратора; поэтому нет преимущества простого дешевого оборудования.

Из всего многообразия термопластов, для производства трубопроводов большого диаметра (выше 110мм) в подавляющем большинстве случаев производятся из ПНД по причине его невысокой цены и удовлетворительных потребительских свойств. Поэтому основное применение стыковой сварки нагретым инструментом — это монтаж трубопроводов из ПНД сравнительно больших диаметров.

Монтаж трубопроводов из ПНД для газоснабжения и других объектов повышенной опасности требует современного автоматического оборудования для стыковой сварки, которое значительно снижает влияние человеческого фактора на качество шва, а также позволяет сохранить важные параметры сварочного процесса в памяти оборудования и распечатать т.н. «паспорт шва».Фасонные детали для трубопроводов из ПНД (отводы, тройники и пр.) изготавливаются с расчетом на стыковую сварку, т.е. торец соединительной детали совпадает с торцом трубы. Для труб сравнительно небольших диаметров (до 225 мм) фасонные детали изготавливаются как методом литья под давлением, так и сваркой из трубы. Для бoльших диаметров, по технологическим причинам, фасонные детали только свариваются из трубы.

2. Расчетная часть

2.1 Расчёт расхода сварочных материалов

Расход газа:

Н2= Q2Lш + Qgon (2.1)

где: Q2 — удельная норма газа на 1мм шва; Lш — длинна шва;Qgon- дополнительный расход газа на продувку газовых коммуникаций, настройку оборудования.

Qgon = g1tnз (2.2)

где: g1 — оптимальный расход газа, 10л/м шва. Tnз — подготовительно — закалительное время, 0,05мм.

Числовые значения представлены в технологическом месте курсового проекта для каждой операции.

Расчёт расхода сварочной проволоки:

Нпр = Тн + (0,070,15Тн), [г/м] (2.3)

где: Тн — масса наплавленного металла

Тн = РFн 10 (2.4)

где: Fн — площадь поперечного сечения шва, мм Р — плотность шва металла, 7,5 г/см.

Числовые значения для каждой отдельной операции приведены в технологическом месте курсового проекта.

2.2 Расчёт и выбор параметров режима сварки

Параметры режима выбираются или рассчитываются из условий обеспечения максимального качества шва, получение швом достаточной прочности, наилучшего проплавления с учётом свойств материала.

Исходя из условий полного провара определим ток сварки при приварке лопаток реактора к тору и щеке. Режимы одинаковы в обоих случаях.

Iсв=hk100 (2.5)

где: h — глубина проплавления, мм k — коэффициент ропорциональности

k=1,15

Iсв= 220А

Напряжение на дуге , Uд= 27В, исходя из рекомендаций для швов в нижнем положении выполняемых с применением п\автоматов сварочной проволокой диаметром 1,2 мм.

Скорость подачи электродной проволоки; Vэл

Vэл=4IсвLмПdэлM (2.6)

dэл-диаметр электродной проволоки, мм Lм-коэффициент наплавки

M-плотность наплавляемого металла, Г\см

Режимы одинаковы для приварки лопаток как к тору так и к щеке. Сварку выполняем на п\а А-547У.

Определим режим автоматической сварки на установке УСКК-2. Выполняется приварка трубы к лопастной решётке

Iсв=(hk)100 (2.7)

Uд=27В, исходя из тех же рекомендаций для швов в нижних положениях выполненных проволокой d=1.2 мм.

Vсв=IсвLнFнM100 (2.8)

где: Fн — площадь поперечного сечении наплавленного за 1 проход металла Lн — коэффициент наплавки M — плотность наплавленного металла.

Площадь сечения для одного прохода можно определить:

Fн=(68)dэл (2.9)

Сварка выполняется в пять проходов, так как площадь шва 50мм, а площадь поперечного сечения металла, наплавляемого за 1 проход 10мм.

2.3Расчёт норм времени на сварочные операции

Tшт = Tо+Tn+Tnз+Tобс (2.10)

где: Tшт — время штучно-калькуляционное Tо — основное время сварки Tn — время рекомендуемых T — время подготовительно-заключительное Tобс — время обслуживания аппаратуры.

Затраты вспомогательного, подготовительно-заключительного времени, времени на отдых и естественные надобности, времени на обслуживание аппаратуры определяется хронометрическим способом и составляет 30%-50% от Tшт.

Заключение

Задачей сварочной операции является получение механически неразъемных соединений, подобных по свойствам свариваемому материалу. Это может быть достигнуто, когда по своей природе сварное соединение будет максимально приближаться к свариваемому металлу.

Свойства твёрдых тел, в том числе и механические (прочность, упругость, пластичность и др.), определяются их внутренними энергетическими связями, т.е. связями межмолекулярного, межатомного и ионного взаимодействия.

В зависимости от материала сварной конструкции, её габаритов, толщины свариваемого металла и других особенностей свариваемого изделия предпочтительное применение находят определённые разновидности электрической дуговой сварки.

Так, при изготовлении конструкций из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей наибольшее применение находят как ручная дуговая сварка качественными электродами с толстым покрытием, так и автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом, а так же сварка в углекислом газе; при сварке конструкций из высоколегированных сталей, цветных металлов и сплавов на их основе предпочтительное использование находит аргонно-дуговая сварка, хотя при определённых условиях применяются и некоторые другие разновидности электрической дуговой сварки.

Список используемой литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovoy/na-temu-svarka-truboprovodov/

Сварка трубопроводов: Учеб. пособие / Ф.М. Мустафин, Н.Г. Блехерова, О.П. Квятковский и др.- М.:ООО «Недра-Бизнесцентр»,2002 Стр. (133-144,197-202,275-281).