CC BY
8
Б01 10.47581/2022/8МТТ/05/Кагак1еЬ-8ашЬигик.01
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДНОЙ ТЕРМИТНОЙ ПРИВАРКИ ПРОВОДОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ Каракич Егор Андреевич, аспирант Самборук Анатолий Романович, профессор, д.т.н. Амосов Александр Петрович, профессор, д.ф-м.н.
Самарский государственный технический университет, Россия
В данной работе приведены величины механических характеристик медной термитной приварки проводов электрохимической защиты (ЭХЗ) к стальной пластине. Представлены такие характеристики как предел прочности на растяжение и твердость по Бринеллю сварного шва, полученного при горении исходных смесей порошков различного состава с целью их последующей оптимизации.
Ключевые слова: Термитная медная сварка, провода, сварной шов, прочность, твердость.
Термитная сварка основана на сжигании смеси порошка оксида одного металла (железа, меди или другого) и порошка другого металла-восстановителя (чаще всего алюминия), при котором реализуется термитная окислительно-восстановительная реакция с выделением такого большого количества тепла, что достигаются очень высокие температуры, превышающие температуры плавления продуктов горения - восстановленного из оксида металла и окисленного алюминия (оксида алюминия) [1]. Восстановленный жидкий металл (железо, медь или другой) имеет обычно плотность больше плотности жидкого оксида алюминия и оседает в поле тяжести вниз, а оксид алюминия в виде шлака всплывает вверх. Восстановленное жидкое железо используется чаще всего для сварки стальных рельсов, а восстановленная жидкая медь - для сварки медных проводов или их приварки к стальным трубам газопроводов для создания электрохимической защиты (ЭХЗ) [1-3]. Виды термитной сварки, результаты исследования параметров процесса и дефектов медной термитной приварки проводов ЭХЗ представлены в публикациях [4-6]. Настоящая работа посвящена исследованию механических характеристик медной термитной приварки проводов электрохимической защиты (ЭХЗ) к стальной пластине.
Для приварки выводов электрохимической защиты необходимо выбрать метод сварки, обеспечивающий достаточную простоту и технологичность процесса, а также дающий высокое качества сварного шва, обладающего высокими прочностными характеристиками. Исходя из данных задач, наиболее оправданным является использование медной термитной смеси. Медный термит получается при смешивании мелкодисперсных порошков оксида меди (двухвалентного) и порошков алюминия. Пропорции пожаробезопасной и достаточно технологичной смеси составляют 80% окиси ме-
ди к 20% алюминия. При поджоге данной смеси реализуется окислительно-восстановительная термитная реакция
2А1 + ЗСиО = АЬОз + 3Си (1)
с достижением высокой температуры более 2100 К и получением жидкой меди. Состав реагирует полностью за 5-10 секунд, что обеспечивает высокую производительность работ. Для прохождения горения в более спокойном устойчивом режиме и получения более качественного сварного шва в активный медный термит состава реакции (1) добавляются пассивные порошки меди (Си) и ферромарганца (БеМп) [5].
Медная термитная сварка может применяться для приварки достаточно малых деталей (5-20 мм) к современным газопроводам из металлов с высокими пределами текучести (свыше 540 МПа). При проведении процесса сварки в тигель-форме газопровод может не прекращать своей работы и находиться под рабочим давлением.
Для проведения испытания готовилась металлическая пластина толщиной 10 мм. Она зачищалась до блеска напильником и располагалась на поддоне с кварцевым песком. На пластину устанавливалась многоразовая графитовая тигель-форма (Рисунок 1).
Рисунок 1 - Тигель-форма для приварки вывода ЭХЗ
В нижнее боковое отверстие тигель-формы вставлялся вывод ЭХЗ, представленный тремя медными проводами, сечением 3,2 мм до середины литниковой камеры (отрезок медной проволоки длиной не менее 4 см). На дно камеры сгорания вкладывалась металлическая мембрана толщиной 0,3±0,02 мм. Мембрана устанавливалась без перекоса, чтобы исключить
просыпание смеси в формирующую контакт полости тигель-формы. Дозировка термосмеси составляла 70 г. Термосмесь засыпалась в тигель-форму в два этапа с послойным уплотнением путем прокалывания металлическим прутом. После уплотнения смеси тигель-форма закрывалась крышкой и поддон с тигель-формой устанавливался в вытяжном шкафу. Зажигание проводилось термитной спичкой, вставляемой через запальное отверстие крышки тигель-формы. Контроль за процессом горения осуществлялся визуально через смотровое стекло бронекабины.
Для исследования механических характеристик сварных швов использовались три состава исходных термитных смесей порошков: «Стехиометри-ческий», «Усредненный» и «состав по ТУ», приведенных в таблице 1. На каждом из этих составов испытывалось по семь образцов приварки. Твердость сварного шва определялась твердомером ТШ-2М. Образец с отпечатками твердомера представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 — Образец приварки с отпечатками твердомера
Полученные значения твердости сварного шва, соответствующие каждому составу исходной термитной смеси, приведены в таблице 1.
Таблица 1. — Значения твердости сварного шва испытанных образцов при использовании исходных термитных смесей различного состава
Компонент Термитная смесь
Состав по ТУ Усредненн ый состав Стехиометрическ ий состав
% мол ь % моль % моль
СиО 66 3,41 69,6 3,6 65,2 3,37
А1 9,2 1 10,4 1,4 9,8 1,49
Си 10, 8 0,7 8 0,52 10 0,65
БеМд 14 1,05 12 0,9 15 1,12
Твердость первого образца ИЯВ 16 13 15
Твердость второго образца ИЯВ 16 12 16
Твердость третьего образца ИЯВ 14 13 14
Твердость четвертого образца ИЯВ 18 10 17
Твердость пятого образца ИЯВ 15 8 21
Твердость шестого образца ИЯВ 16 10 17
Твердость седьмого образца ИЯВ 18 14 15
В графическом выражении зависимости твердости сварного шва от номера образца для различных составов термитной смеси представлены на рисунках 3-6.
20 18 16 14
10
го ^
Я 12
го
Ю О
Л § 8 с! & 6 т
16 14 12
ей £ 10
§ 8
Ч о.
с
ш 6
3 4 5
Номер образца
Твердость
Рисунок 3 — Зависимость твердости сварного соединения от номера образца для термитного состава по ТУ
3 4 5
Номер образца
Твердость
Рисунок 4 — Зависимость твердости сварного соединения от номера образца для термитного усредненного состава
4
1
1
о
ч & 10 т
4 5
Номер образца
Твердость
Рисунок 5 — Зависимость твердости сварного соединения от номера образца для термитного стехиометрического состава
30
25
5
0
1
5
12 14 15
Содержание ферромарганца, %
образец^^^ 2 образец^^^ 3 образец^^» 4 образец образец^^» 6 образец^^* 7 образец
Рисунок 6 — Зависимость твердости сварного соединения всех образцов от содержания ферромарганца в термитной смеси
0
Видна достаточно прямая зависимость твердости сварного соединения для разных составов термитной смеси от содержания наиболее твердого компонента в смеси, в качестве которого выступает ферромарганец. Можно сделать вывод, что самым оптимальным термитным составом является состав, близкий к стехиометрическому, так как средние показания твердости при наибольшем количестве твердого компонента являются наибольшими.
Для проведения испытаний в разрывной машине было изготовлено также по 7 образцов приварки для каждого использованного термитного состава. При проведении серии испытаний были получены следующие результаты, представленные в таблице 2.
Таблица 2 — Значения прочности при растяжении образцов, сваренных _при использовании термитных смесей различного состава_
Компонент Термитная смесь
Состав по ТУ Усредненны й состав Стехиомет рический состав
% моль % моль % моль
СиО 66 3,41 69,6 3,6 65,2 3,37
А1 9,2 1 10,4 1,4 9,8 1,49
Си 10,8 0,7 8 0,52 10 0,65
БеМп 14 1,05 12 0,9 15 1,12
Прочность первого образца, МПа (кгс/мм2) 338 (34,5) 356 (36,6) 320 (32,6)
Прочность второго образца, МПа (кгс/мм2) 328 (33,4) 344 (35,0) 308 (31,4)
Прочность третьего образца, МПа (кгс/мм2) 340 (34,6) 360 (36,7) 312 (31,8)
Прочность четвертого образца, МПа (кгс/мм2) 324 (33,0) 352 (35,8) 304 (30,9)
Прочность пятого образца, МПа (кгс/мм2) 330 (33,6) 348 (35,4) 308 (31,4)
Прочность шестого образца, МПа (кгс/мм2) 348 (35,4) 352 (35,8) 324 (33,0)
Прочность седьмого образца, МПа (кгс/мм2) 340 (34,6) 354 (36,0) 316 (32,2)
Номинальная прочность медного провода, сечением 3,2 мм, МПа (кгс/мм2) 392 (39,9)
Как видно из данных зависимостей, уровень прочности сильнее всего зависит от количества оксида меди в составе реагирующей термитной смеси. Однако, все сварные соединения по прочности на растяжение уступают цельному медному проводу, не подвергавшемуся процессу приварки на 4070 МПа.
При расчете прочности сварных соединений допускаемое напряжение на металл шва обычно принимается равным допускаемому напряжению на основной металл. Однако применительно к случаю приварки проводов ЭХЗ к стальной основе следует учитывать полученные в настоящей работе
результаты, согласно которым термитные сварные соединения по прочности на растяжение уступают цельному медному проводу.
Кроме того, существующие методы расчета на прочность могут не учитывать фактор механической неоднородности сварного шва. Между тем известно, что в большинстве случаев разрушение сварных соединений происходит в области твердых, охрупченных участков зоны термического влияния [7].
Рисунок 7 — Образец после испытания на растяжение
Рисунок 8 — Проводники после испытания на растяжение
На рисунках 7 и 8 показан наш образец после испытания на растяжение. По характеру разрушения образца видно, что разрушение хрупкое, область удлинения (текучести) практически не наблюдается, происходит отрыв самого проводника в зоне термического воздействия, разрушения самой
сварной точки не происходит. Видимых трещин или обломов сварной точки не обнаружено ни на одном из полученных образцов.
Таким образом, в данной работе были определены механические характеристики медной термитной приварки медных проводов электрохимической защиты к стальной пластине, а также зависимости данных характеристик от состава медной термитной смеси. Список литературы
1. Малкин Б.В., Воробьев А.А. Термитная сварка. М.: Издательство коммунального хозяйства РСФСР, 1963. 105 с.
2. Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть 1. [Текст] / СТО Газпром 2-2.2-136-2007.
3. Инструкция по термитной сварке выводов ЭХЗ с применением термоматериалов для использования на уникальных объектах [Текст] / ООО НПО «Нефтегазкомплек-сЭКЗ», Саратов.- 2009.
4. Самборук А.Р., Кузнец Е.А., Гурский И.О. Термитная сварка выводов электрохимической защиты // Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 6 (14). С. 118-122.
5. Самборук А.Р., Кузнец Е.А., Гурский И.О. Исследование влияния рецептурных факторов медной термитной смеси на процесс приварки выводов электрохимической защиты // Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 6 (14). С. 123-128.
6. Каракич Е.А., Самборук А.Р., Майдан Д.А. Термитная сварка // Современные материалы, техника и технологии. 2021. № 1 (34). С. 63-67.
7. Замалиева И.Р., Каратаев О.Р. Прочность сварных соединений // Евразийский союз ученых. 2015. №10-2(19). С.70-71.
Karakich Egor Andreevich, Post-Graduate
Samboruk Anatoly Romanovich, Professor, Doctor of Technical Sciences
Amosov Aleksandr Petrovich, Professor, Doctor of Physical and Mathematical Sciences
Samara State Technical University, Samara, Russia
MECHANICAL CHARACTERISTICS OF COPPER THERMITE WELD OF ELECTROCHEMICAL PROTECTION WIRES
Abstract: This paper presents data on the mechanical characteristics of copper thermite weld of electrochemical protection wires to a steel plate. Such characteristics as the tensile strength andBrinell hardness of welds obtained by burning the initial mixtures of powders of various compositions for the purpose of their subsequent optimization are presented. Keywords: Thermite copper welding, wires, weld, strength, hardness.
