CC BY
8
Матвкнмв о. м. УДОСКОНАДЕННН ТЕХНОЛОГИ
ВНГОТОВЛЕННЯ ТА РЕМОНТУ ЗБ1РНО-Р03Б1РНИХ ТРУБОПРОВОД1В
Дослгджено мщнкть зварних та паянихз'еднань, оцинкованих труб, збгрно-розбгрних польових магктральних трубопровода. Встановлено, що з'еднання виконанг методом дугового паяння, при-садковим дротом СиА18, володгють достатньою мщнктю. За рахунок малого теплового впливу, при дуговому паяннг, не вгдбуваетьсяруйнування захисного цинкового покриття в мкц1 з'еднання.
Илпчов1 слова: дугове паяння, цинковг покриття, паяний шов, мехашчш випробування, мщтсть з'еднання, зусилля розтягу.
МАШИНОВЕДЕНИЕ И МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.791.317.5 Б01: 10.15587/2312-8372.2016.72931
1. Вступ
Збiрно-розбiрнi, польовi мапстральш трубопрово-ди (ПМТ), мають давню шторш, та широко застосо-вуються у вшськовш та цившьнш галузях. Завдяки свош мобшьносп, швидкост монтажу, протикорозшнш стiйкостi та надiйностi з'еднань даш трубопроводи, мають вагомi переваги над стацiонарними трубопроводами, в умовах що потребують швидкого прокладання трубопроводу. А саме це вiйськовi ди, важко прохiднi болотш мiсцевостi (вiд нафтових родовищ), надзвичайт ситуацii (гасiння лiсових пожеж), та ш.
Для забезпечення корозiйноi стшкосп збiрно-роз-бiрних ПМТ, вони виготовляються iз низьколегованих сталей та покриваються цинковим металевим покриттям.
Зазвичай при виготовленш та ремонтi ПМТ, для приеднання з'еднувальних елеменпв до труб застосо-вуеться дугове MIG/MAG зварювання.
Застосування дугового зварювання для з'еднання оцинкованих матерiалiв, пiд дiею високих зварювальних температур призводить до руйнування та вигорання захисного покриття. При цьому зварний стик залиша-еться без захисту, та потребуе вщновлення захисного покриття для забезпечення корозшного захисту.
Дослвдження новоi технологii дугового паяння присадками на основi мiдi, може замшити дугове зварювання, при виготовленш та ремонт ПМТ, забезпечивши задовiльну мiцнiсть з'еднання, та цтсшсть захисного покриття в мiсцi зiеднання.
Цим обгрунтовуеться актуальнiсть проведеного до-слiдження.
2. Об'скт дослщження та його технолог1чний аудит
Об'ектом дослгдження е збiрно-розбiрнi, польовi мапстральш трубопроводи, якi вперше появились в 30-х роках минулого стотття, практично одночасно в СРСР i США. Дат трубопроводи були розроблет для вшськових потреб та тривалий час використовувались тшьки вiйськовиками. Лише з 1996 року польовi магiстральнi трубопроводи почали застосовуватись в цившьному будiвництвi.
Завдяки високим темпам прокладання при ввдносно невеликих матерiальних та трудовитратах, ПМТ широко
використовуються для перекачування нафти, нафтопро-дукпв, води, рвдких вiдходiв та iнших рiдин у великих об'емах на малi та середш вiдстанi. Зокрема при умов-ному дiаметрi трубопроводу 150 мм i робочому тиску 6,0 МПа, можна перекачувати до одного мшьйона тон нафти (нафтопродуктiв) за один рж.
Розтрубнi з'еднання польових мапстральних трубо-проводiв (рис. 1) дозволяють провидити швидкий монтаж та демонтаж труб, без використання зварювання.
1 2 4 5 б 3 1
Рис. 1. Розтрубне з'Еднання трубопроводу ПМТП-150: 1 — труба;
2 — розтруб; 3 — манжета; 4 — пористе гумове кшьце; 5 — металеве фшсуюче кiльце; 6 — гумове ущшьнююче кiльцE
Труби для польових мапстральних трубопроводiв виготовляють iз низьколегованоi сталi марки 16ГС, дiаметром 100, 150, та 200 мм з товщиною стшки до 4 мм. Для запобтння впливу корозii труби покривають тонким шаром цинку, методом гарячого цинкування.
В Украiнi единим пiдприемством з виготовлення та ремонту польових мапстральних трубопроводiв е 1вано-Франювський 63 Котельно-зварювальний завод ДП МО Украши.
При виготовленш та ремонт польових мапстральних трубопроводiв, потрiбно приеднати манжет i розтруб до тiла труби. Традицшно для цього використовують дугове MIG/MAG зварювання. Але як вiдомо з'еднання оцинкованих матерiалiв, дуговим зварюванням, створюе значш труднощi зумовленi iнтенсивним випаровуванням цинку. Випари цинку, е не тшьки шюдливими для здо-ров'я людини, але й призводить до утворення дефекпв у шв1 А саме пор, гарячих трщин, а також руйнування цинкового покриття в навколошовнш зош, що потребуе додаткових заходiв протикорозiйного захисту зварного шва та пошкодженоi дiлянки бiля шва.
Застосування нових технологш дугового паяння, за рахунок малого теплового впливу дозволить забезпечити
з'еднання оцинкованих матерiалiв без руйнування або з незначними руйнуваннями захисного цинкового по-криття.
3. Мета та задач1 дослщження
Метою даног роботи було визначення мехашчних властивостей з'еднань труб виконаних методом дугового паяння, та обгрунтувати застосування дано'! технологи для виготовлення та ремонту труб збiрно-розбiрних польових мапстральних трубопроводiв, як альтернативи дуговому зварюванню.
Для досягнення поставлено! мети виршувались на-ступш задачi:
— механiчнi випробування, на розтяг та згин, з'ед-
нань труб виконаних дуговим паянням та зварю-
ванням;
— дослiдження механiчних властивостей, вшшрю-
ванням твердостi в перерiзi з'еднань.
4. Анал1з л1тературних даних
Останшми роками вiдомими автомобiльними концернами, для з'еднання оцинкованих деталей, широкого застосовуеться технолопя дугового паяння [1].
Основною вщмшшстю дугового паяння вщ зварювання е значно менший тепловий вплив на поверхню з'еднуваних деталей. А саме використання процесу дугового паяння, присадковими дротами зi сплаву на основi мiдi (CuSi3 та СиА18) в середовищi шертного газу (аргону), змен-шуе випаровування цинку завдяки низькiй температурi плавления присадкового дроту (вщ 900 °С до 1100 °С), та зменшуе пошкодження покриття. Як показують власш дослiдження, та дослiдження в шших роботах [2] у дано-му процеа не вiдбуваеться плавлення основного металу, а забезпечення мщносп зварних з'еднань вщбуваеться за рахунок дифузи. А саме за рахунок ширини дифузiйного шару мiж швом та основним металом [3].
Процес дугового паяння поеднуе в собi переваги процесу MIG/MAG зварювання (висока швидюсть зварювання, можливкть мехашзацп та автоматизаци), а також процесу паяння (без штенсивного плавлення зварюваних деталей та без значно'! змши механiчних властивостей основного металу i захисного покриття) [4].
Дослiдження корозшно! стiйкостi з'еднань, виконаних методом дугового паяння, проведет авторами в робот [5] показали що дугове паяння мае незначний вплив на захисне покриття.
Ефектившсть методу дугового паяння, для з'еднання оцинкованих матерiалiв, дослщжена також в роботах [6], але дослщження у вах цих роботах проводились для з'еднань внапустку, тонколистових конструкцш iз максимальною товщиною до 2 мм.
Як вщомо зi збiльшенням товщини з'еднуваних оцинкованих матерiалiв збшьшуеться площа поперечного перерiзу шва, а вщповщно збiльшуеться погонна енергiя процесу, що призводить до швидкого на^ву з'еднуваних кромок [7]. Нагрiв до температури вищо'! за температуру випаровування цинку (~906 °С) може призвести до пошкодження захисного покриття в мшщ з'еднання. Зменшити погонну енерпю, а вiдповiдно тепловий вплив на з'еднуваш поверхнi, можна за рахунок використання стикових з'еднань зi скосом кромок, та заповнення роздшки в два шари.
Як бачимо бшьшкть po6iT в даному напрямку проводились для дослщження дугового паяння тонких лиспв в напустку, а наведет в цих роботах результати, не дають можливосп стверджувати про можливкть застосування дано! технологи для виготовлення та ремонту ПМТ.
Тому застосування технологи дугового паяння для стикових з'еднань даних труб, потребуе детального дослщження мехашчних властивостей паяних з'еднань.
5. Матер1али та методи дослщження
Для проведення дослщжень iз пакету труб польових мапстральних трубопроводiв ПМТП-150 було вирiзано котушки довжиною 200 мм. Даш труби мають дiаметр 150 мм, товщину стiнки 3,2 мм, виготовлеш зi сталi марки 16ГС, покрито! тонким шаром цинку методом гарячого цинкування.
Як вщомо використання, при дуговому паянш, спе-цiальних присадкових матерiалiв CuSi3 та CuAl8, якi мають значно меншу температуру плавлення, порiвняно з основним металом, пошкодження захисного покриття майже не вщбуваеться.
Дугове зварювання та паяння проводилось з вико-ристанням присадкових дропв марок Св-08Г2С, а також CuSi3 та CuAl8. В якостi захисного середовища для електродугового зварювання використовувалась сумш газу Ar (82 %) + СО2 (18 %), а для дугового паяння — чистий аргон.
На стабшьшсть процесу дугового паяння, та пере-несення рщкого металу, суттево впливають правильно пдабраш параметри режиму та джерело живлення [8].
Поява на ринку сучасного зварювального облад-нання з цифровим керуванням, зокрема вщомо! фiр-ми «FRONIUS» значно розширюе можливостi застосування технологи дугового паяння. Сучасш програмоваш джерела живлення для дугового паяння дозволяють за рахунок вибору параметрiв основного та iмпульсного струму, досягнути керованого, без кроткого замикання перенесення електродного матерiалу в шов. Завдяки режиму «Synergic» можна запрограмувати параметри режиму, та керувати за допомогою одше! кнопки, що спрощуе обслуговування джерела [9].
Дугове паяння та зварювання зразюв проводилось з використанням сучасного зварювального натвавтома-та австршсько! фiрми «FRONIUS» системи TPS-270i. Головна вщмшшсть дано'! системи вiд аналогiв в своему клас — це технолопя керованого переносу металу Steel Transfer Technology.
Для дугового паяння використовувались зразки труб зi скосом кромок, а для заповнення роздшки паяння виконувалось в два шари. Дугове зварювання проводилось на зразках з прямими кромками, та зачище-ним цинковим покриттям на 10 мм вщ краю кромки, в один шар.
1з готових трубних зразюв (рис. 2), вирiзались та ви-готовлялись зразки для мехашчних випробувань, а також темплети для вимiрювання твердосп в перерiзi з'еднань.
За вимогами ГОСТ 6996-66, було пщготовлено зразки для подальших мехашчних випробувань (рис. 3).
Мехашчш випробування проводились з використанням ушверсально! випробувально'! машини УММ-50, iз записом дiаграми розтягу. Випробування на загин виконувались для визначення кута загину до появи першо! трщини в шв1
МАШИНОВЕДЕНИЕ И МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 2226-3780
Рис. 2. IaTQBi трубш зразки
50
iL
200
Ч
Kl
Рис. 3. Форма та геометричш розм1ри плоских зразтв: а — зразок для випробування на розтяг; б — зразок для випробування на згин
Вимiрювання твердостi проводилось за методикою Роквелла по шкалi «В». В якост iндентора використо-вували сталеву кульку дiаметром 1,588 мм, так як вона залишае невелик вщбитки, з максимальним дiаметром 0,26 мм.
6. Результати мехашчних випробувань, та дослщження властивостей зварних I паяних з'еднань труб ПМТ
Мщшсть паяних з'еднань в основному залежить вщ використовуваного присадкового дроту. Пiсля проведен-ня випробування бачимо зразок, виконаний дуговим паянням дротом CuSi3 (рис. 4, а), зруйнувався по шву, що пояснюеться малими показниками мщносп даного дроту. Зразок виконаний дротом СиА18 (рис. 4, б) зруйнувався по межi сплавлення металу шва з основним металом, з частковим ввдривом основного металу. Як бачимо з рис. 4, в руйнування зразка, виконаного дуго-вим зварюванням в захисному газ^ дротом Св-08Г2С, вщбулося в мшщ термiчноi деградацп основного металу, що пояснюеться бшьшим тепловим впливом при зва-рюванш, нiж при паяннi.
Враховуючи те, що шви зварних та паяних з'еднань, на дослщжуваних зразках не оброблялись, та мали вщхи-лення геометричних розмiрiв, то традицiйне визначення показниюв мiцностi буде неточним. Тому порiвняння мiцностi з'еднань доцiльно проводити за дiаграмами '¿х розтягу. При проведет випробувань було записано машинт дiаграми розтягу зразкiв, якi в подальшому були обробленi в графiчному редакторi, та представ-ленi на рис. 5.
Як бачимо з дiаграм розтягу найменше зусилля розтягу, до руйнування, е в зразка, виконаного дротом CuSi3, а найвищим у зразка, виконаного дротом Св-08Г2С, дещо меншим вщ нього е зусилля розтягу зразка, виконаного дротом СиА18. Все це е законо-мiрним, та пояснюеться показниками мщносп даних присадкових матерiалiв.
а
б
Р, кН 30
25
20
15
10
— "Л у
/ ■ \
/ J / /
/ / / <
У /
/
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 I, мм ---------- Св-08Г2С ----CuAI8 CuSi3
Рис. 5. Зусилля розтягу 3pa3KiB паяних та зварних з'Еднань
За результатами вимiрювання твердост в перерь зi з'еднань, для визначення мехашчних властивостей зварних та паяних з'еднань, було побудовано графжи розподшу твердостi (рис. 6).
CuSi3 -*-CuA18 -л—СВ-08Г2С
Рис. 6. Граф1ки розпод1лу твердост1 в nepepi3i з'Еднань
Графiки розподiлу твердостi в nepepi3i зварних та паяних з'еднань, тдтверджують 3aKOHOMipHicTb меха-нiчних властивостей швiв, виконаних дуговим паянням та зварюванням рiзними присадковими матерiалами.
Емпiричнi залежност мiж твердiстю металу та його мехашчними характеристиками, а саме межею мiцностi та межею текучостi, експериментально дослщжувались та вiдображенi в робот [10]. На основi цих дослщжень було розроблено методи визначення мехашчних властивостей матерiалiв за 1х твердiстю.
Залежнiсть мiж межею мщносп металу та його твердою запропонована Брiнеллем та мае вигляд:
oB = k ■ HB,
— для величин твердост НВ > 1500 МПа:
от = 0,367 ■ НВ - 240; (2)
— для величин твердост НВ < 1500 МПа:
от = 0,2 ■ НВ. (3)
За результатами вимiрювання твердост в перерiзi з'еднань було проведено розрахунки межi мiцностi та межi текучостi металу шва та основного металу, зварних i паяних з'еднань. Результати механiчних випробувань та розрахунюв показникiв мiцностi наведенi в табл. 1.
Таблиця 1
Результати мехашчних характеристик зварних та паяних з'еднань
№ зраз-ка Матерiал Зусилля розриву кН Видовження гасля розриву мм Кут загину, град Розрахунковi значення
ОВ, МПа От, МПа
1 CuSi3 23,1 2 10 385 170
2 CuAl8 26,2 6 90 486 277
3 Св-08Г2С 27,7 6 140 652 454
4 □сновний метал 28 6,5 150 622 421
(1)
де НВ — твердость матерiалу за шкалою Брiнелля, МПа; k — коефiцiент пропорцiйностi, який рiвний 0,346.
За числом твердост також можна визначити орiен-товну межу текучосп:
При визначеннi мехашчних характеристик труб ПМТП-150, виконаних методом дугового паяння дротами CuSi3 та СиА18, встановлено залежнiсть зусилля розриву з'еднань, вщ марки присадкового дроту. Фор-мування мiцного паяного шва здшснюеться за рахунок необхщного рiвня дифузiйних процесiв на мiжфазнiй границi взаемодп рiдкого припою та основного металу, адгезп припою на поверхш основного металу [11]. А саме ширини дифузiйного шару, яка в значнш мiрi залежить вщ термiчного циклу Тому мщшсть паяних з'еднань буде в основному залежати вщ характеристик мiцностi присадкового матерiалу.
МАШИНОВЕДЕНИЕ И МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 222Б-3780
При дуговому MIG/MAG зварюваннi, дротом Св-08Г2С термiчний вплив е бiльшим шж при дуговому паяннi тому руйнування зразка вщбулось по межi зони тер-мiчного впливу та основного металу.
Аналiзуючи дiаграми розтягу зразюв бачимо що зусилля розтягу паяного з'еднання, виконаного дротом CuAl8, е тшьки на 6 % меншим вщ зусилля розтягу зварного з'еднання, що свщчить про достатньо високу мщшсть даного з'еднання. Це пiдтверджуеться також графжами розподiлу твердостi в перерiзi з'еднань. Харак-теризуючи мiцнiсть, за показниками твердост (рис. 6), бачимо що мщшсть паяного шва, дротом CuAl8, складае 80 % мщносп основного металу.
7. SW0T-аналiз результапв дослщжень
Проведенi дослiдження пiдтверджують можлившть застосування методу дугового паяння, дротом CuAl8, для приеднання манжетiв та розтрубiв до труб, при виготовлеш та ремонтi польових магiстральних трубопро-водiв. Даний метод може бути альтернативою дуговому MIG/MAG зварюванню, забезпечуючи достатню мiцнiсть з'еднань, та збереження захисного цинкового покриття в мшщ з'еднання, за рахунок значно меншого теплового впливу.
Використання зварювальних напiвавтоматiв з синер-гетичним керуванням, для дугового паяння, не потребуе великих затрат на переобладнання виробництва.
Польовi магiстральнi трубопроводи експлуатуються пiд впливом таких факторiв як внутршнш тиск, температура, статичш та динамiчнi навантаження, а також атмосферний вплив. Тому при розробщ технологи ви-готовлення та ремонту труб потрiбно також провести ряд випробувань, з врахуванням вище перерахованих факторiв, у виглядi зовнiшнiх навантажень.
Для визначення доцшьносп застосування дугового паяння, необхщно провести комплекснi дослiдження властивостей з'еднань та '¿х поведiнки при рiзних на-вантаженнях, якi е найбшьш близькими до умов екс-плуатаци, що може стати перспективним напрямком подальших дослiджень.
8. Висновки
У результат проведених дослщжень було встановлено:
1. Мiцнiсть паяного з'еднання, дротом CuAl8, е на 6 % меншим за мщшсть зварного з'еднання, що е цшком прийнятним.
2. Застосування технологи дугового паяння, дротом CuAl8, для виготовлення та ремонту збiрно-розбiрних трубопроводiв, дозволяе зберегти захисне цинкове покриття в мшщ з'еднання, забезпечивши мщшсть з'еднання, а також скоротити час, зменшити трудовi та ма-терiальнi затрати, так як непотрiбно проводити операцп зачищення та вiдновлення цинкового покриття перед, та тсля зварювання.
Лггература
1. Rozalski, M. MIG/MAG braze-welding of galvanised steel sheets and examples of difficult to weld systems [Text] / M. Rozalski, W. Gawrysiuk // Welding International. — 2008. — Vol. 22, № 4. — P. 239-244. doi:10.1080/09507110802117693
2. Miao, Y. Effect of Heat Input on Microstructure and Mechanical Properties of Joints Made by Bypass-Current MIG Welding-Brazing of Magnesium Alloy to Galvanized Steel [Text] / Y. Miao,
B. Wu, X. Xu, D. Han // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). — 2014. — Vol. 27, № 6. — P. 1038-1045. doi:10.1007/ s40195-014-0118-3
3. Makwana, P. Gas metal arc brazing of galvannealed steel sheets [Text] / P. Makwana, M. Shome, S.-F. Goecke, A. De // Science and Technology of Welding and Joining. — 2016. — P. 1-7. doi:10.1080/13621718.2016.1145420
4. Varol, F. Investigation of Mechanical Properties of MIG-Brazed TRIP 800 Steel Joints Using Different Working Angles [Text] / F. Varol, M. Ekici, E. Ferik, U. Ozsarac, S. Aslanlar // Acta Physica Polonica A. — 2015. — Vol. 127, № 4. — P. 965-967. doi:10.12693/aphyspola.127.965
5. Magda, A. V. Corrosion Resistance Testing of the Galvanized Sheet Metal Braze Welding Joints [Text] / A. V. Magda, C. Co-drean // Key Engineering Materials. — 2014. — Vol. 627. — P. 189-192. doi:10.4028/www.scientific.net/kem.627.189
6. Magda, A. Possibilities of joining galvanized sheet steel using the CMT method (cold metal transfer) [Text] / A. Magda, M. Popescu, C. Codrean, E. G. Mocuta // Welding International. — 2013. — Vol. 27, № 9. — P. 665-667. doi:10.1080/ 09507116.2011.606137
7. Цумарев, Ю. А. Влияние подготовки кромок на повреждаемость защитного покрытия при дуговой пайке оцинкованой стали [Текст] / Ю. А. Цумарев, В. К. Шелег // Вестник Полоцкого государственного университета. — 2010. — № 2. —
C. 124-129.
8. Rykala, J. Influence of the technological conditions of welding using the MIG/MAG method on metal transfer in the welding arc [Text] / J. Rykala, T. Pfeifer // Welding International. — 2013. — Vol. 28, № 12. — P. 931-940. doi:10.1080/ 09507116.2012.753233
9. MIG/MAG источники питания [Электронный ресурс] // FRONIUS УКРАИНА. — Режим доступа: \www/URL: http:// www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-DD82EC17-570044F3/ fronius_ukraine/hs.xsl/2510_2787.htm#.VqVBilkTBC1
10. Стоев, П. И. Определение механических свойств металлов и сплавов по твердости [Текст] / П. И. Стоев, В. И. Мо-щенюк // Вестник Харьковского научного университета им. Каразина. — 2003. — № 2. — С. 106-112.
11. Зворыкина, А. К. Особенности дуговой пайки тонколистовой оцинкованной стали [Электронный ресурс] / А. К. Зворыкина, Н. М. Стреленко // Технологические системы. — 2014. — № 4. — С. 42-45. — Режим доступа: \www/URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Ts_2014_4_6
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА СбОРНО-РАЗбОРНЫХ ТРУбОПРОВОДОВ
Исследовано прочность сварных и паяных соединений, оцинкованных труб, сборно-разборных полевых магистральных трубопроводов. Установлено, что соединения, сделанные способом дуговой пайки, присадочной проволокой CuAl8, владеют достаточной прочностью. За счет малого теплового влияния, при дуговой пайке, не происходит разрушение защитного цинкового покрытия в месте соединения.
Ключевые слова: дуговая пайка, цинковые покрытия, паяный шов, механические испытания, прочность соединения, усилие растяжения.
MameieHKie Олег Михайлович, асистент, кафедра зварювання конструкцш та вiдновлення деталей машин, 1вано-Франтвський нащональний техтчний утверситет нафти i газу, Украта, e-mail: olegmatvienkiv@gmail.com.
Матвиенкив Олег Михайлович, ассистент, кафедра сварки конструкций и восстановления деталей машин, Ивано-Фран-ковский национальный технический университет нефти и газа, Украина.
Matviienkiv Oleh, Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ukraine, e-mail: olegmatvienkiv@gmail.com
