Разработка технологии сварки газопровода низкого давления из труб диаметром 219 мм

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным источником серы в стали является исходное сырье -- чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, особенно при низких температурах, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS -- сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe--FeS (T_пл = 988 °С). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1 620 °С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2 %) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

Основной источник фосфора -- руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси -- кислород, азот, водород -- находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют углеродистую сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромо-никелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин -- флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие случайные примеси, как Сr, Ni, Сu, наличие которых обусловлено загрязненностью шихты.

Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.

По структуре различают: 1) до эвтектоидную сталь, содержащую до 0,8 % С, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8 % С, структура которой состоит только из перлита; 3) за эвтектоидную, содержащую 0,8-2,14 % С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

Кипящая сталь наиболее дешевая, так как при ее выплавке расходуется минимальное количество специальных добавок и обеспечивается максимальный выход годного продукта. Пониженное содержание кремния и марганца обусловливает меньшую прочность и большую пластичность, чем у спокойной стали. Недостатками кипящей стали являются развитая ликвация, в головной части слитка неоднородность содержания углерода достигает 400 %, серы -- 900 % от их среднего содержания. В спокойной стали неоднородность содержания углерода лишь на 60 %, а по сере на 110 % превышает их среднее содержание в стали. Прокат из кипящей стали более неоднороден по химическому составу, чем прокат из спокойной стали. Листы и профили, изготовленные из разных частей слитка, различаются по содержанию углерода, серы и фосфора. Поэтому прокат из кипящей стали характеризуется неоднородностью структуры и механических свойств даже для металла одной плавки. В среднем кипящая сталь содержит около 0,02 % кислорода, что в несколько раз больше, чем у спокойной стали. Хладостойкость кипящей стали понижена, в среднем Т₅₀ у нее на 10-20 °С выше по сравнению с Т₅₀ для спокойной стали. Пониженное сопротивление хрупкому разрушению особенно характерно для проката значительной толщины (14-20 мм и более) из кипящей стали.

Спокойная сталь гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящая сталь. Благодаря присутствию в спокойной стали остаточного (кислоторастворимого) алюминия у нее ниже склонность к росту зерна, чем у кипящей стали. Поэтому прочность и хладостойкость более однородного и мелкозернистого проката из спокойной стали выше, чем проката из кипящей стали.

Но при затвердевании спокойной стали в изложницах образуется большая усадочная раковина, для удаления которой прибегают к обрезанию слитка (12-16 % по массе). Вследствие этих потерь, а также дополнительных расходов, в том числе на ферросплавы и алюминий для раскисления, спокойная сталь дороже кипящей.

Существует сталь с промежуточной степенью раскисления -- полуспокойная. В отличие от кипящей она обрабатывается перед разливкой небольшим количеством раскислителей.

По однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, по сопротивлению хрупкому разрушению и прочностным показателям прокат из полуспокойной стали уступает прокату из спокойной стали и занимает между ним и прокатом из кипящей стали промежуточное положение.

Основным преимуществом кипящей стали является высокий (более 95 %) выход годного. У полуспокойной стали, раскисляемой марганцем и в ковше кремнием, выход годного составляет около 90 %.

Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного слитков спокойной стали около 85%, но металл значительно более плотен и имеет более однородный химический состав.

По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали. Стали обыкновенного качества содержат не более 0,05 % S и не более 0,04 % Р. Качественные стали содержат не более 0,04 % S (в случае инструментальных сталей до 0,03 %) и не более 0,035% Р, они менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. В особо ответственных случаях эти стали содержат менее 0,02 % S и 0,03 % Р. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах. Качественные стали предпочтительнее для изготовления изделий, эксплуатируемых при низких температурах, в частности, в условиях Севера и Сибири.

Стали обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380-94. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1, Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры -- условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» -- кипящая, «пс» -- полуспокойная, «сп» -- спокойная.

Углеродистые стали обыкновенного качества содержат С ? 0,49 % и выпускаются трех разновидностей в зависимости от технологии раскисления: кипящие с С ? 0,27 % (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп и Ст4кп); полуспокойные (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс и Ст6пс); спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп и Ст6сп). К этим сталям относятся также стали Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс с Mn = 0,8-1,10 % (в стали Ст5Гпс допускается Mn = 0,8-1,20 %). Эти стали имеют повышенную прочность по сравнению с прочностью сталей Ст3пс, Ст3сп и Ст5пс. В стали Ст0 ограничивают только содержание углерода (не более 0,23 %), серы, фосфора, не предъявляют специальных требований к технологии ее выплавки, нормируют только временное сопротивление (?_в ? 300 МПа).

В сталях обыкновенного качества нормируют содержание примесей на более высоком уровне, чем у сталей других групп: S ? 0,05 %, P ? 0,04 %, As ? 0,08 %. В сталях, выплавленных на керченской руде, допускается As ? 0,15 %, N ? 0,010 %; в сталях, выплавленных в дуговых печах, N ? 0,012 %.

Таблица 2.1

Химический состав стали обыкновенного качества Ст3сп5

Массовая доля элементов, % по ГОСТ 380-82
C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	As	N
0.14 0.23	0.15- 0.3	0,4- 0,65	0,05	0,04	0,3	0,3	0,3	0.08	0.01

Таблица 2.2

Механические свойства стали Ст3сп5 при комнатной температуре

В состоянии поставки	Сечение, мм	?0,2, Н/мм?	?В, Н/мм?	?, %
	до 20	245	370-480	26
	свыше 20-40	235	370-480	25

Таблица 2.3.

Измерение ударной вязкости стали Ст3сп5

Состояние поставки	Ударная вязкость КСU, Дж/см2 при t, оС
	+20	0	-20	-40	-50
Лист толщиной 10-32 мм	41-208	40-71	31-68	9-63	11-28
Фасонный прокаттолщиной 12 мм	86-206	71-89	50-79	43-53	14-28

2.3 Конструкционная низколегированная сталь 09Г2С

Сталь 09Г2С широко используется для различных деталей и элементов сварных металлоконструкций и емкостей, работающих при температуре от -70 до + 425^оС под высоким давлением, для ответственных сварных конструкций в химическом и нефтяном машиностроении. Обладает хорошей свариваемостью.

Таблица 2.4.

Химический состав стали 09Г2С (ГОСТ 19282-73)

С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	P	S	As	N
не более			не более
0,12	0,5-0.8	1,3-1,7	0,30	0,30	0,30	0,035	0,040	0,0	0,008

Как видно из таблицы 2.4. основными легирующими элементами стали 09Г2С помимо углерода являются кремний и марганец.

Легирующие элементы, изменяя параметр решетки железа, упрочняют феррит (кроме хрома), значительно влияют на характеристики пластичности (кроме элементов, образующих растворы внедрения) и обычно понижают вязкость (за исключением никеля и хрома). Степень влияния отдельных элементов зависит от типа образуемого твердого раствора, различия атомных радиусов железа и растворённого элемента.

Основные легирующие элементы (углерод, марганец, кремний) оказывают на стали монотонно упрочняющее влияние, причем интенсивность влияния углерода выше, чем у марганца и кремния.

Углерод, являющийся эффективным упрочнителем, образует с железом твердые растворы внедрения. Однако его растворимость в феррите сравнительно невелика, что приводит к снижению упрочняющего эффекта. Вместе с тем, высокая прочность мартенсита закалки сопровождается снижением вязкости и необходимостью проведения отпуска. При отпуске образуются карбиды, мартенсит обедняется углеродом и снижается действие твердорастворного механизма упрочнения. При этом хотя и реализуется механизм упрочнения дисперсными частицами второй фазы, образуются довольно крупные частицы цементитного типа в ферритной матрице. Эти частицы более тверды и хрупки, чем ферритная матрица, и при нагружении на поверхности раздела создается объемное напряженное состояние, приводящее к образованию микротрещин.

Повышение прочностных характеристик стали при легировании марганцем связано с упрочнением феррита (вследствие искажения кристаллической решетки) и перлита (вследствие увеличения дисперсности), но главное действие марганца на прочность следует рассматривать как значительное увеличение перлитной компоненты в структуре. Марганец в количестве до 1.3 - 1,4% практически не влияет на свариваемость стали с содержанием углерода до 0,2%.

Упрочняющее влияние кремния сопровождается снижением относительного удлинения и ударной вязкости при -40^оС. Влияние кремния резко повышается с увеличением его содержания. Рекомендуется снижение содержания кремния в сталях, предназначенных для сварных конструкций, в частности, из-за того, что при содержании более 0,5% он способствует укрупнению зерна, а также усиливает химическую неоднородность металла и увеличивает образование неметаллических включений.

Хром в малых количествах мало влияет на свойства стали, и только при количествах, достигающих 1,4% приводит к образованию в нормализованной стали значительного количества игольчатых структур, повышающих прочность.

Никель оказывает слабое влияние на стандартные механические свойства марганецсодержащих низколегированных сталей. При содержании никеля менее 0,9%, сохраняется ферритно-перлитная структура, при большем солдержании появляются продукты промежуточного превращения.

В ферритно-перлитных низкоуглеродистых сталях молибден преимущественно находится в твердом растворе и практически не оказывает влияния на их механические свойства в нормализованном состоянии. Только при комплексном легировании молибденом и бором образуется бейнитная структура, повышающая прочность при уменьшении пластичности. Аналогичный результат молибден обеспечивает и в отсутствии бора при содержании углерода выше 0,2% и марганца выше 1,5%.

Хладостойкость сталей может быть повышена при условии:

- создания равномерной мелкозернистой структуры, предотвращающей образование пиков локальных напряжений;

- уменьшения количества и размеров неметаллических включений и перлитной составляющей, а также их глобуляризации;

-уменьшения количества вредных примесей, способных образовывать сегрегации на структурных неоднородностях.

Таблица 2.5.

Механические свойства низколегированной строительной стали 09Г2С

?В	?Т	?, %	KCU, МДж/м2, при t оС
МПа		-20	-40	-70
480	330	21	0,6	0,35	0,3

Примечание: Указаны механические свойства (не менее) при толщине проката до 20 мм.

Свариваемость - сваривается без ограничений. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС.

Склонность к отпускной хрупкости 0 не склонна.

Флокеночувствительность - не чувствительна.

2.4 Выбор стали для газопровода

Стали для металлических трубопроводов обычно классифицируют либо по структурному признаку, либо по уровню основных механических свойств в готовом прокате.

В основу классификации по структурному признаку положено наличие известной взаимосвязи между химическим составом стали и ее структурой после горячей прокатки или нормализации, хорошо описываемой термокинетическими и изотермическими диаграммами распада переохлажденного аустенита. Различают стали четырех классов: феррито-перлитного, феррито-бейнитного, бейнитного и мартенситного. Каждому классу стали соответствует вполне определенный уровень основных свойств изготовленного из нее проката после горячей прокатки, нормализации или термического улучшения (табл. 2.6).

Таблица 2.6.

Основные свойства проката для трубопроводов низкого давления.

Класс стали	?Т, Н/мм2, не менее	KCU, Дж/см2, не менее при температуре, оС	Типичные стали
		-20	-40	-70
Феррито-перлитный	265 345	29 -	- 39	- 34*	Ст3сп, 09Г2С

Однако наиболее распространенной классификацией сталей для строительных конструкций в отечественных и зарубежных стандартах является классификация по уровню основных механических свойств в готовом прокате, главным образом по пределу текучести и ударной вязкости при отрицательных климатических температурах, характеризующих, как было показано выше, сопротивление металла хрупкому разрушению.

В ГОСТ 27772 стандартизовано по прочности 10 классов стали:

стали обычной прочности - С235, С245, С255, С275, С285;

стали повышенной прочности - С345, С375, С440, С590;

стали высокой прочности - С390

где С - сталь строительная; цифры - предел текучести проката, H/мм².

Наряду с пределом текучести для проката из стали каждого класса нормируют и другие механические свойства (?_В, ?₅, КСU) (табл.2.7, табл. 2.8.). Одновременно с основными механическими свойствами ГОСТ 27772 регламентирует также химический состав стали для проката каждого класса прочности (табл. 2.9.).

Таблица 2.7.

Основные механические свойства проката по ГОСТ 27772 при статическом растяжении и ударном изгибе

Стали	Толщина проката, мм	?Т, Н/мм2	?В, Н/мм2	?5, %
С245	4-20	235	370	25
С255	4-10	245	380	25
С345	4-10 10-20	345 324	490 470	21 21

Таблица 2.8.

Нормируемые (+) показатели ударной вязкости для проката из стали С345 и С375

Нормируемая характеристика	Категория хладостойкости
	1	2	3	4
Ударная вязкость KCU при -40оС -70оС	+ -	- +	+ -	- +

Таблица 2.9.

Химический состав сталей, % (мас) по ГОСТ 27772

Стали ГОСТ 27772	Стали аналоги	С, не более	Mn	Si	S, не более	P, не более	Cr	Ni	Cu	V
С245 С255 С375	ВСт3пс ВСт3пс 09Г2С	0,22 0,22 0,15	?0,65 ?0,65 1,3-1,7	?0,05 0,15-0,3 ?0,80	0,05 0,05 0,04	0,04 0,04 0,035	?0,3 ?0,3 ?0,3	?0,3 ?0,3 ?0,3	?0,3 ?0,3 ?0,3	?0,3 ?0,3 ?0,3

Необходимо отметить, что регламентация указанным стандартом химического состава становится его серьезным недостатком по следующей причине. В последние годы разработаны и внедряются на металлургических заводах различные схемы упрочнения проката в потоке станов, которые обеспечивают значительно более высокие показатели прочности и хладостойкости. Так, например, прокат из стали С255 (Ст3сп) после ДТУ полностью соответствует или даже превышает уровень требований к прокату из стали С345 (09Г2С). Однако поставка такого проката по ГОСТ 27772 требует дополнительных, иногда достаточно длительных согласований с заказчиком.

Выбор марки стали для основных элементов конструкций должен производиться с учетом требуемых класса прочности (гарантированного минимального предела текучести), ударной вязкости, толщины проката.

В качестве материала стропильной фермы перехода теплотрассы была выбрана, широко используемая в условиях холодного климата низколегированная сталь 09Г2С.

Сталь является основным конструкционным материалом для изготовления машин и конструкций, работающих при низких температурах. Для таких конструкций сталь должна обеспечивать необходимую прочность в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью, обладать малой чувствительностью к концентраторам напряжений и низкой склонностью к хрупкому разрушению. Учитывая технологию изготовления изделий, сталь должна иметь хорошую свариваемость.

2.4 Свариваемость сталей

Свариваемость -- свойство металлов образовывать сварное соединение при установленной технологии сварки, которое отвечает требованиям конструкции и эксплуатации изделий.

Различаются физическая, технологическая и эксплуатационная свариваемость.

Физическая или металлургическая свариваемость определяется процессами на границе соприкосновения свариваемых деталей. При этом на границе соприкосновения свариваемых деталей должны произойти физико-химические процессы (химическое соединение, рекристаллизация и т. п.), в результате которых и образуется прочное соединение. Протекание физико-химических процессов на границе свариваемых металлов определяется их свойствами.

Материалы одного химического состава (однородные) с одинаковыми свойствами обладают физической свариваемостью.

Сваривание неоднородных материалов может не произойти, если они не обладают физической свариваемостью.

Технологическая свариваемость -- возможность получения сварного соединения определенным способом сварки. По технологической свариваемости устанавливаются оптимальные режимы сварки и способы сварки, последовательность выполнения работ для получения требуемого сварного соединения. Основными показателями технологической свариваемости являются стойкость образуемого при сварке шва против горячих трещин и против изменений в металле под действием сварки.

Эксплуатационная свариваемость определяет области и условия допустимого применения металлов в сварных конструкциях и изделиях.

На свариваемость стали и сплавов оказывают влияние химические элементы, входящие в их состав, прежде всего углерод и легирующие элементы.

Для оценки склонности низколегированных сталей к образованию холодных трещин можно использовать расчет по эквиваленту углерода С_экв (по ГОСТ 27772-88) по соотношению, которое учитывает, также влияние примесных элементов:

(2.1.)

где С, Мn, Сr, Мо, V, Ti, Ni, Cu, B - содержание, % от массы, в составе металла трубной стали соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, ниобия, титана, меди, никеля, бора.

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).

(2.2.)

где С, S, P, Si, Ni, Mn, Cr -химические элементы.

При ?_в < 700, HCS должен быть меньше 4 и при ?_в < 700, HCS должен быть меньше 2, тогда сталь имеет высокую сопротивляемость образованию горячих трещин.

Для стали Ст3сп5

19,25

Для стали 09Г2С

2,8

Для оценки склонности низколегированных сталей к образованию холодных трещин можно использовать расчет по эквиваленту углерода Сэкв по соотношению, которая учитывает, также влияние примесных элементов.

Для стали Ст3сп5

Для стали 09Г2С

Глава 3. Технология сборки трубопровода низкого давления

3.1 Выбор сварочного материала

Условное обозначение электрода:

Расшифровка обозначения:

Э50А:

индекс Э - для ручной дуговой сварки и наплавки;

цифра 50 обозначает величину предела прочности при растяжении 50 кгс/мм²;

индекс А указывает, что металл шва имеет повышенные свойства по пластичности и ударной вязкости.

УОНИ 13/55 - марка электрода.

У - для сварки углеродистых и низколегированных сталей с пределом прочности при растяжении до 588 МПа (60 кгс/мм²).

Д - с толстым покрытием, в зависимости от отношения диаметра покрытия электрода D к диаметру электродного стержня d: 1,45 < D/d ? 1,8.

Е517 - группа индексов, указывающих характеристики металла шва или наплавляемого металла. При температуре -60 ударная вязкость не менее 34 Дж/см². Механические характеристики приведены в табл. 1.4.

Б - покрытие основное (фтористо-кальциевое). Малая окислительная способность покрытия обеспечивает хорошее раскисление и легирование наплавленного металла. В металле шва понижено содержание водорода, кислорода, примесей серы и фосфора. Шов стоек к образованию горячих трещин и сероводородному раскислению. Электроды требуют прокаливания непосредственно перед сваркой, чтобы не возникало пор. Нестабильность горения дуги позволяет вести сварку только постоянным током обратной полярности. Удлинение дуги и большие зазоры приводят к старению и охрупчиванию металла шва из-за насыщения его азотом.

Цифра 2 обозначает пространственное положение: для всех положений, кроме вертикального «сверху вниз».

Цифра 0 обозначает, что сварка ведется в постоянном токе обратной полярности.

Основное назначение:

Электрод марки УОНИ-13/55 с основным покрытием предназначены для сварки постоянным током обратной полярности во всех пространственных положениях, кроме сверху вниз, трубопроводов и других особо ответственных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Таблице 3 и 4 даны соответственно химический состав и механические свойства металла шва.

Таблица 1.8. Химический состав наплавленного металла, %

С	Si	Mn	Mo	Ni	S	P
0,09	0,4	0,85	-	-	0,024	0,026

Таблица 1.9. Механические свойства металла шва

?в	?т	?	?	KCU	KCV
МПа	%	Дж/см2 при температуре ?С
510	410	26	65	20	20	-20
				200	140	70

3.2 Сварные соединения и швы

Одним из важнейших характеристик сварного соединения, определяющими прочностные показатели сварной конструкции, являются геометрические параметры сварного шва. К ним относятся: глубина провара, ширина шва, катет углового шва, расчетная высота углового шва, выпуклость шва.

В зависимости от толщины свариваемых элементов конструкции выбирается тот или иной вид разделки кромок под сварку. Разделка кромок и размеры зазоров при сборке под сварку ферм должны соответствовать требованиям ВСН 006-89.

При изготовлении фермовых конструкций выполняют сварные соединения различных видов: тавровые, нахлесточные и угловые.

Тавровые соединения элементов широко распространены при изготовлении пространственных конструкций. Их выполняют как без разделки, так и с односторонней или двусторонней разделкой кромок. При выполнении сварки в разделку должен быть обеспечен провар и высокая прочность соединений при любых нагрузках. Тавровое соединение могут быть выполнены всеми видами сварки плавлением.

Нахлесточные соединение часто применяют при сварке листовых заготовок при необходимости простой подготовки и сборки изделий под сварку. Такие соединения менее прочны, чем стыковые. Кроме того, выполнение нахлесточных соединений связано с перерасходом основного материала, обусловленного наличием перекрытия свариваемых элементов. Нахлесточное соединения, как правило, несут рабочие нагрузки, но их прочность ниже, чем у стыковых соединений, что связано с дополнительным изгибом соединения при осевом нагружении и концентрацией напряжений вследствие зазора между свариваемыми элементами.

Угловое соединение обычно являются связующими и не предназначены для передачи рабочих нагрузок. Угловые соединения могут быть выполнены всеми видами сварки плавлением.

3.3 Выбор сварочного оборудования

При сборке стропильной газовых труб применяются различные способы сварки, обеспечивающие необходимое качество сварки. Поэтому от качества сварных соединений зависит эксплуатационная надежность сварных конструкций и кроме того, способ и технология сварки определяют трудозатраты и сроки монтажа.

В современных условиях среди многочисленных способов сварки материалов первое место по всем основным показателям - количеству выпускаемой продукции, числу занятых рабочих и действующих установок - занимает электродуговые способы сварки, в том числе ручная дуговая сварка штучными электродами, полуавтоматическая сварка и автоматическая сварка под флюсом и в среде защитных газов. Вместе с тем следует отметить, что при сборке ферм довольно трудно использовать механизированные способы сварки, так как свариваемые стыки следует выполнять в неповоротном положении и в условиях, когда невозможно надежно защитить дугу от атмосферных влияний. Поэтому механизированные способы сварки применяют в основном в мастерских монтажных заготовок при изготовлении деталей и узлов ферм.

На монтажной площадке стыки сваривают преимущественно ручной дуговой сваркой, которая позволяет вести сварку в любом пространственном положении. Газовую сварку применяют редко.

В настоящее время при сборке стропильной фермы все больше применяются комбинированные способы сварки. Технология комбинированной сварки состоит в том, что корень шва и заполнение разделки выполняют различными методами сварки (аргонодуговой сваркой, механизированными способами сварки в среде защитных газов и под флюсом, а также ручной дуговой сваркой штучными электродами). Корневые швы, как правило, выполняют ручной аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом с присадкой или без нее, полуавтоматической сваркой в углекислом газе или ручной дуговой сваркой штучными электродами малых диаметров.

Выбор способа сварки и технологии сварки, кроме того, определяются физико-химическими свойствами свариваемого металла, а также возможностями использования того или иного сварочного оборудования, приспособления и оснастки, габаритом и сечением свариваемых деталей.

Исходя из технологических и экономических соображений, с учетом обеспечения высокой производительности и качества технологического оснащения производства выбираем оптимальный вариант на монтажной площадке при сварке плетей труб нужно использовать ручную дуговую сварку штучными электродами. Так как ручная дуговая сварка является наиболее универсальным и мобильным способом сварки. При сварке на заводских условиях использовать комбинированную сварку. Для сварки корневого слоя использовать ручную дуговую сварку штучными электродами, а для последующих узлов ферм использовать автоматическую сварку под флюсом. Такой способ сварки является весьма производительным и экономически целесообразным для ферм.

При сварке газопровода используются различные виды сварки. Сварка газовых труб сварочными аппаратами постоянного тока даёт не плохой сварной шов.

В настоящее время существуют много различных сварочных аппаратов постоянного тока. Разной мощности, силы тока. Также для выбора сравним технические характеристики сварочных аппарат постоянного тока:

-наиболее в используемый данное время сварочный аппарат постоянного тока «Дуга» 318М1 - 220В,1ф/380В,2ф.(Рис.3.1.)

Рис.3.1. Общий вид сварочного аппарата 318М1 Дуга



Рис. 3.2. Общий вид сварочного аппарата Форсаж250

-новый инверторный сварочный аппарат Форсаж250

Назначения сварочных аппаратов:

«Дуга» 318М1

- Сварочный аппарат постоянного тока «Дуга» 318М1 220/380 предназначен для ручной дуговой сварки прямого и сложного профиля различных металлов и сплавов на постоянном токе любой полярности всеми видами электродов, а также в среде защитных газов. Его можно использовать в производственных цехах и полевых условиях, в передвижных мастерских, коммунальном хозяйстве и т.п. Во время работы практически не создают помех в электрической сети и не оказывают значительного влияния на работу телевизоров и компьютеров (это важно, потому что газораспределительные станции строятся близ населённого пункта).

Цена аппарата 13500-14500 руб

Форсаж250- Аппарат сварочный ФОРСАЖ-250 предназначен для ручной электродуговой сварки стальных материалов, деталей и агрегатов, имеющих в местах сварного шва толщину от 1,5 мм до 16,0 мм. Сварка производится штучными плавкими электродами любой марки диаметром 2,0 - 5,0мм при дуге, образованной постоянным током, регулируемым в пределах 15 - 250А специальным регулятором, расположенным на передней панели аппарата. При наличии специальных аксессуаров и материалов для аргонодуговой сварки аппарат может использоваться для сварки узлов, деталей и материалов из титана, нержавеющей стали и медных сплавов. Имеет более высокие сварочные свойства, так как за счет крутопадающей выходной характеристики поддерживается высокая стабильность сварочного тока дуги, плавная регулировка сварочного тока позволяет сварщику более точно подобрать режимы для разных типов электродов. Все аппараты обладают защитой от перегрева и перегрузки.

В аппаратах имеется схема стабилизации сварочного тока при изменении напряжения питания сети. Инверторы ФОРСАЖ работают на частотах до 100 кГц и пульсация выходного тока и напряжения не превышает 5%, что повышает эластичность и устойчивость сварочной дуги.

Цена аппарата 21960-23760 руб. с учётом НДС.

Технические характеристики аппаратов

«Дуга» 318М1 - 220В,1ф/380В,2ф,

Максимальный сварочный ток, 300А

Пределы регулирования сварочного тока, 50-300А

Макс, потребляемая из сети полная мощность: 8,3кВА

Коэфф. Мощн.(Соs?) при токах от 80 до 200А, не хуже 0,95

Продолжительность включения, ПН%, не хуже 60

КПД, не хуже 80%

Вес: 41 кг.

8. Габаритные размеры: 400х300х360мм

«Форсаж250»

Электропитание - трехфазная сеть переменного тока со следующими параметрами:

1. Напряжение, В ~380

2. Допустимое отклонение напряжений, % +10 -15

3. Частота, Гц 50

4. Ток, потребляемый от сети (по каждой фазе), А 15, не более

5. Выходной ток короткого замыкания, А 280

Внешние вольт - амперные характеристики:

1. Напряжение холостого хода, В 95, не более

2. Диапазон регулирования сварочного тока, А 15-250

3. при цикле 10мин количество циклов не ограничено

4. Габаритные размеры аппарата, мм 410*180*290,не более

5. масса аппарата, кг 12,6, не более

Из этих данных уже видно, что инверторный аппарат Форсаж250 имеет ряд качеств, превосходящих качества сварочного аппарата. Малый вес, всего 17кг И главное для сварки наиболее ответственных конструкций, как сварка труб газопровода это: 1) плавная регулировка сварочного тока; 2) Наличие в аппарате схемы стабилизации сварочного тока при изменении напряжения питания сети. 3) Высокая стабильность сварочного тока дуги, что позволяет эластичности и устойчивости сварочной дуги. А устойчивая дуга это - хороший шов.

Отсюда выбор аппарата свёл к Форсаж250.

3.4 Расчет параметров режима сварки

Режимом сварки называют совокупность основных характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получение сварных швов заданных размеров, формы и качества. При ручной дуговой сварке это диаметр электрода, сила сварочного тока, напряжение дуги, площадь поперечного сечения шва, выполняемого за один проход, число проходов, род тока, полярность и др.

Определение режима сварки обычно начинают с выбора диаметра электрода, который назначают в зависимости от толщины свариваемого материала. Практические рекомендации по выбору диаметра электрода приведены в таблице 3.1.

Толщина деталей, мм	4-6	6-10	11-16	17-22	23-32	33-40
Диаметр электрода, мм	4	4	5	5	5	5
Катет шва, мм	4	5	6	7	8	9

При сварке многопроходных швов стыковых соединений первый проход должен выполняться электродами с меньшим диаметром, так как применение электродов большего диаметра затрудняет провар корня шва.

В нашем случае, когда толщина катета 5, шов свариваем электродом диаметром 4.

При определении числа проходов следует учитывать, что максимальное поперечное сечение металла, наплавленного за один проход, не должно превышать 30-35 мм²:

При катете шва 4 F_h=K_yK²/2=1.35*4²/2=12

При катете шва 5 F_h=K_yK²/2=1.35*5²/2=16.875

При катете шва 6 F_h=K_yK²/2=1.35*6²/2=24,3

При сварке угловых и тавровых соединений, как правило, за один проход выполняют швы катетом не более 8-9мм. При необходимости выполнения шва с большим катетом применяется сварка за два прохода и более.

Сила сварочного тока при ручной дуговой сварке может быть определена в зависимости от диаметра электрода из следующей эмпирической формулой:

Значения k принимаются в зависимости от d_э:

При катете шва 4 k=35 ;

При катете шва 5 k =35 ;

При катете шва 6 k =40 ;

Для зажигания дуги необходимо напряжение не менее 50В. В процессе сварки оно снижается за счет ионизации дугового промежутка и обычно связано с силой сварочного тока соотношением

Применим эту формулу для наших электродов

При катете шва 4

При катете шва 5

При катете шва 6

Скорость перемещения электрода определяют по формуле (1.6.2):

[м/ч] (1.6.2)

где ?_н - коэффициент наплавки, то есть количество наплавленного металла за один час, в расчете на один ампер тока, г/(А·ч); А_н - площадь поперечного сечения наплавленного металла шва, см²; ? - плотность металла электрода, г/см³.

Коэффициент наплавки зависит от марки электрода, состава, а также толщины покрытия, поэтому ?_н указывают в паспорте электрода. Для электродов УОНИ 13/55 равна 9,5 г/(А·ч).

м/ч

м/ч

м/ч

Выбор рода тока зависит от оборудования, марки электрода, характера работы. Так, переменный ток имеет экономические преимущества перед постоянным, но для достижения глубокой проплавки применяем постоянный ток прямой полярности.

Все полученные результаты сводим в одну таблицу

Параметры	Наименование слоя шва
	Однопроходной
	Катет шва 4	Катет шва 5	Катет шва 6
Диаметр электрода, мм	4	4	5
Сила тока, А	170-200	170-200	200-275
Род тока, полярность	Постоянная, прямая	Постоянная, прямая	Постоянная, прямая
Напряжение на дуге, В	26,8-28	26,8-28	28-31
Скорость сварки, м/ч	17,144	12,19	9,96

Глава 4. Охрана труда и пожарная безопасность на предприятии

Основные положения законодательства об охране труда рабочих сварщиков

1. Закон запрещает использовать профессиональный труд детей и подростков, не достигших шестнадцатилетнего возраста.

2. К сварочным работам допускаются лица обоего пола не моложе 18 лет, прошедшее специальное обучение, имеющее удостоверение на право производства работ и получившие II квалификационную группу по технике безопасности при эксплуатации электроустановок.

3. Женщинам запрещается выполнять сварочные работы в закрытых емкостях (цистернах, котлах и т.п.), на высотных сооружениях связи (башнях, мачтах) свыше 10м.

4. При выполнении сварочных работ в условиях повышенной опасности поражения электрическим током (сварка в емкостях и отсеках) сварщики кроме спецодежды должны обеспечиваться диэлектрическими перчатками, галошами и ковриками (ГОСТ 12.3.003 - 75).

5. При поступлении на работу сварщики должны пройти предварительный медицинский осмотр, а затем в процессе работы в установленном порядке проходить периодические медицинские осмотры (ГОСТ 12.3.003 - 75).

Соблюдение требований охраны труда на предприятии

На каждом предприятии имеется отдел (служба) охраны труда, работники которого повседневно проводят, под руководством директора организации, работу по осуществлению необходимых мероприятий по безопасности труда и производственной санитарии.

На предприятиях проводятся также периодические медицинские осмотры работающих с целью наблюдения за состоянием здоровья и своевременного выявления лиц с признаками профециональных заболеваний.

Мероприятиями, обеспечивающими укрепление здоровья работающих, являются стационарное, амбулаторное и санаторно-курортное лечение, организация специального и диетического питания, выдача спецжиров, организация благоприятного режима труда и др.

Безопасность труда на территории предприятия и цеха

На каждом предприятии действуют специальные правила техники безопасности, утвержденные профсоюзами рабочих соответствующей промышленности.

Движение любого вида транспорта и людей регулируется дорожными знаками и сигнальными устройствами, устанавливаемыми в соответствии с действующими правилами.

В местах пересечения рельсовых путей дорогами и тротуарами следует пользоваться специальными переездами и переходами, оборудованными звуковым и световой сигнализацией.

Запрещается подлезать под стоящий железнодорожный состав, переходить пути при закрытом шлагбауме, находиться на площадках, где производятся погрузочно-разгрузочные работы, стоять или проходить под поднятым грузом.

Тротуары для пешеходов и проезды для транспорта необходимо в зимнее время очищать от льда и снега и посыпать песком, в летнее - поливать водой.

Цеха (участки) с вредным производством должны изолироваться от других. Цеха, в которых производство сопровождается значительными тепло- и газовыделениями (например сварочные, кузнечные), следует в одноэтажных зданиях. Цеха связанные с возникновением особо резкого шума (с уровням более 90дБ, например, при плазменно-дуговой резке), должны размещаться в изолированных зданиях.

Электробезопасность

Электротравмы возникают при прохождении электрического тока через тело человека.

Тяжесть поражения электрическим током зависит от величины тока и напряжения, а также от пути прохождения тока в организме человека, длительности действия тока, частоты (с повышением частоты переменного тока степень поражения снижается, переменный ток опаснее постоянного).

Опасным напряжением может оказаться шаговое напряжение, возникающее при растекании электрического тока в землю. Растекание тока возможно в случаях касания оборванного электрического провода воздушной сети с землей или при срабатывании защитного заземления. Если человек окажется в зоне растекания тока, то между ногой, находящейся к заземлителю, и ногой, отстоящей от заземлителя на расстоянии шага (0,8м), возникает разность потенциалов (шаговое напряжение) и от ноги к ноге замкнется цепь тока. Для защиты от шагового напряжения пользуются резиновой обувью.

Помещения по степени опасности поражения людей электрическим током подразделяются на три категории: особо опасные (высокая влажность и температура воздуха, химически активная среда, приводящая к разрушению изоляции токоведущих частей), с повышенной опасностью (токопроводящие полы, возможности прикосновения человека к металлическим конструкциям и корпусам электрооборудования и др.) и без повышенной опасности (отсутствуют опасности поражения электродом).

Электрические установки и устройства считаются опасными, если у них токоведущие части не ограждены и расположены на доступной для человека высоте (менее 2,5м), отсутствует заземление, зануления и защитные отключения токопроводящих конструкций (металлические корпуса магнитных пускателей, кнопок «Пуск», «Стоп» и др.).

Правилами технической эксплуатации электроустановок к работе на них допускаются лица пяти квалификационных групп. Квалификационная группа I присваивается персоналу, не прошедшему проверку знаний по Правилом технической эксплуатации электроустановок. Квалификационная группа II присваивается лицам, имеющим элементарные технические знания об электроустановках (электромонтеры, электросварщики и др.). Повышенные квалификационные группы присваиваются лицам, имеющим повышенные знания по электротехнике и по электрооборудованию.

Пожарная безопасность

Причинами, вызывающими пожары в цехах, являются наличие легковоспламеняющихся веществ и горючих жидкостей, сниженных горючих газов, сгораемых материалов, емкостей и аппаратов с пожароопасными продуктами под давлением, электроустановок, вызывающих в процессе их работы электрические искры и др.

Принято по признаку пожарной опасности подразделять производство на категории: А - взрывопожароопасные, Б - взрывоопасные, В - пожароопасные, Г и Д - непожароопасные, Е - взрывонеопасные (имеются только газы).

Сварочные работы в замкнутых емкостях должны выполняться по специальному разрешению администрации предприятия.

Порядок организации и проведения сварочных работ на шахтах и в рудниках определяется инструкциями, утвержденными Госгортехнадзором.

В целях предотвращения пожаров запрещается пользоваться сварщикам одеждой и рукавицами со следами масел, жиров, бензина, керосина и других горючих жидкостей; выполнять термическую резку и сварку свежеокрашенных конструкций до полного высыхания краски; выполнять сварку аппаратов, находящихся под электрическим напряжениям, и сосудов, находящихся под давлением; производить без специальной подготовки резку и сварку емкостей из-под жидкого топлива и др.

Средствами пожаротушения являются вода, пена, газы, пар, порошковые составы и др.

Каждый сварочный пост должен иметь огнетушитель, бачок или ведро с водой, а также ящик песком и лопатой. После окончания сварочных работ необходимо проверять рабочее помещение и зону, где выполнялись сварочные работы. В цехах имеются специальные противопожарные подразделения, из числа работающих в цехе создаются добровольные пожарные дружины.

Глава 5.Экономическая часть

Перевозка стальных конструкций автомобильным транспортом.

Экономичность определяется затратами на металл и другие материалы, необходимые для изготовления конструкций (электроды, кислород, краски и т.п.), а также на изготовление, транспортирование, монтаж. Каждая из этих составляющих зависит от ряда факторов. Так, затраты на изготовление связаны с производственными мощностями (здания, станки, агрегаты, транспортные системы) и живым трудом рабочих и служащих завода-изготовителя. Кроме перечисленных факторов на экономические показатели оказывает влияние скорость изготовления и монтажа конструкций, так как быстрый ввод здания в эксплуатацию позволяет получить дополнительную прибыль и тем самым компенсировать часть затрат на строительство.

Все эти факторы могут быть сведены к достижению трех главных показателей, определяющих основные принципы отечественной школы проектирования: экономии металла, повышению производительности труда при изготовлении, снижению трудоемкости и сроков монтажа.

Экономия металла достигается применением высокопрочных сталей и сплавов, внедрением эффективных конструктивных форм, использованием экономичных прокатных и гнутых профилей, совершенствованием методов расчета.

Габариты и массы элементов стальных конструкций, перевозимых автотранспортом, определяются габаритом приближения, размерами и грузоподъемностью автотранспорта. Высота погруженного на автотранспорт элемента не должна превышать высоту габарита приближения на автомобильных дорогах, т.е. 4,5м от уровня дороги, включая высоту автомобиля или прицепа; ширина элемента не должна более ширины пола автомобиля или прицепа; длина элемента в зависимости от вида автотранспорта колеблется от 4 (при перевозке на автомашинах без прицепов) до 15м.

Плоские гибкие решетчатые и листовые конструкции длиной более 6м для перевозки на автотранспорте должны пакетироваться.

Стоимость перевозки элементов стальных конструкций автомобильным транспортом, исчисленная по Ценнику №3 сметных цен на перевозки грузов для строительства, приведена в таблице 4.3.

Для других районов в Ценнике №3 имеются поправочные коэффициенты к тарифам на перевозки.

При перевозке стальных конструкций длиной от 3 до 6,5м применяются надбавки в размере 25% и в размере 40% на конструкции длиной от 6,5 до 12м включительно.

При перевозке элементов стальных конструкций, масса отдельной единицы которых превышает 250кг, тариф повышается на 30%.

Стоимость погрузочных работ равна 113 руб. за 1 т перевозимых конструкций; стоимость разгрузочных работ - 103 руб. за 1т.

Таблица 8.

Характеристики автомобильных прицепов

Таблица 9.

Характеристика грузовых автомобилей.

Параметры	Марка автомобилей
	ЗИЛ-131	УРАЛ-377	МАЗ-500С	КРАЗ-256	КАМАЗ	ЯАЗ-214
Грузоподъемность, т Грузоподъемность на грунтовых дорогах, т Масса заправленной машины с полной нагрузкой, т Мощность двигателя, кВт Полная длина машины L, мм Ширина платформы кузова, мм Длина кузова ?, мм	5 - 11,625 110 6900 2322 3600	7,5 - 15 - 7550 2330 4500	8 - 15,025 132 7130 2140 6200	10 - 21,5 176 8200 - -	10 10 22,35 176 8190 2430 4585	7 7 19,54 151 8530 2490 4500

Таблица 10.

Стоимость перевозки стальных конструкций по первому классу на автомобильном транспорте при поясном коэффициенте

Расстояние, км	Стоимость за 1т, руб.	Расстояние, км	Стоимость за 1т, руб.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16	250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000	17 18 19 20 21 - 25 26 - 30 31 - 35 36 - 40 41 - 45 46 - 50 51 - 60 61 - 70 71 - 80 81 - 90 91 -100	1250 1300 1450 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 3300 3500 3700

Глава 6 Контроль качества сварных швов

6.1 Визуальный и измерительный контроль

Визуальный и измерительный контроль материала сварных соединений проводят на следующих стадиях:

- входного контроля;

- изготовления деталей, сборочных единиц и изделий;

- подготовки деталей и сборочных единиц к сборке;

- подготовки деталей и сборочных единиц к сварке;

- сборки деталей и сборочных единиц под сварку;

- процесса сварки;

- контроля готовых сварных соединений и наплавок;

- исправления дефектных участков в материале и сварных соединениях (наплавках);

- оценки состояния материала и сварных соединений в процессе эксплуатации технических устройств и сооружений, в том числе по истечении установленного срока их эксплуатации.

Визуальный и измерительный контроль материалов на стадии входного контроля выполняют при поступлении материала (полуфабрикатов, заготовок, деталей) в организацию с целью подтверждения его соответствия требованиям стандартов, технических условий (далее - ТУ), конструкторской документации и Правил

Схемы измерения отдельных размеров подготовки деталей под сборку и сборки соединений под сварку с помощью шаблона универсального типа УШС приведены на рис.4.1. Допускается применение шаблонов конструкций В.Э. Ушерова-Маршака и А.И.Красовского (рис.2.9 и 2.10).



Рис.2.9. Контроль универсальным шаблоном сварщика УШС (начало):

а - общий вид шаблона УШС;

б - измерение угла скоса разделки

Рис.2.9. Продолжение:

в - измерение размера притупления кромки ;

г - измерение зазора в соединении

Рис.2.9. Окончание: д - измерение смещения наружных кромок деталей



Рис.2.10 Контроль шаблоном конструкции В.Э.Ушерова-Маршака (начало):

а - общий вид шаблона;

б - измерение угла скоса разделки

Рис.2.11. Окончание:

в - измерение высоты катета углового шва ;

г - измерение высоты валика усиления и выпуклости корня шва стыкового сварного соединения;

д - измерение зазора в соединении при подготовке деталей к сварке

6.2 Операционный контроль

Операционный контроль осуществляют мастера и производители работ. При этом осуществляется проверка правильности и необходимой последовательности выполнения технологических операций по сборке и сварке в соответствии с требованиями ВСН 006-89 и действующих операционных технологических карт.

При сборке соединений под сварку проверяют:

чистоту полости свариваемого материала и степень зачистки кромок и прилегающих к ним внутренней и наружной поверхностей;

соблюдение допустимой разностенности свариваемых элементов;

соблюдение допустимой величины смещения наружных кромок свариваемых элементов;

величину технологических зазоров в стыках;

длину и количество прихваток.

Если требуется просушка свариваемых кромок или предварительный подогрев, производят контроль температуры подогрева.

При операционном контроле в процессе сварки осуществляют наблюдение за обеспечением строгого соблюдения режимов сварки (по показаниям контрольно-измерительной аппаратуры, установленной на сварочных агрегатах, постах, машинах и т.п.), порядка наложения слоев и их количеством, применяемых материалов для сварки корневого и заполняющих слоев, времени перерывов между сваркой корневого шва и "горячим проходом" и других требований технологических карт.

Заключения

В ходе разработки проекта сделаны следующие выводы:

Обосновал выбор марки стали труб для газопровода низкого давления, эксплуатирующего в условиях Крайнего Севера

Разработал технологию сварки неповоротных кольцевых стыков труб диаметром 219мм.

Обосновал выбор вида и способа сварки и сварочных материалов.

При сварки газовых труб низкого давления из двух выбранных сталей 09Г2С и Ст3сп5 посчитали выгодным, по химическим и механическим свойствам 09Г2С.

Разработан технология ручной дуговой сварки.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 5264-80 Ручная дуговая сварка. Соединение сварные. Основные коструктивные элементы и размеры.

2. Правила технической эксплуатации газопроводов и инструкции по их ремонту Москва «Недра» 1988 Разработчики: Г. К. Лебедев, В. Г. Колесников, Г. Е. Зиканов, О.Н. Лайков (ЦНИЛ, часть I); Ю. К. Ищенко, Г. А. Ритчик, Л.В. Дубень, Н.Е. К.алпина (ВНИИмонтажспецстрой, часть II)