Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей
Современные трубопроводные системы рассчитаны на высокие рабочие давления. При строительстве таких систем применяют трубы с толщиной стенки до 40 мм. Для соединения таких труб разрабатываются новые более эффективные методы, в том числе комбинированные. Технология комбинированной сварки предусматрива...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113247 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей / С.И. Кучук-Яценко, Б.И. Казымов, В.Ф. Загадарчук, А.В. Дидковский // Автоматическая сварка. — 2015. — № 10 (746). — С. 3-10. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860185344524156928 |
|---|---|
| author | Кучук-Яценко, С.И. Казымов, Б.И. Загадарчук, В.Ф. Дидковский, А.В. |
| author_facet | Кучук-Яценко, С.И. Казымов, Б.И. Загадарчук, В.Ф. Дидковский, А.В. |
| citation_txt | Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей / С.И. Кучук-Яценко, Б.И. Казымов, В.Ф. Загадарчук, А.В. Дидковский // Автоматическая сварка. — 2015. — № 10 (746). — С. 3-10. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Современные трубопроводные системы рассчитаны на высокие рабочие давления. При строительстве таких систем применяют трубы с толщиной стенки до 40 мм. Для соединения таких труб разрабатываются новые более эффективные методы, в том числе комбинированные. Технология комбинированной сварки предусматривает сварку корневого и заполняющих швов различными методами. Для повышения темпов строительства и качества сварки предлагается корневой шов сваривать контактной сваркой оплавлением, а заполняющие слои электродуговой автоматической сваркой. Целью настоящей работы является исследование особенностей формирования соединений, выполненных контактной сваркой оплавлением корневых швов при сварке труб с толщиной более 20 мм с различной разлелкой кромок, а также исследование качества соединений корневых швов и комбинированных соединений. Проведено исследование влияния разделки кромок на процесс сварки и формирование соединения в условиях повышенного отвода тепла из зоны сварки при оплавлении. Разработана технология контактной сварки корневых швов неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей, совмещенная с электродуговой сваркой. Определены оптимальные параметры режимов контактной сварки оплавлением при различной толщине выступов разделки корневых швов. Установлен уровень влияния электродуговой сварки на свойства корневых швов, в том числе на повышение вязких свойств сварных соединений. Проведены всесторонние механические испытания соединений корневых швов, выполненных контактной сваркой оплавлением и в сочетании с электродуговой сваркой, свидетельствующие о практической их равнопрочности с основным металлом. Такой комбинированный процесс позволит значительно упростить и ускорить процесс сборки и сварки корневого шва, который предопределяет производительность всего процесса сварки неповоротных стыков. При этом обеспечивается высокая надежность качества корневых швов и всего соединения.
The modern pipeline systems are designed for high operating pressures. During construction of such systems the pipes with wall thickness of up to 40 mm are applied. For joining of such pipes the new more effective methods are developed, including the combined ones. The combined technology envisages the welding of root and filling welds using different methods. To increase the rates of construction and quality of welding it is offered to weld the root using flash-butt welding (FBW), and the filling layers must be produced using automatic electric arc welding. The aim of this work is to study the features of formation of joints produced using FBW of root welds in pipes with thickness of more than 20 mm with different edge preparation and to investigate the quality of joints of root welds and combined joints. The influence of edge groove on the welding process and formation of joints under the conditions of increased heat removal from welding zone during flashing was investigated. The technology of FBW of root welds of the position butts of thick-walled pipes of high-strength steels, combined with electric arc welding, was developed. The optimum FBW parameters at different thickness of projections of root weld groove were determined. The level of influence of electric arc welding on the properties of root welds was established, including the improvement of ductile properties of welded joints. The comprehensive mechanical tests of joints of root welds produced using FBW and the combined arc-welded joints were carried out indicating their practical equal strength with the base metal. Such a combined process will allow a great simplification and acceleration of the process of assembly and welding of the root weld, which predetermines the productivity of the whole process of the position butt welding. This ensures the high reliability and quality of root welds of the joint.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:04:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
310/2015
УДК 621.791:621.643.411
РазРаботКа технологии КомбиниРованного
соеДинения неповоРотных стыКов
толстостенных тРУб из высоКопРочных сталей
С.И. КУЧУК-ЯЦЕНКО, Б.И. КАЗЫМОВ, В.Ф. ЗАГАДАРЧУК, А.В. ДИДКОВСКИЙ
иЭс им. е.о. патона нанУ. 03680, г. Киев-150, ул. боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
современные трубопроводные системы рассчитаны на высокие рабочие давления. при строительстве таких систем
применяют трубы с толщиной стенки до 40 мм. Для соединения таких труб разрабатываются новые более эффектив-
ные методы, в том числе комбинированные. технология комбинированной сварки предусматривает сварку корневого
и заполняющих швов различными методами. Для повышения темпов строительства и качества сварки предлагается
корневой шов сваривать контактной сваркой оплавлением, а заполняющие слои электродуговой автоматической сваркой.
Целью настоящей работы является исследование особенностей формирования соединений, выполненных контактной
сваркой оплавлением корневых швов при сварке труб с толщиной более 20 мм с различной разлелкой кромок, а также
исследование качества соединений корневых швов и комбинированных соединений. проведено исследование влияния
разделки кромок на процесс сварки и формирование соединения в условиях повышенного отвода тепла из зоны свар-
ки при оплавлении. Разработана технология контактной сварки корневых швов неповоротных стыков толстостенных
труб из высокопрочных сталей, совмещенная с электродуговой сваркой. определены оптимальные параметры режи-
мов контактной сварки оплавлением при различной толщине выступов разделки корневых швов. Установлен уровень
влияния электродуговой сварки на свойства корневых швов, в том числе на повышение вязких свойств сварных сое-
динений. проведены всесторонние механические испытания соединений корневых швов, выполненных контактной
сваркой оплавлением и в сочетании с электродуговой сваркой, свидетельствующие о практической их равнопрочности
с основным металлом. такой комбинированный процесс позволит значительно упростить и ускорить процесс сборки и
сварки корневого шва, который предопределяет производительность всего процесса сварки неповоротных стыков. при
этом обеспечивается высокая надежность качества корневых швов и всего соединения. библиогр. 14, рис. 8.
К л ю ч е в ы е с л о в а : контактная сварка оплавлением, электродуговая сварка, толстостенные трубы, разделка
кромок, неповоротные стыки, корневой шов, комбинированное соединение, технологический зазор, теплоотвод, па-
раметры сварки, распределение температуры, механические испытания
в современных энергетических системах, в том
числе и в газотранспортных, рассчитанных на
высокие давления, широко используются трубо-
проводы, сооружаемые из толстостенных труб,
изготовленных из высокопрочных сталй [1, 2].
соединение таких труб представляет собой тру-
доемкую и ответственную операцию, которая
выполняется в полевых условиях, как правило,
электродуговой сваркой (ЭДс) высококвалифи-
цированными специалистами. Для электродуго-
вых технологий сварки необходима специальная
подготовка торцов труб перед сваркой — изго-
товление разделки кромок, от геометрической
формы и размеров которой во многом зависит
качество и механические свойства соединений
(рис. 1) [1, 3].
наиболее сложной и ответственной технологиче-
ской операцией ЭДс труб является сварка корне-
вого шва. опыт применения сварки неповоротных
стыков различных трубопроводов свидетельству-
ет о том, что большая часть дефектов, выявляе-
мых в них при неразрушающем контроле прихо-
дится на корневые швы. весьма перспективными
для сварки неповоротных стыков толстостенных
труб являются комплексы орбитальной электро-
дуговой сварки в среде защитного газа компании
CRC-Evans AW. отличительной особенностью
этой технологии являются жесткие требования к
геометрическим параметрам разделки и сборки
труб перед сваркой, обеспечивающие при сварке
требуемую величину зазоров. при этом первую
технологическую операцию — сварку корня шва
выполняют отдельной установкой с использова-
нием сварочных материалов, отличающихся от
используемых для заполнения разделки кромок.
Размеры корневой части разделки контролиру-
ются шаблоном и должны находиться в пределах
десятых долей миллиметра. при этом не всегда
удается достигнуть таких же высоких требований
по уровню сборки тяжеловесных и крупногаба-
ритных труб перед сваркой на отсутствие недо-
пустимых зазоров и смещений между ними при
монтаже в полевых условиях.
многолетний опыт применения контактной
сварки оплавлением (Ксо) различных трубо-
проводов диаметром 114…1420 мм с толщиной
© с.и. Кучук-яценко, б.и. Казымов, в.Ф. загадарчук, а.в. Дидковский, 2015
4 10/2015
стенки 5…20 мм свидетельствует о высокой экс-
плутационной надежности сварных соединений
труб, выполненных Ксо в различных климатиче-
ских условиях, в том числе районах Крайнего се-
вера, при строительстве различных трубопроводов
[4, 5]. за последние десятилетия таким способом
сварено около 50 тыс. км трубопроводов, которые
успешно эксплуатируются. промышленностью ос-
воен выпуск оборудования для Ксо труб, в част-
ности, сварочных машин К584 для труб диаметром
114…325 мм с толщиной стенки 5…14 мм, а также
машин типа К830 и К700 для труб диаметром 1220 и
1420 мм с толщиной стенки 12,7…20 мм.
Для сварки труб с большей толщиной стенки
(более 20 мм) требуется новое поколение свароч-
ных машин, что связано прежде всего с увеличе-
нием их установленной электрической мощности
и усилия осадки. проекты таких машин разрабо-
таны в иЭс им. е.о. патона. Для их промышлен-
ной реализации необходимы соответствующие за-
казы и потенциальные объемы производства.
наряду с этим, учитывая имеющийся парк ма-
шин для Ксо труб, представляется целесообраз-
ным использовать их для реализации технологии
комбинированной сварки, объединяющей два тех-
нологических процесса: сварку корневого шва
Ксо и последующее заполнение оставшейся раз-
делки кромок ЭДс [6]. Этот метод позволяет зна-
чительно упростить и ускорить процесс сборки и
сварки корневого шва, который предопределяет
производительность сварочных работ неповорот-
ных стыков труб. при этом обеспечивается высо-
кая надежность качества корневых швов и всего
комбинированного соединения. Для выполнения
корневых швов толстостенных труб может быть
использован весь имеющийся парк машин для
Ксо без его существенной реконструкции.
Для Ксо корневого шва необходимо на тор-
цах труб с заводской (стандартной) разделкой кро-
мок (рис. 1, а) выполнить специальную разделку
(рис. 1, б). заводская (стандартная) разделка на
торцах труб, поставляемых на трассу, может пе-
ределываться в полевых условиях под разные ме-
тоды ЭДс [3] с целью экономии сварочных мате-
риалов. параметры разделки зависят от толщины
стенки труб и способа сварки как корневого, так
и заполняющих слоев дуговых швов. при выпол-
нении разделки стремятся уменьшить количе-
ство удаляемого металла труб. Для сравнения на
рис. 1, в приведена схема разделки торцов в со-
стоянии сборки труб для сварки по методу CRC-
Evans AW.
параметры разделки для Ксо корневых швов
толстостенных труб могут изменяться в широких
пределах и значительно отличаться от параметров
разделок известных методов ЭДс. Это позволя-
ет при сварке комбинированных соединений ми-
нимизировать энерговложения при подготовке и
сварке труб, повысить производительность работ,
снизить расход сварочных материалов для ЭДс,
стоимость которых в 2…3 раза превосходит стои-
мость материала труб. последнее особенно важно
при строительстве трубопроводов в отдаленных
районах, когда для ЭДс приходится доставлять
большое количество сварочных материалов.
Целью настоящей работы является разработ-
ка технологии Ксо корневых швов при строи-
тельстве трубопроводов с толщиной стенки более
20 мм, а также исследование качества, определе-
ние механических свойств корневых швов и ком-
бинированных соединений.
исследование технологии сварки корневых швов
выполняли на секторах шириной 100…200 мм из Рис. 1. схемы разделки кромок: для ручной электродуговой
сварки (а); Ксо (б); CRC (в); совмещенные схемы (г)
510/2015
труб диаметром 219×20 и 325×25 мм из углеро-
дистой стали и толстостенных труб современ-
ного производства диаметром 1219×27 мм стали
10г2Фб. Для отработки режима сварки корневых
швов толщиной 6…12 мм использовали также пла-
стины из стального проката углеродистых сталей
толщиной до 30 мм. сварку секторов и пластин вы-
полняли на лабораторной установке с программным
управлением основными параметрами режима [7]. Для
апробации режимов сварки были взяты трубы диаме-
тром 219×20 мм из стали 20т. трубы сваривали на ма-
шине К584 с использованием программы, по которой
основные параметры изменялись в функции переме-
щения, что позволяло выполнять заданные припуски
на оплавление и осадку с точностью +0,5мм.
Качество исследуемых стыков оценивали по
результатам механических испытаний, которые
проводились в соответствии с действующими
стандартами, а также по результатам металлогра-
фического анализа соединений и фактографиче-
ских исследований изломов образцов, специально
разрушенных по корневому шву.
Для Ксо корневого шва на торцах труб выпол-
няли разделку кромок с параметрами выступов h и l
как показано на рис. 1, б. Разделку изготавливали за
счет уменьшения толщины стенки трубы со стороны
наружной поверхности трубы. Для этих целей при-
меняют стандартное оборудование — мобильные
кромкострогальные агрегаты. после сварки высту-
пов образуется корневой шов. схема корневого шва,
выполненного Ксо, показана на рис. 2, а. после
получения соединения необходимо удалить усиле-
ние корневого шва и наплывы металла и заполнить
оставшуюся часть разделки ЭДс.
при определении геометрических размеров
разделки кромок под Ксо труб следует учиты-
вать, что с уменьшением толщины выступов уве-
личивается объем механической обработки тор-
цов, а также объем разделки для ее заполнения
ЭДс.
на рис. 1, г представлена для сравнения схема
разделок труб с толщиной стенки 30 мм для ком-
бинированных технологий сварки. аналогом для
сравнения выбраны разделки: заводская — обо-
значена контуром а–в–с (рис. 1, г) и по техноло-
гии CRC (рис. 1, в). части кромок, удаляемые при
различных методах сварки, обозначены 1, 2 и 3.
Для Ксо корневых швов h = 6…7 мм удаляется
участок 1, а при сварке h > 7 мм участок 1+2. при
CRC соответственно участки 1+3. из сравнения
участков 2 и 3 видно, что участок 2 по площади
примерно равен участку 3. следовательно, трудо-
емкость подготовки кромок при Ксо не превыша-
ет объема работ CRC.
в процессе исследований параметры разделки
изменяли в интервале h = 6…12 мм, а l — 10…22
мм. при этом во всех случаях ширина раздел-
ки кромок L (рис. 2, а) по наружной поверхности
труб оставалась равной заданному размеру для
выполнения заполняющего шва ЭДс.
при Ксо выступы разделки укорачиваются
на величину припуска на сварку Δсв = Δопл. + Δосад.
(припуски на оплавление и осадку). при выбо-
ре величины параметра разделки l необходимо
учитывать не только припуск на сварку, но и осо-
бенности образования соединения Ксо, когда
при осадке на поверхности корневого шва меж-
ду кромками разделки формируется усиление. на
рис. 2, а представлена схема соединения, получен-
ного при оптимальном соотношении указанных
Рис. 2. схема и макрошлиф соединений: а — схема корне-
вого шва, выполненного на оптимальном режиме Ксо (D —
ширина усиления; L — расстояние между кромками по на-
ружной поверхности; k — технологический зазор между
кромками и усилением); б — макрошлиф корневого шва; в —
макрошлиф комбинированного соединения при нарушении
параметров режима сварки (стрелками показано несплавле-
ние металла шва)
6 10/2015
параметров с учетом размера усиления. при нару-
шении этого требования происходит сжатие уси-
ления с наплывами окисленного металла кромками
разделки. после удаления верхней части усиления с
наплывами металла, особенно при визуальной оцен-
ке зачистки сварного соединения и готовности раз-
делки к заполнению ЭДс, может появиться ложное
представление о полном удалении усиления. в дей-
ствительности между кромками разделки и остав-
шейся частью усиления появлются зажатые прослой-
ки окисленного металла, которые трудно переплавить
ЭДс при заполнении разделки. макроструктура ком-
бинированного соединения с прослойками окисленно-
го металла в корневом шве представлена на рис. 2, в.
Для того, чтобы гарантировать образование качествен-
ного соединения без подобного дефекта, между усиле-
нием и кромками разделки должен быть предусмотрен
технологический зазор k (рис. 2, а).
Экспериментальным путем установлено, что
при сварке корневых швов с параметром раздел-
ки h = 6…12 мм технологический зазор k должен
быть 1,5…2 мм. таким образом, параметр раздел-
ки l перед Ксо толстостенных труб с толщиной
стенки δ > 20 мм определяется зависимостью:
l = Δсв./2 + D/2 + k, где D — ширина усиления корня
шва. поскольку нашими исследованиями установле-
но, что D/2 + k ~ h/2, то параметр выступов раздел-
ки l = Δсв./2 + h/2, где h — толщина выступа в раз-
делке кромок.
при определении оптимальных режимов Ксо
труб с различными параметрами разделки торцов
необходимо, прежде всего, учитывать комплекс-
ное влияние толщины выступов h на основные
показатели процесса оплавления. Как видно из
графика рис. 3, а с увеличением параметра h воз-
растает длительность процесса сварки и припуск
на оплавление, снижается удельная потребляемая
мощность. при сварке толстостенных труб с раз-
делкой кромок на идентичных режимах формиро-
вание соединения будет происходить в условиях
более интенсивного теплоотвода из зоны сварки
в тело толстостенной трубы. Конфигурация тор-
цов труб с разделкой создает условия нагрева, ко-
торые имеют место при сварке труб с уменьшен-
ными вылетами. в первом случае тепло отводится
в массивные объемы металла, во втором — в то-
коподводящие зажимы. на рис. 4 показана зави-
симость количества накопленного в зоне нагрева
тепла от величины вылетов из зажимов сварочной
машины при оплавлении секторов труб с толщи-
ной стенки δ = 10 мм, полученная калометриро-
ванием оплавленных образцов. Уменьшение вы-
летов секторов при сварке в 3,5 раза привело к
увеличению потерь энергии на 45…50 %. приве-
денные данные относятся к условиям нагрева при
оплавлении секторов, когда теплоотвод в зажимы
происходит с двух сторон. Эти потери меньше при
одностороннем теплоотводе при сварке труб, но
они могут существенно влиять на формирование
соединений при минимальных расстояниях от за-
жимов до зоны сварки.
Данные, приведенные на графике рис. 3, б, со-
ответствуют режимам Ксо труб с толщиной стен-
ки 6…12 мм на машинах К584. например, при свар-
ке труб толщиной 10 мм без разделки, как видно
из графика рис. 3, б, величина вылетов из зажимов
Рис. 3. зависимость параметров сварки от толщины выступов
h (а); толщины стенки труб (б), где tсв — длительность про-
цесса сварки; ∆опл — припуск на оплавление; Руд — удельная
мощность в конечный период оплавления; V — величина вы-
лета кромок из токоподводящих зажимов
Рис. 4. зависимость удельного количества накопленной (g) и
израсходованной (а) энергии от величины вылетов при свар-
ке секторов толщиной 10 мм
710/2015
должна быть не менее 68 мм, что в 3,5 раза превы-
шает длину выступов l разделки при h = 10 мм.
на рис. 5 (кривая 1) приведено распределение
температуры на участке протяженностью 12 мм
от поверхности оплавления при сварке труб диа-
метром 219 мм с толщиной стенки δ = 10 мм на
нормативном режиме (расстояние между токопод-
водящими зажимами 68 мм, tсв = 95 с), обеспечи-
вающем качественную сварку.
Кривая 2 на рис. 5 характеризует распределе-
ние температуры на том же участке зоны термиче-
ского влияния (зтв) образцов толстостенных труб
с толщиной стенки δ > 20 мм с параметрами раз-
делки кромок h = 10 мм и l = 19 мм. температу-
ра на исследуемом участке ниже на 100…150 °с.
при испытаниях стандартных образцов из этих
соединений на изгиб показатели были нестабиль-
ны. в отдельных образцах имели место трещины
по зоне соединения.
потери на теплоотвод в определенной степени
могут быть компенсированы за счет повышения
интенсивности источника нагрева при оплавле-
нии в различные его периоды, предусмотренные
программой.
Ужесточение режимов сварки при всех иссле-
дуемых толщинах выступов также приводит к уве-
личению удельных давлений, необходимых для по-
лучения качественных соединений. поэтому при
создании специализированного оборудования для
комбинированной сварки нельзя рассчитывать на
существенное снижение мощности и его массы по
крайней мере для принятого соотношения размеров
выступов разделки. с увеличением длины выступов
l режимы сварки труб будут приближаться к приня-
тым для соответствующих толщин стенок труб без
разделки и снижение энергетических показателей
будет более ощутимым.
следует отметить, что при оптимизации фор-
мы разделки для комбинированной сварки энер-
гетические показатели оборудования не являют-
ся доминирующими. сокращение времени сварки
корневого шва до 1…2 мин независимо от диаме-
тра труб позволяет повысить производительность
общего технологического потока при строитель-
стве трубопроводов.
при определении оптимальной толщины h
выступов разделки весьма существенным пока-
зателем является толерантность принятой техно-
логии к точности сборки труб перед сваркой. с
увеличением толщины выступов разделки сме-
щения кромок и влияние величины зазора между
ними в меньшей степини влияют на качество со-
единений и допустимые отклонения могут быть
шире. с этой точки зрения толщины выступов
в пределах 8…12 мм представляются наиболее
приемлимыми.
в результате проведенных исследований раз-
работаны режимы сварки толстостенных труб
диаметром 219 мм с толщиной стенки δ = 20 мм
с разделкой кромок на мащине К584. при этом
толщина выступов разделки изменялась в преде-
лах 6…12 мм, а размер L разделки оставался не-
изменным, равным заданному значению. на гра-
фиках рис. 3, а приведены оптимальные значения
основных параметров сварки на жестких режи-
мах, обеспечивающих качественные соединения
при различной толщине выступов. оптимальный
режим характеризуется повышенной удельной
мощностью (30 %), меньшим временем сварки (на
20…40 %) и меньшим припуском на сварку (на
20…30 %), чем рекомендуемый для труб с такими
же толщинами стенок. такие соединения отлича-
ются узкой зоной термического влияния, величина
которой не превышает параметра разделки l. ма-
крошлиф такого соединения с параметром раздел-
ки h = 10 мм показан на рис. 2, б.
Распределение температуры в зоне нагрева при
сварке на таких режимах корневых швов толщи-
ной 10 мм приведено на рис. 5, кривая 3. сравне-
ние кривых 2 и 3 показывает, что повышение кон-
центрации нагрева за счет увеличения мощности
на всех этапах сварки позволило получить в при-
контактных участках распределение температуры,
необходимой для формирования качественных со-
единений (рис. 5, кривая 3).
всесторонние механические испытания корне-
вых швов всех исследуемых толщин, выполнен-
ных на оптимальных режимах, подтвердило высо-
кое качество соединений.
соединения корневых швов низколегирован-
ной стали группы прочности х70, выполненных
на оптимальных режимах, показали высокие и
стабильные результаты. образцы на разрыв разру-
шались по корню, включающему в основном всю
Рис. 5. линейное распределение температуры при сварке
трубы диаметром 219×10 мм на регламентированном режи-
ме (кривая 1); корневого шва (h = 10 мм) трубы диаметром
219×20 мм на регламентированном режиме (2); корневого
шва (h = 10 мм) трубы диаметром 219×20 мм на оптимальном
режиме (3)
8 10/2015
зону сварки (рис. 6, а). Разрушающие напряжения
находились в пределах σр = 640…657 мпа, что
выше прочности металла труб σвр.м.тр. = 610 мпа.
Это объясняется тем, что пластическая деформа-
ция сосредоточена в узкой зоне корневого шва с
малым поперечным сечением, что приводит к ме-
ханическому упрочнению металла всех участков
корня.
после разрушения образцы имели изломы, ко-
торые определяются как вязкие, что свидетель-
ствует о пластичности корневого шва. Эти данные
подтверждаются испытаниями корневых швов на за-
гиб. ввиду малой протяженности деформируемого
участка (корневого шва), расположенного в раздел-
ке кромок, в металле возникают большие напряже-
ния. несмотря на столь жесткие испытания, образ-
цы имели угол изгиба 180º без трещин в зоне сварки
(рис. 6, б). прочность корневых швов на трубах
стали 20 имели σр= 534…559 мпа, а прочность
металла труб σвр.м.тр.= 518 мпа.
поверхности изломов корневых швов, разру-
шенных при испытаниях на разрыв, имели одно-
родный развитый рельеф, без дефектов сварки.
следующим этапом проведенных исследова-
ний являлось изучение свойств комбинированных
соединений. Комбинированные соединения полу-
чали путем заполнения образующейся в резуль-
тате сварки корневого шва разделки ручной ЭДс.
перед наплавкой в разделке кромок удаляли уси-
ление и наплывы металла соединения Ксо.
наплавку проводили электродами Уони-45/55
на режимах, рекомендованных для сварки сталь-
ных изделий. все соединения показали высокие
свойства, отвечающие требованиям норматив-
ных документов [3, 8]. на рис. 7 представлены ма-
крошлиф и образцы после испытаний на разрыв
и изгиб. прочность и пластичность соединений
соответствует аналогичным показателям металла
труб. Разрывные образцы разрушались за зоной
сварки по металлу труб. изогнутые образцы при
углах 180º не имели трещин.
при заполнении разделки кромок ЭДс металл
корневого шва испытывает тепловое воздействие,
которое по своей природе проявляется как терми-
ческая обработка. измерения температуры метал-
ла в контрольных точках вдоль шва на стороне по-
верхности под разделкой кромок показали, что ее
значения на элементарном участке при различных
условиях ЭДс может быть в диапазоне темпера-
тур от 600 до 1150 °с.
Эффективность теплового воздействия различ-
ных режимов ЭДс на свойства комбинированных
соединений оценивали по показателям ударной вяз-
кости. Ударную вязкость KCV определяли на стан-
дартных образцах с острым надрезом. надрез изго-
тавливали по толщине стенки трубы. при этом доля
соединения Ксо составляла 30…50 %. такие образ-
цы в наибольшей мере определяют вязкие свойства
соединений с различным состоянием металла ком-
бинированного шва, одна часть которого выполне-
на Ксо без литого металла, другая — ЭДс с литым
металлом.
Результаты исследований показали замет-
ное воздействие на металл корневых швов тер-
мического цикла ЭДс при температурах выше
критической точки АС3, т. е. при температурах
нормализации. такой способ термообработки ре-
комендуется для повышения показателей ударной
вязкости соединений Ксо [9, 10].
при наплавке корневого шва толщиной
6…10 мм длительность пребывания металла при
температурах 900…1150 °с на отдельных участ-
ках шва, независимо от его толщины, была в пре-
делах Тнагр.= 20…30 с. в результате такого раз-
броса параметров термического воздействия
наблюдается большая разница между максималь-
ными и минимальными показателями ударной вяз-
кости на одном и том же сварном шве. Ударная вяз-
кость образцов соединений стали 20 составляла:
при температуре +20 °с — (62…142)/83 Дж/см2,
при –20 ºс — (20…51)/39 Дж/см2. металл труб
стали 20 при –20 ºс (23…49)/40 Дж/см2. соеди-
нения трубной стали 10г2Фб показали ударную
вязкость при +20 ºс — (96…206)/114 Дж/см2, при
–20 °с (20…49)/42 Дж/см2. при отрицательной
температуре появляются единичные образцы, ко-
торые имеют показатели ниже минимально требу-
емых значений. однако они не оказывают отрица-
тельного влияния на эксплуатационные свойства
сварных соединений труб полного сечения. об
Рис. 6. образцы соединений стали 10г2Фб с корневым швом
после испытаний на растяжение (а) и загиб (б)
910/2015
этом свидетельствуют результаты приведенных
исследований [11, 12].
термическое воздействие ЭДс повышается с
увеличением длительности пребывания металла
при температурах нормализации путем наплавки
на первый наплавленный слой последующих горя-
чих слоев. в этом случае металл корневого шва под-
вергается циклическому термовоздействию (рис.
8). например, при ручной ЭДс время пребывания
элементарного участка шва при температурах нор-
мализации за первый цикл было 20 с. суммарное
время двух циклов составило 45 с, а с учетом треть-
его цикла время увеличилось до 80 с. в результате
средние показатели ударной вязкости увеличились
на 8…14 %. при этом между первым–вторым и вто-
рым–третьим циклами были технические перерывы
(для удаления шлака) длительностью 90 с. соеди-
нения стали х70 имели 46…48 Дж/см2 при отрица-
тельной температуре –20 °с.
в комбинированных соединениях с корнем
толщиной 12 мм длина участков, не подвергнутых
термическому воздействию, увеличивается. в ре-
зультате возрастает количество образцов с мини-
мальными показателями.
при ручной ЭДс характерна неравномерность
теплового воздействия. о нем можно судить по глу-
бине проплавления корневого шва. на участке про-
тяженностью 120 мм при толщине корня 10 мм про-
плавление было в пределах 0,2…3,0 мм.
следует обратить внимание на то, что большая
разница между минимальными и максимальны-
ми значениями отдельных образцов может быть
вызвана не только неравномерным термовоздей-
ствием на металл корневого шва, но и объектив-
но существующими свойствами ударных испыта-
ний сварных соединений независимо от метода их
сварки, когда во многих случаях происходит раз-
брос показателей [13, 14].
сочетание контактного и электродугового
швов оказывает взаимное положительное влияние
на свойства соединений. с одной стороны в кон-
тактном шве нет литого металла и, соответствен-
но, в нем отсутствует ряд дефектов, свойственных
ЭДс. в то же время под действием ЭДс корневой
шов подвергается термической обработке. ино-
гда она оказывается недостаточно полной при от-
рицательных температурах испытаний, но в лю-
бом случае способствующей повышению вязких
свойств металла сварного соединения.
Выводы
Разработана базовая технология Ксо утолщен-
ных корневых швов неповоротных стыков толсто-
стенных труб диаметром 219...325 мм с толщиной
стенки более 20 мм из углеродистой и высоко-
прочной стали.
определены оптимальные геометрические раз-
меры разделки кромок торцов при Ксо толсто-
стенных труб.
определены оптимальные параметры режимов
Ксо корневых швов толстостенных труб.
проведены всесторонние механические испы-
тания корневых швов и комбинированных соеди-
нений, свидетельствующие о их равнопрочности с
металлом труб.
Установлено положительное влияние теплов-
ложения при заполнении разделки шва ЭДс на
вязкие свойства металла корневого шва, выпол-
ненного Ксо.
определены энергетические показатели обору-
дования, необходимого для Ксо корневых швов
Рис. 7. образцы комбинированных соединений: макрошлиф
(а), после испытаний образцов на разрыв (б) и загиб (в)
Рис. 8. Распределение температуры в корне шва при заполне-
нии разделки ЭДс
10 10/2015
толщиной 6…12 мм с использованием имеющего-
ся парка машин для контактной сварки оплавле-
нием труб.
1. Формирование технических требований к сварным сое-
динениям газопроводов из высокопрочных сталей при-
менительно к мг бованенково-Ухта / е.м. вышемир-
ский, в.и. беспалов, Д.г. будревич, а.а. латышев // сб.
докл. III междунар. науч.-техн. конф. «газотранспорт-
ные системы: настоящее и будущее», 27–28 окт. 2009 г.
– с. 312–321.
2. Козлов В.В. организация и проведение мероприятий по
обеспечению качества сварочных работ при строитель-
стве системы магистрального трубопровода сахалин–
хабаровск–владивосток: сб. докл. отраслевого совеща-
ния оао «газпром». – ооо «газпромэкспо». – м.: 15–19
ноября, 2010 г. – с. 108–112.
3. СТО Газпром. инструкция по сварке магистральных тру-
бопроводов с рабочим давлением до 9,8 мпа. – введ.
22.09.2007.
4. Патон Б.Е., Лебедев В.К., Кучук-Яценко С.И. Комплекс
«север – 1» для контактной стыковой сварки неповорот-
ных стыков труб больших диаметров // автомат. сварка.
– 1979. – № 11. – с. 41–45.
5. Мазур И.И., Серафин О.М., Карпенко М.П. Электрокон-
тактная сварка трубопроводов: пути совершенствования
// стр-во трубопроводов. – 1989. – № 4. – с. 8–11.
6. Пат. 222998 РФ. способ сварки труб при изготовлении
трубопроводов / в.и. хоменко, с.и. Кучук-яценко, б.и.
Казымов, в.Ф. загадарчук, К.п. биковец. – опубл. 27. 02.
2003 г., б. № 14.
7. Кучук-Яценко С.И. Контактная стыковая сварка оплавле-
нием. – Киев: наук. думка, 1992. – 236 с.
8. API Standart 1104. Welding of Pipelines and Related Factili-
ties ASME Boiler and Pressure Vessel, 19ed, 1999.
9. Ускоренная индукционная термообработка сварных
швов труб из сталей контролируемой прокатки / а.с.
письменный, м.е. Шинлов, с.и.Кучук-яценко и др. //
автомат. сварка. – 2006. – № 3. – с. 9–13.
10. Технология термической обработки соединений труб из
стали класса прочности К56, выполненных контактной
стыковой сваркой оплавлением // с.и. Кучук-яценко,
Ю.в. Швец, в.Ф. загадарчук и др. / там же. – 2013. –
№ 2. – с. 3–8.
11. Особенности испытаний на ударную вязкость сварных
соединений труб, выполненных контактной стыковой
сваркой оплавлением / с.и. Кучук-яценко, в.и. Кирьян,
б.и. Казымов и др. // там же. – 2008. – № 10. – с. 5–11.
12. Кирьян В.И., Кучук-Яценко С.И., Казымов Б.И. о требо-
ваниях к ударной вязкости соединений трубопроводов,
выполненных контактной стыковой сваркой оплавле-
нием // там же. – 2015. – № 2. – с. 3–7.
13. Кирьян В.И., Семенов С.Е. оценка соответствия целево-
му назначению сварных соединений магистральных тру-
бопроводов из микролегированных сталей // там же. –
1995. – № 3. – с. 4–9.
14. К методологии контроля соответствия назначению свар-
ных соединений трубопроводов, полученных контактной
сваркой оплавлением / с.и. Кучук-яценко, в.и. Кирьян,
б.и. Казымов, в.и. хоменко // там же. – 2006. – № 10. –
с. 3–9.
поступила в редакцию 01.07.2015
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-113247 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:04:03Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кучук-Яценко, С.И. Казымов, Б.И. Загадарчук, В.Ф. Дидковский, А.В. 2017-02-04T20:12:10Z 2017-02-04T20:12:10Z 2015 Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей / С.И. Кучук-Яценко, Б.И. Казымов, В.Ф. Загадарчук, А.В. Дидковский // Автоматическая сварка. — 2015. — № 10 (746). — С. 3-10. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113247 621.791:621.643.411 Современные трубопроводные системы рассчитаны на высокие рабочие давления. При строительстве таких систем применяют трубы с толщиной стенки до 40 мм. Для соединения таких труб разрабатываются новые более эффективные методы, в том числе комбинированные. Технология комбинированной сварки предусматривает сварку корневого и заполняющих швов различными методами. Для повышения темпов строительства и качества сварки предлагается корневой шов сваривать контактной сваркой оплавлением, а заполняющие слои электродуговой автоматической сваркой. Целью настоящей работы является исследование особенностей формирования соединений, выполненных контактной сваркой оплавлением корневых швов при сварке труб с толщиной более 20 мм с различной разлелкой кромок, а также исследование качества соединений корневых швов и комбинированных соединений. Проведено исследование влияния разделки кромок на процесс сварки и формирование соединения в условиях повышенного отвода тепла из зоны сварки при оплавлении. Разработана технология контактной сварки корневых швов неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей, совмещенная с электродуговой сваркой. Определены оптимальные параметры режимов контактной сварки оплавлением при различной толщине выступов разделки корневых швов. Установлен уровень влияния электродуговой сварки на свойства корневых швов, в том числе на повышение вязких свойств сварных соединений. Проведены всесторонние механические испытания соединений корневых швов, выполненных контактной сваркой оплавлением и в сочетании с электродуговой сваркой, свидетельствующие о практической их равнопрочности с основным металлом. Такой комбинированный процесс позволит значительно упростить и ускорить процесс сборки и сварки корневого шва, который предопределяет производительность всего процесса сварки неповоротных стыков. При этом обеспечивается высокая надежность качества корневых швов и всего соединения. The modern pipeline systems are designed for high operating pressures. During construction of such systems the pipes with wall thickness of up to 40 mm are applied. For joining of such pipes the new more effective methods are developed, including the combined ones. The combined technology envisages the welding of root and filling welds using different methods. To increase the rates of construction and quality of welding it is offered to weld the root using flash-butt welding (FBW), and the filling layers must be produced using automatic electric arc welding. The aim of this work is to study the features of formation of joints produced using FBW of root welds in pipes with thickness of more than 20 mm with different edge preparation and to investigate the quality of joints of root welds and combined joints. The influence of edge groove on the welding process and formation of joints under the conditions of increased heat removal from welding zone during flashing was investigated. The technology of FBW of root welds of the position butts of thick-walled pipes of high-strength steels, combined with electric arc welding, was developed. The optimum FBW parameters at different thickness of projections of root weld groove were determined. The level of influence of electric arc welding on the properties of root welds was established, including the improvement of ductile properties of welded joints. The comprehensive mechanical tests of joints of root welds produced using FBW and the combined arc-welded joints were carried out indicating their practical equal strength with the base metal. Such a combined process will allow a great simplification and acceleration of the process of assembly and welding of the root weld, which predetermines the productivity of the whole process of the position butt welding. This ensures the high reliability and quality of root welds of the joint. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей Development of technology of combined joining of position butts of thick-walled pipes of high-strength steels Article published earlier |
| spellingShingle | Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей Кучук-Яценко, С.И. Казымов, Б.И. Загадарчук, В.Ф. Дидковский, А.В. Научно-технический раздел |
| title | Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей |
| title_alt | Development of technology of combined joining of position butts of thick-walled pipes of high-strength steels |
| title_full | Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей |
| title_fullStr | Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей |
| title_full_unstemmed | Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей |
| title_short | Разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей |
| title_sort | разработка технологии комбинированного соединения неповоротных стыков толстостенных труб из высокопрочных сталей |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113247 |
| work_keys_str_mv | AT kučukâcenkosi razrabotkatehnologiikombinirovannogosoedineniânepovorotnyhstykovtolstostennyhtrubizvysokopročnyhstalei AT kazymovbi razrabotkatehnologiikombinirovannogosoedineniânepovorotnyhstykovtolstostennyhtrubizvysokopročnyhstalei AT zagadarčukvf razrabotkatehnologiikombinirovannogosoedineniânepovorotnyhstykovtolstostennyhtrubizvysokopročnyhstalei AT didkovskiiav razrabotkatehnologiikombinirovannogosoedineniânepovorotnyhstykovtolstostennyhtrubizvysokopročnyhstalei AT kučukâcenkosi developmentoftechnologyofcombinedjoiningofpositionbuttsofthickwalledpipesofhighstrengthsteels AT kazymovbi developmentoftechnologyofcombinedjoiningofpositionbuttsofthickwalledpipesofhighstrengthsteels AT zagadarčukvf developmentoftechnologyofcombinedjoiningofpositionbuttsofthickwalledpipesofhighstrengthsteels AT didkovskiiav developmentoftechnologyofcombinedjoiningofpositionbuttsofthickwalledpipesofhighstrengthsteels |