Технологические и металлургические принципы создания электродов основного вида для сварки металлоконструкций нефтегазовых объектов

Ответственные металлоконструкции нефтегазовых объектов, в частности, магистральные и промысловые нефте-и газопроводы, применяемые дня добычи и транспортировки нефти и газа, зачастую работают в экстремальных климатических и ириродно-геологических условиях, контактируя с коррозионно-агрессивными продуктамиих разрушение сопровождается крупными материальными и экологическими потерями. Поскольку основу трубопроводного строительства составляют сварочно-монтажные работы, в значительной степени определяющие надежность сооружаемых объектов, то в реальных трубопроводных конструкциях появление трещины наиболее часто обусловлено напитаем сварочных соединений. Поэтому к качеству сварки при строительстве таких объектов предъявляются очень высокие требования. Кроме того, в значительной мере срок службы трубопроводов, эксплуатируемых в коррозионно-активных зонах нефтегазовых месторождений, определяется коррозионной стойкостью сварных швов и соединений Такие дефекты, как непровары, подрезы, шлаковые и неметаллические включения и пустоты в сварном шве обуславливают зарождение микротрещии и их интенсивное развитие вплоть до разрушения, что в конечном итоге приводит к аварийным утечкам продукта.

Учитывая, что металлоконструкции нефтегазовых объектов являются достаточно металлоемкими и технически сложными сооружениями, проблема повышения их ресурса и эксплуатационной надежности является весьма актуальной.

Основным способом сварки неповоротных стыков трубопроводов при соединении секции или отдельных труб в непрерывную нитку, а также при проведении ремонтных работ на трубопроводах, газгольдерах, нефтехранилищах и других объектах в настоящее время остается ручная дуговая сварка покрытыми электродами.

Большой удельный вес ручной дуговой сварки штучными электродами среди других сварочных процессов объясняется универсальностью, маневренностью, простотой оборудования, возможностью сварки в груднодостугшых местах в условиях монтажа.

Рост объемов производства сварных металлоконструкций нефтегазовых объектов, в том числе нефтегазопроводов, эксплуатируемых в условиях Западной Сибири, непрерывно повышает спрос на электроды с покрытием основного вида, обеспечивающие наиболее высокие механические характеристики металла шва и сварных соединений. В тоже время качество сварных швов при использовании наиболее распространенных марок электродов с покрытием основного вида зачастую уже не удовлетворяет предъявляемым к ним все возрастающим требованиям. Кш показывает практика, качество сварных соединений во многом зависит от характер* переноса металла и стабильности горения дуги, являющихся важными показателям! сварочно-технологических свойств электродов с покрытием основного вида.

Выпускаемые в настоящее время нромьшшенностью электроды с покрытием основного вида (УОНИ-13/55, ДСК-50, СМ-11, АНО-11, СК-2−50, ВСФ-65, ВСФ-50 К-5А, ОК46.00, Шварц ЗК, Гарант и лр.) по своим характеристикам не полностьк удовлетворяют современным требованиям. Наиболее существенными недостатками указанных электродов. являются крупнокапельный перенос электродного металла и низкая стабильность горения дуги, неблагоприятные последствия которых особенно заметны при сварке в монтажных условиях. Так, например, крупнокапельный перенос затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положениях, способствует «примерзанию» электрода к изделию, что сопровождается образованием дефектов в металле шва. Опасаясь «примерзания» электрода, сварщики вынуждены удлинять дугу, что приводит к появлению пор в металле шва.

Нестабильное горение дуги при сварке электродами с покрытием основного вида на переменном токе может сопровождаться ее «обрывами» и необходимостью возобновлять сварку повторно, что приводит к образованию, так называемых, «стартовых» пор, н епр ошв о дительиым затратам рабочего времени. Низкая стабильность горения дуги затрудняет использование электродов основного вида для сварки переменным током.

Указанные недостатки серьезно ограничивают применение электродов основного вида при сварке на монтаже в трассовых условиях.

Прищипиалъно важным является то, что требуемая эксплуатационная надежность монтажных стыков нефтегазопроводов обеспечивается благодаря высокому качеству корневых швов. В настоящее время в пршсгике сварки покрытыми электродами монтажных стыков конкурируют две тенденции.

Первая базируется на традиционной сварке корневого слоя целлюлозными электродами, когда высокая производительность достигается путем применения техники сварки «на спуск», которую допускают эти электрода. Остальные слои, в том числе и облицовочные, выполняются фтористокалыщевыми электродами соответствующего класса прочности. Вторая тенденция основывается на использовании фтористокштьциевых электродов как для заполняющих, так и для сварки корневых слоев. Низкое содержание водорода в ншшавленном металле, высокая его пластичность и стойкость против кристаллизационных трещин гарш пируют требуемое качество корневого слоя, позволяют на 100 °C снизить температуру предварительного подогрева и отказаться от выполнения «горячего» прохода, что особенно важно для северных районов России. Центратор может переводиться на новую позицию фазу после завершения корневого слоя и за счет этого общая производительность сварки монтажных стыков практически сохраняется на нужном уровне, даже если корневой слой сваривается менее производительным способом «наподъем» .

Учитывая, что сварочные работы при ремонте трубопроводов, в связи с особыми условиями их выполнения, обычно включают приемы и операции, направленные на: снижение остаточных напряжений, обеспечение полного провара свариваемых кромок (в некоторых случаях провар изнутри невозможен), повьцпеше деформационной способности металла шва, поэтому важно, чтобы сварочно-технологические свойства электродов обеспечивали высокое качество и уровень вязко-пластических свойств металла шва.

Известно, что уложенные в землю грубы подвергаются действию почвенной коррозии, температурных напряжений и напряжений от осадки грунта, вследствие чего при эксплуатации происходят их повреждение, разрывы монтажных и заводских сварных швов, а также основного металла труб. Каждое такое повреждение может привести к значительным потерям газа, нефти и др. продуктов. Поэтому трубопровод может работать только при систематическом и своевременном его ремонте.

При ремонтных работах нефтегазопроводов вваривают новые участки из нескольких плетей, отдельные плети и трубы, катушки, заваривают каверны и свищи в теле трубы, в кольцевых монтажных и продольных заводских сварных швах, вваривают заплаты, заваривают трещины.

Ремонт трубопроводов путем вварки заплат, заварки: трещин и каверн в теле трубы и сварных швах во многом отличается от работ, выполняемых при сварке монтажных стыков трубопроводов, что требует повышенного качества сварочно восстановительных работ.

Как показали результаты комплексных исследований, проведенных в трассовых условиях строительства и ремонта нефте-и газопроводов, используемые электроды отечественного производства с основным покрытием (например, марок УОНИ-13/55, ВСФС-50 и др.), а также большинство зарубежных электродов (марок Гарант, Щварц-ЗК, (Ж" 46.00 и: др.), применяемых, при сварке трубных стыков, кроме электродов ЬВ-521.1 (Япония), не обеспечивают стабильного формирования «обратного» валика корневого шва. Особенно важным является обеспечение качественного провара корня шва и формирование «обратного» валика внутри трубы, чтобы исключить необходимость подварки шва изнутри. Именно этому следует уделять главное внимание при разработке новых электродов для сварки и ремонта нефтегазопроводов.

Качество сварных соединений связано в значительной мере с характеристиками электродов, содержанием газов, растворяемых в металле и находящихся в виде неметалических включений. Проюводитстносгь сварки зависти от энергетических характеристик дуги, определяемых составом покрытия (шлака), режима сварки, параметров переноса расплавленного металла и других факторов.

Для установления количественных характеристик этих процессов необходимо знать кинетику и тепловые условия в зоне сварки. Поэтому изучались особенности плавления и переноса электродного металла и стабильности горения душ, процессы теплообмена между дугой и расплавленным металлом на горце электрода, проанализировано влияние тешюфизичееких характеристик элсжтродных материалов и газовой атмосферы, электрических параметров на частоту переноса капель и их массу.

В последние годы некоторые материалы, используемые для изготовления электродов с основным покрытием, по ряду причин относятся к числу остродефивдгп-вых. Это слюда-мусковит, синтетическая слюда, волоютстьш титан калия, применяемые в качестве шхастифшсаторов обмазочных масс, полевой и плавиковый шпаты как основные шлакообразуюшие компоненты покрытия и др. Нехватка сырьевых материалов тормозит дальнейший рост производства прогрессивных марок электродов и приводит к необходимости применения различных заменителей.

Необходим поиск новых, дешевых и относительно широко распространенных материалов, пригодных для использования в качестве пластификаторов и шлакообразующих. компонентов.

Одним из методов улучшения качества и повышения механических свойств наплавленного металла является введение в него микродобавок легирующих, элементов-модификаторов, например, щелочнои редкоземельных элементов или их соединений. Эффективность влияния таких микродобавок связана с изменением морфологии, распределения и дисперсности структурных составляющих металла, а также состава и состояния границ зерен.

Эффективность влияния способа микролегировш-гая на сварочио-технологические свойства электродов и вязко-пластические характеристики металла шва, особенно при минусовых температурах, до настоящего времени не была изучена.

Исследование и разработка указанных выше направлений позволит реализовать научные и технические решения в создании новых универсальных электродов с улучшенными сварочно-техволо1'ическими свойствами и высокими вязкошгастическими и коррозионными характерисгаками металла шва и технологических приемов сварки корневых швов мюитажных. стыков трубопроводов в трассовых условиях.

Цель и. задачи работы. Целью настоящей диссертации является разработка принципов совершенствования и повышения эффективности ручной электродуговой сварки и качества сварных соединений металлоконструкций нефтегазовых объектов в условиях Западной Сибири на основе ранении следующих важных научно практических задач:

1. Разработка шхшштических методов, аппаратуры и критериев количественной оценки и оптимизации свароздю-технологических свойств электродов, феноменологических моделей и табяишю-аншшхических методов выбора технологических параметров сварки металлоконструкций нефтегазовых, объектов в полевых условиях.

2. Установление закономерностей влияния состава покрытия (шлака), коэффициента массы и эксцентриситета покрытия, режима сварки, положения шва в пространстве, типа связующего на перенос расплавленного металла, и стабильность горения дугиразработка моделей и средств управления составом покрытая, обеспечивающим высокие сварочпо-технологагаеские свойства электродов в широком диапазоне режимов сварки в монтажных условиях.

3. Выявление взаимосвязи между длительностью коротких замыканий и характером переноса электродного металла. Разработка расчетно-экспериментального метода определения кинетических параметров переноса электродного металла.

4. Исследование и разработка рекомендаций по оптимизации химического и структурного состава металла шва, и способов реализации, обеспечивающими высокие вязко-плшяические характеристики сварных, гавов хладостойких, сталей яри отрицательных температурах (до -60°С).

5. Разработка комплексных методов повышения коррозионной стойкости сварных соединений и основного металла нефтегазопроводов и их практическая проверка в условиях Западной Сибири.

6. Изыскание новых сырьевых материалов и способов их гфименения в качестве пластификаторов, шлакообразующих и модифшщруюгцих добавок в электродном покрытии, улучшающих технологию изготовления и повышающих, сварочно-технологачесасие свойства электродовобеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики наплавленного металла. Разработка новых марок электродов с покрытием основного вида, проведение их ишыташш, опытно-промышлешюй проверки и внедрение на объектах нефтегазовой промьшшенности.

Научная.новизна.работы заключается в комплексе теоретических и экспериментальных исследований, разработке технологических и метшвхургических принципов создания новых универсальных электродов с улучшенными сварочно-технологическими свойствами и высокими вязко-пластическими и коррозионными характеристиками наплавленного металла, в частости:

1. Разработаны аппаратура и методика количественной оценки характера переноса расплавленного металла и стабильности горения душ переменного тока при сварке покрытыми электродами, основанная на статистическом анализе изменений электрофизических параметров сварочного контура, с использованием измерительно-аналитической системы АНП-1 и ЭВМ. В качестве основного критерия оценки характера переноса электродного металла предложено использовать длительность коротких замыканий хк з (мс), а стабильности горения дуги — показатель Вз (Ом1 с1), характеризующий среднюю скорость нарастания проводимости в межэлектродном промежутке в преддуговой период.

2. Установлено, что количественная взаимосвязь размеров (массы) электродных капель и длительности коротких замыканий (Е>к, Мк и то) при сварке покрытыми электродами описывается уравнениями регрессии первого и третьего порядка:

Вк=(0.11.0.20) ткз (мм) и Мк=(0.14.0.33) х 104×3к.з (г), где тк. з в мс. На основе установленных, зависимостей, являющихся статистической моделью процесса переноса электродного металла с короткими замыканиями, разработан расчетно-экспериментальный метод определения кинетики переноса, размеров, массы и количества переходящих капель и их распределения.

3. Выявленные взаимосвязи критериев то и Вз с параметрами режима сварки и состава шлака позволяют прогнозировать и регулировать процессы плавления электрода, переноса металла и стабильного горения дуги переменного тока при сварке в монтажных условиях.

4. Разработана концепция создания универсальных электродов с улучшенными сварочно-технологическими свойствами, в основу которой положены принципы выбора оптимального содержания и соотношения основных газошлакообразугощих компонентов (СаСОз, СаО, СаР?., 8102, ПО?.) фтористокалыдаевого покрытия с учетом изменений его коэффициента массы и эксцентриситета, состоящие в необходимости получения мелкокапельного переноса металла (то ^ 12.14мс, 1св=110А), стабильного горения дуга (Вз > 130. 140 Ом-1 с1, 1св=160А) при сохранении высоких г технологических свойств электродов (незначительное разбрызгивание металла ¿-нб=1." 3%, легкая отделимость шлаковой корки Ауд=4.6×103 Дм/м2, качественное формирование металла шва) при сварке в различных пространственных положениях и переменном монтажном зазоре (от 0 до 5.7мм). Этим требованиям удовлетворяют шлаки, в которых (SiC>-.+Ti02)=25.35%, a CaF2/S (CaO+CaF2)=0.30.0.45- причем СаРв шлаке составляет 20.25% при его основном Косн=1.2.1.4. Эти композиции реализуются при соотношении «мрамор-плавиковый шпат» в покрытии, равном 1.3.2.0, и содержании плавикового шпата не более 20.25% при коэффициенте массы покрытая 55.60% и его эксцентриситете 0.05.0.10мм.

5. Установлено, что для сварки на переменном токе высокая стабильность горения дуги (Вз > 130.140 Ом 'с1, 1св=160А) и высокие технологические свойства электродов обеспечиваются при содержании в яокрытии основных газошлакообразующих компонентов: 20.40% СаСОз, 5.25% СаРг, 5.10%Si02, шш TI02, поскольку активными дестабшшзаторами дуга являются пары SIF4, TIF4 и СаРг, при этом стабильность горения душ возрастает:

1) с изменением диаметра электрода от 3 до 5 мм и при сохранении коэффициента массы покрытия в пределах 50.60%;

2) с изменением плотности тока от 11.1 до 15.9А/мм2, эксцентриситет покрытия должен быть <0.05.0.10мм, так как его увеличение с 0.10 до 0.3мм увеличивает тк. з в 1.3.3.0 paja и снижает Вз в 1.3.2.0 раза.

6. Установлена последовательность влияния оксидов щелочных металлов при их равной концентрации на улучшение характера переноса электродного метшша: LbONa?() — К-0- Cs?0, что позволило установить оптимальное содержание и рекомендовать их применение в электродных покрытиях.

7. Установлено, что комплексные лигатуры, содержащие РЗМ, Zr, Ва модификаторы, во фтористокальциевых. покрытиях обеспечивают ударную вязкость (KCV) металла шва со 100 до 180 Дж/см2 при t=+20°C и от 40 до 80 Дж/см2 при t= -40°С благодаря снижению в 1.5.2 раза содержания водорода и кислорода в наплавленном металле при одновременном повышении содержания азота в 1.2 раза, увеличении ткз в 1.5.2 раза и в 2.3 раза. Определено, что оптимальным является содержание в покрытии модифицирующих комплексных лигатур в пределах 1.2% при их дисперсности 0.2. 0. Зм м.

8. Установлено, что для повышения коррозионной стойкости отечественных и зарубежных низкоуглеродистых и низколегированных сталей, используемых доя производства нефтегазопроводов, необходима термообработка или мшсролегирование.

РЗМ и ЩЗМ. Определены оптимальные концентрации микролегировшшя низколегированных трубных сталей (в %): Се 0.01.0.03- У 0.01.0.025- Ва 0.007.0.015- Са 0.001.0.0025- '/л- 0.02.0.004 и металла сварных швов нефтегазопроводов (в %): Се 0.01.0.02- У 0.015.0.022- Ва 0.0014.0.0025- Са 0.0012.0.0020- 7, г 0.031.0.044. Это повышает трещиностойкость и вязко-пластические характеристаки стали и сварных соединений путем измельчения, зерен аустенита и. бейвига, очищения их границ, глобуляризации сульфи. дн" ых. соединений Ре и Мп, снижения количества неметаллических, включений при одновременном увеличении их дисперсности и равномерности распределения в структуре Б, Р, Мп и 31.

9. Установлено, что активация пгатинговой электрохимической коррозии сварных. соединений нефтегазопроводов Западной Сибири вызвана сушфятоссгаиавливаюпщми бактериями и локализуется в их застойных зонах с зарождением микротрещин, вызывающих сульфидное растрескивание в зоне термического воздействия сварного соединения и развитием его по границам зерен вплоть до разрушения конструкции.

10. Установлено, что наиболее высокие и стабильные значения ударной вязкости (59.70 Дж/см2 при 1= -60°С) и характеристик сопротивляемости развитию трещин (К|с=76.6.87.6 МПа х. мши 6с=0.21.0.30мм при 1= -70°С) металла шва хладостойких сталей достигаются при концентрации никеля в нем от 1.6 до 2.2%, которая реализуется введением в электродное покрытие никелевого порошка в количестве 3.4%. Определен оптимальный химический состав наплавленного металла, обеспечивающий получение мелкозернистой структуры, содержащей незначительное количество иемсталических включений глобулярной формы (в %): С < 0.10, 0.20.0.40- Мп 0.80.Л.20- N1 1.6.2.2: 8, Р<0.025, реализуемый оптимальным содержанием и соотношением ферросплавов в электродном покрытии: РеМп 4.5%, РеБг 5.8%, Ре’П 7.10%, Ре’П: Ре81: РеМп=2:1.5:1.

11. Показано, что выявленные закономерности изменения и взаимосвязк технологических характеристик электродов и сварочной дуги с химическим составом электродных покрытий и гозошлаковой системы сварочных ванн, позволяют оптимизировать состав и повышать качество сварочных, электродов и обеспечивал получение качественных сварных соединений нефтегазо! гроводов в трассовых условия? Западной Сибири. Разработана серия марок электродов АНО-25, АНО-26, АН. О-27 е АН’О-28 для сварки и ремонта ответственных металлоконструкций нефтегазовы? объекгов, обладающих. улучшенными свар очно-технологическими свойствами V высокими вязко-пластическими и коррозионными характеристиками иаплавленногс металла.

Электроды успешно прошли опытно-промышленные испытания в АО «Уралхиммаш», «Уралмаш», «Ншшевартовскнефтега}» и др., организовано их. применение в производстве нефтегазовых, объектов. Разработаны электроды марки АНО-Т и АНО-ТМ для сварки и ремонта монтажных стыков трубопроводов, обеспечивающие формирование «обратного валика» при сварке корня шва в потолочном' положении без последующей подварки изнутри трубы. Электроды АНО-ТМ применяются на монтаже при сварке и ремонте неповоротных стыков трубопроводов нефтегазовых нредориятий ОАО «Нижневартовскнефгегаз» и «Сибнефтегазпереработка». Электроды АНО-25, АНО-26, АНО-27 аттестованы Межцунвдодньм научно-техническим центром сертификации «СЕПРОЗ», а электроды АНО-ТМ, «роме этого, аттестованы Международной страховой компанией «Ллойда» и Морским Регистром РФ.

На защиту вьшосятся. следующие положения:

1. Методика и критерии количественной оценки характера переноса электродного металла и стабильности горения дуги переменного тока с использованием информационно-измеритехшиой системы «Анализатор нестационарных процессов АНГ1−1» и ЭВМ. Методика определения количественной взаимосвязи между длительностью коротких замыканий хк. з, размером и массой электродных капель, переходящих через дуговой промежуток. Методика и аппаратура фиксации диффузионно-подвижного водорода в расплавленных каплях в зависимости от их гранулометрического состава.

2. Результаты анализа, расчета и оптимизации состава электродных покрытий, обеспечивающих задшшьш состав газошлаковой системы в зоне сварки, заданный состав и требуемое качество металла шва, и позволяющих прогнозировать и регулировать в широком диапазоне технологические характерисшки сварочных электродов, процессов переноса металла и стабильности горения сварочной дух и.

3. Результаты исследования коррозионной стойкости сварных соединений «основного металла при легировании их микродобавками РЗМ, ЩЗМ и Zr. Новые сведегтя: о причинах и механизмах локальной коррозии З’ГВ сварных соединение нефтегазопроводово совместном влиянии серы и водорода на трещииостойкосп металла сварных швов трубопроводов.

4. Новые данные по целесообразности использования новых сыръевьо материалов — волластонита, биотита и борной кислоты в электродном покрытии «качестве пластификаторов, а также комплексных лигатур, содержащих Ва, РЗМ и Zr, i качестве модифицирующих добавок взамен ферросплавов. io.

5. Результаты исследования и оптимизации химического состава металла швов хладостойких сталей, легированных никелем, вводимым в электродное покрытие.

6. Результаты разработки серии универсальных электродов с покрытием основного вида марок АНО-25, АНО-26, АНО-27, АНО-28, АНО-Т и АНО-ТМ, и их огштно-промьшгаенных испытаний и внедрения при сварке и ремонте ответственных металлоконструкций неф тегазовых объектов.

Практическая ценность. Результаты исследований и предложенные решения послужили научной основой создания эффективных технологических процессов и прогрессивных электродов с покрытием основного вида, обладающих улучшенными сварочно-технологаческими свойствами и высокими вязко-шгастическими и коррозионными характеристиками наплавленного металла и предназначенных для сварки и ремонта на постоянном и переменном токе ответственных м етш ш око нстр укций нефтегазовых объектов, эксплуатируемых в суровых климатических и природно-геологических условиях Западной Сибири и работающих с коррозиошю-шегавными продуктами. Составы покрытий разработанных сварочных электродов (двенадцать марок) защищены авторскими свидетельствами на изобретения, организован вьшуск шести марок (АНО-25, АНО-26, АНО-27, АНО-28, АНО-Т, АНО-ТМ) на заводах-изготовителях, осуществлено их применение на многих, предприятиях, и организациях химической и нефтегазовой промхлштешшети. В частности, сварка и ремонт меташюконструкций на объектах ОАО «Нижневартовскнефтегаз» и его дочерних предприятиях «Белозернефть», «Самотлорнефтъ», «Приобьнефть», «Ниясневартовскнефть» с 1988 года осуществляется, в основном, электродами АНО-Т, АНО-ТМ, АНО-25, АНО-26 и AHO 27.

Разработанная технология сварки корневого шва монтажных негюворотных. стыков трубопроводов в полевых (трассовых) условиях с применением электродов АНО-ТМ, обеспечивает формирование «обратного» валика, что исключает необходимость подварки корневого слоя изнутри трубы. Внедрение разработанных электродов на монтаже позволило повысить надежность и долговечность сварных соединений, снизить брак при сварке монтажных стыков в трассовых условиях, сократить число порывов трубопроводов, снизить затраты на текущий амортизационный ремонт (капитальный) этих конструкций, значительно улучшить экологическую обстановку в районах сооружения нефтегазопроводов, водоводов, трубопроводов газлифтных систем и. иефтскомпрессориых станции. Суммарный экономический эффект от применения разработанных электродов только в ОАО «11ижневартов<�жнефтегаз» и его дочерних предприятий составил более 3000 тыс. руб (в ценах 1998 г.), полученный при монтаже и ремонте промысловых и межпромысловых нефтесборных трубопроводов и водоводов и достигнут за счет сшжешя стоимости электродов, повышения производительности наплавки, увеличения срока службы этих сооружений с 4.5 до 10. 15 лет по сравнению с аналогичными конструкциями, выполненными градационными электродами У ОНИ-13/55. Разработанные расчетно-эксперимеитальные методы используются в отделах главного сварщика и сварочных лабораториях АО «Орловский сталепрокатный завод», «Киевский завод сварочных материалов», «Уралхиммаш», «Уралмаш», «Тюменский СибЭЗ», «НишхевартовсасНИПИнефть» и др. для разработки новых или совфшенствовадшя существующих электродов с учетом конкретных задач и требований, а также для прогнозирования основных, сварочно-технологических свойств электродов и коррозионной стойкости сварных, соединений металлоконструкций нефтегазовых объектов.

Результаты экспериментальных и аналитических исследований положены в основу новой информагдаошго-измерительной системы второго поколения АНП-2, а также котроль-тренажераХК-5000. В составлении технического задания на их изготовление участвовал автор совместно со специалистами ИЭС им. Е. О. Патона и Института ядерных исследований HAH Украины. Приборы АНП-2 и ХК-5000, кроме исследовательских целей, можно использовать для диагностики и контроля качества сварных соединений, сварочных и наплавочных материалов, а также объективной оценки квалификации сварщиков.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, используются в учебных курсах «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов», «Сооружение и ремонт нефтегазовых, объектов», читаемых в Нижневартовском филиале Тюменского государственного нефтегазового университетав лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании, в научно-исследовательской работе студентов специальностей «Проектирование и сооружение нефтег азопроводов и хранилищ», «Эксплуатация и ремонт нефтегазопроводов и хранилищ», «Машины и оборудование нефтегазопромыслов». Материалы диссертации введены в учебные планы Цо теории и технологии сварочных, процессов на факультете «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов». Рекомендации автора внедрены в отраслевые нормативные документы, используемые НшшевартовасНИПИнефть npv проекпфовшши. промыпшенных. баз и нефтегазовых, объектов, в частности, кустовых г дожимных насосных станций (КНС, ДНС), пунктов подготовки нефти (ППИ) нефтесборных сетей и др. при обустройстве и реконструкции Самотлорскстч месторождения.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертациошюй работы доведены до сведения научной общественности и инженфно-технических работников, полно и своевременно опубликованы в академических, отраслевых и научных журналах и сборниках организаций, признаваемых Высшей аттестационной комиссией.

По материалам дассергации издана 1 монография, опубликована 61 работа, получено 12 авторских свидетельств, из них 6 применены на производстве. Результаты работы и ее разделы: докладывались на 14 Международних и отраслевых научных семинарах., конференциях и совещаниях в 1978.1997гт. Работав целом обсуждалась на семинаре кафедры «Технология и оборудование сварочного производства» Черниговского технологического института (1996г.- 19.97г.), ИЭС им. Е. О. Патона (1997г.), факультета «Сооружение а. ремонт нефтегазовых объектов» Тюменского ГИГУ (1996г.- 1997 г.), на технических советах ОАО «Нижневартовскнефтегаз» (1994г.- 1996 г.) и НижневартовскНЙПИнефть (1995г.), на объединенном семинаре сварочных кафедр УГТИ-УПИ (апрель 1998 г.).

Материалы диссертации отмечались премией Министерства цветной металлургии СССР (1988г.), Министерства нефтяной промышленности СССР (1.990г.), Министерства строительства предприятий нефтяной и газовой промышленности СССР (1989 г.).

Научные исследования по теме дассерт аци о • шо й работы, проведены в соответствии с научно-технической Программой по проблеме 0.73.01 на ?986−19 911 г. (Постановление ГКН’Г и Госплана («ССР на 30 октября 1985 г., задание 03.02.02Т «Повышение качества и долговечности сварных соединений металлических трубопроводов»), а также в соответствии с планом ПИР Координационного совета по сварке и Межвузовских программ «Сварочные процессы» и «Сварка» .

Автор выражает благодарность академику ПАП Украины И. К. Походне, дроф., д.т.и. Д. И. Котельникову, к.т.н. В. Н. Горпешоку, к.т.н. А. Е. Марченко, к.т.н. В. Е. Пономареву, к.ф.-м.н. Л. А. Тараборкину, к.т.н. А. В. Булату, к.т.н. В. Ю. Чернову, преподавателям и сотрудникам Нижневартовского филиала Тюменского государственного нефтегазового университета, оказавшим большую помощь в процессе проведения исследований, обобщении полученных результатов и подготовке рукописных материалов диссертации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработаны аппаратура и методика количественной оценки характера переноса расплавленного металла и стабильности горения дуги переменного тока при сварке покрытыми электродами, основанная на статистическом анализе изменений электрофизических параметров сварочного контура, с использованием измерительно-аналитической системы АНП-1 и ЭВМ.

2. Установлено, что количественная взаимосвязь размеров (массы) электродных капель и длительности коротких замыканий Мк и тк. з) при сварке покрытыми электродами описывается уравнениями регрессии первого и третьего порядка: Эк=(0.11.0.20) х тк.3 (мм) и Мк=(0.14.0.33) х 10~4т3к.3(г), где тк.3 в мс. На основе установленных зависимостей, являющихся статистической моделью процесса переноса электродного металла с короткими замыканиями, разработан расчетно-экспериментальный метод определения кинетики переноса, размеров, массы и количества переходящих капель и их распределения.

3. Установлены количественные взаимосвязи критериев тк. з и Вз с параметрами режима сварки и состава шлака, позволяющие прогнозировать и регулировать процессы переноса электродного металла и стабильности горения дуги переменного тока при сварке в монтажных условиях.

4. Разработана концепция создания универсальных электродов с улучшенными сварочно-технологическими свойствами, в основу которой положены принципы выбора оптимального содержания и соотношения основных газошлакообразующих компонентов (СаС03, СаО, СаБ2, 8Ю2, ТЮ2) фтористокальциевого покрытия с учетом изменений его коэффициента массы и эксцентриситета, состоящие в необходимости получения мелкокапельного переноса металла (тк.з ^ 12.14мс, 1Св=1ЮА), стабильного горения дуги (Вз > 130.140 Ом" 1 с" 1, 1св=160А) при сохранении высоких технологических свойств электродов (незначительное разбрызгивание металла г/Иь=.3%, легкая.

-* 3 2 отделимость шлаковой корки Ауд=4.о х 10″ Дж/м, качественное формирование металла шва) при сварке в различных пространственных положениях и переменном монтажном зазоре (до 5.7мм). Этим требованиям удовлетворяют шлаки, в которых (8Ю2+ТЮ2)=25.35%, а СаР2/2(СаО+СаР2)=0.30.0.45- причем СаР2 в шлаке составляет 20.25% при его основном Косн^^-.ЛА Эти композиции реализуются при соотношении «мрамор-плавиковый шпат» в покрытии, равном 1.3.2.0, и содержании плавикового шпата не более 20.25% при коэффициенте массы покрытия 55.60% и его эксцентриситете 0.05.0.10мм.

5. Установлено, что для сварки на переменном токе высокая стабильность горения дуги (В3 > 130. 140 Ом^с" 1,1СВ=160А) и высокие технологические свойства электродов обеспечиваются при содержании в покрытии основных газошлакообразующих компонентов: 20.40% СаС03, 5.25% Са¥-2, 5.10%8Ю2, или ТЮ2, поскольку активными дестабилизаторами дуги являются пары 81Р4, Т1Р4 и СаР2, при этом стабильность горения дуги возрастает: с изменением диаметра электрода от 3 до 5 мм и при сохранении коэффициента массы покрытия в пределах 50.60%- л с изменением плотности тока от 11.1 до 15.9А/мм, эксцентриситет покрытия должен быть <0.05.0.10мм, так как его увеличение с 0.10 до 0.3мм увеличивает тк. з в 1.3.3.0 раза и снижает В3 в 1.3.2.0 раза.

6. Установлено, что комплексные лигатуры, содержащие РЗМ, 7л, Вамодификаторы, во фтористо кальциевых покрытиях обеспечивают ударную.

9 П 9 вязкость (КСУ) металла шва со 100 до 180 Дж/см при 1=+20 С и от 40 до 80 Дж/см при 1= -40°С благодаря измельчению микроструктуры, содержащей незначительное количество мелкодисперсных неметаллических включений глобулярной формы, и снижению в 1.5.2 раза содержания водорода и кислорода в наплавленном металле при одновременном повышении содержания азота в 1.2 раза, увеличении ткз в 1.5.2 раза и «4» в 2.3 раза. Определено, что оптимальным является содержание в покрытии модифицирующих комплексных лигатур в пределах 1.2% при их дисперсности 0.2.0.3мм.

7. Установлено, что для повышения коррозионной стойкости отечественных и зарубежных низкоуглеродистых и низколегированных сталей, используемых для производства нефтегазопроводов, необходима термообработка или микролегирование РЗМ и ЩЗМ. Определены оптимальные концентрации микролегирования низколегированных трубных сталей (в %): Се 0.01.0.03- У 0.01.0.025- Ва 0.007.0.015- Са 0.001.0.0025- Ъх 0.02.0.004 и металла сварных швов нефтегазопроводов (в %): Се 0.01.0.02- У 0.015.0.022- Ва 0.0014.0.0025;

Са 0.0012.0.0020- Ъх 0.031.0.044. Это повышает трещиностойкость и вязко-пластические характеристики стали и сварных соединений путем измельчения зерен аустенита и бейнита, очищения их границ, глобуляризации сульфидных соединений Бе и Мп, снижения количества неметаллических включений при одновременном увеличении их дисперсности и равномерности распределения в структуре Б, Р, Мп и 81.

8. Установлено, что активация питтинговой электрохимической коррозии сварных соединений нефтегазопроводов Западной Сибири вызвана сульфатвосстанавливающими бактериями и локализуется в их застойных зонах с зарождением микротрещин, вызывающих сульфидное растрескивание в зоне термического воздействия сварного соединения и развитие его по границам зерен вплоть до разрушения конструкции. Повышению коррозионной и трещиностойкости сварных соединений НГП, эксплуатируемых в коррозионно-агрессивных средах, содержащих СВБ, способствует одновременное снижение содержания в металле серы (не более 0,015.0,020%) и остаточного водорода (не более 2.3 см3/100г).

9. Установлено, что наиболее высокие и стабильные значения ударной вязкости (59.70 Дж/см2 при 1= -60°С) и характеристик сопротивляемости развитию трещин (К1С=76.6.87.6 МПа х м½ и 8С=0.21.0.30мм при г= -70°С) металла шва хладостойких сталей достигаются при концентрации никеля в нем от 1.6 до 2.2%, которая реализуется введением в электродное покрытие никелевого порошка в количестве 3.4%. Определен оптимальный химический состав наплавленного металла, обеспечивающий получение мелкозернистой структуры, содержащей незначительное количество неметаллических включений глобулярной формы (в %): С < 0.10, 0.20.0.40- Мп 0.80. 1.20- № 1.6.2.2- 8, Р<0.025.

10. Предложены математические модели численного прогнозирования коррозионных процессов сварных соединений и основного металла, эксплуатируемых в агрессивных средах под напряжением, которые могут использоваться для инженерных расчетов и прогнозных оценок ресурса службы сварных металлоконструкций нефтегазовых объектов Западной Сибири.

11. Разработана серия марок электродов АНО-25, АНО-26, АНО-27 и АНО-28 для сварки и ремонта ответственных металлоконструкций нефтегазовых объектов, обладающих улучшенными сварочно-технологическими свойствами и высокими вязко-пластическими и коррозионными характеристиками наплавленного металла. Электроды успешно прошли опытно-промышленные испытания в АО «Уралхиммаш», «Уралмаш», «Нижневартовскнефтегаз» и др., организован их выпуск и применение в производстве нефтегазовых объектов. Вышеперечисленные электроды аттестованы Международным научно-техническим центром сертификации «СЕПРОЗ».

12. Разработаны электроды марки АНО-Т и АНО-ТМ и технология сварки и ремонта монтажных стыков трубопроводов, обеспечивающие формирование «обратного валика» при сварке корня шва в потолочном положении без последующей подварки изнутри трубы. Они аттестованы Международной страховой компанией «Ллойда» и Морским Регистром РФ и Международным научно-техническим центром сертификации «СЕПРОЗ». Организовано их производство и применение при монтажной сварке и ремонте неповоротных стыков трубопроводов нефтегазовых предприятий «Нижневартовскнефтегаз», «Сибнефтегазпереработка» и др. Экономический эффект от производства и применения новых электродов составил свыше 3 млн руб. (в ценах 1998 г.).