Помощь студентам в учебе
Исследование и разработка технологического процесса приварки выводов электрохимической защиты на газопроводе
|
Введение 5
1 Причины разрушения магистральных газопроводов 7
1.1 Назначение и классификация трубопроводов 7
1.2 Характеристика газопроводов 8
1.3 Развитие коррозионной защиты 9
1.4 Коррозия и причины ее возникновения 10
1.5 Виды коррозионных процессов 13
1.6 Коррозия в почвенном электролите 16
1.7 Микробиологическая коррозия 17
1.8 Коррозия под действием блуждающих токов 18
2 Способы защиты магистральных газопроводов от
электрохимической коррозии 20
2.1 Антикоррозионная защита 20
2.2 Изоляционные покрытия 20
2.3 Катодная ЭХЗ 22
2.4 Протекторная защита 26
2.5 Дренажная защита 27
3 Критический анализ существующих способов сварки выводов ЭХЗ МГ 30
3.1 Ручная дуговая сварка выводов ЭХЗ 30
3.2 Конденсаторная приварка выводов ЭХЗ 32
3.3 Термитная сварка выводов ЭХЗ 34
3.3.1 Сущность процесса термитной сварки 34
3.3.2 Возникновение и развитие термитной сварки 36
3.3.3 Применение термитной сварки 37
4 Виды контроля катодных вывод ЭХЗ, выполненных термитной
сваркой 44
4.1 Дефекты термитной сварки 44
4.2 Возможные металлургические эффекты основного металла 46
4.3 Образование интерметаллидов в сварном соединении 47
4.4 Микроскопические исследования 50
4.5 Переходное контактное сопротивление сварного соединения 52
5 Проведение эксперимента по приварке выводов ЭХЗ 54
5.1 Технология термитной сварки выводов ЭХЗ с применением
многоразовой тигель-формы в комплекте с термитной смесью 58
5.2 Технология термитной сварки выводов ЭХЗ с применением
разовой тигель-формы 61
5.3 Технология термитной сварки выводов ЭХЗ с применением
многоразовой графитовой оправки в комплекте с паяльно-сварочным стержнем 63
5.4 Технология термитной сварки выводов ЭХЗ с применением
многоразовой тигель-формы в комплекте с термокарандашом 65
5.5 Сварочное оборудование, сварочные материалы и
дополнительная оснастка для выполнения термитной сварки выводов ЭХЗ 72
5.6 Визуальный и измерительный контроль 74
5.7 Радиографический контроль 80
5.8 Микроскопические исследования 85
5.9 Г лубина проплавления 89
5.10 Измерение твердости околошовной зоны 90
5.11 Измерения микротвердости 95
5.12 Элементный состав зоны сплавления 100
5.13 Механические испытания на сдвиг 103
5.14 Контактное электрическое сопротивление 108
Заключение 112
Список используемых источников 114
1 Причины разрушения магистральных газопроводов 7
1.1 Назначение и классификация трубопроводов 7
1.2 Характеристика газопроводов 8
1.3 Развитие коррозионной защиты 9
1.4 Коррозия и причины ее возникновения 10
1.5 Виды коррозионных процессов 13
1.6 Коррозия в почвенном электролите 16
1.7 Микробиологическая коррозия 17
1.8 Коррозия под действием блуждающих токов 18
2 Способы защиты магистральных газопроводов от
электрохимической коррозии 20
2.1 Антикоррозионная защита 20
2.2 Изоляционные покрытия 20
2.3 Катодная ЭХЗ 22
2.4 Протекторная защита 26
2.5 Дренажная защита 27
3 Критический анализ существующих способов сварки выводов ЭХЗ МГ 30
3.1 Ручная дуговая сварка выводов ЭХЗ 30
3.2 Конденсаторная приварка выводов ЭХЗ 32
3.3 Термитная сварка выводов ЭХЗ 34
3.3.1 Сущность процесса термитной сварки 34
3.3.2 Возникновение и развитие термитной сварки 36
3.3.3 Применение термитной сварки 37
4 Виды контроля катодных вывод ЭХЗ, выполненных термитной
сваркой 44
4.1 Дефекты термитной сварки 44
4.2 Возможные металлургические эффекты основного металла 46
4.3 Образование интерметаллидов в сварном соединении 47
4.4 Микроскопические исследования 50
4.5 Переходное контактное сопротивление сварного соединения 52
5 Проведение эксперимента по приварке выводов ЭХЗ 54
5.1 Технология термитной сварки выводов ЭХЗ с применением
многоразовой тигель-формы в комплекте с термитной смесью 58
5.2 Технология термитной сварки выводов ЭХЗ с применением
разовой тигель-формы 61
5.3 Технология термитной сварки выводов ЭХЗ с применением
многоразовой графитовой оправки в комплекте с паяльно-сварочным стержнем 63
5.4 Технология термитной сварки выводов ЭХЗ с применением
многоразовой тигель-формы в комплекте с термокарандашом 65
5.5 Сварочное оборудование, сварочные материалы и
дополнительная оснастка для выполнения термитной сварки выводов ЭХЗ 72
5.6 Визуальный и измерительный контроль 74
5.7 Радиографический контроль 80
5.8 Микроскопические исследования 85
5.9 Г лубина проплавления 89
5.10 Измерение твердости околошовной зоны 90
5.11 Измерения микротвердости 95
5.12 Элементный состав зоны сплавления 100
5.13 Механические испытания на сдвиг 103
5.14 Контактное электрическое сопротивление 108
Заключение 112
Список используемых источников 114
Трубопроводный транспорт - это самый распространенный в мире способ транспортировки жидких, газообразных и сыпучих продуктов. Наибольшее количество эксплуатируемых отечественных трубопроводов - металлические и главной причиной их износа является коррозия, а видов коррозии, множество [1, 2]. Трубопровод, укладываемый в грунт, подвержен почвенной коррозии, а прокладываемый над землей - атмосферной.
К эксплуатируемым трубопроводам предъявляются высокие требования по долговечности и надежности, что определяет необходимость обеспечения их эффективной антикоррозионной защиты (АЗ). На сегодняшний день до 48 % аварий магистральных газопроводов (МГ) в России связано с коррозионными разрушениями [3]. Анализ аварий и несчастных случаев на МГ показывает, что 90 % коррозионных разрушений приходится на сварные соединения вследствие их высокой электрохимической гетерогенности и концентрации напряжений, а также некачественного выполнения сварного шва сварщиком. Таким образом, места приварки выводов АЗ газопроводов являются важной составляющей, от которой зависит их надежность и долговечность [4].
Для защиты МГ от коррозии применяются пассивные и активные методы АЗ. В качестве пассивного используются коррозионностойкие изоляционные покрытия, а к активным методам относится электрохимическая защита (ЭХЗ).
Практика эксплуатации МГ показывает, что даже в качественно выполненном изоляционном покрытии с течением времени ухудшаются диэлектрические свойства, водоустойчивость, адгезия и др. [5, 6]. Также возможны механические повреждения изоляционных покрытий МГ при засыпке в траншее, при их установке на опоры и др. Следовательно, использование только изоляционных покрытий для подземных МГ не гарантирует необходимый уровень АЗ.
На сегодняшний день осуществляется комплексная АЗ подземных газопроводов, а именно изоляционными покрытиями и средствами ЭХЗ.
ЭХЗ должна обеспечивать непрерывную во времени, в течение всего срока эксплуатации газопровода АЗ.
Для защиты МГ от коррозии наиболее подходящим считается катодный метод защиты, при котором к газопроводу привариваются специальные выводы-заземлители ЭХЗ, непосредственно через которые подключается источник внешнего тока, называемый станцией катодной защиты [7].
Надежность ЭХЗ в значительной степени определяется качеством и надежностью присоединения катодных выводов к стенке газопровода.
Наиболее технологически простым и высоконадежным способом присоединения выводов ЭХЗ к МГ является термитная сварка, поскольку она может применяется без прекращения транспорта газа на действующих газопроводах. Термитная сварка применяется с использованием следующего вида оборудования [8]:
- многоразовая тигель-форма с медной термитной смесью;
- многоразовая тигель-форма с термокарандашом;
- многоразовая графитовая оправка с паяльно-сварочным стержнем;
- разовая тигель-форма с медной термитной смесью внутри.
Термитная сварка не лишена недостатков, связанных с жесткими требованиями к содержанию влаги в термитной смеси. Кроме этого, высокая температура термитной сварки приводит к локальному изменению структуры и свойств материала газопровода, что в свою очередь может привести к снижению надежности МГ [9].
Поэтому целью работы является повышение надежности ЭХЗ МГ за счет определения оптимального способа из ныне существующих способов соединения катодных выводов ЭХЗ термитной сваркой, обеспечивающего высокое качество и минимальное изменение структуры и свойств материала трубы.
К эксплуатируемым трубопроводам предъявляются высокие требования по долговечности и надежности, что определяет необходимость обеспечения их эффективной антикоррозионной защиты (АЗ). На сегодняшний день до 48 % аварий магистральных газопроводов (МГ) в России связано с коррозионными разрушениями [3]. Анализ аварий и несчастных случаев на МГ показывает, что 90 % коррозионных разрушений приходится на сварные соединения вследствие их высокой электрохимической гетерогенности и концентрации напряжений, а также некачественного выполнения сварного шва сварщиком. Таким образом, места приварки выводов АЗ газопроводов являются важной составляющей, от которой зависит их надежность и долговечность [4].
Для защиты МГ от коррозии применяются пассивные и активные методы АЗ. В качестве пассивного используются коррозионностойкие изоляционные покрытия, а к активным методам относится электрохимическая защита (ЭХЗ).
Практика эксплуатации МГ показывает, что даже в качественно выполненном изоляционном покрытии с течением времени ухудшаются диэлектрические свойства, водоустойчивость, адгезия и др. [5, 6]. Также возможны механические повреждения изоляционных покрытий МГ при засыпке в траншее, при их установке на опоры и др. Следовательно, использование только изоляционных покрытий для подземных МГ не гарантирует необходимый уровень АЗ.
На сегодняшний день осуществляется комплексная АЗ подземных газопроводов, а именно изоляционными покрытиями и средствами ЭХЗ.
ЭХЗ должна обеспечивать непрерывную во времени, в течение всего срока эксплуатации газопровода АЗ.
Для защиты МГ от коррозии наиболее подходящим считается катодный метод защиты, при котором к газопроводу привариваются специальные выводы-заземлители ЭХЗ, непосредственно через которые подключается источник внешнего тока, называемый станцией катодной защиты [7].
Надежность ЭХЗ в значительной степени определяется качеством и надежностью присоединения катодных выводов к стенке газопровода.
Наиболее технологически простым и высоконадежным способом присоединения выводов ЭХЗ к МГ является термитная сварка, поскольку она может применяется без прекращения транспорта газа на действующих газопроводах. Термитная сварка применяется с использованием следующего вида оборудования [8]:
- многоразовая тигель-форма с медной термитной смесью;
- многоразовая тигель-форма с термокарандашом;
- многоразовая графитовая оправка с паяльно-сварочным стержнем;
- разовая тигель-форма с медной термитной смесью внутри.
Термитная сварка не лишена недостатков, связанных с жесткими требованиями к содержанию влаги в термитной смеси. Кроме этого, высокая температура термитной сварки приводит к локальному изменению структуры и свойств материала газопровода, что в свою очередь может привести к снижению надежности МГ [9].
Поэтому целью работы является повышение надежности ЭХЗ МГ за счет определения оптимального способа из ныне существующих способов соединения катодных выводов ЭХЗ термитной сваркой, обеспечивающего высокое качество и минимальное изменение структуры и свойств материала трубы.
При выполнении данной исследовательской работы проведен критический анализ возможных и применяющихся способов сварки катодных выводов ЭХЗ к МГ.
Установлено, что наиболее технологически простым и высоконадежным способом присоединения катодных выводов ЭХЗ к МГ является термитная сварка.
Приварка катодных выводов ЭХЗ влечет изменение свойств металла околошовной зоны МГ.
Для исследования влияния термитной сварки катодных выводов ЭХЗ на надежность МГ была разработана методика проведения исследований (изучение структуры, микрохимического состава, механических свойств и электрического сопротивления сварных швов), скомпоновано необходимое сварочное оборудование и оснастка.
Термитная сварка производится с использованием четырех из ныне существующих комплектов сварочного оборудования:
- многоразовая тигель-форма с медной термитной смесью;
- многоразовая тигель-форма с термокарандашом;
- многоразовая графитовая оправка с паяльно-сварочным стержнем;
- разовая тигель-форма с медной термитной смесью внутри.
В ходе работы проведен сравнительный анализ существующих способов соединения катодных выводов ЭХЗ термитной сваркой к МГ и даны рекомендации по выбору оптимального способа.
Исходя из всех проведенных исследований в качестве оптимального способа термитной сварки катодных выводов ЭХЗ к МГ предложено применение термитной сварки с использованием термокарандаша в комплекте с многоразовой графитовой тигель-формой. Поскольку данный способ оказывает минимальное влияние на изменение структуры и свойств металла МГ.
Пористость образца К2 примерно одинакового размера и равномерного распределения по всему внешнему диаметру приварки.
В работе сделано предположение, что при термитной сварке на глубину проплавления основного металла влияет температура расплава, зависящая от теплофизических свойств материала тигель-формы. Материалом РТФ является керамика, а МТФ - графит. Керамика обладает более низкой теплопроводностью, по сравнению с графитом, соответственно и воздействие на материал приварки и основной металл будет различным.
Глубина проплавления основного металла образца К2 минимальна из всех исследуемых и составляет 0,80 мм. Твердость по Бринеллю околошовной зоны образца КЗ с применением МТФ (178 ± 12 кгс/см2) меньше, чем для РТФ (198 ± 14 кгс/см2). Наибольшая микротвердость наблюдается в зоне сплавления из-за образования интерметаллидов. По результатам СЭМ это интерметаллиды системы Mn-Fe.
Данный способ показывает хороший результат в ходе исследования механических свойств по прочности на сдвиг. Для образца К2, выполненного с применением МТФ, предел прочности при сдвиге (128 МПа) меньше, чем для Р2 выполненного с применением РТФ (171 МПа), но не сильно уступает.
Данный способ также показал лучшие результаты по электросопротивлению. Поскольку контакты должны иметь наиболее низкое значение электросопротивления, следовательно, наилучшим можно признать соединение КЗ, характеризующееся минимальным электросопротивлением контакта 2,5 ± 1,1 мОм.
На основании проведенных исследований разработан технологический процесс термитной сварки катодных выводов ЭХЗ к МГ с применением многоразовой тигель-формы в комплекте с термокарандашом, который может применяться на практике.
Установлено, что наиболее технологически простым и высоконадежным способом присоединения катодных выводов ЭХЗ к МГ является термитная сварка.
Приварка катодных выводов ЭХЗ влечет изменение свойств металла околошовной зоны МГ.
Для исследования влияния термитной сварки катодных выводов ЭХЗ на надежность МГ была разработана методика проведения исследований (изучение структуры, микрохимического состава, механических свойств и электрического сопротивления сварных швов), скомпоновано необходимое сварочное оборудование и оснастка.
Термитная сварка производится с использованием четырех из ныне существующих комплектов сварочного оборудования:
- многоразовая тигель-форма с медной термитной смесью;
- многоразовая тигель-форма с термокарандашом;
- многоразовая графитовая оправка с паяльно-сварочным стержнем;
- разовая тигель-форма с медной термитной смесью внутри.
В ходе работы проведен сравнительный анализ существующих способов соединения катодных выводов ЭХЗ термитной сваркой к МГ и даны рекомендации по выбору оптимального способа.
Исходя из всех проведенных исследований в качестве оптимального способа термитной сварки катодных выводов ЭХЗ к МГ предложено применение термитной сварки с использованием термокарандаша в комплекте с многоразовой графитовой тигель-формой. Поскольку данный способ оказывает минимальное влияние на изменение структуры и свойств металла МГ.
Пористость образца К2 примерно одинакового размера и равномерного распределения по всему внешнему диаметру приварки.
В работе сделано предположение, что при термитной сварке на глубину проплавления основного металла влияет температура расплава, зависящая от теплофизических свойств материала тигель-формы. Материалом РТФ является керамика, а МТФ - графит. Керамика обладает более низкой теплопроводностью, по сравнению с графитом, соответственно и воздействие на материал приварки и основной металл будет различным.
Глубина проплавления основного металла образца К2 минимальна из всех исследуемых и составляет 0,80 мм. Твердость по Бринеллю околошовной зоны образца КЗ с применением МТФ (178 ± 12 кгс/см2) меньше, чем для РТФ (198 ± 14 кгс/см2). Наибольшая микротвердость наблюдается в зоне сплавления из-за образования интерметаллидов. По результатам СЭМ это интерметаллиды системы Mn-Fe.
Данный способ показывает хороший результат в ходе исследования механических свойств по прочности на сдвиг. Для образца К2, выполненного с применением МТФ, предел прочности при сдвиге (128 МПа) меньше, чем для Р2 выполненного с применением РТФ (171 МПа), но не сильно уступает.
Данный способ также показал лучшие результаты по электросопротивлению. Поскольку контакты должны иметь наиболее низкое значение электросопротивления, следовательно, наилучшим можно признать соединение КЗ, характеризующееся минимальным электросопротивлением контакта 2,5 ± 1,1 мОм.
На основании проведенных исследований разработан технологический процесс термитной сварки катодных выводов ЭХЗ к МГ с применением многоразовой тигель-формы в комплекте с термокарандашом, который может применяться на практике.