Применение электронно-лучевой сварки для повышения качества соединений нефтепроводов
|
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5
1 Анализ способов сварки .......................................................................................... 8
1.1 Ручная электродуговая сварка ....................................................................... 8
1.2 Автоматическая сварка под флюсом .......................................................... 10
1.3 Электрошлаковая сварка .............................................................................. 11
1.4 Плазменная сварка ........................................................................................ 13
1.5 Диффузионная сварка ................................................................................... 15
1.6 Контактная электрическая сварка ............................................................... 15
1.7 Стыковая контактная сварка ........................................................................ 16
1.8 Шовная контактная сварка ........................................................................... 17
1.9 Точечная контактная сварка ........................................................................ 18
1.10 Точечная конденсаторная сварка .............................................................. 20
1.11 Холодная сварка .......................................................................................... 22
1.12 Индукционная сварка ................................................................................. 24
1.13 Электронно-лучевая сварка ....................................................................... 26
1.14 Сравнение методов сварки ......................................................................... 29
1.15 Сварочные напряжения и деформации ..................................................... 32
2 Применение электронно-лучевой сварки для повышения качества сварных
швов. ........................................................................................................................... 34
2.1 Патентно-информационный обзор .............................................................. 41
2.2 Способы ведения ЭЛС .................................................................................. 41
2.3 Получение качественных соединений ........................................................ 49
3 Метод электронно-лучевой сварки для повышения качества соединений
нефтепровода. ............................................................................................................ 53
3.1 Электронная пушка с плазменным катодом. ............................................. 53
3.2 Сварочный генератор.................................................................................... 61
3.3 Сварочный манипулятор. ............................................................................. 68
3.4 Расчет параметров двигателя перемещения. .............................................. 714
3.5 Электронно-лучевая установка в сборе ...................................................... 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Анализ способов сварки .......................................................................................... 8
1.1 Ручная электродуговая сварка ....................................................................... 8
1.2 Автоматическая сварка под флюсом .......................................................... 10
1.3 Электрошлаковая сварка .............................................................................. 11
1.4 Плазменная сварка ........................................................................................ 13
1.5 Диффузионная сварка ................................................................................... 15
1.6 Контактная электрическая сварка ............................................................... 15
1.7 Стыковая контактная сварка ........................................................................ 16
1.8 Шовная контактная сварка ........................................................................... 17
1.9 Точечная контактная сварка ........................................................................ 18
1.10 Точечная конденсаторная сварка .............................................................. 20
1.11 Холодная сварка .......................................................................................... 22
1.12 Индукционная сварка ................................................................................. 24
1.13 Электронно-лучевая сварка ....................................................................... 26
1.14 Сравнение методов сварки ......................................................................... 29
1.15 Сварочные напряжения и деформации ..................................................... 32
2 Применение электронно-лучевой сварки для повышения качества сварных
швов. ........................................................................................................................... 34
2.1 Патентно-информационный обзор .............................................................. 41
2.2 Способы ведения ЭЛС .................................................................................. 41
2.3 Получение качественных соединений ........................................................ 49
3 Метод электронно-лучевой сварки для повышения качества соединений
нефтепровода. ............................................................................................................ 53
3.1 Электронная пушка с плазменным катодом. ............................................. 53
3.2 Сварочный генератор.................................................................................... 61
3.3 Сварочный манипулятор. ............................................................................. 68
3.4 Расчет параметров двигателя перемещения. .............................................. 714
3.5 Электронно-лучевая установка в сборе ...................................................... 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
В наше время стал очень популярен вопрос о повышении качества и
надежности нефтегазового оборудовании в отрасли нефти и газа. На понижение
качества и надежности могут влиять такие факторы как коррозия,
недолговечность, человеческий фактор, агрессивные природные условия и др.
Практически в отрасли нефти и газа мы используем металлические изделия и
предметы, конструкции и сооружения, которые помогают нам извлечь
природные ресурсы из недр Земли. Для полного и безопасного извлечения мы
должны позаботиться в первую очередь о качестве материала используемого в
работе, а также его надежности и долговечности.
В нефтегазовое оборудование входит много различных элементов и их
соединений, необходимых для эксплуатации. Например: нефтяные трубы для
перекачки и перегонки нефти, скважины, буры и т.д. Все эти металлические
элементы склонны к окислительно-восстановительному процессу, т.е. к
самопроизвольному разрушению металла. Особенно часто эти процессы
наблюдаются в местах соединений двух или более металлических элементов.
Для соединения элементов часто используют пайку или сварку.
Методы сварки, предполагающие расплавление основного материала
свариваемых изделий до состояния текучести, изменяют в худшую сторону
свойства изделия, происходит деформация и внутренние напряжения.
Сварка — процесс получения неразъёмных соединений посредством
установления межатомных связей между свариваемыми частями при их
местном или общем нагреве, пластическом деформировании или совместном
действии того и другого. При сварке используются различные источники
энергии: электрическая дуга, электрический ток, газовое пламя, лазерное
излучение, электронный луч, трение, ультразвук.
Развитие технологий позволяет в настоящее время проводить сварку не
только в условиях промышленных предприятий, но в полевых и монтажных
условиях (в степи, в поле, в открытом море и т. п.), под водой и даже в космосе.6
На первой стадии необходимо сблизить поверхности свариваемых
материалов на расстояние действия сил межатомного взаимодействия.
Обычные металлы при комнатной температуре не соединяются при сжатии
даже значительными усилиями. Соединению материалов мешает их твердость,
при их сближении действительный контакт происходит лишь в немногих
точках, как бы тщательно они не были обработаны. На процесс соединения
сильно влияют загрязнения поверхности - окислы, жировые пленки и пр., а
также слои абсорбированных примесных атомов. Ввиду указанных причин
выполнить условие хорошего контакта в обычных условиях невозможно.
Поэтому образование физического контакта между соединяемыми кромками по
всей поверхности достигается либо за счёт расплавления материала, либо в
результате пластических деформаций, возникающих в результате
прикладываемого давления.
На второй стадии осуществляется электронное взаимодействие между
атомами соединяемых поверхностей. В результате поверхность раздела между
деталями исчезает и образуется либо атомная металлическая связи
(свариваются металлы), либо ковалентная или ионная связи (при сварке
диэлектриков или полупроводников). Исходя из физической сущности процесса
образования сварного соединения, различают три класса сварки: сварка
плавлением, сварка давлением и термомеханическая сварка.
К сварке плавлением относятся виды сварки, осуществляемой
плавлением без приложенного давления. Основными источниками теплоты при
сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники
энергии и «джоулево тепло». В этом случае, расплавы соединяемых металлов
объединяются в общую сварочную ванну, а при охлаждении происходит
кристаллизация расплава в литой сварочный шов.
При термомеханической сварке используется тепловая энергия и
давление. Объединение соединяемых частей в монолитное целое
осуществляется за счет приложения механических нагрузок, а подогрев
заготовок обеспечивает нужную пластичность материала.7
К сварке давлением относятся операции, осуществляемые при
приложении механической энергии в виде давления. В результате металл
деформируется и начинает течь, подобно жидкости. Металл перемещается
вдоль поверхности раздела, унося с собой загрязненный слой. Таким образом, в
непосредственное соприкосновение вступают свежие слои материала, которые
и вступают в химическое взаимодействие.
Целью выпускной работы является повышение качества соединений
нефтепровода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1) Провести анализ объекта исследования – магистрального
нефтепровода;
2) Провести анализ методов формирования сварных соединений;
3) Провести патентный обзор и анализ научной литературы по предмету
исследования;
4) Выбрать средства электронно-лучевой сварки;
5) Спроектировать установку электронно-лучевой сварки соединений
элементов магистрального трубопровода;
6) Рассчитать электрические характеристики установки.
надежности нефтегазового оборудовании в отрасли нефти и газа. На понижение
качества и надежности могут влиять такие факторы как коррозия,
недолговечность, человеческий фактор, агрессивные природные условия и др.
Практически в отрасли нефти и газа мы используем металлические изделия и
предметы, конструкции и сооружения, которые помогают нам извлечь
природные ресурсы из недр Земли. Для полного и безопасного извлечения мы
должны позаботиться в первую очередь о качестве материала используемого в
работе, а также его надежности и долговечности.
В нефтегазовое оборудование входит много различных элементов и их
соединений, необходимых для эксплуатации. Например: нефтяные трубы для
перекачки и перегонки нефти, скважины, буры и т.д. Все эти металлические
элементы склонны к окислительно-восстановительному процессу, т.е. к
самопроизвольному разрушению металла. Особенно часто эти процессы
наблюдаются в местах соединений двух или более металлических элементов.
Для соединения элементов часто используют пайку или сварку.
Методы сварки, предполагающие расплавление основного материала
свариваемых изделий до состояния текучести, изменяют в худшую сторону
свойства изделия, происходит деформация и внутренние напряжения.
Сварка — процесс получения неразъёмных соединений посредством
установления межатомных связей между свариваемыми частями при их
местном или общем нагреве, пластическом деформировании или совместном
действии того и другого. При сварке используются различные источники
энергии: электрическая дуга, электрический ток, газовое пламя, лазерное
излучение, электронный луч, трение, ультразвук.
Развитие технологий позволяет в настоящее время проводить сварку не
только в условиях промышленных предприятий, но в полевых и монтажных
условиях (в степи, в поле, в открытом море и т. п.), под водой и даже в космосе.6
На первой стадии необходимо сблизить поверхности свариваемых
материалов на расстояние действия сил межатомного взаимодействия.
Обычные металлы при комнатной температуре не соединяются при сжатии
даже значительными усилиями. Соединению материалов мешает их твердость,
при их сближении действительный контакт происходит лишь в немногих
точках, как бы тщательно они не были обработаны. На процесс соединения
сильно влияют загрязнения поверхности - окислы, жировые пленки и пр., а
также слои абсорбированных примесных атомов. Ввиду указанных причин
выполнить условие хорошего контакта в обычных условиях невозможно.
Поэтому образование физического контакта между соединяемыми кромками по
всей поверхности достигается либо за счёт расплавления материала, либо в
результате пластических деформаций, возникающих в результате
прикладываемого давления.
На второй стадии осуществляется электронное взаимодействие между
атомами соединяемых поверхностей. В результате поверхность раздела между
деталями исчезает и образуется либо атомная металлическая связи
(свариваются металлы), либо ковалентная или ионная связи (при сварке
диэлектриков или полупроводников). Исходя из физической сущности процесса
образования сварного соединения, различают три класса сварки: сварка
плавлением, сварка давлением и термомеханическая сварка.
К сварке плавлением относятся виды сварки, осуществляемой
плавлением без приложенного давления. Основными источниками теплоты при
сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники
энергии и «джоулево тепло». В этом случае, расплавы соединяемых металлов
объединяются в общую сварочную ванну, а при охлаждении происходит
кристаллизация расплава в литой сварочный шов.
При термомеханической сварке используется тепловая энергия и
давление. Объединение соединяемых частей в монолитное целое
осуществляется за счет приложения механических нагрузок, а подогрев
заготовок обеспечивает нужную пластичность материала.7
К сварке давлением относятся операции, осуществляемые при
приложении механической энергии в виде давления. В результате металл
деформируется и начинает течь, подобно жидкости. Металл перемещается
вдоль поверхности раздела, унося с собой загрязненный слой. Таким образом, в
непосредственное соприкосновение вступают свежие слои материала, которые
и вступают в химическое взаимодействие.
Целью выпускной работы является повышение качества соединений
нефтепровода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1) Провести анализ объекта исследования – магистрального
нефтепровода;
2) Провести анализ методов формирования сварных соединений;
3) Провести патентный обзор и анализ научной литературы по предмету
исследования;
4) Выбрать средства электронно-лучевой сварки;
5) Спроектировать установку электронно-лучевой сварки соединений
элементов магистрального трубопровода;
6) Рассчитать электрические характеристики установки.
Проведен анализ объекта исследования – магистрального
нефтепровода, в ходе которого были определены основные недостатки в
формируемых сварных соединениях.
Проведен анализ методов формирования сварных соединений,
показавший преимущества электронно-лучевой технологии.
Проведен патентный обзор и анализ научной литературы по предмету
исследования.
Выбраны средства электронно-лучевой сварки: генератор,
электронно-лучевая пушка.
Спроектирована установка электронно-лучевой сварки соединений
элементов магистрального трубопровода, позволяющая формировать
сварные швы глубиной до 400 мм и шириной от 1 мм.
Рассчитаны электрические характеристики установки, позволяющие
сформировать требования к закупаемому оборудованию.
Таким образом все задачи выпускной работы решены и цель достигнута.
нефтепровода, в ходе которого были определены основные недостатки в
формируемых сварных соединениях.
Проведен анализ методов формирования сварных соединений,
показавший преимущества электронно-лучевой технологии.
Проведен патентный обзор и анализ научной литературы по предмету
исследования.
Выбраны средства электронно-лучевой сварки: генератор,
электронно-лучевая пушка.
Спроектирована установка электронно-лучевой сварки соединений
элементов магистрального трубопровода, позволяющая формировать
сварные швы глубиной до 400 мм и шириной от 1 мм.
Рассчитаны электрические характеристики установки, позволяющие
сформировать требования к закупаемому оборудованию.
Таким образом все задачи выпускной работы решены и цель достигнута.