Разработка технологии и оборудования для дуговой сварки в среде защитного газа в условиях воздействия ветра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат наук Иванова, Ирина Владимировна

• Иванова, Ирина Владимировна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Иванова, Ирина Владимировна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ДУГОВОЙ СВАРКИ В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕ

НА ОТКРЫТЫХ МОНТАЖНЫХ ПЛОЩАДКАХ

1.1. Метеорологические условия сварки на открытых монтажных площадках

1.2. Анализ дефектов при дуговой сварке в условиях ветра

1.3. Анализ способов улучшения эффективности газовой защиты

1.4. Цель и задачи работы 33 Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИСТЕЧЕНИЯ

ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ И ХАРАКТЕРИСТИК

ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ СВАРКЕ В

УСЛОВИЯХ ВЕТРА

2.1. Строение и свойства защитной газовой струи

2.2. Разработка методики исследований эффективности газовой защиты в условиях ветра

2.3. Разработка универсального стенда для моделирования сварки

в условиях ветра

2.4. Исследование влияния ветра на эффективность газовой

защиты

2.5. Математическое моделирование параметров защитных газов струи при сварке в условиях ветра

2.6. Выводы главы 2 91 Глава 3. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

В УСЛОВИЯХ ВЕТРА

3.1. Анализ конструкций сварочных горелок для сварки на ветру

3.2. Разработка конструкции сварочной горелки для дуговой

сварки в условиях ветра

3.3. Изготовление сопла методом 3D-печати

3.4. Разработка системы управления газовой защитой и режимом дуговой сварки в условиях ветра

3.5. Разработка комплекта оборудования для сварки в условиях

ветра

3.6. Выводы главы 3 132 Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ДУГИ И СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В УСЛОВИЯХ ВЕТРА

4.1. Исследование сварочных токов и напряжений

4.2. Исследование свойств сварных соединений пластин при

сварке в лабораторных условиях

4.3. Исследование сварных соединений труб при сварке в производственных условиях

4.4. Выводы главы 4 159 Общие выводы по работе 161 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии и оборудования для дуговой сварки в среде защитного газа в условиях воздействия ветра»

ВВЕДЕНИЕ

В судостроении, судоремонте, при строительстве зданий и сооружений, мостов, нефтегазопроводов и в других отраслях народного хозяйства значительный объем сварочных работ выполняется на открытых монтажных площадках. Ветер нарушает газовую защиту сварочной ванны, что вызывает дефекты, снижает производительность работ и качество сварных соединений.

Разработка технологий сварки на ветру началась в конце 60-х годов прошлого столетия в России, США, Японии, Германии [7, 15, 49, 67, 103]. Однако до сих пор получение качественных сварных соединений на ветру является актуальным направлением науки и техники. Внедрение разработок технологий сварки на ветру в период 60-80-х годов XX века ограничивались уровнем развития приборостроения для автоматического регулирования расхода газа и по измерению скорости ветра.

Строительство надежных ветрозащитных сооружений для сварки швов незначительной протяженности при прокладке трубных магистралей в лесах, долинах, горах, при строительстве или ремонте крупных мостов или других металлических сооружений обходится очень дорого, кроме того эффективность применения этих сооружений низка.

Особенно востребована технология сварки на ветру гражданским и военно-морским флотом при восстановлении работоспособности нагруженных конструкций корпусов судов, при аварийных ситуациях в дальнем плавании в море или порту, где нет условий для выполнения ремонта.

Ранние исследования показали, что для устранения насыщения сварного шва газами атмосферного воздуха следует применять дуговую сварку в среде защитных газах. Сейчас ее объем в мировом объеме сварочного производства составляет более 45 %. В результате применения защитных газов и локальной защиты места соединения достигается высокое качество сварных

соединений при дуговой сварке. Однако, для сварки в условиях ветра, оборудование для дуговой сварки нуждается в серьезной доработке.

Существенным недостатком дуговой сварки в среде защитных газов является нарушение защиты сварочной ванны при наличии поперечных воздушных потоков. Для обеспечения высокого качества сварных соединений необходима защита расплавленного металла от контакта с окружающей атмосферой. Поскольку эта защита осуществляется потоком защитного газа, то ее надежность может определяться характеристиками истекающего из сопла газового потока и устойчивостью потока к действию возмущающих факторов, к которым относятся: естественное перемещение масс воздуха, тепломассоперенос в сварочной дуге, влияние геометрии электродов и др. [52].

Влияние условий на технологический процесс дуговой сварки в среде защитных газов изложено в трудах Г.А. Николаева, В.Л. Руссо, В.В. Ардентова, Г.А. Федоренко и др. [6-9, 59, 83-93]. Однако для широкого внедрения процесса дуговой сварки на ветру необходимо было решить комплекс задач по разработке горелок, приборов для измерения скорости ветра и средств технологической оснастки.

В последнее время в Российской Федерации возрастает объем сварочно-монтажных работ с применением дуговой сварки в защитных газах, в том числе возводят высотные здания, конструкции, мосты, стадионы, магистральные нефтегазопроводы. При этом в трудах ученых К.К. Хренова, Г.А. Николаева, Н.Н. Рыкалина, А.И. Акулова, Г.Г. Чернышова, Н.М. Новожилова [5, 58, 72, 74, 82] отмечается важность защиты зоны сварки для повышения качества и надежности сварных конструкций. Потребность в создании технологий сварки на ветру в условиях судоремонта, ремонта магистральных трубопроводов и крупных сооружений, выполненных из сталей, алюминиевых и титановых сплавов, существенно увеличилась. Поэтому разработка специализированного оборудования для сварки в

условиях ветра и повышение эффективности газовой защиты позволит улучшить качество и производительность процесса сварки ответственных конструкций в ряде отраслей промышленности, что свидетельствует об актуальности данной работы.

Представляемая работа посвящена повышению эффективности газовой защиты и качества сварных соединений при дуговой сварке в условиях воздействия ветра путем разработки специализированного оборудования и технологии с применением расчетно-экспериментальных и теоретических методов исследования: создание физической модели сварочного процесса в условиях ветра, измерение скорости ветра и газов, изучение размеров зоны газовой защиты, регистрация полей концентрации газов, видеосъемка сварочной дуги, осциллографирование сварочных токов и напряжений, механические испытания сварных соединений, металлографический анализ микро- и макроструктуры, измерения микротвердости сварных шлифов, химический и газовый анализ сварных швов, планирование эксперимента и статистическая обработка экспериментальных данных, компьютерное моделирование истечения струи защитного газа из сопла сварочной горелки в программе ANSYS Fluent с использованием метода конечных элементов, производственные испытания в условиях ветра.

Положения, выносимые на защиту:

- разработанные математические модели истечения защитных газовых струй в условиях ветра;

- результаты расчетно-экспериментальных исследований параметров режима сварки в условиях ветра;

- оборудование и технология дуговой сварки в условиях ветра;

- результаты исследований свойств сварочной дуги и сварных соединений в условиях ветра.

Научная новизна работы:

1. На основе моделирования в среде ANSYS обнаружена и экспериментально подтверждена возможность управления эффективностью газовой защиты в условиях ветра за счет стабилизации и увеличения размеров ядра защитной газовой струи при высоких скоростях истечения из конфузорного сопла сварочной горелки, внутренняя поверхность которой имеет двухасимптотную параболическую форму.

2. Установлены расчетно-экспериментальные зависимости между размерами ядра защитной струи, расходом защитного газа, скоростью ветра, режимами сварки и расстоянием до свариваемой поверхности, обеспечивающие эффективную газовую защиту.

3. Расчетно-экспериментальным методом обнаружен механизм уменьшения неоднородности поля скоростей, вращения и турбулентности защитного газового потока на выходе из сопла сварочной горелки при высоких скоростях истечения защитного газа в условиях сварки при воздействии ветра за счет изменения траектории движения и уменьшения энергии потока защитного газа в сопле газовой горелки.

Практическая ценность результатов:

1. Разработан универсальный стенд с многорежимной аэродинамической трубой и автоматическая система управления стендом для моделирования процесса дуговой сварки в условиях воздействия ветра с резкими усилениями.

2. Разработана и внедрена в производство конструкция сварочной горелки с конфузорным соплом, внутренняя поверхность которого имеет двухасимптотную параболическую форму, с устанавливаемыми перед входным отверстием сопла пакетом сеток.

3. Разработана и запатентована система автоматического управления сварочным процессом при дуговой сварке в условиях ветра, позволяющая увеличить эффективность газовой защиты, за счет регулирования расхода

защитного газа в зависимости от скорости ветра, частоты его усилений, вылета электрода и силы сварочного тока.

4. Установлены оптимальные параметры режимов дуговой сварки в среде защитных газов с применением сварочной горелки с конфузорным соплом, которые обеспечили высокую стабильность горения дуги, эффективную газовую защиту при различных скоростях и частоте воздействия ветра.

5. Установлено, что применение новой сварочной горелки с конфузорным соплом в условиях ветра позволило уменьшить отклонения сварочного тока и напряжения, улучшить механические свойства и химический состав сварных швов из стали повышенной прочности.

Апробация работы

Основные и отдельные положения работы в процессе ее выполнения докладывались и обсуждались на: научно-технических семинарах кафедры теории и технологии сварки материалов СПбПУ (С.-Петербург, 2014, 2015, 2016 г.); научно-технических семинарах кафедры технологий сварки и диагностики МГТУ (Москва, 2015, 2016 г.); всероссийских научно-практических семинарах «Металлургия сварки и сварочные материалы (Петровские чтения)» (Зеленогорск, 2015 г., С.-Петербург, 2016 г.); молодежных форумах в рамках международной выставки СВАРКА/WELDING (С.-Петербург, 2012, 2016 г.); международных научно-технических конференциях (Курск, 2014, 2015, 2016 г.); VI Российской научно-практической конференции «Актуальные вопросы нефтегазового строительства» (Москва, 2015 г.); научно-техническом семинаре кафедры сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов ТГУ (Тольятти, 2015 г.); молодежных научно-практических конференциях в рамках Недели Науки СПбПУ (С.-Петербург, 2013, 2014, 2015 г.); научно-технической секции «Технологии судостроения» Российского Научно-технического Общества судостроителей им. ак. А.Н. Крылова (С.-Петербург,

2013 г.); международном научно-практическом семинаре «Сварка в судостроении и машиностроении» (С.-Петербург, 2011 г.); научно-техническом семинаре «Современные технологии в промышленности России» (С.-Петербург, 2011 г.). .

Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись в 2015-2016 гг. в рамках НИР № 203315501 по заказу ООО «ГазпромВНИИГАЗ», НИР № 203315501 по заказу НИИ спасания и подводных технологий ВУНЦ ВМФ, в 2011-2014 гг. в рамках госбюджетной НИР № 01201165735.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 работ в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, получен 1 патент РФ на изобретение, поданы 4 заявки на получение патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 173 страницах, содержит 103 рисунка, 35 таблиц, 107 наименований библиографических источников.

Настоящая работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого».

Автор выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук С.Г. Паршину за внимание, терпение и помощь в выполнении данной работы.

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ДУГОВОЙ СВАРКИ В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕ НА ОТКРЫТЫХ МОНТАЖНЫХ ПЛОЩАДКАХ

1.1. Метеорологические условия сварки на открытых монтажных площадках

Для обеспечения высокого качества сварных соединений необходима надежная защита расплавленного металла от контакта с окружающей атмосферой.

В связи с тем, что многие виды работ: прокладка магистралей, трубопроводов, строительство зданий, мостов, судов на открытых стапелях и т.д. производятся на открытых площадках, то следует учитывать влияние окружающей атмосферы на процесс сварки [45, 67]. Под действием ветра, дождя, снега и сквозняка нарушается защита расплавленного металла, изменяются теплофизические свойства сварочной дуги, что приводит к появлению дефектов и ухудшению механических характеристик сварных соединений. Поэтому при выполнении сварочных работ на открытых площадках важно знать метеорологическую обстановку и прогноз погоды.

При изготовлении конструкций на открытых площадках действует ряд неблагоприятных факторов, которые могут снизить качество сварных соединений. Основными параметрами окружающей среды, влияющими на качество сварного шва, являются пониженная температура (ниже 0 °С), повышенная влажность воздуха (более 80 %) и ветровая нагрузка. Кроме этого, окружающая среда оказывает также отрицательное воздействие на самочувствие сварщика: снижает его работоспособность, притупляет внимание, что может привести к появлению дефектов в сварных швах.

Анализ литературных данных и производственный опыт показали, что низкая температура среды может приводить к сварочным деформациям и

трещинам в зоне сварного шва, что резко снижает качество и работоспособность изделий [63, 89].

Наличие влаги на свариваемых кромках приводит к образованию пор и холодных трещин в металле сварного шва. При недостаточной защите изделий от влаги, сварные соединения подвергаются воздействию биологических факторов, приводящих к образованию плесени.

Метеорологические условия на открытых площадках претерпевают более или менее резкие изменения, как во времени, так и в пространстве, т.к. зависят от географической зоны. Кроме резких изменений погоды, которые сами по себе являются неблагоприятными факторами, на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области наблюдаются практически все опасные метеорологические явления: сильные ветры, в том числе шквалы и смерчи, снегопады и метели, гололёд, туман, сильные морозы и жара, кратковременные интенсивные ливни и продолжительные дожди, грозы, град [57, 77].

С точки зрения проведения сварочных работ при монтаже на открытых площадках анализ погодных факторов Санкт-Петербурга позволил сделать следующие выводы:

- температура ниже 0 °С преобладает в период с ноября по март, причем анализ абсолютных температурных минимумов расширяет этот диапазон с апреля по сентябрь (Рис. 1);

- наибольшее количество осадков приходится на период с сентября по май, годовая норма осадков 661 мм (для сравнения в Ростове-на-Дону - 618 мм) (Рис. 2);

- влажность воздуха в Петербурге постоянно высокая: до 78 %.

В среднем за год составляет около 75 %, летом - 60-70 %, а зимой - 83-88

%, для сравнения в Ростове-на-Дону влажность воздуха составляет около 72 %, летом - 62-66 %, а зимой - 77-86 % [77].

Т, 0С

Рис. 1. Изменение температуры воздуха Т: ряд 1 - среднемесячная температура; ряд 2 - минимальная средняя температура, 0С

О, мм

Рис. 2. Изменение среднемесячного количества осадков О: ряд 1 - среднемесячное количество выпавших осадков; ряд 2 - абсолютные минимумы выпавших осадков, мм

Необходимо учитывать, что количество выпадающих осадков примерно на 200-250 мм превышает испарение влаги, что обуславливает повышенное увлажнение. В течение года среднее количество дней с осадками - около 200 (для сравнения в Ростове-на-Дону - 161).

Наибольшее воздействие на струю защитного газа при сварке на открытых площадках оказывают сносящие потоки ветра. Причиной ветра является неравномерный нагрев земной поверхности солнцем. Изменение

температуры воздуха приводит к изменению его плотности, что в свою очередь вызывает перепад давления во времени и в пространстве. Перепад давления на 100 Па вызывает ветер скоростью около 4 м/с.

Однако необходимо иметь в виду, что скорость ветра зависит от рельефа местности, шероховатости поверхности, наличия затеняющих элементов, высоты над поверхностью земли. Ветровой климат России в силу обширности ее территории, многообразия климатических и рельефных условий отличается многообразием [73].

По ветровым нагрузкам территория России разделяется на зоны и области, ветровые ресурсы распределены по территории России неравномерно. Данные по скорости ветра представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Скорость ветра на территории России

Средняя скорость ветра Территория России

4-6 м/с Европейская часть России

6-8 м/с Северный Кавказ, Поволжье, Северо-Западный Федеральный Округ

Более 6,0 м/с Закрытая местность - городские районы, леса и сельскохозяйственные угодья с заграждениями

Более 7,5 м/с Открытая местность - открытые и равнинные территории

Более 8 м/с Арктическое, Тихоокеанское побережье, Краснодарский край

Более 8,5 м/с Морской берег - прибрежные территории с прямой береговой линией

Более 9 м/с Открытое море - на расстоянии более 10 км от берега

Более 11,5 м/с Холмы и горы - соответствует 50 %-ному завышению силы ветра

Анализ данных по скоростям ветра показывает, что наибольшее количество ветров преобладает в период с января по апрель и с октября по декабрь. Среднегодовые скорости ветра во всех указанных зонах в период с апреля по октябрь не превышают 6 м/с. В долинах, в нижних частях склонов среднегодовая скорость ветра 2-3 м/с, в горах до 8-9 м/с. Для большей части

территории характерны слабые ветры: в 75-90 % случаев до 5 м/с, из них 2035 % -1 м/с [57, 77].

Санкт-Петербург и Ленинградская область относятся к зоне умеренного климата, основной особенностью климата здесь является непостоянство погоды, обусловленное частой сменой воздушных масс. Циклоны приносят пасмурную, ветреную погоду и осадки.

В Санкт-Петербурге средняя скорость ветра составляет 2,3 м/с, согласно статистическим данным штормовые предупреждения с порывами ветра более 15 м/с в Санкт-Петербурге объявляются 50-70 раз в год (Рис. 3) [57]. Ув, м/с

Рис. 3. Изменение средней скорости ветра Ув в Санкт-Петербурге по

месяцам, м/с

Таким образом, анализ метеорологических условий России и, в частности, Санкт-Петербурга показал, что ветер сопровождает сварку на открытых площадках во все времена года. Воздействие сносящих ветровых потоков отличается по скорости движения, частоте резких усилений, направлению и длительности воздействия на зону сварки.

Поэтому для сварки в условиях реального ветра необходимо на базе климатических условий данного района корректировать скорость струи по величине изменений ветра. В таких условиях скорость истечения защитной струи должна компенсировать не только среднюю скорость ветра, но и его усиление. Степень влияния ветра на температуру околошовной зоны и

качество сварного соединения изучены недостаточно и представляют научный и практический интерес при разработке технологического процесса дуговой сварки в среде защитных газов на открытых площадках.

Вопрос сварки на ветру пытались решить все ведущие страны мира -Россия, США, Канада, Япония Германия, Франция и др. Многочисленные попытки создания оборудования и технологий дуговой сварки на ветру, предпринятые с начала 60-х до начала 80-х годов прошлого столетия, завершились безрезультатно. Однако было показано, что качество швов, аналогичных качеству цеховых условий, наиболее вероятно достичь при сварке в среде защитных газах.

В работе Д.К. Безбаха приводятся экспериментальные данные по сварке на ветру покрытым электродом и плавящимся электродом в защитном газе. В работе приведены результаты исследований, проведенных с целью определения допустимой скорости ветра для некоторых способов сварки открытой дуги: для ручной сварки электродами УОНИ-13/45А, ОММ-5 и АНО-4, механизированной сварки в углекислом газе проволоками Св-08Г2С, ПВС-1Л и ПП-Ю8, а также проволокой ЭП-439 без дополнительной защиты. Данные получены при сварке стали марки Ст4 толщиной 12 мм [15]. Скорость истечения углекислого газа из сопла была максимально возможной (9-10 м/с), а расстояние от сопла до изделия не превышало диаметра сопла.

При проведении исследований с возрастанием скорости ветра повышалась прочность и снижалась пластичность металла сварного соединения. Наиболее чувствительной к ветру оказалась ударная вязкость при отрицательной температуре. Дополнительная защита расплавленного металла углекислым газом при сварке порошковой проволокой позволяет работать при ветре примерно на 1-2 балла выше, чем при сварке проволокой сплошного сечения. В табл. 2 приведены значения максимально допустимой скорости ветра при обычной сварке и сварке с использованием средств непосредственной защиты.

Таблица 2.

Допустимая скорость ветра при сварке, м/с [15]

Способ сварки Марки электродов и проволок Допустимая скорость ветра

При обычной сварке С использованием средств непосредственной защиты

Ручная дуговая УОНИ-13/45А 5,0 6,0

Ручная дуговая АНО-4 7,0 9,0

Механизированная без защитной среды ЭП-439 7,0 7,4

Механизированная без защитной среды ПВС-1Л 5,0 7,0

Механизированная в среде СО2 Св-08Г2С 2,0 7,4

Механизированная в среде СО2 ПП-Ю8с 2,5 9,0

Исходя из данных табл. 2, можно сделать вывод, что при скоростях ветра более 2 м/с лучше применять ручную дуговую сварку покрытыми электродами. Но в данной работе исследования проводились при постоянной скорости ветра. В реальных условиях ветер всегда дует с порывами, скорость которых превышает среднюю скорость ветра в 1,5-2 раза. Горелка, которая применялась для сварки в защитных газах в работе, имела цилиндрическую проточную часть.

В то же время эти исследования показали, что единственным видом, при котором выполнение сварки на ветру не будет сопровождаться насыщением шва газами воздуха, является сварка в защитном газе. Но и для этого вида сварки оборудование, работающее в условиях ветра, нуждается в серьезной доработке [15, 49, 50, 103]. Для повышения эффективности газовой защиты при дуговой сварке следует исследовать влияние воздушных потоков на качество сварного соединения. В связи с этим разработка методов улучшения эффективности газовой защиты зоны сварки при воздействии ветра является актуальной задачей.

1.2. Анализ дефектов при дуговой сварке в условиях ветра

При выполнении сварочных работ на открытых площадках, на защитную струю газа оказывают воздействие сносящие потоки ветра, что приводит к нарушению защиты расплавленного металла, более интенсивному взаимодействию его с воздухом. В результате снижается качество сварного соединения, так как из-за сдувания защитной струи при сварке на ветру изделий из конструкционных и легированных сталей увеличивается выгорание кремния, марганца и других легирующих элементов, повышается пористость металла сварного шва и увеличивается содержание азота, что приводит к появлению дефектов.

При недостаточной защите предел прочности и относительное удлинение незначительно уменьшаются, а ударная вязкость резко падает. Кроме того, одновременное присутствие в зоне сварки кислорода, азота и водорода, как правило, усиливает их отрицательное влияние на качество и свойства швов. Это объясняется появлением пористости в металле шва и окисных включений по границам зерен. Азот также вызывает снижение пластичности металла, пористость и другие дефекты [80, 97].

Анализ дефектов, возникающих при сварке сталей в условиях ветровой нагрузки, проводился на основании изучения документов базы данных Регионального Северо-Западного Межотраслевого Аттестационного Центра Национального Агентства Контроля Сварки (ООО «РСЗ МАЦ» НАКС), проведения тестовой сварки образцов, выполненных при повышенных скоростях ветра с последующим анализом и выявлением дефектов в лаборатории. Для их выявления использовались методы контроля: визуальный и измерительный (ВИК), цветная капиллярная дефектоскопия (ЦД), радиографический (РК) и ультразвуковой контроль (УЗК), механические испытания, химический анализ и металлографические исследования [79].

Анализ дефектов показал, что нарушение газовой защиты из-за ветра приводит к появлению как внешних, так и внутренних дефектов (табл. 3).

Таблица 3.

Дефекты при строительстве и монтаже

Внутренние дефекты

Внешние дефекты

Одиночные газовые поры

Цепочки газовых пор

Скопления газовых пор

Свищи

Шлаковые включения

Непровары

Трещины

Подрезы

Дефекты геометрии шва

Наплывы

Устранение дефектов возможно при условии исключения контакта расплавленного металла с окружающей атмосферой воздуха за счет улучшения эффективности газовой защиты.

Таблица 4.

Критерии оценки дефектов при строительстве и монтаже

Объекты контроля Вид контроля Нормативные документы по контролю

Строительные конструкции ВИК РД 03-606-03, СНиП 3.03.01-87, СП 53-101-98

РК, УЗК СНиП 3.03.01-87, СП 53-101-98

Механические испытания ГОСТ 6996-66, СНиП 3.03.01-87

Нефтегазодобывающее оборудование ВИК РД 03-606-03, СТО Газпром 2-2.2.-083-2007, СТО Газпром 2-2.2-136-2007, ВСН 012-88, РД-25.160.10-КТН-015-15

РК, УЗК СТО Газпром 2-2.2.-083-2007, СТО Газпром 2-2.2-136-2007, ВСН 012-88, СНиП Ш-42-80, РД-25.160.10-КТН-015-15

Механические испытания ГОСТ 6996-66, ВСН 012-88, СТО Газпром 22.2-136-2007, РД-25.160.10-КТН-015-15

Конструкции стальных мостов ВИК РД 03-606-03, СНиП Ш-18-75; СТО-ГК «Трансстрой»-005-2007, СТО-ГК «Трансстрой»-012-2007

РК, УЗК СНиП Ш-18-75, СТО-ГК «Трансстрой»-005-2007, СТО-ГК «Трансстрой»-012-2007

Механические испытания ГОСТ 6996-66, СТО-ГК «Трансстрой»-012-2007

1.3. Анализ способов улучшения эффективности газовой защиты

При дуговой сварке в защитном газе защита сварочной ванны достигается применением активных и инертных газов. Надежная защита зоны сварки является одним из основных условий получения шва высокого качества. Струя газового потока, истекающая из сопла состоит из смеси газообразных продуктов испарения, образуемых в зоне сварочной дуги и защитного газа, поступающего в зону горения дуги. В периферийной части газового потока защитный газ смешивается с окружающим воздухом, только внутренняя часть состоит из чистого защитного газа (ядра) (Рис. 4).

Во

Рис. 4. Схема газовой струи: 1 - сопло, 2 - ядро струи, 3 - пограничный слой, 4 - периферийный участок струи: L - длина ядра струи, Н - расстояние от среза сопла до свариваемой поверхности, Do - выходной диаметр сопла, Dз - диаметр зоны эффективной защиты [98]

Защитные свойства струи зависят от многих факторов, в том числе, от диаметра сопла, от расстояния между торцом сопла горелки и свариваемой деталью, от скорости истечения струи, от плотности газа, что препятствует деформации защитной струи при воздействии внешних потоков воздуха. Для прямолинейных газовых струй возможно ламинарное и турбулентное истечение газа. Режим движения газа оценивается числом Рейнольдса [1]:

Re = Dv/y ,

где D - диаметр сопла, м;

V - скорость истечения газа, м/с;

у - коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с.

При Re > 3000 истечение газового потока переходит в турбулентный режим. Обычно применяемые скорости истечения обеспечивают заведомо ламинарный режим истечения газа. При турбулентном режиме происходит

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванова, Ирина Владимировна, 2017 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. 716 с.

2. Аверьянов А.А., Шарапов М.Г. О возможности применения безвихревого течения идеальной жидкости к реальным потокам защитных газов сварочных горелок // Вопросы материаловедения. 2001. № 1. С. 45-50.

3. Акатнов Н.И. Круглая турбулентная струя в сносящем потоке // Изв. АН СССР. МЖ. 1969. № 6. С. 11-19.

4. Акатнов Н.И., Барышников А.П., Грищенко Л.В., Федоренко Г.А., Шведиков В.М. Защитная струя в сносящем потоке при условиях, близких к изотермическим // Науч.-тех. сб. Судпром. Сварка. 1986. № 2. С. 67-77.

5. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. М.: Машиностроение, 1977. 432 с.

6. Ардентов В.В., Акатнов Н.И., Руссо В.Л. К вопросу о теории струйной газовой защиты // Науч.-тех. сб. Судпром. Сварка. 1968. № 112.

7. Ардентов В.В., Руссо В.Л., Федоренко Г.А. Сварка в среде защитных газов при сносящих воздушных потоках // Л.: Судостроение, 1971. № 14. С. 70-73.

8. Ардентов В.В., Федоренко Г.А. О струйной защите при газоэлектрической сварке // Сварочное производство. 1973. № 1. С. 3-5.

9. Ардентов В.В., Федоренко Г.А. О влиянии конструкции проточной части горелок на характеристики газовой защиты // Сварочное производство. 1973. № 10. С. 14-15.

10. Авторское свидетельство № 912433, кл. В23К9/16: Горелка для дуговой сварки в защитных газах / А.Н. Кузнецов, Л.И. Щербаков // Б.И. 1981. № 10.

11. Авторское свидетельство № 614914, кл. В23К9/16: Сопло к горелке для сварки в среде защитного газа / А.П. Барышников [и др.] // Б.И. 1976. № 30.

12. Авторское свидетельство № 2036058, кл. В23К9/16. Горелка для дуговой сварки в среде защитных газов / Б.М. Егупов [и др.] // Б.И. 1992.

13. Авторское свидетельство № 2104844, кл. В23К9/16: Способ электродуговой сварки в защитных газах / И.П. Слободяник // Б.И. 1996.

14. Башенко В.В., Завьялов В.Е. Управление процессами сварки магнитными полями. СПб.: Изд-во СПбПУ, 2016. 220 с.

15. Безбах Д.К. Сварка на открытых площадках в судостроении и судоремонте. Л.: Судостроение, 1974. 136 с.

16. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Изд. Физ.-мат. литература, 1994. 443 с.

17. Беляев В.М., Штин Н.Г. Методика исследования защитных свойств сварочных горелок // Сварочное производство. 1980. № 3.

18. Брюханов О.Н. Мастрюков Б.С. Аэродинамика, горение и теплообмен при сжигании топлива. Справочное пособие. СПб.: Недра, 1994. 317 с.

19. Варфел Тодд Заки. Прототипирование. С.Пб.: Изд. Манн, Иванов и Фарбер, 2013. 389 с.

20. Войтович Л.Н., Гершович Т.А., Коржов Н.П. Экспериментальное исследование начального участка круглой турбулентной струи в поперечном потоке // Изв. АН СССР. МЖ. 1978. № 5. С. 51-55.

21. Гендриксон В.А. Ближнее температурное поле струи из осесимметричного источника в поперечном потоке // Тез. докл. Всесоюзное совещание по теории и прикладным аспектам турбулентности. Таллин, 1982. С.65-73.

22. ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84, СТ СЭВ 471-88) Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Изд.стандартов, 1997. 28 с.

23. ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. М.: Изд.стандартов, 1987. 16 с.

24. ГОСТ 3187-76. Сетки проволочные тканые фильтровые. М.: Изд.стандартов, 1994. 16 с.

25. ГОСТ 6996-66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. М.: Изд.стандартов, 1990. 55 с.

26. ГОСТ 7122-81. Швы сварные и металл наплавленный. Методы отбора проб для определения химического состава. М.: Изд.стандартов, 1981. 6 с.

27. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. М.: Изд.стандартов, 1982. 26 с.

28. Ельцов В.В., Потехин В.П., Дитенков О.А. Математическое моделирование процесса формирования усадочного кратера при наплавке // Сварочное производство. 2012. № 1. С. 7-11.

29. Жуковский Н.Е. Насадки и диффузоры аэродинамических труб. М.: Наука, 1949. Т. IV. 613 с.

30. Завьялов В.Е. Сварка в управляющих магнитных полях. СПб.: Изд-во СЗТУ, 2001. С. 132-134.

31. Завьялов В.Е., Иванова И.В., Калинина В.И., Кобецкой Н.Г. Развитие технологии и оборудования сварки на ветру // Труды МНТК «Современные материалы, техника и технология». Курск: ЮЗГУ, 2014. С. 175-178.

32. Завьялов В.Е., Иванова И.В., Кудринецкая А.Л., Астахов Г.Д. Совершенствование технологии сварки толстостенных конструкций // Материалы МНТК «Неделя Науки СПбПУ». СПб.: Изд. СПбПУ, 2015. С. 102-105.

33. Завьялов В.Е., Калинина В.И., Иванова И.В. Алгоритмизация выбора способов аргонодуговой сварки // Труды МНТК «Перспективное развитие науки, техники и технологий». Курск: ЮЗГУ, 2014. С. 110-112.

34. Иванова И.В. Горелка для сварки в защитных газах - инструмент эффективности газовой защиты // Инструмент и технологии. 2010. № 32-33. С. 32-38.

35. Иванова И.В., Смольников Г.А. Создание многорежимной аэродинамической трубы для отработки технологического процесса сварки на ветру // Инструмент и технологии. 2012. № 35. С. 28-34.

36. Иванова И.В., Янулинас В.Ю. Исследование возможности управления сварочными процессами в среде защитных газов в условиях ветровой нагрузки // Труды МНТК «Неделя Науки». СПб: Изд-во СПбПУ, 2014. С. 183-190.

37. Иванова И.В., Кобецкой Н.Г., Калинина В.И., Завьялов В.Е. Автоматизированная установка для проведения экспериментальных исследований эффективности газовой защиты при сварке в сносящих воздушных потоках // Труды МНТК «Современные материалы, техника и технология». Курск: ЮЗГУ, 2014. С. 209-211.

38. Иванова И.В., Кобецкой Н.Г., Калинина В.И., Паршин С.Г. Исследование сварочной дуги в защитных газах в условиях сносящих воздушных потоков // Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1. С. 101-103.

39. Иванова И.В., Паршин С.Г., Калинина В.И., Кобецкой Н.Г. Устройство для электродуговой сварки в среде защитных газов на ветру // Труды МНТК «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации». Курск: ЮЗГУ, 2015. С. 184-186.

40. Иванова И.В., Калинина В.И., Паршин С.Г. Методика исследования механических свойств материала сварных соединений, выполненных в условиях ветра // Труды МНТК «Современные материалы, техника и технологии». Курск: ЮЗГУ, 2015. С. 58-60.

41. Иванова И.В., Калинина В.И., Паршин С.Г. Исследование свойств сварочных горелок, эксплуатируемых на открытом воздухе // Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2. С. 55-58.

42. Иванова И.В., Липик А.Э. Автоматическое устройство управления газовой защитой при дуговой сварке в условиях ветра // Труды МНТК «Неделя Науки». СПб: Изд-во СПбПУ, 2015. С. 106-109.

43. Иванова И.В., Калинина В.И., Липик А.Э. Система управления газовой защитой при дуговой сварке в условиях ветра // Прогрессивные технологии и процессы. 2015. № 2. С. 153-157.

44. Иванова И.В., Калинина В.И. Постановка научных и учебных экспериментов с использованием ресурсов аддитивных технологий // Труды МНТК «Прогрессивные технологии и процессы». Курск: ЮЗГУ, 2016. С. 101-103.

45. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.

46. Инякин Д.А. Разработка технологического процесса ремонта нефтяных и газовых скважин стальными пластырями сваркой: Автореф. дис. ... канд.техн.наук. Краснодар, 2004. 23 с.

47. Карасев М.В., Копиленко Е.А., Павленко Г.В. Основные тенденции развития сварочного оборудования в объединении «СЭЛМА-ИТС» // Состояние сварочного производства газотранспортных и газодобывающих обществ ОАО «ГАЗПРОМ»: Материалы семинара-совещания. М., 2003. Т. 2. С. 39-42.

48. Карасев М.В., Симонова А.В. Стратегия внедрения новейших технологий сварочного производства // Экономика России. XXI век. 2012. С. 82.

49. Квирикадзе Т.Г., Новожилов Н.М., Савин В.Н. Влияние ветра на газовую защиту при сварке в СО2 // Автоматическая сварка. 1968. № 7. С. 21-24.

50. Квирикадзе Т.Г., Новожилов Н.М. Исследование перемешивания защитного газа с воздухом при сварке в углекислом газе // Автоматическая сварка. 1969. № 4. С. 20-22.

51. Квирикадзе Т.Г. , Безбах Д.К., Lowery J.F. The open air welding of titanium // British Welding Journal. 1966. No 7. Р. 436-448.

52. Кононенко В.Я. Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом. Киев: Н-Принт, 2007. 266 с.

53. Лебедев В.А., Орыщенко А.С., Шарапов М.Г. Полуавтоматы для дуговой сварки и смежных технологий. С.Пб.: Изд. СПбПУ, 2013. 588 с.

54. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение, 1989. 264 с.

55. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 846 с.

56. Минский Е.М. О гашении турбулентности с помощью сетчатых фильтров // Технические отчеты ЦАГИ. 1946. № 63.

57. Научно-прикладной справочник «Климат России» Ч. IV. СПб.: Ветер. 2009.

58. Новожилов Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах. М.: Машиностроение, 1979. 231 с.

59. О некоторых факторах, влияющих на эффективность струйной защиты // Вопросы судостроения. Сварка. 1984. № 37.

60. Паршин С.Г., Иванова И.В., Кобецкой Н.Г. Исследование эффективности газовой защиты при дуговой сварке в условиях воздействия воздушных потоков // Сварка и диагностика. 2015. № 3. С. 31-34.

61. Паршин С.Г., Иванова И.В. Исследование сварочной дуги в защитных газах в условиях воздействия воздушных потоков // Сварка и диагностика. 2016. № 2. С. 46-48.

62. Патент РФ № 2465997. Устройство для электродуговой сварки в среде защитных газов на ветру / Н.Г. Кобецкой, И.В. Иванова,

Г.А. Федоренко. Заяв. 24.09.10 г. // Б.И. 2012. № 31.

63. Петров А.В., Штрикман М.М. Исследование параметров струи защитного газа при дуговой сварке // Сварочное производство. 1961. № 5. С. 5-8.

64. Петров Г.Л., Фатиев И.С., Щербак Г.И. Выбор геометрической формы сопла горелки и расхода аргона для аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом // Сб. Сварка. Л.: Судпромгиз, 1963. С. 229-243.

65. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. М.: Машиностроение, 1974. 480 с.

66. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение. 1976. 504 с.

67. Поправка Д.Л., Хворостов Н.Е. Дуговая сварка в защитных газах на открытых площадках. М.: Машиностроение, 1980. 64 с.

68. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. М.: Машиностроение, 1974. 240 с.

69. Потапьевский А.Г., Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Сварка сталей в защитных газах плавящимся электродом. Техника и технология будущего: монография. Томск: Изд-во ТПУ, 2012. 208 с.

70. Решетняк В.В., Семко А.Н. Влияние формы сопла на параметры гидропушки // Прикладная гидромеханика. 2010. Т. 12. № 3. С. 62-74.

71. Римский С.Т. Особенности истечения двух газовых потоков из сопел сварочных горелок при автоматической сварке плавящимся электродом // Автоматическая сварка. 2007. № 2. С. 37-43.

72. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951. 296 с.

73. Савицкий Г.А. Ветровая нагрузка на сооружения. М.: Изд. лит. по строительству, 1972. С. 110.

74. Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2-х т. / Под ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышова. М.: Машиностроение, 2004.

75. Сварочные материалы для дуговой сварки. В 2-х т. Т. 1. Защитные газы и сварочные флюсы / Под общ. ред. Н.Н. Потапова. М.: Машиностроение, 1993. 544 с.

76. Секундов А.Н., Яковлевский О.В. Некоторые вопросы перехода каналового течения в струйное // Изв. АН СССР. МЖ. 1967. № 3.

77. Справочник по климату СССР. Выпуск 1. Ч. IV. Т. 2. Архангельск: Ветер. 1975.

78. Старченко Е.Г., Любавский К.В. Влияние конструкции сопла горелки на эффективность газовой защиты зоны сварки // Сварочное производство. 1968. № 11. С. 13-16.

79. СТО Газпром 2-2.2-136-2007. Инструкция по технологии сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов.

80. Столбов В.И. Сварочная ванна: Монография. Тольятти: ТГУ, 2007. 147 с.

81. Таганов Г.П. Выравнивающее действие сеток в потоках жидкостей и газов // Труды ЦАГИ. 1947. № 604.

82. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки / Под редакцией А.И.Акулова. М.: Машиностроение, 2003. 558 с.

83. Федоренко Г.А. О влиянии размеров электрода (или круглого мундштука) на характеристики газовой защиты при газоэлектрической сварке // Сб. Вопросы судостроения. Сварка. 1973. № 3. С. 168-172.

84. Федоренко Г.А., Бурашенко И.А. Причины нарушения струйной защиты при сварке по щелевому зазору // Сварочное производство. 1975. № 11. С. 23-26.

85. Федоренко Г.А., Шведиков В.М., Барышников А.П. Требования к горелкам для газоэлектрической сварки на открытых площадках //

Плазменная и газоэлектрическая сварка металлов: Материалы семинара. Л., 1982. С. 39-48.

86. Федоренко Г.А., Шведиков В.М. Формирование зоны газовой защиты при дуговой сварке // Автоматическая сварка. 1986. № 4. С. 36-38.

87. Федоренко Г.А., Шведиков В.М., Грищенко Л.В. О достоверности методов исследования эффективности струйной защиты // Сварочное производство. 1986. № 6. С. 35-37.

88. Федоренко Г.А., Онищенко М.Ю., Похвалин Ю.В. Оценка эффективности газовой защиты металла при сварке // Автоматическая сварка. 1987. № 7. С. 52-56.

89. Федоренко Г.А., Яшин И.М. Протяженность защитных струй при дуговой сварке // Сварочное производство. 2005. № 5. С. 3-7.

90. Федоренко Г.А. Унификация горелок для дуговой сварки в защитных газах // Энергомашиностроение. 2006. № 1. С. 92-99.

91. Федоренко Г.А., Андреев Г.М. О механизме формирования зоны газовой защиты // Сварочное производство. 2007. № 7. С. 12-18.

92. Федоренко Г.А., Трофименко О.В. Влияние тороидального вихря на эффективность газовой защиты зоны сварки // Сварочное производство. 2007. № 11. С. 3-7.

93. Федоренко Г.А., Зубко Р.В. Исследования параметров тороидального вихря в защитной струе при изотермических условиях // Сварочное производство. 2009. № 5. С. 8-11.

94. Федоренко Г.А., Иванова И.В., Синяков К.А. Совершенствование технологического процесса сварки в защитных газах на ветру // Сварочное производство. 2010. № 1. С. 6-13.

95. Федоренко Г.А. Теория газовой защиты при дуговой сварке в защитных газах. М.: Интермет Инжиниринг, 2012. 223 с.

96. Федько В.Т., Киянов С.С. Сопло к сварочной горелке. Патент на полезную модель № 22763 (РФ). Заяв. 15.10.2001.

97. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.: Высш. шк., 1988. 559 с.

98. Чинахов Д.А. Роль газодинамического воздействия струи защитного газа на процессы сварки плавящимся электродом: Монография. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 151 с.

99. Шведиков В.М., Федоренко Г.А., Левицкая Е.П., Акатнов Н.И. Переходные явления в защищающей струе газа, применяемые при газоэлектрической сварке // Науч. труды ЛПИ им. М.И. Калинина. 1983. № 604. С. 19-47.

100. Andreopouls J. Heat transfer measurements in a heated jet-pipe flow issuing into a cold cross stream // The Physik of Fluids. 1983. Vol. 26. No 11. Р.3201-3210.

101. Bernard A.A., Bernard R.A. Consederation of welding fumes // Welding and Metal Fabrication. 1972. No 7.

102. Borland J.G., Hull W.G. Manual Open Air Welding of reactive Metals // British Welding Journal. 1958. Vol. 5. No 8. С. 280-283.

103. Lowery J. E. The Open Air Welding of Titanium // British Welding Journal. 1966. Vol. 13. No 7. Р. 436-448.

104. Moussa Z., Trischba G., Eskinazi S. The near field in the mixing of a round jet with a cross stream // Journal of Fluid Mechanics. 1977. Vol. 80. Р. 4980.

105. Tamaki K., Masumoto I., Takahashi I. Some observation on the gas -shielding condition of CO2 arc welding bu the application of a television system // Journal of the Japan Weld. 1978. № 5.

106. Fedorenko G.A., Ivanova I.V., Sinyakov K.A. Improving the efficiency of welding in shielding gases in windy conditions // Welding International. 2012. № 6. Р. 484-490.

107. Wilcox, D. C., Turbulence Modeling for CFD, 3rd edition, DCW Industries, Inc., La Canada CA, 2006.

П Р И Л О Ж Е Н И Я