Реферат выпускная квалификационная работа 114 с., 15 рис., 23 табл., 50 источников, 1 прил
 Скачать 2.07 Mb.
|
|
РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа 114 с., 15 рис., 23 табл., 50 источников, 1 прил. Ключевые слова: сварка, магистральный трубопровод, ремонт, расчет, сварка методом STT, сварка самозащитной порошковой проволокой, технический контроль, финансовый менеджмент, социальная ответственность. Объектом исследования является магистральный трубопровод. Цель работы – сравнительный анализ применения технологий механизированных способов сварки при капитальном ремонте магистральных трубопроводов, определение наиболее перспективного способа с технологической и экономической точки зрения. В процессе исследования проводились расчеты свариваемости стали и необходимой температуры подогрева, расчеты режимов сварки. Проведено обоснование выбора сварочных материалов и сварочного оборудования. Рассмотрены вопросы разработки технологии изготовления сварной конструкции. Рассмотрены типы переноса электродного металла. Приведены мероприятия по охране труда и безопасности строительства, охране окружающей среды, технико-экономическая часть. В результате исследования был произведен анализ сварки неповоротного стыка механизированным способом в среде углекислого газа методом STT и самозащитной порошковой проволокой. На основании полученных результатов было выявлено, что применение данного способа имеет ряд преимуществ, одним из которых качественно выполненный корневой шов. Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики: технология и организация выполнения работ, подготовительные работы, монтаж трубопровода, сварочно-монтажные работы стального трубопровода. Степень внедрения: механизированная сварка – перспективное направление сварочного производства. Производительность процесса сварки может быть повышена в 1,5 – 2 раза по сравнению с традиционной ручной дуговой сваркой покрытыми электродами. Область применения: механизированная сварка проволокой сплошного сечения в среде углекислого газа методом STT предназначена для односторонней сварки корневого слоя шва неповоротных стыков труб различных диаметров, а также для сварки всех слоев стыка шва. Способ может быть использован для выполнения специальных сварочных работ – сварка разнотолщинных соединений труб, стыков захлестов, соединений труб с СДТ и ЗРА. Сварка самозащитной порошковой проволокой не требует наличие баллонов с защитным газом, особенно это актуально в труднодоступных и северных районах. Экономическая эффективность/значимость работы при капитальном ремонте магистрального струбопровода с применением механизированных способов сварки значительно сокращается время выполнения работ. Общие затраты на СМР, при использовании данного способа, почти в 2 раза меньше, чем если бы работы проводились с применением ручной дуговой сварки. В будущем планируется изучение других современных способов сварки и их возможное применение в нефтегазовой отрасли. brought to you by CORE View metadata, citation and similar papers at core.ac.uk provided by Electronic archive of Tomsk Polytechnic University 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 7 1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ 9 1.1 Описание сварной конструкции 9 1.2 Материал сварной конструкции 13 1.3 Технологическая свариваемость металла сварной конструкции 15 1.4 Виды капитального ремонта магистральных трубопроводов 20 2 СВАРКА В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ 22 2.1 Характеристика сварки в защитном газе плавящимся электродом 24 2.2 Обоснование выбора сварочных материалов 25 2.3 Типы переноса металла при сварке в защитных газах 26 2.4 Импульсный перенос электродного металла 30 2.5 Влияние полярности тока на процесс сварки в защитных газах 32 2.6 Достоинства и недостатки 33 3 СВАРКА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ 34 3.1 Функции флюса сердечника порошковой проволоки 35 3.2 Обоснование выбора сварочных материалов 36 3.3 Достоинства и недостатки 39 4 РАСЧЕТ РЕЖИМОВ СВАРКИ 41 4.1 Расчёт режимов сварки в углекислом газе 42 4.2 Режимы сварки самозащитной порошковой проволокой Innershield 47 4.3 Выбора источников питания 47 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ 56 5.1 Заготовительные операции 56 5.2 Разработка технологии сборки и сварки 56 5.3 Оборудование и техника механизированной сварки 61 5.4 Сварочные напряжения и деформации, меры борьбы с ними 65 5.5 Технический контроль качества и исправление брака 67 3 6 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 71 6.1 Расход сварочных материалов 71 6.2 Расчет затрат на материалы 73 6.3 Расчет времени на проведение мероприятия 73 6.4 Расчет затрат на оплату труда 75 6.5 Затраты на страховые взносы 76 6.6 Затраты на амортизационные отчисления и прочие расходы 77 7 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ПРИ КАПИТАЛЬНОМ РЕМОНТЕ ТРУБОПРОВОДОВ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ СПОСОБАМИ СВАРКИ 79 7.1 Профессиональная социальная безопасность 80 7.1.1 Анализ вредных производственных факторов и обоснование мероприятий по их устранению 81 7.1.2 Анализ опасных производственных факторов и обоснование мероприятий по их устранению 84 7.2 Экологическая безопасность 89 7.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 92 7.4 Законодательное регулирование проектных решений 94 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97 Список публикаций студента 98 Список использованных источников 99 Приложение А 102 4 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в нашей стране разрабатывается и реализуется много крупных проектов по строительству и ремонту магистральных и промысловых трубопроводов. При капитальном ремонте магистральных трубопроводов используются различные способы сварки. Актуальными задачами при сварке являются: • снижение объема наплавляемого металла; • грамотная разработка технологической оснастки и подготовка под сварку; • внедрение эффективной структуры способа сварки и парка сварочного оборудования. Основной задачей всех видов сварки является качественное выполнение сварки неповоротных стыков труб. Главная проблема сварки неповоротных стыков труб заключается в том, что при сварке постоянно изменяется пространственное положение сварочной ванны. На сварочную ванну в каждом пространственном положении действует различный комплекс сил. Это осложняет задачу формирования корневого и последующих слоев шва в связи с возникновением прожогов, наплывов и других дефектов сварного соединения. Для ускорения процесса сварки неповоротных стыков труб и получения качественно выполненного сварного соединения широкое применение получили механизированные способы сварки. 5 Цель работы: определение наиболее перспективного способа механизированной сварки с технологической и экономической точки зрения. Задачи: • рассмотреть возможность применения механизированных способов сварки в труднодоступных районах; • рассмотреть типы переноса электродного металла при механизированных способах сварки; • оценить влияние типа переноса на качество сварного шва; провести сравнение механизированных способов сварки с традиционной ручной дуговой сваркой 6 1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ 1.1 Описание сварной конструкции Трубопроводы подразделяются на промысловые, магистральные и технологические. По магистральным трубопроводам транспортируются весь добываемый природный газ и почти вся нефть, а также большая часть продуктов нефтепереработки от мест переработки к местам потребления. По промысловым трубопроводам транспортируется продукт от места добычи к месту переработки. По назначению нефтепроводы можно разделить на следующие три группы: промысловые — трубопроводы, которые соединяют скважины с различными технологическими объектами и установками подготовки нефти на местах добычи; магистральные — трубопроводы, служащие для транспорта товарной нефти из районов добычи, производства или хранения к потребителям. Магистральный нефтепровод обладает высокой пропускной способностью, большой протяженностью, большим диаметром от 219 до 1400 мм и высоким давлением от 1,2 до 10 МПа; технологические — трубопроводы, которые предназначены для транспорта разных технологических жидкостей, обеспечивающих работу технологического оборудования, в пределах предприятия. Магистральным нефтепроводом принято называть инженерно- техническое сооружение, состоящие из подземных, подводных, наземных и надземных трубопроводов и связанных с ними НПС, хранилищ нефти и других технологических объектов, обеспечивающих транспортировку, приемку, сдачу нефти потребителям или перевалку нефти на другой вид транспорта. 7 В состав магистральных нефтепроводов входят линейные сооружения, головные и промежуточные нефтеперекачивающие станции, пункты налива нефти и резервуарные парки [28]. Линейные сооружения согласно СНиП 2.05.06 – 85 включают в себя, собственно, сам магистральный нефтепровод, который имеет ответвления и лупинги, запорную арматуру, переходы через естественные и искусственные препятствия, узлы подключения НПС, узлы пуска и приема очистных устройств, установки ЭХЗ, линии и объекты для технологической связи, средства телемеханики, ЛЭП для обеспечения электроснабжения объектов трубопровода, средства для защиты от пожаров, противоэрозионные сооружения для защиты трубопровода от размывов и оползней, земляные амбары для аварийного сброса нефти, здания и сооружения линейной аварийно-эксплуатационной службы, вдольтрассовые дороги, вертолетные площадки, подъездные пути, опознавательные и предупреждающие знаки, пункты подогрева нефти. Подземная схема прокладки является наиболее распространенной (около 98% общего объема сооружаемой линейной части). При этой схеме отметка верхней образующей трубы располагается ниже отметки дневной поверхности грунта. Глубина заложения трубопроводов (от верха трубы) зависит от диаметра, от особых геологических условий, например, для поддержания определенной температуры нефти, рельефа и характеристики грунтов местности и должна быть не менее (в м): 0,8 при Д у <1000 мм; 1,0 при Д у ≥ 1000 мм. Магистральные нефтепроводы в зависимости от диаметра делят на четыре класса: I класс – с Ду 1000-1220 мм, II класс – с Ду 500-1000 мм, III класс – Ду 300-500мм, IV класс Ду < 300 мм. Толщина стенок труб определяется проектным давлением в трубопроводе. Трубопровод, прокладываемый по районам с вечномерзлыми грунтами или через болота, можно укладывать на опоры или в искусственные насыпи [28]. При пересечении нефтепроводом крупных рек, закрепление его на дне реки осуществляется с помощью специальных железобетонных грузов – утяжелителей или специальным анкерами, либо прокладка осуществляется 8 ниже уровня дна реки. Для обеспечения безопасности, помимо основной нитки, сооружается резервная нитка через переход аналогичного диаметра. На пересечениях железных и крупных шоссейных дорог трубопровод проходит в патроне из труб, диаметр которых на 100 - 200 мм больше диаметра трубопровода. Запорная арматура на линейной части устанавливается с интервалом 10 - 30 км в зависимости от рельефа трассы для обеспечения перекрытия участков в случае возникновения аварии или проведения ремонта. Вдоль трассы проходят линии связи, имеющие диспетчерское назначение. Они могут использоваться для передачи сигналов телеметрии, для контролем за процессом перекачки. Станции катодной и дренажной защиты, протекторы, расположенные по длине трассы, являются дополнением к изоляционному покрытию для обеспечения защиты от коррозии. Промежуточные НПС сооружают с целью обеспечения дальнейшего процесса перекачки, так как часть энергии потока нефти тратится на преодоление сил трения. Их размешают по трассе через каждые 50 – 200 км, в соответствии с гидравлическим расчетом. Перекачивающие станции оборудуются, в основном, центробежными насосами с приводами от электродвигателей. Подача современных магистральных насосов может достигать до 12500 м 3 /ч. В начале нефтепровода располагается головная нефтеперекачивающая станция (ГНПС), она находится недалеко от нефтяного промысла. Основным отличием ГНПС от промежуточных НПС является то, что она имеет резервуарный парк, объем которого равен трехсуточной пропускной способности нефтепровода. Помимо основных сооружений, на насосных станциях имеются комплексы вспомогательных объектов, к ним относятся трансформаторы, котельные, системы водоснабжения, канализации и другие. Нефтепроводы большой протяженности разбивают на эксплуатационные участки для обеспечения независимой работы насосного оборудования на этих участках. Протяженность участков может составлять от 100 км до 300 км. 9 Конечным пунктом нефтепровода может быть нефтеперерабатывающий завод, перевалочная база для перевалки на другой вид транспорта, морской нефтеналивной терминал для отгрузки нефти в танкеры и экспорта ее за границу. Для сооружения и капитального ремонта линейной части магистральных нефтепроводов могут быть использованы сварные прямошовные и спирально- шовные трубы, изготовленные из низкоуглеродистых или низколегированных сталей [25]. Трубы поставляются в соответствии с государственными стандартами или по техническим условиям, которые утверждают в установленном порядке. Данные порядок определен в инструкции по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности (Р 51-31323949-58-2000). Современные трубы в Росси в основном производят на Волжском трубном заводе и Челябинском трубопрокатном заводе. Каждая труба или партия труб должна иметь сертификат завода. В этом сертификате указываются регламентирующие стандарты или технические условия приемо-сдаточных характеристик. Овальность концов труб (отношение разности между наибольшим и наименьшим диаметром к номинальному диаметру) не должна превышать 1 % от номинального диаметра для труб с толщиной стенки менее 20 мм [25]. Допускается кривизна труб до 1,5 мм на любом ее участке длиной до одного метра. Суммарная кривизна трубы должна быть не выше 0,2 % от длины всей трубы. Концы труб обрезаются под прямым углом. Отклонение от перпендикулярности среза должно быть в пределах 1,6 мм. В металле труб не допускаются трещины, плены, рванины и закаты, а также расслоения, превышающие пределы, которые установлены нормативными документами на их поставку. Не допускается расслоения, выходящие на торцы труб. Трубы, сваренные в непрерывную нитку, являются основным элементом магистрального нефтепровода. Сварная конструкция представляет собой две трубы, сваренных между собой как представлено на рисунке 1. 10 Рисунок 1 – Схема стыка магистрального трубопровода 1.2 Материал сварной конструкции Для изготовления труб работающих при различных температурах используется низколегированная конструкционная сталь 14ХГС. Сталь 14ХГС обладает гарантированными механическими характеристиками и химическим составом, высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению при низких температурах и повышенной коррозионной стойкости. Применение: электросварные трубы магистральных трубопроводов высокого давления; сварные конструкции, листовые, клапанные конструктивные детали. Легированными называются стали, содержащие специально введенные элементы. Марганец – легирующий компонент при его содержании в стали более 0,7 % по нижнему пределу, а кремний более 0,4 %. Углеродистые стали с повышенным содержанием марганца относят низколегированным конструкционным сталям. Легирующие элементы, которые вводят в сталь, изменяют ее свойства, вступая во взаимодействие с железом и углеродом., что приводит к повышению механических свойств стали. Сталь 14ХГС низколегированная конструкционная хромокремнемарганцового типа. Микроструктура феррито-перлитная. Наличие марганца в стали 14ХГС повышает ударную вязкость, способствует уменьшению содержания кислорода в стали, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. Кремний вводится как раскислитель и упрочняющий элемент. 11 Хром вводится для повышенной коррозионной стойкости. По сравнению с другими низколегированными сталями из данной стали получаются сварные соединения с более высокой прочностью при переменных и ударных нагрузках. При производстве сварных конструкций широко используют конструкционные стали, с низким содержанием углерода и легирующих элементов. Общее содержание легирующих элементов в таких сталях обычно не превышает 4,0 %, а углерода 0,25 %. Химический состав стали 14ХГС, приведен в таблице 1. Таблица 1 – Химический состав стали 14ХГС, % по ГОСТ 19281-89 [18] C, % Si, % Mn, % Ni, % Сr, % Cu, % S, % P, % 0,11-0,16 0,4-0,7 0,9-1,3 до 0,3 0,5-0,8 до 0,3 до 0,04 до 0,035 Качество и свойства материалов должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов и технических условий и подтверждаться сертификатами поставщиков. При отсутствии или неполноте сертификата или маркировки изготовитель труб должен провести все необходимые испытания с оформлением их результатов протоколом, дополняющим или заменяющим сертификат поставщика материала. В сертификате должен быть указан режим термообработки полуфабриката на предприятии-изготовителе. Механические характеристики стали, приведены в таблице 2, где: σ т – предел текучести; σ в – временное сопротивление разрыву; δ 5 – относительное удлинение при разрыве; KCU – ударная вязкость. Таблица 2 – Механические свойства стали 14ХГС при температуре 20 о С [18] σ в , МПа σ т , МПа для толщин до 20 мм δ 5 , % для толщин до 20 мм KCU, кДж/м 2 490 345 22 340-390 12 Данная сталь содержит пониженное количество серы и фосфора, применяется при изготовлении сварных конструкций в большем объем в состоянии поставки, после термической обработки (нормализации). Ведутся работы по термическому упрочнению этих сталей (закалка с отпуском). 1.3 Технологическая свариваемость металла сварной конструкции Свариваемость - свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией или эксплуатацией изделия. Свариваемость металла зависит от его химических и физических свойств, кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и других факторов. Свариваемость стали 14ХГС: без ограничений - сварка производится без подогрева и без последующей термообработки; ограниченно свариваемая - сварка возможна при подогреве до 100-120 °С и последующей термообработке; трудносвариваемая - для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 °С при сварке, термообработка после сварки – отжиг. Большое влияние на свариваемость металлов и сплавов оказывает их химический состав. Свариваемость углеродистой стали изменяется в зависимости от содержания основных примесей. Углерод является, наиболее важным элементом в составе стали, определяющим почти все основные свойства стали в процессе обработки, в том числе и свариваемость. С увеличением содержания углерода в стали свариваемость ухудшается. В околошовных зонах появляются закалочные структуры и трещины, а шов получается пористым. Поэтому для получения качественного сварного соединения возникает необходимость применять различные технологические 13 приемы. На рисунке 2 представлен термический цикл сварного соединения низкоуглеродистой стали при сварке. Рисунок 2 – Термический цикл сварного соединения низкоуглеродистой стали при сварке Каждый металл состоит из мельчайших зерен. Эти зерна можно видеть на изломе. Структурой металла называют совокупность всех зерен в нем. В металле различают макро- и микроструктуру. Макроструктуру можно рассмотреть невооруженным глазом и при увеличении. Микроструктура – структура металла, которая изучается при увеличении в 60 – 100 раз. На участке 1 металл находился в расплавленном состоянии, затвердев, образовал сварной шов, который имеет литую структуру из столбчатых кристаллов. Данная структура металла шва является грубой, что неблагоприятно сказывается на шве, так как происходит снижение прочности и пластичности металла. Зона термического влияния состоит нескольких структурных участков, которые различаются формой и строением зерна, эти 14 различия вызваны разной температурой нагрева в пределах около 1530 °С. Ширина участка 1 составляет примерно половину ширины шва. Участок неполного расплавления 2 — участок, на котором происходит переход от наплавляемого металла к основному. Здесь образуется соединение и в этом месте проходит граница сплавления, которая представляет собой очень узкую область (0,1—0,4 мм) основного металла, где происходит нагревание до частичного оплавления зерен. В этом месте происходит значительный рост зерен, скапливаются примеси, поэтому из-за этого данный участок является наиболее слабым местом сварного соединения. Прочность и пластичность здесь понижены, по сравнению с основным металлом. Температура участка составляет 1530- 1470 °С. Участок перегрева 3 — область основного металла, который нагревается до температуры 1470 — 1100 °С, из-за этого металл имеет крупнозернистую структуру и пониженные механические свойства. (пластичность и ударную вязкость). Чем шире зона перегрева и чем крупнее зерно, тем ниже эти свойства. Ширина участка 3 составляет 3 — 4 мм. Участок нормализации 4 — область, в которой металл нагревается от 880 до 1100 °С. Процесс перекристаллизации металла на этом участке происходит без перегрева в результате чего из-за нагрева и охлаждения образуется мелкозернистая структура, по причине этого металл данного участка обладает высокими механическими свойствами. Ширина участка 4 составляет 0,2 — 0,4 мм. Участок неполной перекристаллизации 5 — металла в этой зоне при сварке нагревается до температур 720 — 880 °С. Неполная перекристаллизация по причине, вызванной недостаточным временем и температурой нагрева. Структуру этого участка можно охарактеризовать как смесь мелких зерен, которые успели перекристаллизоваться, и крупных зерен, которые не успели пройти процесс перекристаллизации. По сравнению с предыдущим участком, металл данного участка имеет более низкие механические свойства. Ширина его составляет 0,1—3 мм. 15 Участок рекристаллизации 6 — металл в этой области нагревается до температур в диапазоне от 510 до 720 °С. Если перед процессом сварки сталь была подвержена прокатке, ковке, штамповке, т.е. испытала холодную деформацию, то в этой зоне происходит рекристаллизация, в результате чего происходит рост зерна металла, структура становится более грубой, как следствие, все это ведет к разупрочнению. Ширина участка 6 составляет 0,1 — 1,5 мм. Участок 7, в этой области нагрев идет до температур 200 — 510 °С. Этот участок является переходным от зоны термического влияния к основному металлу. В этой зоне возможно выпадение карбидов железа и нитридов из-за процессов старения, которые могут протекать в этой зоне. По этой причине механические свойства металла для данной зоны понижаются. Сварное соединение должно быть достаточно прочным для обеспечения надежности конструкции, поэтому технология сварки должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки. Для получения нормальной работоспособности сварных соединений свариваемость необходимо оценивать исходя из следующих положений: - получение сварного бездефектного соединения, а особенно без холодных и горячих трещин; - получение микроструктуры, прочности и вязкости сварного соединения, обеспечивающих надежность в эксплуатации в заданных температурных условиях; - необходимость принятия специальных технологических мер при сварке (подогрев, регулирование погонной энергии и др.); - необходимость проведения термообработки. Примерным показателем свариваемости стали для известного химического состава является эквивалентное содержание углерода. В зависимости от эквивалентного содержания углерода стали по свариваемости делят на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся стали. 16 Воспользуемся методикой определения полного эквивалента углерода для нахождения необходимого подогрева [5]: С С С р (1) где С - химический эквивалент углерода, С р - размерный эквивалент углерода. Эквивалентное содержание углерода, определяется по формуле (2): С С С С (2) где C, Mn, Cr, Ni, Cu, P – процентное содержание легирующих элементов в металле шва. С Определим размерный эквивалент углерода: С р С (3) где δ – толщина свариваемой стали, мм. С р Находим полный эквивалент углерода: С Полный эквивалент углерода С > 0,45, следовательно, данная сталь относится к IV группе свариваемости, значит, сварка должна проводиться с предварительным или сопутствующим подогревом и термообработкой по окончании сварки. Необходимая для подогрева температура определяется следующим образом: Т п С °С (4) 17 Стали с содержанием до 0,2% С имеют высокую критическую скорость охлаждения при закалке, поэтому после сварки в наплавленном металле и зоне термического влияния не образуются структуры подкалки. Низкоуглеродистые низколегированные стали свариваются практически любыми способами сварки. |