Сварка стальных труб: газовая и электродуговая

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ

Для сварки стальных труб газопроводов используют ручную электродуговую и газовую сварку. Оба способа предполагают нагрев металла выше температуры плавления, в результате образуется ограниченный твердым металлом небольшой объем жидкого металла - сварочная ванна (рис.1).

Рис.1 Сварочная ванна

При перемещении источника тепла вдоль стыка в головной части сварочной ванны металл расплавляется, а в хвостовой – кристаллизуется, образуя сварной шов. При формировании шва подается дополнительный материал в виде сварочной проволоки (электрода). При сварке в металл шва поступают газы, которые ухудшают его свойства, поэтому обязательным условием получения качественного сварного соединения является защита зоны сварки от воздуха.

Газовая сварка и резка

Рис.2 Схема газовой сварки

Ручную газовую (ацетиленовую) сварку производят пламенем, образующимся при сжигании смеси кислорода с ацетиленом (рис.2). Пламя с температурой свыше 3000 ⁰С расплавляет кромки свариваемых труб и присадочную проволоку, из которой формируется сварной шов. Шов от воздуха защищают продукты сгорания. Для газовой сварки характерно длительное пребывание металла в зоне высоких температур. Механические свойства сварных соединений (прочность, пластичность, вязкость), выполненных газовой сваркой, хуже, чем свойства электродуговых сварных швов. Ацетиленовая газовая сварка разрешена для газопроводов условным диаметром 150 мм с толщиной стенки до 5 мм со скосом кромок. При толщине до 3 мм сварка производится без скоса кромок.

Оборудование для газовой сварки

Для газовой сварки и резки стальных газопроводов применяются сварочные материалы и сварочное оборудование, приведенные в таблице 1.

Таблица 1

Сварочное оборудование	Сварочные материалы
Пост газовой сварки в составе: газовые баллоны, редукторы, горелки (резаки), резинотканевые рукава	Сварочная проволока сплошного сечения (Пс)
	Газы горючие (Гг)

Ацетилен является основным газом, используемым при газосварочных работах, так как при его сгорании в кислороде температура пламени достигает 3150 °C. Интересный факт: самая высокая температура возникает при горении дицианоацетилена C₄N₂ в озоне - 5730 °C.

Чистый ацетилен не имеет запаха. Технический ацетилен обладает характерным неприятным запахом, который ему придают примеси. К месту сварочных работ поставляется в баллонах белого цвета (рис.3, а), где он растворен в ацетоне, которым в свою очередь пропитана пористая масса, например, активированный древесный уголь с размером частиц 2 – 3 мм. Максимальное давление в баллоне – 1,9 МПа.

а)

б)

в)

Рис.3 Баллоны для газовой сварки и резки

Кислород поставляется газообразным в баллонах синего цвета с рабочим давлением 10, 15 или 20 МПа (рис.3, б). Емкость баллона – 40 литров.

Для отрезания участков труб, вырезания из металла заготовок применяется газовая резка. При разрезании стали ее нагревают до температуры воспламенения в кислороде, после чего сжигают в струе кислорода. Образующееся тепло подогревает следующие участки металла. Продукты сгорания выдувают из реза струей кислорода и газов, образующихся при горении. Для газовой резки используют кислород и пропан-бутановую смесь – сжиженный углеводородный газ (СУГ). Его поставляют в баллонах красного цвета, максимальное давление – 1,6 МПа (рис.3, в).

Рис. 4 Кислородный редуктор

Редукторы крепятся к вентилям баллонов. Они необходимы для понижения давления газа и поддержания его на одном уровне независимо от расхода. По применяемому газу редукторы делят на кислородные (рис.4), ацетиленовые и пропан-бутановые. Цвет редуктора соответствует цвету баллона, в котором поставляется газ. Для подачи газа от редукторов к горелке (или резаку) служат резинотканевые рукава – шланги.

Для газовой сварки используются сварочные горелки, в которых смешивается в нужном соотношении ацетилен и кислород. При работе сварщик может изменять соотношение горючего газа и окислителя, а также регулировать мощность горелки в зависимости от толщины свариваемых деталей.

Горелки, применяемые для газовой резки, называются резаками. Они необходимы для образования подогревающего пламени и подачи кислорода в зону резки.

Рис.5 Присадочная проволока

Присадочная проволока из низкоуглеродистой стали Св-08, Св-08А, применяемая для газовой сварки труб, выпускается по ГОСТ 2246 либо по техническим условиям изготовителя. Цифры, следующие за индексом Св, показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буква А на конце указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора. Для сварки низколегированных сталей применяется проволока марок СВ-08ГА, СВ-08ГС, СВ12ГС и др. Проволока поставляется в мотках (катушках) с обязательным наличием маркировки – металлического ярлыка (рис.5). Хранить ее необходимо в закрытых складах.

Ручная электродуговая сварка

При электродуговой сварке процесс происходит за счет теплоты электрической дуги. Дуга образуется между электродом, подсоединяемым к одному полюсу, и свариваемым материалом, подсоединяемым к другому полюсу.

Рис.6 Электродуговая сварка

Электрод для ручной дуговой сварки – это стержень из сварочной проволоки, на который нанесено покрытие. Высокая температура дуги разогревает металл стержня и трубы, приводя к появлению сварочной ванны (рис.6). Расплавленный стержень в виде отдельных частиц, покрытых шлаком, поступает в ванну. Основное назначение покрытия – защита зоны сварки от воздуха. Газообразующие компоненты покрытия разлагаются с образованием газов, вытесняющих воздух. Этот слой препятствует взаимодействию расплава с газами атмосферы. Шлакообразующие вещества покрывают расплавленный металл слоем шлака, который всплывает на поверхность и защищает шов в процессе кристаллизации металла. Раскисляющие компоненты реагируют с растворенным в сварочной ванне кислородом, а также с оксидами и восстанавливают чистое железо. При этом они сами окисляются и уходят в шлак. Таким образом, при сварке покрытыми электродами расплавленный металл защищен от воздуха:

• шлаком, покрывающим шов;

• газами от разлагающихся веществ покрытия;

• химическими реакциями раскисления.

Стабилизирующие компоненты покрытия обеспечивают стабильное горение дуги благодаря содержанию элементов с низким потенциалом ионизации.

Рис.7 Сварочные электроды

Для сварки стальных газопроводов применяют электроды (рис.7) типов Э-42, Э-42А, Э-46, Э-46А, при необходимости Э-50А. Цифры, следующие за индексом Э, показывают предел прочности на разрыв стали, из которой изготовлен электрод. Например, у электрода Э-42 он составляет не менее 42 кг/мм² (420 МПа). Буква А на конце указывает на повышенную чистоту металла по содержанию примесей. Сварку труб из углеродистой стали производят электродами типа Э42, Э46, из низколегированной – Э50.

Перед применением влажные электроды необходимо прокалить. Содержащаяся в покрытии вода при сварке разлагается с образованием водорода, который проникает в металл шва и образует газовые поры.

Оборудование для электродуговой сварки

Источники питания для ручной дуговой сварки должны обеспечивать зажигание и гашение дуги, стабильное горение и управление ее физическими параметрами. Сварочная дуга бывает:

• постоянного тока – полярность электрода и свариваемого элемента не меняются в процессе сварки;

• переменного тока – полярность изменяется с частотой переменного тока.

Трансформаторы позволяют получить сварочную дугу переменного тока. Постоянный ток вырабатывают выпрямители, преобразователи и инверторы. Для подачи сварочного тока от источников питания и назад служат кабели с кабельными наконечниками. Для крепления электродов, подачи к ним сварочного тока и манипулирования во время сварки необходимы электрододержатели. Клеммы заземления служат для крепления обратного кабеля.

Рис.8 Инверторный сварочный аппарат

В настоящее время сварочные трансформаторы вытесняются инверторными аппаратами (рис.8). В них переменный ток поступает на выпрямитель, после которого полученный постоянный ток преобразуется инвертором с помощью транзисторов в переменный частотой 20-50 кГц. Затем переменное напряжение высокой частоты понижается до 70-90 В, а сила тока повышается до необходимых  для сварки 100-200 А.

Без сварочных технологий строительство газовых сетей невозможно. Они многие десятилетия обеспечивают надежность и безопасность газопроводов и сооружений на них.

Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования