книги / Справочник по пайке

Максимальная прочность соединения труб из стали 20 припоем П-87 достигается при охлаждении стыка после пайки сжатым возду­ хом под давлением 4 - 6 ат. Аналогичная зако­ номерность наблюдается и в изменении микро­ твердости составляющих микроструктуры пая­ ного шва. Свойства паяных соединений стыков трубчатых опор ВЛ в зависимости от условий охлаждения, охлаждающей среды представле­ ны на рис. 5; влияние на скорость охлаждения охлаждающей среды - на рис. 6.

На основе проведенных исследований на Волжском заводе стальных конструкций 6i?ma создана Поточная линия по производству труб-

250 500 750 W00 Скорость охлаждения,°С/мин

Рис. 5. Свойства паяных соединений стыков трубчатых опор ВЛ в зависимости от условий охлаждения после пайки:

/ - микротвердость; 2 - прочность на срез

Рис. 6. Влияние среды на скорость охлаждения

стыка труб 0 159 х 4,5 мм. Охлаждение:

I - естественное; 2 - сжатым воздухом; 3 - водой

чатых опор ВЛ. В итоге в Республику Бангла­ деш было поставлено свыше 80 000 трубчатых опор ЛЭП в экспортном исполнении.

ПАЙКА СТЫКОВ ТРУБ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Необходимость применения пайки для соединения стыков труб тепловых электро­ станций вызывается высокой долей ручного труда в производстве, причем сварщиков высо­ кой квалификации. Применение пайки не толь­ ко устраняет этот недостаток, но и обеспечива­ ет получение равнопрочных соединений, обла­ дающих более высокой, чем при сварке, проч­ ностью. Самое же важное - пайка позволяет механизировать и автоматизировать процесс производства, что особенно важно при соеди­ нении труб диаметром 219 426 мм с толщи­ ной стенок 7 18 мм. Для пайки таких труб ТЭС наиболее отвечающим требованиям ока­ зался индукционный нагрев. Требуемая мощ­ ность для нагрева таких труб приведена в табл. 5.

5. Мощность для нагрева труб тепловых электростанций

Конструкция стыка имеет определяющее значение для обеспечения прочности паяного соединения. Из приведенных на рис. 7 типов разделки концов труб оптимальное формиро­ вание паяного соединения обеспечивает торце­ вая форма разделки стыка, когда на стыкуемую поверхность наносится накатка или спиральная насечка (рис.7, в). При этом качественное со­ единение образуется при осевом давлении на стык до 30 кгс/см2 (3 МПа). Наиболее надеж­ ные и стабильные результаты достигаются при V-образной разделке торцев (рис. 7, г). Пайка

припоя и порошка стали 20, связующее - акри­ ловый лак АС-82. Порошок основного металла - сталь 20 (грануляции 0,05 0,35 мм) до 20 % от массы припоя.

Режим пайки: температура пайки 1180 °С, время нагрева 60 с, время выдержки при тем­ пературе пайки 1 2 мин, осевое давление 5 кгс/см2 (0,5 МПа). Высокочастотный нагрев обеспечивает установка МГЗ-102А с преобра­ зователем ПВС-100-2500 и высокочастотным трансформатором ВТО-500. Нагрев труб диа­ метром 325 мм осуществляется с применением индуктора (рис. 8); зазор между нагреваемой трубой и индуктором 8 10 мм.

Режимы нагрева стыков труб из стали 20 диаметром 325 мм приведены на рис. 9. Меха­ нические испытания подтвердили, что соеди­ нения с V-образной разделкой торцев труб по прочности соответствуют прочности основного металла. Угол изгиба образцов паяного соеди­

Рис. 7. Формы разделки концов труб:

а- под углом 30°; б - под углом 30° с двумя ступеньками; в - встык; г - V-образная

Рис. 8. Разъемный индуктор для пайки труб диаметром 325 мм

Рис. 9. Режимы нагрева стыков труб из стали 20 диаметром 325 мм:

I - термический цикл при пайке труб, соединенных встык; 2 - термический цикл пайки труб с разделкой кромок стыка под углом 30°; 3 - напряжение

на индукторе при пайке труб с разделкой кромок под углом 30°; 4 - напряжение на индукторе

при пайке труб встык

В эксплуатации трубопроводы ТЭС должны обеспечивать сопротивляемость удар­ ным нагрузкам в диапазоне температур +350 -70 °С. Исследования паяных образцов при

комнатной и пониженной температурах пока­ зали, что прочность паяного соединения труб определяется многими факторами. Зависи­ мость ударной вязкости образцов из основного металла (сталь 20) и паяных образцов, разли­ чающихся местом надреза и расположением индуктора (Я), приведена на рис. 10. В итоге испытаний соединения 5-го и 6-го типов при­ няты за основу оценки прочности стыков. Ударная вязкость исследовалась при темпера­ турах: +20, -20, -40 и -70 °С. Результаты ис-

Рис. 10. Зависимость ударной вязкости основного металла и паяных соединений от типа образцов:

1 - 6 - типы образцов, отличающиеся местом надреза и расположения индуктора И

-70-60 -40 -20 о 20 Температура,°С

Рис. 11. Зависимость ударной вязкости стали 20

ипаяных соединений от температуры испытаний:

1 - сталь 20 (образец типа 1, см. рис. 10); 2 - П-87

(образец типа 5); 3 - П-87 - сталь 20 (тип 6); 4 - П-87 (тип 6)

пытаний образцов из стали 20 и образцов пая­ ных соединений из стали 20 (рис. 11) показали, что ударная вязкость образцов 5-го и 6-го ти­ пов в 2 - 3 раза ниже ударной вязкости осталь­ ных образцов. По сравнению с основным ме­ таллом ударная вязкость паяных соединений уступает незначительно. Разрушение образцов происходит по основному металлу в зоне тер­ мического влияния. Микротвердость зон тер­ мического влияния образцов из стали 20 (фер­ ритная фаза) представлена на рис. 12. Микро­ твердость зон термического влияния (перлит­ ная фаза) - на рис. 13.

Таким образом, применение пайки взамен сварки для производства строительных конст­ рукций позволяет обеспечить получение рав­ нопрочных с основным металлом соединений в условиях механизации и автоматизации, а так­ же повысить культуру производства.

о ю 20 зо w so ео

Расстояние от центра нагрева, мм

Рис. 12. Микротвердость зоны термического влияния стали 20 (ферритная фаза) в зависимости от температуры нагрева (охлаждение на воздухе): / - 1150 °С; 2 - 1200 ° С ;3 - 1250 ° С \ 4 - 1300 °С

Рис. 13. Микротвердость зон термического влияния стали 20 (перлитная фаза) после охлаждения с 1200 °С в различных средах:

I - сжатый воздух 2 ат (1 ат * 0,1 МПа); 2 - сжатый воздух 4 ат; 3 - вода - 5 ат; 4 - вода - 1,6 ат

ПАЙКА СТЫКОВ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Бурение геологоразведочных скважин осуществляется снарядами со съемными керноприемниками, важнейший элемент которых - бурильная колонна, определяющая производи­ тельность и экономичность бурения. Для по­

вышения прочности конструкции колонны к стальной трубе (сталь 36Г2С) присоединяются на резьбе концы из более прочной стали 40ХН. Применение вместо резьбового соединения сварки электродуговой. трением, контактной, диффузионной в вакууме, электронно-лучевой не дало положительных результатов. Разруше­ ние при диффузионной сварке происходит по шву, в остальных способах сварки - по зоне термического влияния. При применении всех видов сварки изгибающий момент соединения ниже, чем при резьбовом варианте, причем в большинстве случаев образуются зоны термиче­ ского влияния, прочностные характеристики которых ниже допустимого уровня.

Переход на пайку позволил получать со­ единения, равнопрочные с основным металлом, обладающие высокой герметичностью, вибра­ ционной и усталостной прочностью. Для пай­ ки бурильных труб использован индукцион­ ный нагрев. Применительно к сталям 36Г2С и 40ХН индукционный нагрев не вызывает зна­ чительного роста зерна и обезуглероживания при кратковременном нагреве до температуры пайки. Нагрев при пайке производится машин­ ным генератором с преобразователем повы­ шенной частоты 2500 Гц, мощностью 100 кВт. Пайка велась припоем П-100 с применением флюса № 201 со стеклом № 15 в соотношении 1:1 по режиму: температура пайки - 1180 °С, время нагрева до температуры пайки 45 с, вы­ держка 10 с.

Нагрев - на высокочастотной установке МГЗ-102А (с преобразователем частоты ПВС- 100-2500 и трансформатором ВТО-500) и ЛГ-363 с частотой 68 кГц. В качестве припоя применялась смесь припоев П-87 и П-100. Из паяльной смеси готовились закладные детали методом горячего прессования. На состав па­ яльной пасты для пайки труб с муфтами Госу­ дарственным Комитетом по делам изобретений

иоткрытий (Российское агентство по патентам

итоварным знакам) выдано авторское свиде­ тельство № 671961. Режимы пайки бурильных труб из стали 36Г2С с муфтами из стали 40ХН

сприменением высокочастотного нагрева при­ ведены в табл. 6.

Рис. 14. Форма стыка при соединении бурильных труб пайкой:

1 - труба из стали 36Г2С; 2 - кольцо припоя; 3 - муфта из стали 40ХН

Форма стыка при соединении бурильных труб пайкой приведена на рис. 14.

Пайка производилась припоем П-100 с использованием флюса № 201 со стеклом № 15 в равных соотношениях. Температура пайки - 1180 °С. время нагрева до температуры пайки 45 с, время выдержки 10 с. Установки МГЗ-102А (с преобразователем ПВС-100-2500 и транс­ форматором ВТО-500) и ЛГ363 с частотой 68 кГц. Нагрев осуществлялся с применением конусного индуктора, обеспечивающего рав­ номерный нагрев труб разного диаметра (рис. 15). Пайка трубы с муфтой производится в оснастке, обеспечивающей соосность в усло­ виях. поджатия в осевом направлении. Предот­ вращение вытекания жидкого припоя П-87 достигнуто применением смеси припоев П-87 и П-100. В итоге из этих припоев штампуются закладные детали химсостава, приведенного в табл. 7.

Рис. 15. Термокинетические циклы нагрева и пайки стыка трубы с муфтой:

I - термический цикл для трубы 0 70х4,5 мм, сталь 36Г2С; 2- термический цикл для муфты 0 73 х 10 мм, сталь 40ХН; 3- термический цикл для стыка трубы с муфтой; 4 - изменение напряжения при нагреве стыка трубы с муфтой; 5 - изменение напряжения на индукторе при нагреве муфты; 6- изменение напряжения на индукторе при нагреве трубы

7. Компонентный состав закладных деталей

Режим нагрева стыков бурильных труб определяется их типоразмером, видом раздел­ ки стыка, формой и размерами индуктора. Ре­ жим пайки бурильных труб с использованием высокочастотного нагрева приведен в табл. 8.

Термокинетические циклы нагрева и пайки стыка трубы с муфтой представлены на рис. 15.

ПАЙКА СТЫКОВ ОБСАДНЫХ ТРУБ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

С ростом глубины бурения нефтяных и газовых скважин повысились требования к прочности и эксплуатационным свойствам труб нефтяного сортамента и способам их со­ единения. Для соединения труб над устьем скважин обычно использовались только резь­ бовые соединения и сварные с применением электродуговой или контактной сварки. Недос­ татками этих способов соединения труб обсад­ ных колонн являются:

1) наличие подкладных колец, ослабляю­ щих тело трубы и повышающих металлоем­ кость конструкции;

2)сложность изготовления, хранения и транспортировки подкладных колец большого диаметра с толщиной стенки 2,5 мм;

3)трудность обеспечения соосности труб

при сборке под сварку над устьем скважины;

4)наличие внутреннего и наружного гра­ та при применении контактной сварки;

5)увеличение диаметра обсадной колон­ ны за счет муфт при применении резьбового соединения.

Технологический процесс соединения труб пайкой над устьем скважин включает:

1)разделку торцев труб;

2)сборку под пайку (припой и флюс вно­ сятся в зазор в виде кольца по форме стыка труб);

3)нагрев токами высокой частоты при приложении осевого усилия.

Соединение обсадных труб над устьем скважин пайкой с применением припоя на же­ лезной основе П-87 обеспечивает соединение стандартных труб и из легированных сталей. При этом отсутствует внутренний и наружный грат; обеспечивается надежная герметичность;

прочность паяного соединения соответствует прочности основного металла труб; имеется возможность распая соединения.

Длина паяной колонны на скважине № 509 Кюрсанги-южная Кюрсангинского УБР составила 1553 м, а на скважине № 1 пл. Щирванли Джарлинского УБР - 2005 м.

Пайка стыков обсадных труб производит­ ся с V-образной разделкой, угол при вершине 60°, припой П-87, флюс № 201.

Режимы индукционного нагрева стыков труб типоразмера 0 168 х 10 приведены в табл. 9.

Обсадка нефтяных скважин колоннами труб, стыкованными пайкой припоем Г1-87, показала надежность и перспективность этого метода и получила широкое распространение.

ПАЙКА СТЫКОВ ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Исследования по пайке стыков труб ма­ гистральных трубопроводов были предприня­ ты с целью преодоления недостатков сущест­ вовавшего способа их производства. В итоге накоплен опыт применения индукционной пайки стыков труб из низкоуглеродистых ста­ лей 36Г2С, 40ХН, коррозионно-стойких диа­ метром до 426 мм. Отработаны геометрия сты­ ка, метод нагрева, условия пайки неповорот­ ных стыков, состав паяльной смеси и опти­ мальные условия ее нанесения, а также создан комплекс оборудования, обеспечивающего механизацию производственных процессов. Пайка припоем на железной основе П-87 труб диаметром до 426 мм с толщиной стенки от 7 до 12 мм осуществлялась по режиму:

-время индукционного нагрева до тем­

пературы пайки 1,5 2 мин; - температура пайки 1200 °С;

-выдержка при температуре пайки 1 мин;

-охлаждение на воздухе.

Припой в соединение труб вносится в ви­ де закладных колец, изготовленных по форме стыкуемых кромок концов труб под углом 30°. Состав паяльной смеси для прессования за­ кладных колец (по массе): припой - 79 %; по­ рошок основного металла - 1 1 % ; сополимер формальдегида с диаксаном - 10 %. Режим прес­

рудуется нагревателем и имеет охлаждающие каналы. После достижения заданной темпе­ ратуры и выдержки 0,5 3 мин (в зависимо­ сти от габаритов прессформы) включается охлаждение.

В целях реализации полученных резуль­ татов в практику к работам по пайке труб, применяемых для магистральных трубопрово­ дов, был привлечен Всесоюзный научноисследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов (ВНИИСТ), в котором в итоге была создана собственная ла­ боратория пайки. На основе полученных ре­ зультатов в 1986 г. ВНИИСТом процесс ин­ дукционной пайки припоем П-87 успешно применен для прокладки магистрального тру­ бопровода на Уренгойском газоконденсатном месторождении. В проспекте ВНИИСТа отме­ чается: «При индукционной пайке стыков трубопроводов производительность труда в 3 раза выше, а стоимость расходуемого мате­ риала в 3 раза ниже, чем при ручной электро­ дуговой сварке».

ПРОИЗВОДСТВО ПАЯНЫХ РЕШ ЕТЧАТЫХ

ОПОР ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

железнодорожных перевозок. Кроме того, про­ изводство решетчатых металлических опор слабо механизировано, сварка осуществляется вручную. Решетчатая опора под пайку конст­ руктивно изменена по сравнению со сварной, выполняется из трех плоских независимых панелей, которые легко транспортировать, обеспечивая высокий процент загрузки ваго­ нов. Паяные соединения в отличие от сварных имеют сплошное прилегание раскосов к поя­ сам; в итоге при цинковании образуется моно­ литная конструкция панели и, соответственно, опоры при сборке. Пояса стоек и траверсы со­ стоят из двух ветвей тонкостенного профиля сечением 40 х 90 х 55 х 4 мм, соединяемых болтами или пайкой через прокладки толщи­ ной 8 мм. Решетка стоек и боковые решетки траверсы выполнены из гнутого швеллера се­

чением 32 х 25 х 3 мм, а решетка нижней грани

траверсы - из гнутого уголка 50 х 50 х 3 мм. Крепление раскосов к поясам осуществляется пайкой. Материал конструкции опоры - сталь СтЗсп. Паяная опора подлежит горячей оцин­ ковке.

Конструкция плоских панелей позволяет не только механизировать процесс производст­ ва, но и облегчает и удешевляет транспорти­ ровку и монтаж опор. Преодолевается и недос­ таток сварных опор, связанный с низкой корро­ зионной стойкостью. Конструкция промежу­ точной паяной опоры на оттяжках представле­ на на рис. 16. Стойки и траверса опоры - трех­ гранного сечения. Особенностью конструкции опоры является применение холодногнутых профилей (пояса и раскосы).

Основные параметры и размеры опоры:

Технологический процесс пайки решет­ чатых опор ЛЭП включает: заготовку элемен­ тов конструкции, сборку, нанесение припоя, закрепление элементов конструкции, нагрев, пайку, нанесение защитных покрытий.

Припои типа твердого раствора на желез­ ной основе нетребовательны к состоянию по­ верхности. Ржавчина в местах пайки не влияет на прочностные и другие характеристики пая­ ных соединений.

Сборка под пайку осуществляется на спе­ циальных стендах. Проведенные исследования показали, что при пайке металлоконструкций из стали ВСтЗ припоем П-87 максимальная

оптимальным при пайке стали ВСтЗ припоем П-87 считается зазор 0,4 0,8 мм. Следует, однако, учитывать, что при пайке в отличие от сварки соединение осуществляется по плоско­ сти, поэтому паяные швы имеют более высо­ кий запас прочности; некоторое снижение пре­ дела прочности на срез с увеличением зазора практически не влияет на прочность паяного соединения и конструкции опоры в целом.

Припой можно вносить в виде фольги толщиной 0,3 0,5 мм, паст или порошка, в виде закладных деталей на полимерном свя­ зующем. При соединении пайкой толстостен­ ных элементов конструкций равномерность зазора по всей площади шва обеспечить труд­ но, поэтому на основе порошка припоя П-87 разработаны припои-пасты. Оптимальное со­ держание порошка припоя в пастах - 79 85 % по массе.

Состав пасты ППА-1 на акриловом лаке (% по массе): припой П-87 (порошок) - 71; акриловый лак АС-84 - 12; ацетон - 12; флюс АП-1 - 4,5; триэтиламин - 0,5.

Состав пасты ПГ1Э-1 на основе кремнийорганической эмульсии (% по массе): припой П-87 (порошок) - 83,4; эмульсия кремнийорганическая КМ-11/70 - 4; дистиллированная вода - 7; флюс ЛП-1 - 4,8; триэтиламин - 0,4; крахмал - 0,3; марганцово-кислый калий - 0,1.

Нагрев при пайке может осуществляться токами высокой частоты методом электросо­ противления, а также с применением газовых горелок. В условиях массового производства наиболее целесообразна групповая пайка пло­ ских панелей методом сопротивления на кон­ тактных машинах типа сварочных со специ­ альными электродами, создающими рассредо­ точенный нагрев. При индукционном или газо­ пламенном нагреве необходимы специальные приспособления для поджатия соединяемых элементов.

При пайке конструкций из стали СтЗ припоем П-87 (флюс ЛП-1) с индукционным нагревом оптимальный режим пайки для эле­

выдержка 60 с, охлаждение естественное.

По месту пайки устанавливают выносные трансформаторы ТВД-500 с разъемными ин­ дукторами и смонтированный на трансформа­ торе пневмоцилиндр для создания давления при пайке. Источник питания - машинный генератор МГЗ-102-А. Трансформаторы могут быть установлены стационарно, и изделие, уложенное в кондуктор-тележку, последова­ тельно с определенным шагом проходит через индуктор или трансформатор с индуктором и цилиндром, установленными на тележку, пере­ двигается вдоль изделия.

Режим индукционной пайки панелей опор ЛЭП ППО-500 (припайка раскоса к поясу): площадь спая 900 мм2; температура пайки

ние в растворе серной кислоты, промывку в про­

флюсование с последующей сушкой и горячее цинкование.

Соединение при пайке осуществляется по плоскости, поэтому «карманы» не образуются, что исключает попадание коррозионно-актив­ ных растворов в зазоры и обеспечивает высо­ кую коррозионную стойкость конструкций.

Испытания натурных конструкций в ста­ тических условиях, а также на удар и вибра­ цию показали, что они обладают высокой прочностью и надежностью. Искусственно вводимые непропаи площадью до 60 % площа­ ди соединения, но не выходящие в галтельные участки, практически не снижают статической прочности конструкции.

Испытания цельнопаяных опор ЛЭП-500 производились на испытательном полигоне института ОРГРЭС. В процессе испытаний установлено, что они полностью удовлетворя­ ют требованиям, предъявляемым к сварным опорам ЛЭП при значительно меньшей массе.

Испытания на воздействие влаги, морско­ го тумана, динамическое воздействие пыли, хладостойкость, коррозионную стойкость по­ казали, что конструкция паяной опоры отвеча­ ет всем техническим требованиям.

Экономическая и техническая целесооб­ разность перехода от сварки на пайку в произ­ водстве решетчатых металлоконструкций опор ЛЭП складывается из повышения производи­ тельности труда при применении механизиро­ ванных способов заготовки, сборки и пайки опор ЛЭП, снижения стоимости перевозок (коэффициент использования подвижного со­ става при перевозке сварных опор составляет 1,5 6 %), сокращения эксплуатационных расходов за счет снижения металлоемкости паяной опоры ЛЭП.

Партия цельнопаяных решетчатых опор ЛЭП и цельнопаяных решетчатых траверс опор ЛЭП-500 установлена на действующей линии электропередачи Владимир - Суздаль.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Петрунин И. Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая школа, 1972.

2.Петрунин И. Е. О строении спаев и пайке с большими зазорами / В кн.: Новые ма­ териалы и технология пайки в машинострое­ нии. М.: ЦП НТО «Машпром», 1971. С. 6 - 14.

3.Петрунин И. Е., Мороз П. К., Стре­ калов Г. Н., Шеин Ю. Ф. Пайка при произ­ водстве крупногабаритных строительных ме­ таллоконструкций. М., 1980.

4.Петрунин И. Е., Маркова И. Ю., Данилов Ю. П. Пайка для соединения стыков труб в трассовых условиях / В сб.: Современ­ ные методы пайки. Киев: АН УССР, 1982. С. 69.

5.Петрунин Н. Е., Маркова И. Ю. Прочность паяных соединений магистральных трубопроводов из малоуглеродистых сталей /

Всб.: Прогрессивные методы высокотемпера­ турной пайки. Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1989. С. 61.

6.Петрунин И. Е., Шеин Ю. Ф., Мос­ каленко А. Л. Поточная линия по производст­ ву паяных трубчатых опор высоковольтных линий / В сб.: Механизация и автоматизация процессов пайки. М.: МДНТП им. Ф. Э. Дзер­ жинского, 1976. С. 9.