Сварка и ремонт металлических конструкций по противокоррозионным покрытиям
Покупка
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 152
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3875-4
Артикул: 147698.05.99
Доступ онлайн
В корзину
Рассмотрены механизмы коррозии, вопросы технологии сварки и ремонта металлических конструкций по противокоррозионным покрытиям, составы и способы нанесения противокоррозионных покрытий. Проанализирован и обобщен большой объем фактического материала, полученного с использованием современных технологических методов и измерительной аппаратуры.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Машиностроение".
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.П. Шатов, И.О. Стеклов, В.П. Ступников СВАРКА и РЕМОНТ металлических конструкций по противокоррозионным покрытиям Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 150700 «Машиностроение» Издание 2-е, исправленное Москва 2014
УДК 621.791:620.197 ББК 34.641 Ш28 Р е ц е н з е н т ы: д-р техн. наук, заведующий отделом экспертизы металлов ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» В.М. Горицкий д-р техн. наук, профессор кафедры «МиАСП» Донского государственного технического университета В.А. Ленивкин Шатов А. П. Ш28 Сварка и ремонт металлических конструкций по противо- коррозионным покрытиям : учеб. пособие / А. П. Шатов, О. И. Стеклов, В. П. Ступников. – 2-е изд., испр. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. – 148, [4] с. : ил. ISBN 978-5-7038-3875-4 Рассмотрены механизмы коррозии, вопросы технологии свар- ки и ремонта металлических конструкций по противокоррозион- ным покрытиям, составы и способы нанесения противокоррозион- ных покрытий. Проанализирован и обобщен большой объем фактического ма- териала, полученного с использованием современных технологиче- ских методов и измерительной аппаратуры. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Машиностроение». УДК 621.791:620.197 ББК 34.641 © Шатов А.П., Стеклов О.И., Ступников В.П., 2014 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-3875-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014
Введение 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Создание сварной конструкции с противокоррозионными покрытиями, полностью отвечающей своему служебному назначению и требованиям эксплуатации, представляет собой комплексную задачу, которая включает в себя проектирование, прочностной расчет и рациональную технологию ее изготовле- ния. В процессе эксплуатации и реновации (ремонта) остро встает проблема коррозии сварных соединений различных кон- струкций, решение которой связано как с выбором рациональной технологии сварочного процесса, так с выработкой рекомендаций с учетом влияния типа защитного покрытия, его толщины и места расположения относительно свариваемых кромок, оказывающих влияние как на физические и технологические, так и эксплутацион- ные свойства сварных соединений. Для защиты несущих сварных конструкций от коррозии приме- няют различные противокоррозионные покрытия (лакокрасочные, металлические из цинка и алюминия, силикатно-эмалевые и т. п.), однако сложность состоит в том, что в процессе эксплуатации сварной конструкции происходит ее коррозия и старение совмест- но с защитными покрытиями. В связи с этим остро встает вопрос мониторинга такой сварной конструкции не только на стадии про- ектирования, изготовления и эксплуатации, но и последующего ремонта. Решение этой проблемы, например, на нефтегазовых со- оружениях является комплексной задачей. Содержание предлагаемого учебного пособия «вооружает» бу- дущих конструкторов и технологов необходимой информацией и методологией ее использования для решения задач по рациональ- ному выбору антикоррозионного покрытия на свариваемых эле- ментах металлических конструкций. Принципиальным отличием предлагаемого пособия является ориентированность на комплекс- ное решение задач выбора (критерии и правила выбора, обосно-
Предисловие 4 ванное решение и т. д.) с позиций жизненного цикла эксплуатации изделия в целом. Пособие может быть использовано студентами конструктор- ских и технологических специальностей при выполнении курсо- вых и дипломных работ, связанных с технической подготовкой производства и ремонта металлических конструкций различного функционального назначения. В пособии рассматривается современное состояние этих задач, однако его материал не исчерпывает всей сложности поставленной проблемы технологии сварки, коррозии и старения сооружений. Представлена разработанная авторами феноменологическая мо- дель влияния антикоррозионных покрытий (лакокрасочных, ме- таллических из цинка и алюминия и силикатно-эмалевых) на про- цессы сварки таких конструкций и последующей защиты сварного шва, например, на нефтегазовых сооружениях. Рассмотрены проблемы старения и коррозии нефтегазовых со- оружений, сформулированы причины и механизмы отказов, а так- же основные направления комплексного решения проблемы с по- зиций физико-химической механики свариваемых материалов и конструкций. Представлены различные способы ремонта стальных конструкций, имеющих антикоррозионные покрытия и рассмотре- ны преимущества и недостатки каждого из способов.
1.2. Старение и коррозия сварных соединений 5 1. СВАРКА И РЕМОНТ НЕСУЩИХ СВАРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРОТИВОКОРРОЗИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ 1.1. Несущие сварные конструкции с противокоррозионными покрытиями и области их применения Провести единую классификацию несущих сварных конструк- ций довольно затруднительно ввиду большого разнообразия. Они могут быть классифицированы по методу получения заготовок (листовые, сварно-литые, сварно-кованые, штампосварные), по целевому назначению (вагонные, судовые, авиационные и т. п.), в зависимости от толщины свариваемых элементов (тонко- и тол- стостенные) или по применяемым материалам (стальные, алюми- ниевые, титановые и т. п.). При рассмотрении вопросов проекти- рования, изготовления и ремонта сварных конструкций более ра- циональной представляется их классификация по характерным особенностям работы. Можно выделить следующие типы сварных элементов и конструкций. Балки – конструктивные элементы, работающие преимуще- ственно на поперечный изгиб. Жестко соединенные между собой балки образуют рамные конструкции. Колонны – элементы, работающие преимущественно на сжатие или сжатие с продольным изгибом. Решетчатые конструкции – системы стержней, соединенных в узлах таким образом, что стержни испытывают преимущественно растяжение или сжатие. К ним относятся фермы, мачты, арматурные сетки и каркасы. Оболочечные конструкции – различные емкости, сосуды и трубопроводы, как правило, испытывающие внутреннее давление и отвечающие требованиям герметичности соединений. К ним, в частности, относятся магистральные и промысловые трубопроводы, резервуары для хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов, морские нефтегазовые сооружения, несущие конструкции нефтеперерабатывающих заводов. Корпусные транспортные конструкции – корпуса судов, вагонов, кузова автомобилей, подвергающиеся динамическим нагруз-
1. Сварка и ремонт несущих сварных металлических конструкций 6 кам. К ним предъявляют требования высокой жесткости при минимальной массе. Детали машин и приборов – элементы (например, станы, валы, колеса), работающие в основном при переменных, многократно повторяющихся нагрузках. Характерным для них является требо- вание точных размеров, которое обеспечивается главным образом механической обработкой заготовок или готовых деталей [9]. 1.2. Старение и коррозия сварных соединений В настоящее время проблема коррозии усугубляется старе- нием основного металлофонда, его износом, совершенно недо- статочной степенью возобновляемости и реновации. Бóльшая часть из 800 млн т потенциально опасных конструкций России выработала свой плановый ресурс на 50...70 %. Значительная часть сооружений полностью исчерпала свой плановый ресурс и вступает в период интенсификации отказов. Жизненный цикл конструкции подразделяется на четыре основные стадии: проек- тирование, изготовление, эксплуатация и реновация (рекон- струкция, ремонт). По интенсивности отказов на стадии эксплуатации можно вы- делить три характерных периода: I – приработка, или период ранних отказов, когда выявляются недостатки проектирования и изготовления; II – нормальная работа при практически постоянной интен- сивности отказов по причинам преимущественно случайного ха- рактера; III – интенсификация отказов, обусловленная старением и усу- губляемая коррозией. Рассмотрим оболочковые конструкции, к которым относятся различные нефтегазовые сооружения (НГС): магистральные и промысловые трубопроводы, резервуары, морские НГС, несущие конструкции нефтеперерабатывающих установок и заводов и т. д. Это сложные крупногабаритные сварные геотехнические соору- жения, эксплуатируемые в условиях воздействия углеводородных продуктов (добываемых, транспортируемых, перерабатываемых, хранимых) и коррозионных сред. Значительная часть этих со-
1.2. Старение и коррозия сварных соединений 7 оружений выработала плановый ресурс на 60...70 %. Например, газопроводы и резервуары с временем эксплуатации 20 лет и бо- лее исчерпали свой ресурс более чем на 70 %. Большинство НГС вступило в III период эксплуатационной стадии жизненного цикла – период интенсификации отказов (рис. 1.1). Рис. 1.1. Изменение интенсивности отказов магистральных нефтепроводов во времени (I–III – периоды эксплуатационной стадии жизненного цикла нефтепроводов) Основными причинами отказов в III периоде становятся кор- розия и старение [18, 19]. Например, старение НГС оказывает существенное влияние на сопротивляемость разрушению после 10...15 лет эксплуатации в связи с протеканием процессов дегра- дации (охрупчивания) металла и защитных покрытий. Анализ комплекса факторов, действующих на различные конструкции, позволяет выделить три основных процесса, приводящих к охрупчиванию и старению металла: 1) деформационное старение, особенно значимое для сварных соединений, испытывающих термодеформационное воздействие и находящихся в вызванном им повышенном напряженном со- стоянии. Оно связано с изменениями в распределении атомов
1. Сварка и ремонт несущих сварных металлических конструкций 8 внедрения углерода, кислорода и азота в ферритной матрице и частичным распадом цементитной фазы при технологических воздействиях в процессе эксплуатации. Следствием деформаци- онного старения является уменьшение статической и цикличе- ской трещиностойкости; 2) насыщение металла реагентами среды и прежде всего водо- родное охрупчивание, связанное с изменением напряженного со- стояния структуры матрицы и уменьшением ее трещиностойкости из-за ослабления границ зерен (рост доли межзеренного разруше- ния) при эксплуатации; 3) повторно-циклическое действие нагрузок и термоцикли- рование в диапазоне климатических температур. Они вызывают микропластические деформации и локализуют концентрации напряжений, ускоряя эксплуатационную повреждаемость ме- талла. Перечисленные процессы обусловливают повышение склонно- сти стали к трещинообразованию и хрупкому разрушению по мере приближения температуры хрупкости стали к температуре эксплу- атации объекта. Главное влияние старение оказывает не на изме- нение стандартных механических характеристик материала, а на снижение сопротивляемости хрупкому разрушению в связи с из- менениями тонкой структуры и охрупчиванием, особенно в при- сутствии водорода. К настоящему времени в России, несмотря на наличие круп- ных строительных объектов, в силу экономической ситуации от- мечается приоритет реновации металлофонда перед новым стро- ительством. Комплекс технологических конструкторских и орга- низационных мероприятий направлен на увеличение ресурса объекта реновации или его составляющих, на использование по новому назначению либо на вторичное использование конструк- торского материала. К началу ХХI в. доля нефтепроводов с возрастом старше 20 лет составила более 70 %, а старше 30 лет – более 40 %. Пре- высило 20-летний срок эксплуатации 70 % резервуарного парка в ОАО «Транснефть» (г. Альметьевск). Известны многочислен- ные случаи преждевременных отказов НГС, представляющие огромную экологическую опасность и непосредственную угрозу жизни людей. Поскольку металлофонд НГС составляет значи-
1.2. Старение и коррозия сварных соединений 9 тельную часть (15...20 %) общего металлофонда страны, перед нефтегазовой отраслью чрезвычайно остро стоит проблема мониторинга и оценки прогнозируемого ресурса сооружений в целях определения плановых сроков эксплуатации, прогнозиро- вания и оценки экономического риска, аварий, проверки соот- ветствия сооружений законодательным требованиям и админи- стративным решениям. Основными причинами отказов НГС являются коррозия, де- фекты сварки и материала, брак строительно-монтажных работ, механические повреждения, стихийные бедствия. В III периоде стадии эксплуатации жизненного цикла возрастает значимость деградации материала вследствие деформационного старения, водородного охрупчивания и повторно-статического действия нагрузок, что приводит к уменьшению трещиностойкости, а при ремонтных работах – к ухудшению свариваемости материала [18]. Анализ причин отказов НГС свидетельствует о превалирую- щем влиянии коррозионного фактора. Например, в случае про- мысловых трубопроводов (нефти, воды, газа) 95 % отказов при- ходится на коррозию внутренней и наружной поверхностей труб. Результаты анализа отказов сооружений подтверждают преиму- щественное зарождение разрушений в зонах сварного соедине- ния. Резко возросла опасность коррозионного растрескивания под напряжением (или, другими словами, «стресс-коррозии»). Отказы, вызванные «стресс-корозией», например, на газопрово- дах диаметром 1220...1420 мм на протяжении последних трех лет составили более 54 % общего объема отказов (как на отечествен- ных, так и на импортных трубах с инкубационным периодом до отказа 10 лет). Серьезной проблемой остается реальная оценка несущей способности и остаточного ресурса по результатам диа- гностики. Основными путями решения проблемы надежности НГС, свя- занной со старением и коррозией, являются: 1) установление причин, механизмов и закономерностей, опре- деляющих коррозионно-механическую прочность НГС и их отка- зы, а также создание базы данных и базы знаний; 2) создание системы мониторинга НГС на всех стадиях жиз- ненного цикла;
1. Сварка и ремонт несущих сварных металлических конструкций 10 3) оптимизация конструкционных материалов, технологий и комплексной защиты от коррозии проектируемых, строящихся и реновируемых объектов; 4) нормативное сертификационное обеспечение проблемы надежности НГС с учетом их старения и коррозии; 5) кадровое обеспечение. 1.3. Модель коррозионно-механической прочности крупногабаритных конструкций Физико-химическая модель сопротивляемости разрушению крупногабаритных конструкций, эксплуатируемых в условиях воз- действия коррозионных сред, базируется на комплексной оценке условий и факторов в 9-параметрической системе материал – напряженно-деформируемое состояние – среда (М–Н–С) с учетом эксплуатационной деградации материалов, эксплуатационных и региональных условий, превалирующего типа отказа. Для оценки состояния и изменения системы М–Н–С на компьютере используют программные комплексы. Изучение влияния различных условий и факторов системы М–Н–С на сопротивляемость разрушению крупногабаритных конструкций, эксплуатируемых в условиях воздействия коррозионных сред, на разных стадиях жизненного цикла позволяет провести их классификацию согласно данным табл. 1.1. В системе М–Н–С сопротивляемость разрушению R(τ) можно символически представить в следующем виде: и т э p т э и т э M( ) M M M ( ) H( ) H H H , C( ) C C C R где τ – время; Ми, Нр, Си – исходные проектные значения составляющих М, Н, С; ∆Мт, ∆Нт, ∆Ст – технологические изменения М, Н, С; ∆Мэ, ∆Нэ, ∆Сэ – эксплуатационные изменения (возмущения) М, Н, С.
Доступ онлайн
В корзину