СОСТАВ ДЛЯ ТЕРМИТНОЙ СВАРКИ Российский патент 2000 года по МПК B23K35/24 B23K23/00 C06B33/00 

Предполагаемое изобретение относится к области электрохимической защиты магистральных газонефтепроводов, а именно к составам для термитной сварки, так как надежность электрохимической защиты (ЭХЗ) магистральных нефтегазопроводов в значительной степени определяется качеством и надежностью присоединения катодных и дренажных выводов к стенке трубопровода.

Наиболее технологически простым способом присоединения выводов средств ЭХЗ является термитная сварка, сущность которой заключается в использовании энергии термохимической окислительно-восстановительной реакции. В результате патентного поиска, проведенного по классам Международной классификации изобретений Мкл⁴ C 06 B 33/02; 35/00: 33/12, выявлены аналоги: Алюмотермические восстановительные реакционные смеси, содержащие AL, Mn, оксиды AL, Fe (патент США 4104093); Термитные составы на основе Fe, Zr (патент США 4141769); Пиротехнические составы для разрыва трубопроводов, содержащие Al, Mg, Ti, Fe, Cu (заявка 2146014 Великобритании).

Для приварки выводов ЭХЗ на трубы стальных магистральных газопроводов, находящихся под эксплуатационным давлением, без прекращения транспорта газа с временным сопротивлением разрыву менее 55 кГс/мм² в настоящее время применяется железный и медный термит (Fe, Cu термит, сопротивление разрыву 55 кг/см²), последний и был выбран авторами в качестве прототипа (см. приложение) [4].

Состав медного термита для приварки выводов ЭХЗ к магистральным газопроводам содержит следующие ингредиенты:
CuO, Окись меди (порошок) ГОСТ - 16539-79 - 66,7%
Al, Алюминиевая крупка АКП ТУ 48-5-38-78 - 8,4%
Cu, Порошок медный ПМС-Н, ГОСТ - 4960-75 - 11,6%
FeMn, Ферромарганец молотый Фмн 1,0 - 13,3%
ТУ 14-5-87-77 (содержание Mn-80%)
Недостатком данного состава является низкая прочность сварного соединения при наличии следов влаги.

Задачей данного изобретения является повышение надежности и прочности к ударным воздействиям сварного соединения.

Для решения поставленной задачи в известный медный термитный состав дополнительно вводят свинец, Pb, при определенном количественном соотношении всех других ингредиентов:
CuO - 66,0 - 66,7%
Al - 8,0 - 8,4%
Cu - 11,0 - 11,6%
Pb - 0,2 - 2,0%
FeMn - 12,8 - 13,3%
Сущность термитной сварки заключается в использовании тепловой термохимической окислительно-восстановительной реакции, в ходе которой восстановленный и нагретый до высокой температуры металл оплавляется с поверхностью труб и с выводов, образуя неразъемное соединение.

Часто при термитной приварке выводов ЭХЗ к магистральному газопроводу возникают различные дефекты;
- низкая прочность сварного соединения;
- форма термитного контакта неправильная, недостаточное количество наплавленного металла;
- наплавленный металл пористый.

Как правило, причиной дефектов является влага на трубе. Температура горения термитного состава 2400-2600^oC, скорость термохимической реакции 2,4 - 2,6 м/с, следовательно, время плавления и стекания термита из тигля очень мало. За счет высокой скорости горения состава влага на трубе не успевает испариться, а низкая вязкость расплава термита обуславливает быстрое стекание его из тигля на свариваемые элементы конструкции. При наличии влаги на их поверхности происходит резкое снижение прочности сварных соединений. Поэтому авторами было предложено ввести металл с низкой температурой плавления, образующей более вязкий расплав.

После исследований было предложено ввести в термитный состав свинец (Pb), который имеет температуру плавления Т_пл. = 327^oC, ρ_уд = 11,34. При введении свинца наблюдалось понижение температуры горения термитной смеси, следовательно, снизилась скорость реакции, но при этом повысилось время реакции, что обеспечивало необходимый прогрев поверхности трубы и привариваемых выводов. Наличие свинца затруднит быстрое стекание образующейся капли металла, так как значительно повысится ее вязкость за счет введения свинца, следовательно, прилипание металла повысится. Повышение вязко-пластичного состояния наплавленного металла значительно повысит прочность и качество сварного соединения к ударным воздействиям. Экспериментально было определено оптимальное содержание свинца и остальных ингредиентов в термитном составе.

Количество свинца, вводимого в термитный состав, составляет 0,2-2%. Если ввести в состав менее 0,2% Pb, то такое количество не позволит понизить температуру горения термитного состава, которая обеспечит достаточное снижение скорости реакции, а следовательно, и необходимое время прогрева сварных элементов конструкции, за счет повышения вязкости смеси и не обеспечит необходимого времени стекания расплава термита.

Если ввести в состав Pb, более 2% - высокая вязкость, значительная масса расплава термита остается на стенках тигля. Форма термитного контакта неправильная, а малая масса наплавленного металла не позволяет достигнуть необходимой прочности сварных соединений (см. табл.).

Приварка выводов электрохимической защиты (ЭХЗ) проводилась в трубе диаметром 820 мм. С этой целью использовался тигель [1] из электродного графита ЭГ-1, обладающего высокой жаростойкостью. На поверхности трубы снимался слой изоляции площадью 100x150 мм. Поверхность трубы зачищалась напильником, а за тем наждачной бумагой. Температура окружающей среды составляла 28^oC. Поэтому, когда была удалена изоляции, труба, находящаяся на глубине около 2 м, из-за разности температур покрывалась влагой. На указанную поверхность сразу была установлена тигель-форма, под которой находился вывод ЭХЗ диаметром 8 мм из низкоуглеродной стали (ст. 3). В тигле навеска предлагаемого термита составляла 50-55 г. Термосмесь инициировалась штатным электровоспламенителем, используемым в электродетонаторах ЭД-8. Взрывник с машинкой ПНВ-300 находился от места сварки на расстоянии 10-15 м. Указанным способом и предлагаемым в качестве изобретения термитным составом приварено более 200 выводов ЭХЗ. Присоединение выводов ЭХЗ во всех случаях было надежным, несмотря на наличие влаги на трубе. Просушка трубы с помощью проветривания и выравнивания температуры с окружающей средой не проводилась.

В экспериментах использовались термитные смеси следующих рецептур, %:
Алюминий - 8,0
Медь - 11,2
Ферромарганец - 12,8
Свинец - 0,2
Оксид меди - 67,8
Анализ применения термита указанной рецептуры показал, что в этом случае наблюдается приварка вывода ЭХЗ к влажной трубе. Но прочность сварки обеспечивается срединной частью диапазона прореагировавшего термита.

Наилучший результат получается в том случае, когда сварка вывода ЭХЗ выполняется термитным составом следующей рецептуры, %:
Алюминий - 8,2
Медь - 11,2
Ферромарганец - 13,1
Свинец - 1,3
Оксид меди - 66,2
Последующие увеличения содержания порошкообразного свинца в составе приводят к результату, описанному выше. Периферийная часть диапазона свариваемого термита с трубой имеет более слабый контакт.

При использовании термитного состава содержащего, %:
Алюминий - 8,4
Медь - 11,6
Феррмарганец - 13,3
Свинец - 2,0
Оксид меди - 64,7
наблюдается ухудшение формы застывшей массы прореагировавшего термита и остатки его на стенках тигля. Однако вывод элемента ЭХЗ сварен с трубой прочно.

Данный термитный состав был апробирован при сварке элементов электрохимической защиты (ЭХЗ) магистральных газопроводов Мокроус-Самара-Тольятти найдет широкое применение при сооружении ЭХЗ на МГП России и стран ближнего зарубежья.

Источники информации
1. Патент США N 4104093, Мкл⁴ C 06 B 33/02
2. Патент США N 4141769, Мкл⁴ C 06 B 33/02
3. Заявка GB N 2146014
4. Прототип - Инструкциям

Изобретение может быть использовано при соединении катодных и дренажных выводов со стенками трубопровода магистральных газо- и нефтепроводов. В медный термитный состав дополнительно вводят свинец (Pb). Количественное соотношение ингредиентов следующее, мас.%; алюминий 8,0-8,4; медь 11,0-11,6; свинец 0,2-2,0; ферромарганец 12,8-13,3; оксид меди - остальное. Состав обеспечивает повышение надежности и прочность сварных соединений при ударном воздействии. 1 табл.

Состав для термитной сварки на основе медного термита, содержащий оксид меди, алюминий, медь и ферромарганец, отличающийся тем, что он дополнительно содержит свинец при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Алюминий - 8,0 - 8,4
Медь - 11,0 - 11,6
Ферромарганец - 12,8 - 13,3
Свинец - 0,2 - 2,0
Оксид меди - Остальноеа