СОСТАВ ДЛЯ ТЕРМИТНОЙ СВАРКИ Российский патент 2010 года по МПК B23K23/00 B23K35/24 

Предлагаемое изобретение относится к области химии, а более конкретно к составам для термитной сварки, и может быть использовано для электрохимической защиты магистральных трубопроводов, поскольку надежность электрохимической защиты (ЭХЗ) магистральных трубопроводов 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 настоящее время для приварки выводов ЭХЗ на трубы стальных магистральных трубопроводов, находящихся под эксплуатационным давлением, без прекращения транспорта газа с временным сопротивлением разрыву более 55 кгс/мм² применяется состав медного термита, который выбран в качестве аналога [1]. Состав медного термита для приварка выводов ЭХЗ к магистральным трубопроводам содержит следующие ингредиенты в %:

CuO, окись меди (порошок) ГОСТ 16539-79 66,7 Al, алюминиевая крупка АКП, ТУ 48-5-38-78 8,4 Cu, медный порошок ПМС-Н, ГОСТ 4960-75 11,6 FeMn, ферромарганец, порошок пассивированный для производства электродов (ТУ14-5-87-77, содержание марганца 80%) 13,3

Недостатком данного состава для термитной сварки является низкая прочность сварного соединения при наличии следов влаги на поверхности трубы.

Известен состав для термитной сварки [2], который выбран в качестве прототипа, содержащий следующие ингредиенты, мас.%:

Алюминий 8,0-8,4 Медь 11,0-11,6 Свинец 0,2-2,0 Ферромарганец 12,8-13,3 Окись меди остальное

Температура плавления указанного состава Т_пл.=600°С. При введении порошкообразного свинца в количестве 0,5-2,0% происходит понижение температуры горения термитной смеси из-за снижения скорости реакции. Одновременно удлиняется время протекания реакции, что обеспечивает необходимый прогрев поверхности трубы и улучшает качество сварки выводов с трубой.

Недостатком данного состава для термитной сварки является дефицитность порошкообразного свинца и относительно высокая стоимость, а также его расслоение ввиду высокого удельного веса порошкообразного свинца.

Техническим результатом изобретения является удешевление термитного состава и придание ему физической стабильности при транспортировке, что позволяет осуществить широкое промышленное внедрение.

Для решения поставленной задачи в известный термитный состав вместо порошкообразного свинца вводят окислы свинца, например используемый для изготовления красок сурик свинцовый Pb₃O₄, при следующем количественном соотношении всех других ингредиентов [3], %:

Алюминий 8,0-8,4 Медь 11,0-11,6 Ферромарганец 12,8-13,3 Сурик свинцовый 1,5-5,0 Окись меди 66,7-61,7

При введении окислов свинца, например сурика свинцового, происходит понижение температуры горения термитной смеси, снижается скорость реакции, но при этом удлиняется время реакции, что обеспечивает необходимый предварительный прогрев поверхности трубы и качественную приварку выводов ЭХЗ.

Наличие окислов свинца (сурика свинцового) препятствует быстрому стеканию образующейся массы металла, так как значительно повышается ее вязкость, а следовательно, улучшается прилипание металла. Количество сурика свинцового, вводимого в термитный состав составляет 1,5-5,0%. Если ввести в состав менее 1,5%, то такое количество не позволит понизить температуру горения термитного состава, которая должна обеспечить 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. При введении в состав сурика свинцового более 5% вязкость расплава слишком высокая и значительная его масса остается на стенках тигля. При этом место сплава термитного состава и трубы имеет неправильную форму, а малая масса наплавленного металла не позволяет достигнуть необходимой прочности сварных соединений. Данный термитный состав был апробирован при сварке элементов электрохимической защиты (ЭХЗ) магистрального газопровода «Мокроус - Самара - Тольятти» и пригоден к широкому применению службами ЭХЗ на магистральных газопроводах России и стран ближнего зарубежья.

Был проведен эксперимент с использованием различных рецептур термитной смеси. Приварка выводов электрохимической защиты (ЭХЗ) проводилась на трубе диаметром 820 мм. С этой целью использовался тигель из электродного графита ЭГ-1, обладающего высокой жаростойкостью. На поверхности трубы снимался слой изоляции площадью 100×150 мм. Поверхность трубы зачищалась напильником, а затем наждачной бумагой. Температура окружающей среды, составляла 28°С. Поэтому, когда была удалена изоляция, труба, находящаяся на глубине около 2 м, из-за разности температур покрывалась влагой. На указанную поверхность сразу была установлена тигль-форма, под которой находился вывод ЭХЗ диаметром 8 мм из низкоуглеродной стали (Сталь 3). В тигле навеска предлагаемого термита составляла 50-55 г. Термосмесь инициировалась штатным электровоспламенителем, используемым в электродетонаторах ЭД-8. Взрывник с прибором электровзрывания 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, так как в этом нет необходимости.

В эксперименте использовались термитные смеси следующих рецептур, %:

Алюминий 8,0 Медь 11,2 Ферромарганец 12,8 Сурик свинцовый 1,5 Окись меди 66,5

Анализ применения термита указанной рецептуры показал, что в этом случае наблюдается надежная приварка выводов ЭХЗ к влажной трубе. Но прочность сварки обеспечивается срединной частью прореагировавшего термита.

Наилучший результат получается в том случае, когда сварка вывода ЭХЗ выполняется термитным составом следующей рецептуры, %:

Алюминий 8,2 Медь 11,6 Ферромарганец 13,0 Сурик свинцовый 3,0 Окись меди 64,2

Последующие увеличения содержания сурика свинцового в составе приводят к результату, описанному выше. Периферийная часть свариваемого термита с трубой имеет более слабый контакт.

При использовании термитного состава, содержащего, %:

Алюминий 8,4 Медь 11,8 Ферромарганец 13,2 Сурик свинцовый 5,0 Окись меди 61,6,

наблюдается ухудшение формы застывшей массы прореагировавшего термита и наличие его остатков на стенках тигля. Однако вывод элемента ЭХЗ приваривается к трубе прочно (Табл.).

Таблица № п/п Содержание в составе термита, % Количество термитной массы, вытекающей из тигля, % Количество свариваемых элементов ЭХЗ (увлажненных) 1 1,0 94 7 2 1,3 90 8 (слабая сварка) 3 1,5 86 Труба влажная - 10 Крепление элемента ЭХЗ срединной
частью 4 3,0 82 Труба влажная - 10 5 5,0 80 Труба влажная - 10 6 5,5 70 Труба влажная - 10 Термитная масса расплава неправильной формы вокруг элемента ЭХЗ Недостаточно термита

Список использованной литературы

1. Типовая инструкция по дистанционному электрическому воспламенению термитных составов для присоединения выводов электрохимической защиты к магистральным газопроводам. ООО «Самаратрансгаз», 2005 г., зарег. Ростехнадзором за №12-ПД-00276-2005 письмом №12-01-09/12393 от 15.11.2005.

2. Патент РФ №2151037, приоритет 16.01.1998.

3. Н.Н.Глинка. Общая химия. М.: Госхимиздат, 1986, стр.646.

Изобретение может быть использовано для электрохимической защиты магистральных трубопроводов, в частности для приварки катодных и дренажных выводов к стенке трубопровода. Состав для термитной сварки содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: алюминий 8,0-8,4, медь 11,0-11,6, ферромарганец 12,8-13,3, сурик свинцовый 1,5-5,0, окись меди 66,7-61,7. Техническим результатом изобретения является удешевление термитного состава и придание ему физической стабильности при транспортировке, что позволяет осуществить широкое промышленное внедрение. 1 табл.

Состав для термитной сварки на основе медного термита, содержащий алюминий, медь, ферромарганец и окись меди, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сурик свинцовый при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
алюминий 8,0-8,4 медь 11,0-11,6 ферромарганец 12,8-13,3 сурик свинцовый 1,5-5,0 окись меди 66,7-61,7