Применение "холодной сварки" при ремонтно-восстановительных работах.

Главная страница        >> Новый интеллектуальный опыт.
 
 
Игнатов А.В.
 

В последние годы, значительно возрос интерес к ремонтно-восстановительным технологиям в различных областях промышленности. Связано это с двумя основными причинами — необходимостью поддерживать оборудование в рабочем состоянии и относительной дешевизной этих работ по сравнению с закупкой новой техники. Сложившаяся в настоящее время экономическая ситуация в большинстве хозяйств не позволяет приобретать новое оборудование и комплектующие в замен устаревшему, обветшавшему и просто требующему ремонта. Возникают определенные сложности и с капитальным ремонтом, сопровождающимся заменой некоторых деталей, узлов или агрегатов. Это требует остановки производственного процесса, как правило, на длительный срок и значительных капиталовложений.

Особенно актуально стоит вопрос с восстановлением герметичных объектов, таких как различные резервуары, нефтехранилища, фитинги, трубопроводы и т.п. Небольшое отверстие и даже утонение стенки в таких объектах может привести к аварийной ситуации, связанной с опасностью для жизни и здоровья человека, что требует немедленных ремонтно-восстановительных мероприятий.

Все виды дефектов, встречающихся в рассматриваемых конструкциях, можно условно разделить на три типа по природе их возникновения:

  • Дефекты, образованные в результате длительного воздействия внешней или (и) внутренней среды.
  • Дефекты, образованные в результате случайного внешнего воздействия, непредусмотренного правилами эксплуатации объекта.
  • Дефекты, образованные в результате нарушения технологии изготовления объекта.

К дефектам первого типа можно отнести сквозные и несквозные, наружные и внутренние раковины, трещины, отверстия, возникновение которых носит коррозионное, эрозионное происхождение или обусловлено воздействием других агрессивных сред, с которыми соприкасается рассматриваемый объект.

Дефекты этого типа наиболее распространены и, как правило, в объектах, поступающих на ремонтно-восстановительные работы, они имеют множественный характер. Именно такого типа дефекты наиболее часто приводят к необходимости полной замены оборудования из-за нерентабельности ремонтно-восстановительных работ. Однако на первых стадиях развития подобных дефектов, когда они еще не стали носить обвальный характер, восстановительные мероприятия экономически оправданы, так как позволяют значительно увеличить срок эксплуатации техники, поддерживая ее в рабочем состоянии, безопасном для жизнедеятельности обслуживающего персонала.

К дефектам второго типа можно отнести сквозные и несквозные царапины, сколы, вмятости, вызванные неаккуратным обращением с техникой, не рассчитанной на значительные динамические внешние воздействия локального характера. В последнее время актуальной стала задача ремонтно-восстановительных работ нефтегазовых трубопроводов и емкостей, потерявших герметичность в результате пробоин, полученных в "горячих точках". Специфичность и сложность ситуации в таких местах требует проведения работ в сжатые сроки в полевых условиях. Это накладывает дополнительные сложности и требует внедрения новых нетрадиционных технологий и ремонтных материалов.

К дефектам третьего типа относятся различные металлургические дефекты, литьевые раковины, царапины, утонения и вмятины, полученные в результате обработки заготовок давлением. Число таких дефектов, в настоящее время, к сожалению возросло. Вызвано это удешевлением, а в результате упрощением, технологических процессов изготовления деталей в различных областях промышленности.

Устранение последнего типа дефектов наиболее дешево с экономической точки зрения, если дефект был обнаружен до ввода объекта в эксплуатацию, так как в этом случае основной материал, восстанавливаемого объекта еще не был подвергнут воздействию агрессивных сред и не требует специальных мер подготовки и очистки поверхности.

Не зависимо от природы возникновения дефектов, для их устранения разработаны различные технологические процессы, основанные на методах пайки, клепки, механического крепления, сварки и склеивания.

Методом пайки устраняют различного рода течи на емкостях, выполненных из цветных металлов и сплавов, главным образом медесодержащих. Это надежный метод герметизации, не требующий больших энергозатрат и не вызывающий значительных деформаций восстанавливаемых объектов. В настоящее время метод пайки, в большинстве случаев, заменен более технологичной в применении сваркой.

Метод клепки редко применим, он подразумевает наложение заплаток на сквозной дефект. Метод трудоемкий и применим лишь в тех случаях, когда открыты обе стороны сквозного дефекта. В противном случае, надежная расклепка заклепок, обеспечивающая герметичность, практически невозможна.

При использовании метода механического крепления применяют болтовые соединения заплаток при установке непосредственно на стенке с обнаруженным дефектом, а также использование хомутов и других стягивающих накладок. Данный метод применяют часто для временного устранения разгерметизации с последующим более долговечным ремонтом. Метод прост и не требует больших энергозатрат. В случаях, когда требуется наложение заплаток на сквозной дефект у большой емкости необходимо обеспечить открытость наружной и внутренней стороны, иначе метод не применим. Сложность в применении данного метода, как и предыдущего, при наложении герметизирующих заплаток состоит в том, что он требует сверления отверстий вокруг дефекта для установки крепежных элементов (или заклепок), которые в свою очередь тоже нуждаются в герметизации. Такие отверстия являются дополнительными концентраторами напряжений и в ряде случаев недопустимы в герметичных конструкциях.

Наибольшее распространение для устранения дефектов герметичных объектов получили методы сварки и склеивания, как наиболее технологичные и универсальные.

Применение адгезивных материалов (клеев и герметиков), на основе которых выполняется так называемая "холодная сварка", осуществляется сравнительно недавно. Но наравне с традиционной сваркой "холодная сварка" уже завоевала свою нишу в ремонтно-восстановительных мероприятиях, где ей отдается предпочтение.

С помощью сварки надежно устраняются различные виды сквозных и несквозных дефектов, расположенных произвольным пространственным образом. Однако, этот метод наравне с несомненными преимуществами имеет свои ограничения, которые заставили искать новые пути восстановления герметичных объектов. Для решения многих сварочных ограничений были разработаны технологии, основанные на применении адгезивных материалов.

С широким внедрением в производство пластмассовых изделий, не подверженных атмосферной коррозии и стойких во многих агрессивных средах, актуальным стал вопрос о возможности заделки дефектов в герметичных конструкциях из этих материалов — трубопроводах и различных емкостях.

Все применяемые в промышленности пластмассы можно условно разделить на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры — высокомолекулярные материалы, которые при нагреве до некоторой температуры переходят в вязкотекучее состояние, а при последующем охлаждении возвращаются в исходное. Эти материалы хорошо соединяются сваркой. К таким материалам относятся полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, капрон, полиэтилен и др. В сварных конструкциях целесообразно применять винилпласт и полистирол, которые обладают относительно высокой прочностью, легко обрабатываются и свариваются, хотя и имеют повышенную чувствительность к надрезу. При нагреве прочность полимеров понижается. Поливинилхлорид, полистирол используют при температуре ниже 50 °С [1].

Термореактивные пластмассы в вязкотекучем состоянии при нагреве не обращаются, а хрупко разрушаются [1]. К таким пластмассам относятся текстолит, стеклотекстолит и др. Максимальная температура эксплуатации стеклотекстолита доходит до 400 °С. Термореактивные пластмассы обработке сваркой не поддаются.

При сварке термопластичных полимеров приходилось решать еще одну важную проблему — огнеопасность этих материалов. Горючесть некоторых полимеров можно уменьшить введением специальных добавок на стадии изготовления детали, но это влечет за собой изменение эксплуатационных характеристик материала, как правило потери прочности и повышение хрупкости.

Сварка пластмасс является крайне трудоемкой и энергоемкой задачей, решить которую можно лишь с использованием адгезивных технологий. При заделке дефектов в пластмассовых герметичных конструкциях с помощью адгезивов, возможно подобрать такой ремонтный состав, который по своим характеристикам будет близок к исходному материалу. Весь комплекс ремонтно-восстановительных мероприятий не требует больших энергозатрат, а часто проходит вообще без них и не требует привлечения высококвалифицированного персонала. В настоящее время, сварка пластмассовых изделий практически не встречается.

При ремонтно-восстановительных мероприятиях в металлических герметичных конструкциях — сварка занимает главенствующее положение. При ремонте объектов, работающих в зоне высоких давлений, в резкоменяющихся в широком диапазоне условиях эксплуатации и областях повышенной экологической опасности — сварка незаменима. Однако, необходимо признать, что это довольно узкие области жизнедеятельности человека. Большинство трубопроводов, герметичных емкостей и других герметичных объектов работает в более щадящих условиях, с небольшим избыточным давлением, а часто и при нормальном атмосферном давлении. В таких областях идет широкое наступление адгезивных ремонтных технологий на смену традиционным сварным. Обусловлено это рядом специфических сложностей, связанных с применением сварных ремонтных технологий.

Применение сварных технологий требует привлечения высококвалифицированного обученного персонала. Несоблюдение всех технологических особенностей ремонтного процесса может привести к образованию еще больших дефектов. Известно, что под влиянием сварочных напряжений, сварные конструкции подвергаются значительным деформациям, что приводит к сложнонапряженному состоянию в зоне сварки. В сварном шве и в околошовной зоне возможно возникновение трещин.

Различают так называемые горячие трещины, которые представляют собой межкристаллические разрушения, возникающие во время кристаллизации металла, а также при высоких температурах в твердом состоянии из-за вязкопластической деформации, и холодные трещины, природа которых может быть различной. У многих низколегированных и легированных сталей они образуются под влиянием фазовых превращений в твердом состоянии после окончания процесса сварки в течение последующих нескольких суток. В процессе сварки и остывания могут возникнуть также деформационные трещины, вызванные исчерпанием пластичности металла в концентраторах напряжений. Наиболее часто холодные трещины возникают в легированных сталях в тех случаях, когда металл под действием термического цикла сварки претерпевает закалку. В этих случаях холодные трещины при сварке появляются в результате замедленного разрушения свежезакаленной стали от действия остаточных сварочных напряжений. Различные металлы по разному сопротивляются образованию горячих и холодных трещин, и чаще всего основное внимание приходится уделять какому-нибудь одному виду. Многие металлы не требуют специальных мер борьбы с трещинами, кроме соблюдения всех мер подготовки основного металла и сварочных материалов перед сваркой, соблюдений рациональных режимов и т.п. Решающее значение для борьбы с горячими трещинами в швах имеет выбор присадочного материала. Основной металл также может быть улучшен путем совершенствования технологии его производства. Для борьбы с горячими и холодными трещинами существенное значение имеет также регулирование термического цикла в процессе сварки. Для предотвращения образования холодных трещин важна послесварочная обработка сварных соединений, в частности термическая. Эффективным средством борьбы является отпуск сразу после сварки до начала образования холодных трещин. Отпуск в данном случае изменяет структурное состояние металла и вызывает релаксацию напряжений 1 рода. [1].

С внедрением адгезивных ремонтных технологий все представленные предосторожности являются просто излишними, так как в этом случае отсутствует причина — температурные деформации. При этом не требуется привлечение квалифицированного персонала для ремонтно-восстановительных работ. Адгезивные технологии отличает простота и доступность в применении. Важно правильно подготовить поверхность под нанесение и тщательно смешать компоненты адгезива. Обычно применяются двухкомпонентные “холодные сварки”, в этом случае производители этих материалов обычно поставляют их в мерных объемах, что значительно упрощает процесс подготовки их к работе.

К несомненным преимуществам адгезивных ремонтных технологий, которые все больше привлекают к ним внимание, следует отнести малые энергозатраты. Процесс полимеризации адгезивов, используемых в ремонтно-восстановительных технологиях, проходит на открытом воздухе (при положительных значениях температур) в течение, как правило, нескольких часов. Для этого процесса не нужно использовать дополнительные источники питания. Таким образом, ремонт различного уровня с такими материалами можно производить в полевых условиях, что значительно сокращает время подготовительного периода и позволяет полностью исключить время на транспортировку объекта в ремонтные мастерские. Сокращение времени ремонтно-восстановительных мероприятий приводит к снижению их себестоимости. Ремонтно-восстановительные адгезивные технологии экономически выгодные.

Разработанные в последние годы адгезивные ремонтные технологии, основанные на применении адгезивов последнего поколения, позволяют производить восстановительные работы без демонтажа герметичных емкостей и трубопроводов со сквозными дефектами, в том числе, работающих под давлением.

Все выше рассмотренные методы восстановления герметизации предусматривают необходимость перекрытия трубопроводов или откачки содержимого из ремонтируемых емкостей (за исключением применения хомутов с механическим креплением на трубопроводах). Это объясняется технологическими особенностями процесса или (и) требованиями безопасности при герметизации емкостей, содержащих горючие, взрывоопасные составы, например сваркой. Современные адгезивы обладают стойкостью в горюче-смазочных средах и отверждаются без выделения тепла, способного вызвать самовозгорание горючих материалов. Это еще одно преимущество адгезивных технологий — они взрыво-, пожаробезопасны и позволяют производить ремонтные работы на объектах повышенной опасности без демонтажа последних.

Важно отметить, что все адгезивы способны соединять разнородные материалы, обеспечивая высокую конечную прочность такого соединения. На этой характерной особенности основаны оригинальные технологические процессы ремонта и восстановления работоспособности изделий, так, например, на металлических деталях успешно применяются герметизирующие накладки из композиционных материалов с полимерной природой. Такие накладки не подвержены атмосферной коррозии и стойки в агрессивных средах. Срок службы таких накладок иногда превышает срок службы металлической основы, на которой они установлены.

Типовой ремонтный технологический процесс по устранению сквозных дефектов с использованием отечественных адгезивов "Полирем-паста" (ТУ 225261-001-51049574-99), "Полирем-стержень" (ТУ 225261-011-51049574-01) и "Авто-Миг" (ТУ225740-005-510-495-74-00) выглядит следующим образом:

Во-первых устраняется течь, если речь идет о герметизации емкостей и трубопроводов с жидкотекучими составами. В полевых условиях течь устраняется механическим путем без демонтажа объекта с помощью уплотнения сквозного дефекта пластиковой или деревянной пробкой. Для уплотнения дефектов сложной конфигурации с небольшим поперечным сечением рекомендуется использовать состав "Полирем-стержень". Это высоковязкий двухкомпонентный состав "холодной молекулярной сварки". В случаях, когда металл вокруг течи сильно поврежден коррозией, надо расчистить поверхность до основного металла. В полевых условиях можно воспользоваться аккумуляторной дрелью с фрезерными насадками.

Во-вторых, после устранения течи, необходимо провести подготовку поверхности — очистить от остаточных следов коррозии и эрозии, удалить с поверхности нанесения адгезива горюче-смазочные материалы, препятствующие надежной адгезии. Для этого используется наждачная бумага, напильники, различные механические щетки-насадки, стандартные растворители, например ацетон. Впитавшееся масло рекомендуется удалить методом нагрева, в тех случаях когда это возможно. Опыты показали, что адгезия с металлом будет лучше, если на поверхности нанесения адгезива создать царапины в виде сетки и тщательно просушить поверхность.

Третий этап — приготовление адгезивных композиций. Все рассматриваемые адгезивы двухкомпонентные, их надо тщательно смешать в пропорциях, указанных в инструкции по применению. Все работы необходимо проводить при окружающей температуре не ниже плюс 5 °С и защитить место проведения ремонтно-восстановительных работ от прямого попадания влаги.

В готовом состоянии "Полирем-паста" — вязкий металлосодержащий материал, который после отверждения можно обрабатывать механическим способом. "Авто-Миг" — быстроотверждаемая металлополимерная композиция, стойкая к замасленным поверхностям.

На четвертом этапе готовые адгезивы наносят на поврежденные поверхности. Если не удалось полностью очистить поверхность от масляных загрязнений, то ее сначала обрабатывают "Авто-Мигом", затем наносят более прочный состав "Полирем-пасту". При ликвидации крупных дефектов необходимо использовать накладки и закладные детали, которые выполняют из металла для особо ответственных соединений или стеклопластиков для менее ответственных объектов. Накладка должна быть промазана адгезивным составом с двух сторон и полностью перекрывать дефект. Узкие щели рекомендуется рассверлить по концам для устранения их распространения.

Пятый этап — отверждение нанесенного состава. Для создания лучших условий отверждения, на нанесенный на состав адгезив, нужно с перекрытием уложить "Полирем-стержень", тщательно обработав края, создавая плавный переход к основному металлу. Поверхность должна быть гладкой без пор и складок. Время до полного отверждения составов — 5...6 часов.

Таким же образом можно ремонтировать и несквозные дефекты.

Апробация представленной технологии на реальных объектах позволила сделать следующие выводы:

  • При ремонте резервуаров для хранения нефти сквозные дефекты с диаметром до 6 мм устраняются без усиления дополнительными накладками. От 6 мм до 10 мм — применяется накладка из металлической сетки или стеклоткани. От 10 мм до 15 мм — накладка из стального листа.
  • При ремонте трубопроводов низкого давления, устранение дефектов с диаметром до 6 мм проходит без усиления накладками. От 6 мм до 10 мм — рекомендуется применение накладок из стального листа, а от 10 мм до 15 мм — накладка из стального листа, усиленная закладной деталью.
  • При ремонте трубопроводов среднего давления, устранение дефектов с диаметром до 3 мм проходит с усилением накладками из металлической сетки, стеклоткани или стального листа. От 3 мм до 10 мм — рекомендуется применение накладок из стального листа, усиленных закладной деталью. От 10 мм — к адгезивному ремонту не допускаются.
  • При ремонте трубопроводов высокого давления, устранение дефектов с диаметром до 3 мм проходит с усилением накладками из металлической сетки, стеклоткани или стального листа. От 3 мм до 6 мм — рекомендуется применение накладок из стального листа, усиленных закладной деталью. От 6 мм — к адгезивному ремонту не допускаются.

Применение прогрессивных адгезивных ремонтно-восстановительных технологий значительно расширяют возможность таких работ и снижают их себестоимость.

Список литературы:

  • Николаев Г.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчет и проектирование./Под ред. Г.А. Николаева – М.: Высш. шк., 1990. – 446 с.:ил.

 
 
Главная страница        >> Новый интеллектуальный опыт.

Наверх