Способ и устройство защиты от электрохимической коррозии сварной металлоконструкции
METHOD AND DEVICE FOR PROTECTION AGAINST ELECTROCHEMICAL CORROSION OF WELDED METAL STRUCTURE

Изобретение относится к способам повышения стойкости к электрохимической коррозии изготавливаемой сварной металлоконструкции из взаимозаменяемых заготовок, и может быть использовано на этапе сборки полотнищ обшивок судов, резервуаров и трубопроводов различного назначения, стойких к электрохимической коррозии.
Известен способ контроля режима работы систем протекторной защиты стальных корпусов кораблей и судов [1], включающий периодическое измерение потенциала корпуса защищаемого объекта в контрольных точках по длине корпуса с помощью переносного электроизмерительного прибора и переносного электрода сравнения. Одновременно в контрольных точках измеряют силу тока в электрической измерительной цепи, образованной корпусом судна, электроизмерительным прибором, присоединенным к корпусу, переносным электродом, подключенным к электроизмерительному прибору, и водой. Далее результаты измерений потенциалов и токов в контрольных точках сравнивают с их допустимыми значениями, оценивая состояние протекторов, лакокрасочного покрытия и водонепроницаемости корпуса судна.
Недостатки:
- способ относится к средствам оперативного контроля систем фактической защиты стальных корпусов кораблей и судов от коррозии, и может быть использован на действующем судне при сдаче его в эксплуатацию, а также для оперативного контроля режима работы систем защиты судна от коррозии в процессе их эксплуатации. На этапе же сборки стальных корпусов и других металлоконструкций, когда основные сварные швы, протекторная и изолирующая защита еще отсутствуют, указанные средства контроля защиты не применимы;
- измерение силы тока в контрольных точках в электрической измерительной цепи, образованной корпусом судна, электроизмерительным прибором, присоединенным к корпусу, переносным электродом сравнения, подключенным к электроизмерительному прибору, и водой на этапе сборки металлоконструкции невозможно. Это связано с отсутствием на момент сборки металлоконструкции цельного корпуса судна и отсутствием его контакта с водой.
Известен способ контроля режима работы систем протекторной защиты стальных корпусов кораблей и судов [2, с. 8], включающий периодическое (1 раз в месяц) измерение потенциала корпуса защищаемого объекта в контрольных точках по длине корпуса с помощью переносного электроизмерительного прибора (милливольтметра) и переносного электрода сравнения (хлорсеребряного электрода сравнения), сравнение результатов измерения потенциала с их допустимыми значениями, а также периодический (1 раз в месяц) визуальный осмотр протекторов и оценивание степени их износа.
Недостатки:
- способ может быть использован для оперативного контроля режима работы систем защиты судна от коррозии на действующем судне при сдаче его в эксплуатацию, а также в процессе самой эксплуатации. На этапе же сборки стальных корпусов и других металлоконструкций, когда основные сварные швы, протекторная и изолирующая защита еще отсутствуют, указанные средства контроля защиты не применимы;
- способ является средством контроля режима работы систем протекторной защиты стальных корпусов кораблей и судов, он не устраняет имеющие место причины возникновения повышенной электрохимической коррозии в сварных швах металлоконструкций - большой разности потенциалов, вызываемых повышенной разнородностью заготовок, сваренных между собой в полотнища стальных корпусов кораблей и судов. В условиях разности температур снаружи и внутри корпуса судна эти сварные соединения создают термопары. Согласно эффекта Зеебека между сваренными заготовками возникают термоэлектродвижущие силы (ТЭДС). В результате скорость электрохимической коррозии сварных швов обшивок судов чрезвычайно высока - достигает 1,0-3,0 мм/год [4, стр. 211], в то время как скорость коррозии самих заготовок наружной обшивки в подводной части корпуса судна много ниже, и не превышает 0,19 мм/год [4, табл. 13 на стр. 211];
- в действующем судне заготовки сварены между собой и независимое измерение потенциала отдельно каждой заготовки для оценки вариантов их сборки и последующей сварки с целью снижения склонности всех соединений к электрохимической коррозии оказывается невозможным.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ и устройство защиты от электрохимической коррозии сварной металлоконструкции [3], при котором измеряют термоэлектродвижущие силы (ТЭДС) в контактах всех допустимых сочетаний заготовок металлоконструкций и определяют оптимальное распределение заготовок в сварной металлоконструкции для соблюдения условий минимизирования максимальных по модулю значений ТЭДС, создаваемых по всем контактам пар заготовок. При превышении ТЭДС хотя бы в одной паре заготовок допустимых значений осуществляют замену заготовок до достижения установленных требований. Затем осуществляют остальные технологические операции по изготовлению сварной металлоконструкции.
Недостатки:
- в данном способе признак склонности металлоконструкции к электрохимической коррозии (ЭХК) носит дифференциальный характер. Для его реализации требуется большой объем трудоемких измерений ТЭДС всех допустимых сочетаний заготовок;
- переход от измерения ТЭДС одной пары заготовок к другой связан со значительными трудозатратами;
- использование автоматических процедур упорядочения по поиску оптимального распределения заготовок не приводит к существенному сокращению трудоемкости реализации способа, т.к. поиск требует проведения измерения в каждом варианте.
Технический результат изобретения способа изготовления коррозионностойкой сварной металлоконструкции из взаимозаменяемых заготовок обеспечивает значительное снижение трудоемкости выполнения защиты от электрохимической коррозии сварной металлоконструкции из взаимозаменяемых заготовок, расширение технологических возможностей и существенно сокращает сроки и объем производимых операций. Для этого перед сборкой металлоконструкции измерения напряжений проводят микровольтметром в паре с электродом сравнения отдельно в контакте с каждой заготовкой. Таким образом, каждая заготовка участвует в измерении напряжения только один раз. Зная потенциал используемого электрода сравнения при измеренной температуре окружающей среды, по данным измерений указанных напряжений находят собственные потенциалы всех заготовок, заготовки ранжируют по величине собственного потенциала в убывающий ряд, на основе которого при сборке заготовки раскладывают по объекту так, чтобы в среднем по всей изготавливаемой металлоконструкции минимизировать модули перепадов измеренных потенциалов между всеми парами соседних заготовок, после чего выполняют другие операции по производству металлоконструкции.
1
2
0
зад
0
зад
Предложен способ изготовления сварной металлоконструкции, выполненной из взаимозаменяемых заготовок с близкими толщинами и физико-химическими свойствами, подвергаемой электрохимической коррозии, включающий зачистку поверхностей заготовок, их расположение в непосредственной близости друг от друга, последовательное нахождение с использованием измерений максимальных значений термоэлектродвижущих сил, создаваемых в термопарах, образованных в контактах всех заготовок металлоконструкции, при этом при каждом измерении температуру заготовки уравнивают путем предварительных настроек клещей для двусторонней точечной контактной сварки, используемых для нагрева упомянутых заготовок, определение оптимального распределения заготовок в сварной металлоконструкции для соблюдения условий минимизации максимальных по модулю значений термоэлектродвижущих сил, создаваемых по всем контактам, и отсутствия превышения в контакте хотя бы одной пары заготовок предельно допустимых значений термоэлектродвижущих сил, составляющих 5-8 мВ, при этом замену заготовок до соответствия всех отобранных заготовок упомянутым условиям, затем - осуществление сборочно-сварочных операций и нанесение противокоррозийного покрытия. Дополнительно экспериментально уточняют длительность (время) нагрева, определяют радиусы обечайки (кольца) нагрева - внутренний R и наружный R, в центре стенки обечайки (кольца) нагрева на внешней поверхности каждой заготовки чертилкой наносят координатные оси, пересечением которых задают контрольную точку, крокодил зацепляют (устанавливают) посередине стенки обечайки (кольца) нагрева заготовки, на пульте управления клещами устанавливают время нагрева, устанавливают давление сжатого воздуха в системе сжатия электродов клещей, измеряют температуру окружающей среды Т и разность потенциалов в контакте каждой заготовки, в локальной области измерения заготовки нагретой до температуры Т(i), с электродом сравнения, измерение в каждом контакте дублируют для повышения статистической достоверности измерения, по известной зависимости потенциала используемого электрода сравнения от температуры измерения находят потенциал электрода сравнения при найденной температуре окружающей среды Т, к измеренной разности потенциалов каждого контакта прибавляют известный потенциал электрода сравнения, определяя, таким образом, собственный потенциал каждой i-й заготовки при заданной температуре нагрева заготовок Т(i), затем заготовки ранжируют по величине собственного потенциала в убывающий ряд, по которому при сборке металлоконструкции как разность собственных потенциалов контактирующих заготовок находят максимальные значения термоэлектродвижущих сил в данном контакте заготовок. При этом устройство для изготовления сварной металлоконструкции, выполненное из взаимозаменяемых заготовок с близкими толщинами и физико-химическими свойствами, подвергаемой электрохимической коррозии, включающее сборочно-сварочные приспособления, блок управления, источник питания переменного тока и средства измерения в контакте заготовок, включающие нагреватель, выполненный в виде клещей с высокоэлектропроводными электродами для двусторонней точечной контактной сварки, предназначенный для зажатия каждой заготовки, пропускания тока и нагрева, зажим типа «крокодил» с возможностью его зацепления на каждой из заготовок на заданном расстоянии от электродов упомянутых клещей, соединенный коммутирующим проводом с размещенным в корпусе прибором для измерения в контакте заготовки, дополнительно средства измерения предназначены для измерения температуры окружающей среды и разности потенциалов между собственным потенциалом заготовки и потенциалом электрода сравнения при температуре окружающей среды, они дополнительно содержат термометр и электрод сравнения, через выключатель коммутирующим проводом соединенный со второй клеммой прибора, а для нагревания заготовки использованы одни клещи.
Учитывая малое внутреннее сопротивление источников ТЭДС в сварных соединениях заготовок в полотнище, создаваемые в сварных швах источники электроэнергии являются источниками тока. Поскольку электросопротивление морской воды многократно выше сопротивления стали, то, как показали наши исследования, порождаемые источниками тока силы тока через воду заметно снижаются уже на расстоянии 10-15 мм от границы сварного шва. Поэтому основные разрушения от электрохимической коррозии обшивок судов наблюдаются по границам сварного шва и околошовной зоны.
2
Так при сварке в СО на обратной полярности широко распространенной низкоуглеродистой конструкционной стали Вст3сп, по ГОСТ 380-71, содержащей: С - 0,14-0,22%, Si - 0,12-0,3%, Mn - 0,4-0,65%, Ni<0,3%, Cr<0,3%, содержание кремния в сварном шве будет лежать в пределах от 0,57 до 0,80%. При этом потенциал сварного шва оказывается менее положительным, чем потенциал основного металла. Иначе говоря, на границе «сварной шов - околошовная зона будет приложено напряжение: минус - ко шву, плюс - к ОШЗ. Экспериментально доказано [5, с. 71], что в таком случае вблизи этой границы значительно разрушается находящийся под отрицательным потенциалом сварной шов. Поскольку сварной шов соединяет заготовки между собой, то подобных границ с ОШЗ, как минимум, будет две.
С другой стороны, если потенциал шва будет менее легирован кремнием, чем материалы деталей, то он оказывается более положительным по отношению к ОШЗ. В этом случае минус прикладывается к деталям, плюс - ко шву. И интенсивному разрушению подвержены материалы деталей.
2
2
3
2
Так замечено, что при определенных условиях усиленный износ металла ОШЗ при коррозии сварных соединений корпусов морских судов начал наблюдаться с тех пор, как их корпуса стали изготавливать из стали 09Г2 [5, с. 71]. По ГОСТ 19282-73 эта сталь содержит: С - 0,12%, Mn - 1,4-1,8% и Si - 0,17-0,37%. При автоматической дуговой сварке под флюсом этих сталей обычно используют сварочную проволоку Св-08ГА и низкокремнистый слабоокислительный плавленый флюс АН-22. Сварочная проволока содержит: С - до 0,1%, Si - до 0,06%, Mn - 0,8-1,1%, Ni - до 0,25%, Cr - до 0,1%. Флюс АН-22 по ГОСТ 9087-81 содержит: MnO - 7-9%, CaF - 20-24%, AlO - 19-23%, SiO - 18-22%, СаО - 12-15%, MgO - 12-17%.
По нашим измерениям [5, с. 71] при средней разности температур между внутренней и внешней сторонами обшивки судна в 20°С потенциал материала сварочной проволоки Св-08ГА составляет: 200 мкВ при содержании кремния 0,02% и 175 мкВ при содержании кремния 0,06%, соответственно. В тоже время потенциал стали 09Г2 при той же разности температур в 20°С и содержании кремния 0,17% оказался равным 107 мкВ, при 0,25% - 40 мкВ, а при 0,37% - 24 мкВ. Таким образом, при любом допустимом по ГОСТ соотношении содержания кремния в сварочной проволоке и основном металле положительный потенциал проволоки значительно превышает положительный потенциал материала деталей. Иначе говоря, к границе «сварной шов - ОШЗ» прикладывается разность потенциалов: плюс - ко шву, минус - к ОШЗ, которая и подвергается разрушению.
На фиг. 1 изображена схема реализации способа изготовления сварной металлоконструкции.
На фиг. 2 показано средство измерения устройства защиты от электрохимической коррозии сварной металлоконструкции.
На фиг. 1 обозначено: 1 - одна из заготовок металлоконструкции; 2 - локальная область измерения заготовки 1, в которой микровольтметром в комплекте с электродом сравнения 19 измеряется разность потенциалов между собственным потенциалом заготовки 1 и потенциалом электрода сравнения; 3 - место расположения одного из сварных швов, выполняемых после завершения сборочных операций; 4 - координатная ось собственных потенциалов заготовок, измеренных в их локальных областях измерения; 5 - потенциал одной из заготовок, ранжированных в убывающий ряд по величинам собственных потенциалов; 6 - линия, показывающая соответствие собственного потенциала заготовки и места расположения на металлоконструкции локальной области измерения заготовки, в которой производилось измерение.
зад
1
2
На фиг. 2 обозначено: 1 - заготовка; 2 - локальная область измерения заготовки, охваченная крокодилом 12 и расположенная под верхним контактом крокодила 12 с данной заготовкой 1; 7 - контрольная точка, расположенная на заготовке 1 по оси симметрии обоих электродов клещей (10 и 11) на пересечении нанесенных на заготовку координатных осей 8; 9 - клещи для двусторонней точечной контактной сварки; 10 - верхние, а 11 - нижние электроды клещей; 12 - крокодил, охватывающий локальную область измерения 2 заготовки 1 по толщине и посередине образованной внутри заготовки стенки обечайки (кольца) нагрева 13; 13 - обечайка (кольцо) нагрева заготовки до средней заданной температуры Т с внутренним радиусом R и наружным радиусом R; 14 - корпус; 15 - регистратор (милливольтметр), 16 и 17 - коммутирующие провода, 18 - выключатель; 19 - электрод сравнения; 20 - термометр.
Для реализации известных способа и устройства защиты необходимо измерение термоэлектродвижущих сил во всех вариантах контактов заготовок металлоконструкции по 2. Число сочетаний из n заготовок по k требует сравнения числа вариантов:
где n - число заготовок в металлоконструкции, k - число заготовок в одном сочетании.
При k=2 число сочетаний заготовок равно:
Так при числе заготовок в металлоконструкции n=5 число сочетаний (равное числу измерений) составит 10. При 10 минутах затрат времени на подготовку и проведение одного измерения общая длительность измерений составит 1,7 часа. При 10 заготовках - 45 вариантов, 7,5 часов. При 100 заготовках - 4950 вариантов, 825 часов. И т.д.
Для предложенного способа и устройства защиты от электрохимической коррозии сварной металлоконструкции такого сочетания заготовок по 2 не требуется. Достаточно вместо указанных вариантов измерений термоэлектродвижущих сил во всех возможных контактах заготовок по две провести измерения в любой последовательности в n заготовках. В результате число измерений сокращается на величину
где n - число заготовок в металлоконструкции (например, в полотнище).
При 10 заготовках в металлоконструкции экономия времени составит 45 мин., при 100 заготовках - 8 часов. При двух повторениях измерений экономия возрастает в 2 раза. Одновременно полностью сокращаются значительные трудозатраты на поиск и сведение вместе требуемых пар заготовок.
Для поиска наилучшего расположения заготовок в полотнище используют методы направленного или случайного поиска.
В общем, в качестве способа расставления заготовок по объекту, позволяющий достичь в среднем по всей металлоконструкции минимальные по модулю перепады измеренных потенциалов между всеми парами соседних заготовок (входящими в будущие сварные соединения), используют различные известные процедуры упорядочения: линейного, нелинейного, динамического программирования, ветвей и границ, доминирования, логические процедуры, поисковые алгоритмы: итерационный метод Гаусса-Зейделя, метод Галеркина, случайный поиск и др.
Показанные на фиг. 1 заготовки 1 разложены изолировано друг от друга в порядке, соответствующим наилучшему расположению в полотнище. Справа от раскладки заготовок показаны результаты измерения потенциалов в локальных областях измерения 2 заготовки, каждая из которых расположена на заготовке. Зазоры между заготовками 3 - это стыки заготовок, по которым после сборки металлоконструкции будет произведена сварка. Результаты измерения потенциалов в локальных областях измерения заготовок показаны на вертикально расположенной координатной оси 4. Потенциал каждой заготовки измерен в локальной области измерения по отношению к переносному электроду сравнения. Температура окружающей среды, а значит и температура электрода сравнения в момент измерения контролируются. Потенциал последнего становится известным. Сумма разности потенциалов между локальной областью измерения и электродом сравнения и потенциала электрода сравнения равна собственному потенциалу заготовки. Соответственно, результат измерения потенциала заготовки удобно показывать в микровольтах. На каждое сварное соединение металлоконструкции упадет разность потенциалов двух собираемых и затем свариваемых заготовок. Именно усредненную совокупность этих разностей напряжений по всему множеству сварных швов и минимизируют с использованием процедур упорядочения. Следует заметить, что одной стороной заготовка может контактировать не с одной, а с несколькими другими заготовками, что также учитывается в критерии оптимизации. 5 - потенциал одной из заготовок, ранжированных в убывающий ряд по величинам собственных потенциалов заготовок; 6 - линия, показывающая соответствие потенциала и места расположения на металлоконструкции локальной области заготовки, в которой производилось измерение.
Фактически после сварки стыков (формирования замкнутой системы заготовок) разности потенциалов между стыкующимися заготовками (разомкнутой системы заготовок) снижаются в среднем на 5-7%. Здесь меньшее значение соответствует более электропроводному материалу сварочных электродов и меньшему сечению сварного шва. Пары заготовок образуют термопары. Главной причиной понижения напряжения по границе сварного шва становится высокая электропроводность материала сварного шва и зоны термического влияния. Наблюдается шунтирование сварным швом источника тока - ТЭДС образованной термопары. В общем, уровень снижения напряжения на сварном соединении зависит от большого числа факторов: величины исходной ТЭДС, материалов заготовок и самого сварного шва, геометрических размеров заготовок и шва, типа сварного соединения и пр. Данное явление снижает склонность металлоконструкций к электрохимической коррозии.
зад
Основная идея изобретения: значительно сократить экспериментальную часть способа защиты сварной металлоконструкции от электрохимической коррозии, расширить таким образом технологические возможности защиты от электрохимической коррозии сварной металлоконструкции из взаимозаменяемых заготовок. Для этого перед сборкой металлоконструкции микровольтметром в паре с электродом сравнения измеряют собственные электрические потенциалы раздельно каждой заготовки при температуре Т, соответствующей температуре эксплуатации сварной металлоконструкции. При сборке заготовки раскладывают по объекту так, чтобы в среднем по всей изготавливаемой металлоконструкции минимизировать модули перепадов измеренных потенциалов между всеми парами соседних заготовок. Тем самым устраняется причина появления повышенной разности потенциалов в сварных соединениях за счет обеспечения сварки между собой только тех однородных заготовок, которые близки друг к другу по химическому составу и структуре.
С учетом этих изменений при компоновке заготовок в ходе сборки металлоконструкции предложено изменить критерий оценки оптимального расположения заготовок в полотнищах - от среднеинтегрального минимума модулей фактически измеренных ТЭДС всех возможных вариантов пар заготовок в полотнищах [3] к среднеинтегральному минимуму модулей расчетно-экспериментальных значений ТЭДС тех же возможных вариантов пар заготовок, найденных на основе проведенных измерений собственных потенциалов заготовок. Число измерений потенциалов заготовок мало и равно числу заготовок в полотнище n, что значительно меньше числа измерений возможных вариантов ТЭДС пар заготовок. Кроме того, измерение потенциалов заготовок производится в произвольной последовательности, что позволяет в ходе измерения отказаться от постоянного трудозатратного целенаправленного поиска требуемых заготовок и сведения их вместе при измерении. Итак, вместо измерения ТЭДС пар заготовок предложено использовать измерение собственных потенциалов заготовок. При этом расчетные значения ТЭДС всех возможных пар заготовок находятся простым вычитанием собственных потенциалов этих заготовок.
Изобретение направлено, прежде всего, на улучшение и снижение трудоемкости защиты от электрохимической коррозии сварной металлоконструкции из взаимозаменяемых заготовок путем упрощенного подбора каждой пары близких по физико-химическим свойствам заготовок, входящих в сварные соединения, а также снижения числа и трудоемкости необходимых измерений.
Экспериментальное уточнение длительности (времени) нагрева позволило уточнить настройку параметров режима нагрева заготовок и точнее устанавливать температуру локальных областей измерения заготовок - обечаек (колец) нагрева заготовок.
1
2
Определение радиусов обечайки (кольца) нагрева - внутреннего R и наружного Rпозволило задать местоположение контакта крокодила с локальной областью нагрева на обечайке (кольце) нагрева каждой заготовки.
Нанесение на внешней поверхности каждой заготовки, соответствующем местоположению оси симметрии электродов клещей, контрольной точки дало возможность установить на каждой заготовке местоположение оси симметрии электродов клещей, а значит - оси симметрии обечайки (кольца) нагрева.
Отметка внутреннего и наружного радиусов обечайки (кольца) нагрева относительно контрольной точки на внешней поверхности каждой детали позволило зафиксировать на ней место установки (зацепления) крокодила.
Нанесение на внешней поверхности каждой заготовки контрольной точки и радиусов обечайки (кольца) нагрева чертилкой позволило сохранить высокую электропроводность контактов электродов клещей с заготовками, а также крокодила с каждой заготовкой. Это позволило исключить погрешности измерения собственных потенциалов заготовок, связанными с нестабильностью и повышенным значением электросопротивления контактов.
Фиксация контрольной точки пересечением координатных осей позволило точнее определиться с местом расположения контрольной точки.
зад
Установка (зацепление) крокодила посередине стенки обечайки (кольца) нагрева заготовки дало возможность закрепить его в локальной области измерения заготовки - месте нагрева заготовки до температуры Т(i).
Установка на пульте управления клещами времени нагрева и давления сжатого воздуха в системе сжатия электродов клещей позволило установить режим нагрева заготовки.
0
Измерение температуры окружающей среды Т перед сборкой сварной металлоконструкции позволило найти потенциал электрода сравнения в реальных условиях измерения.
Измерение разности потенциалов в контакте каждой заготовки с электродом сравнения позволило измерять не разности потенциалов (термоэлектродвижущих сил) во всех вариантах контактов заготовок, а измерять значительно меньшие по количеству и необходимым трудозатратам разности потенциалов между каждой заготовкой и электродом сравнения.
зад
зад
0
0
Нагревание локальной области измерения заготовки до температуры Тпозволило воспроизводить при измерении температуру эксплуатации сварной металлоконструкции. Так средняя температура внутри судна принимается на 20°С выше, чем снаружи. Для условий эксплуатации обшивки судна Т условно определяется как сумма (20+Т)°С, где Т - температура окружающей среды.
Измерение в каждом контакте дублируют (повторяют 2-3 раза) для повышения статистической достоверности измерения. Результаты измерения усредняют.
0
зад
Сложение измеренной разности потенциалов каждого контакта с потенциалом электрода сравнения при температуре Т позволило определить собственный потенциал каждой i-й заготовки при заданной температуре нагрева заготовок Т(i).
Нахождение разности собственных потенциалов контактирующих в металлоконструкции заготовок позволило определить максимальные значения термоэлектродвижущих сил в данном контакте заготовок.
Ранжирование заготовок по величине измеренных собственных потенциалов заготовок в убывающий ряд позволило при сборке разложить заготовки по металлоконструкции так, чтобы в среднем по ней минимизировать по модулю перепады измеренных потенциалов между всеми парами соседних заготовок.
Средства измерения использованы для измерения температуры окружающей среды и разности потенциалов между собственным потенциалом заготовки и электрода сравнения при температуре окружающей среды.
Введение в средства измерения термометра позволило измерить температуру окружающей среды при измерении. Это дало возможность по таблице найти численное значение потенциала электрода сравнения именно при температуре измерения.
Введение в средство измерения электрода сравнения позволило с использованием простого и технологичного средства измерения - микровольтметра - измерить разность потенциалов в каждом конкретном контакте заготовок между собственным потенциалом данной заготовки и потенциалом электрода сравнения. Что далее позволило для каждой заготовки сложить полученную разность с потенциалом электрода сравнения и получить собственный потенциал заготовки.
Соединение электрода сравнения через выключатель коммутирующим проводом со второй клеммой прибора (микровольтметра) позволило подать на эту клемму потенциал электрода сравнения.
Применение для нагревания одних клещей позволило производить нагрев только заготовки, подверженной измерению.
1
2
зад
Клещи 9 охватывают заготовку 1 электродами 10 и 11 с двух сторон. При этом обечайка (кольцо) нагрева 13 имеет форму обечайки (иначе - кольца) внутренним радиусом R и наружным R с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии электродов 10 и 11 клещей. Она нагрета до средней заданной температуры Т. Крокодил 12 охватывает заготовку также с двух сторон в локальной области измерения посередине образованной стенки обечайки (кольца) нагрева 13. Термометр 20 расположен на корпусе 14 на расстоянии от регистратора 15, исключающем влияние последнего на показания термометра.
В качестве электрода сравнения используется, например, стандартный хлорсеребряный электрод сравнения.
В качестве крокодила используются, например мощный стальной крокодил в резиновой изоляции фирмы REXANT марки U 2303-1 на ток до 20 А.
В качестве прибора для измерения в контакте заготовок устройства, а также потенциометра для измерения термоэлектродвижущей силы термопары при настройке длительности нагрева клещей могут использоваться, например милливольтметры марки Ш-4541. Метрологические характеристики милливольтметра обеспечивают возможность проведения поверки и градуировки образцовых термоэлектрических преобразователей 2-го и 3-го разрядов. Прецизионный милливольтметр предназначен для измерения постоянного напряжения в диапазоне от - 300 мВ до 300 мВ и статистической обработки результатов измерений. Милливольтметр используют в лабораториях государственных метрологических служб и метрологических служб юридических лиц для проведения точных измерений напряжения.
В качестве термопары для настройки длительности нагрева заготовки может использоваться хромель-копелевая термопара по ГОСТ Р. 585-2001.
2
Провод, идущий от крокодила к регистратору можно выполнять из изолированного одножильного гибкого медного провода повышенной термостойкости и прочности. Это связано с условиями работы провода, сопряженной с непосредственным контактом его с необработанными краями заготовок, возможностью ударов по ней, термических воздействий и т.п. Одновременно в целях обеспечения высокой точности измерений (учитывая небольшую величину измеряемых напряжений), он должен иметь высокую электропроводность. Например, провод, изготовленный из гибкого силового монтажного медного одножильного провода повышенной термостойкости марки РКГМ. В нем жила медная, многопроволочная, сечение - 4-6 мм. Изоляция из кремнийорганической резины, оболочка стекловолоконная, пропитанная термостойкой эмалью или лаком. Данный провод устойчив к вибрации, повышенной влажности (до 100% при температуре +35°С), термостоек (диапазон эксплуатационных температур - от -60 до +180°С). Кроме того, провод защищен от вредного воздействия лаков, растворителей и грибковой плесени.
В качестве выключателя, например, используется тумблер ASW-07D с подсветкой.
Способ реализуется следующим образом.
1
2
После проведения заготовительных операций изготовленные взаимозаменяемые заготовки металлоконструкции нумеруют. Предварительно расчетным путем определяют длительность (время) нагрева и радиусы обечайки (кольца) нагрева - внутренний R и наружный R. В центре стенки обечайки (кольца) нагрева на внешней поверхности каждой детали чертилкой наносят координатные оси и задают местоположение контрольной точки. Заготовки размещают так, чтобы исключить при нахлесте сближение областей измерения соседних заготовок ближе (15-20) , мм, где  - толщина листа заготовки, мм. Причем меньшее значение нахлеста соответствует толщине заготовки ≤ 20 мм, а большее - толщине ≥ 20 мм. Это необходимо с целью исключения значимых погрешностей измерения вследствие образования цепей шунтирования. Собирают средство измерения в контакте заготовок. Подсоединяют источник переменного тока для питания клещей, клещи запитывают сжатым воздухом. На пульте управления клещами устанавливают расчетное время нагрева. Устанавливают давление сжатого воздуха в системе сжатия электродов клещей. Термометром измеряют температуру окружающей среды.
1
2
1
2
зад
Производят экспериментальную настройку длительности нагрева заготовок клещами. Для этого от расчетной контрольной точки одной из заготовок откладывают внутренний радиус обечайки (кольца) нагрева R и наружный R. На верхней плоскости заготовки посередине между R и R устанавливают хромель-копелевую термопару. Ее прижимают к поверхности заготовки крокодилом. Термопару подключают к потенциометру. Включают клещи и отсчитывают по потенциометру либо сразу температуру в °С (если шкала потенциометра проградуирована в °С), либо напряжение в милливольтах. Во втором случае напряжение для установленной термопары переводят в °С по переводным таблицам. Если измеренная температура обечайки (кольца) нагрева не совпадает с заданной температурой Т, то итерацией находят уточненную длительность (время) нагрева, при которой фактическая и заданная температуры обечайки (кольца) нагрева совпадут.
зад
0
зад
Далее настроенные клещи последовательно в произвольном порядке устанавливают на контрольные точки заготовок. Посередине стенки обечайки (кольца) нагрева заготовки зацепляют (устанавливают) крокодил. В каждой контрольной точке включают клещи и измеряют разность потенциалов в контакте каждой заготовки, нагретой до температуры Т(i), с электродом сравнения. Измерение в каждом контакте дублируют для повышения статистической достоверности измерения. Также для повышения достоверности измерения последовательность заготовок в ходе измерений меняют. По каждой локальной области измерения результаты измерений усредняют. По известной зависимости потенциала используемого электрода сравнения от температуры измерения находят потенциал электрода сравнения при найденной температуре окружающей среды. Измеренную разность потенциалов каждого контакта складывают с найденным потенциалом электрода сравнения при температуре Т, определяя, таким образом, собственный потенциал каждой i-й заготовки при заданной температуре нагрева заготовок Т(i).
Затем заготовки ранжируют по величине собственного потенциала в убывающий ряд, по которому при сборке металлоконструкции как разность собственных потенциалов контактирующих заготовок находят максимальные значения термоэлектродвижущих сил в данном контакте заготовок. На основе полученного убывающего ряда находят наилучший вариант расположения заготовок в металлоконструкции. Для этого минимизируют по модулю перепады измеренных собственных потенциалов между всеми парами соседних заготовок (входящими в будущие сварные соединения), используя различные известные процедуры упорядочения. После чего при сборке металлоконструкции заготовки раскладывают по найденному расположению, выполняют другие операции по производству металлоконструкции.
Пример 1.
Рассмотрим производство сварных металлоконструкций при изготовлении обшивки морского судна. Она собирается из полотнищ, каждая из которых в свою очередь собирается из типовых взаимозаменяемых листовых заготовок.
Технологический процесс производства каждого полотнища начинается с выполнения заготовительных операций. Заготовки правят, зачищают и размечают. Их нумеруют и чертилкой на каждом листе проставляют контрольную точку.
На участке измерения заготовки раскладывают изолированно друг от друга, что позволяет произвести независимое измерение потенциала отдельно каждой заготовки. Это требуется для оценки вариантов их сборки и последующей сварки с целью снижения склонности всех соединений к электрохимической коррозии.
В локальной области измерения каждой заготовки измеряют ее собственный электрический потенциал. Для измерения используют микровольтметр. Одну входную клемму микровольтметра подсоединяют к локальной области измерения заготовки, а вторую - к электроду сравнения. Результат измерения u(i), где i - номер заготовки, выражают в микровольтах.
ЭС
ЭС
ЗАГ
Для измерения потенциала листов используем микровольтнаноамперметр Ф-136. Его точность - до долей микровольта. В качестве электрода сравнения используем точный и удобный в эксплуатации хлорсеребряный электрод. Измеряем температуру окружающей среды. Находим потенциал φ электрода сравнения по таблице для измеренной температуры окружающей среды. Складываем φ с u(i) и получаем собственный потенциал i-й заготовки φ(i).
На каждое сварное соединение металлоконструкции упадет разность потенциалов двух собираемых и затем свариваемых заготовок. Именно усредненную совокупность этих разностей напряжений по всему множеству сварных швов далее минимизируют с использованием процедуры упорядочения. Для этого все заготовки полотнища ранжируют по найденным потенциалам - расстанавливают их в порядке убывания значения потенциала.
На основе полученного убывающего ряда потенциалов при сборке заготовки раскладывают по объекту так, чтобы в среднем по всей металлоконструкции минимизировать по модулю перепады измеренных потенциалов между всеми парами соседних заготовок. Для этого при поиске оптимального расположения листов в данном полотнище рассматриваются все возможные варианты их компоновки. И в каждом рассматриваемом сварном шве находят ожидаемую термоэлектродвижущую силу (ТЭДС), получаемую вычитанием потенциала одной входящей в сварное соединение заготовки из потенциала второй входящей в сварное соединение заготовки. Затем полученное напряжение берут по модулю.
После нахождения оптимального расположения листов в полотнище выполняют другие операции по производству металлоконструкции: сборку, сварку, улучшение и пр.
Сборку и сварку обшивки судна из изготовленных полотнищ ведут аналогично.
Только в качестве сборочных элементов рассматривают полотнища.
Пример 2. В качестве примера приведем значения стандартных потенциалов хлорсеребряного электрода сравнения при различных температурах [6]:
Пример 3.
-3
с
Определим для примера параметры режима нагрева заготовки толщиной δ=10 мм=10⋅10 м из стали 09Г2 при длительности нагрева τ=0,3 с., что соответствует мягкому режиму нагрева заготовки (детали) клещами. Целью является определение режима нагрева заготовки клещами до температуры обечайки (кольца) нагрева 40°С.
н
Примем в качестве гипотезы нагрев центрального столбика заготовки (расположенного между электродами клещей) Т=Т=640°С.
Общее количество тепла, затрачиваемое на нагрев заготовки и самих электродов клещей [7, стр. 30-31]:
1
Э
где Q - энергия, затрачиваемая на нагрев центрального столбика. Его высота равна толщине листа заготовки δ, а диаметр соответствует диаметру рабочей поверхности электродов клещей d:
где с и ρ - теплоемкость и плотность стали заготовки.
Диаметр электродов клещей определяем из соотношения [8, стр. 34]:
Э
-3
-3
d=δ+2=(10+2)⋅10=12⋅10 м.
1
2
-6
-3
Q=(3,14⋅12⋅10/4)⋅10⋅10⋅0,67⋅7800⋅640=3,780 кДж.
2
2
н
Q - энергия, затрачиваемая на нагрев металла в виде кольца шириной x, окружающего центральный столбик. Среднюю температуру кольца, согласно рекомендации [7, стр. 30], принимают равной 0,25⋅Т=0,25⋅640=160°С.
1
1
Где k - поправочный коэффициент, k≈0,8;
2
x - ширина кольца:
а
где  - температуропроводность стали заготовки;
с
τ=0,3 с. - длительность нагрева (время сварки).
Для низколегированных сталей:
2
2
1
2
-3
-3
Аналогично в 4 раза упадет температура в заготовке на расстоянии Х от границы данного кольца. При этом средняя температура в большем кольце составит около 40°С. Таким образом, окончательно расстояние середины обечайки (кольца) нагрева от поверхности электрода клещей составит 2Х=2⋅6,6⋅10=13,2⋅10 м. То есть, при толщине зацепа крокодила 5 мм внутренний радиус обечайки (кольца) нагрева Rсоставит 17 мм, а наружный R - 22 мм.
2
-3
-3
-3
-3
Q=0,8⋅3,14⋅6,6⋅10⋅(12⋅10+6,6⋅10)⋅10⋅10⋅0,67⋅7800⋅160=2,578 кДж.
3
Q - потери энергии, затрачиваемые на нагрев электродов клещей:
2
2
где k - коэффициент, учитывающий форму электрода. Для электродов цилиндрической формы k=1;
Э
d - диаметр электродов клещей;
Э
Э
с и ρ - теплоемкость и плотность металла электродов;
3
х - высота нагрева электрода:
а
Э
где  - температуропроводность металла электродов;
с
τ=0,3 с. - длительность нагрева (время сварки).
Для бронзовых электродов клещей:
3
-4
-3
Q=2⋅1⋅(3,14⋅10/4)⋅18,1⋅10⋅0,38⋅8900⋅640/8=0,771 кДж.
Общее количество тепла, затрачиваемое на нагрев заготовки и электродов клещей:
ЭЭ
1
2
3
Q=Q+Q+Q=3,780+2,578+0,771=7,129 кДж.
Сварочный ток (ток нагрева):
1
где для сталей коэффициент m≈1;
дк
r - сопротивление заготовки в переходе от одного электрода к другому в конце нагрева.
1
3
m - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления во время сварки. Для низкоуглеродистых сталей k=1,0-1,1,
д
где А≈0,87 - коэффициент электросопротивления заготовки в конце процесса нагрева;
p
р
k - коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева заготовки, для сталей k=0,85;
1
2
н
н
ρ, ρ - удельное электросопротивление материала деталей при температурах 0,8⋅Т и Т, т.е., при 0,8⋅640=512°С и 640°С, соответственно.
1
1
Для этих температур ρ=4 мкОм⋅см, ρ=6 мкОм⋅см [7, стр. 17, рис. 1.8].
дк
-6
-6
-1
2
-3
r=0,87⋅0,85⋅1⋅(4⋅10+6⋅10)/(3,14⋅(12⋅10)/2)=32,71⋅10 Ом.
Тогда
При разной толщине заготовок настройки выбирают, например, по методике [7, стр. 30-31].
Сварочное усилие можно найти по выражениям [8, стр. 115, таблица]:
св
э
2
2
F=10 ДаН/мм⋅πd, /4 (ДаН) - для мягких режимов нагрева.
cв
2
F=10⋅3,14⋅10/4=785 ДаН.
Отсчет разности потенциалов по показаниям микровольтметра осуществляется по максимуму напряжения, т.е. в момент перегиба зависимости потенциала от времени.
Изобретение позволяет расширить технологические возможности защиты от электрохимической коррозии сварной металлоконструкции из взаимозаменяемых заготовок, повысить ее эффективность и значительно понизить трудоемкость защитных мероприятий.
Изобретение может использоваться при производстве и ремонте сварных металлоконструкций широкого назначения, прежде всего, листовых, оболочковых, резервуарных, трубных, а также корпусных, решетчатых и других металлоконструкций, стойких к электрохимической коррозии и выполняемых из взаимозаменяемых заготовок. В частности, изобретение может использоваться при изготовлении обшивок морских судов, а также палубных настилов, переборок, танков с использованием стыковых, тавровых и угловых сварных швов.
Источники информации
1 - Способ контроля режима работы протекторной защиты стальных корпусов кораблей и судов [Текст]: пат. 2589246 Рос. Федерация: МПК G01N 17/00 / Шевцов В.А., Коростылев Д.В., Белозеров П.А., Белавина О.А., Адельшина Н.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Камчатский государственный технический». - №2015104363/28; заявл. 10.02.2015; опубл. 10.07.16. Бюл. 19 - 3 с.
2 - ГОСТ 9.056-75. Стальные корпуса кораблей и судов. Общие требования к электрохимической защите при долговременном стояночном режиме. М.: Госстандарт. - 14 с.
3 - Способ и устройство защиты от электрохимической коррозии сварной металлопродукции [Текст]: пат. 2571293 Рос. Федерация: МПК C23F 13/00 / Веревкин В.И.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет». - №2014105150/02; заявл. 15.02.2014; опубл. 20.12.15. Бюл. 35 - 23 с.
4 - Андреев, Н.Т. Ремонт судов [Текст]: монография / Н.Т. Андреев, О.А. Борчевский, В.Г. Луговых [и др.]. - Л.: Судостроение, 1972. - 568 с.
5 - Веревкин В.И. Повышение стойкости к коррозии судовых металлоконструкций [Текст] / В.И. Веревкин, В.Ф. Игушев, С.А. Терюшева - Морские и интеллектуальные технологии. - №4 (38). Т. 2. - 2017. С. 69-75.
6 - Справочник по электрохимии. / Под ред. A.M. Сухотина. - Л.: Химия, 1981. - 488 с.
7 - Технология и оборудование контактной сварки [Текст]: учебник для машиностроительных вузов / Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Ю.В. Дмитриев [и др.]. // Под общ. ред. Б.Д. Орлова. - 2-е изд. - М.: Изд-во Машиностроение, 1986. - 352 с.
8 - Кабанов, Н.С. Сварка на контактных машинах [Текст]: монография / Н.С. Кабанов. - М.: Высш. школа, 1979. - 215 с.