СОСТАВ ДЛЯ ТЕРМИТНОЙ СВАРКИ
COMPOSITION FOR ALUMINOTHERMIC WELDING

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.
2
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/мм 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
пл.
Температура плавления указанного состава Т=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.
3
4
Для решения поставленной задачи в известный термитный состав вместо порошкообразного свинца вводят окислы свинца, например используемый для изготовления красок сурик свинцовый PbO, 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 срединнойчастью
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.