МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА Направление подготовки 5.06.01 «Машиностроение» Направленность (специальность): 2.5.8 Сварка, родственные процессы и технологии Оценка: Руководитель: (подпись) Рейтинг: (фамилия, имя, отчество) (дата) ОТЧЕТ о научно-исследовательской деятельности и подготовке научно-квалификационной работы (диссертации) на соискание ученой степени кандидата наук Тема диссертации: Сварка элементов подводного добычного комплекса (наименование) ВЫПОЛНИЛ: Аспирант группы МТА-24-04 (номер группы) Горбунов Дмитрий Алексеевич (фамилия, имя, отчество) (подпись) (дата) Москва, 20 26 МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА Направление подготовки 5.06.01 «Машиностроение» Направленность (специальность): 2.5.8 Сварка, родственные процессы и технологии ЗАДАНИЕ научно-исследовательскую деятельность и подготовку научно-квалификационной работы (диссертации) на соискание ученой степени кандидата наук ДАНО аспиранту Тема диссертации: Горбунову Д.А. (фамилия, имя, отчество в дательном падеже) группы МТА-24-04 (номер группы) Сварка элементов подводного добычного комплекса Содержание отчета: 1. Введение 2. 3. 4. 5. 6. 7. Руководитель: д.т.н. (уч.степень) Задание принял к исполнению: заведующий кафедрой (должность) (подпись) Капустин О.Е. (фамилия, имя, отчество) аспирант (подпись) Горбунов Д.А. (фамилия, имя, отчество) ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 4 1. Методика оценки качества используемого сварочного оборудования ....... 5 2. Прием и экспертиза заявочных документов ................................................ 10 3. Комплекс мероприятий по испытаниям различных типов источников .... 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 18 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................................. 19 ВВЕДЕНИЕ Одной из причин разрушения сварных соединений в трубках малого диаметра из различных сталей и сплавов является нарушение режимов сварки, что приводит к ухудшению структуры металлов и зарождению микротрещин, которые при эксплуатации в агрессивных средах перерастают в макротрещины и приводят к возникновению разрушения. Несоблюдение регламентируемых технологическими картами режимов сварки сталей и сплавов является сварочное оборудование. Поэтому на данном этапе выполнения диссертации важно разработать методику оценки качества используемого сварочного оборудования, применяемого при изготовлении элементов подводных добычных комплексов. Данная методика должна оценивать все параметры источников питания для сварки при аргонодуговой, полуавтоматической и автоматической сварки. Аспирант должен предложить комплекс мероприятий по испытаниям различных типов источников как на базе научных центров, например, Газпром ВНИИГАЗ Москва, так и на базе производственных участков, которые осуществляют строительство подводных добывающих комплексов. В процессе прохождения педагогической практики аспирант должен отработать способность студентов разных курсов использовать данную методику и провести оценку критериев источников питания, выбранных в качестве опытных образцов. 4 1. Методика оценки качества используемого сварочного оборудования Методика комплексной оценки качества функционирования и технического состояния сварочного оборудования, рассматриваемая на примере аппарата BRIMA MIG 230 DPP, представляет собой последовательную процедуру, направленную на определение степени соответствия аппарата заявленным техническим характеристикам, действующим нормам безопасности и эксплуатационным критериям, определяющим его надежность и пригодность для выполнения качественных сварочных работ. Оценка носит системный характер и интегрирует в себя несколько взаимосвязанных этапов, начиная от предварительной проверки документации и визуального осмотра, через детальный инструментальный контроль электрических практическими и механических параметров, функционально-технологическими и заканчивая испытаниями с последующим анализом результатов сварки. Первоначальным и обязательным этапом является подготовка, которая включает в себя сбор всей сопроводительной документации на аппарат, такой как руководство по эксплуатации, паспорт и сертификаты, проверку комплектности согласно заводскому перечню, а также подготовку необходимых контрольно-измерительных приборов и материалов для испытаний. К последним относятся мультиметр, способный измерять истинные среднеквадратичные значения, тахометр для проверки скорости подачи проволоки, газовый редуктор с расходомером, сварочная проволока, защитный газ и тестовые пластины из стали. Параллельно обеспечиваются все условия безопасного проведения работ: проверяется целостность питающего кабеля, наличие и исправность заземления, соответствие напряжения сети, а также наличие средств пожаротушения и вентиляции [1]. Непосредственная оценка начинается с визуально-тактильного и документального осмотра аппарата, выполняемого до его включения в сеть. 5 На этой стадии тщательно изучается состояние корпуса на предмет целостности, отсутствия деформаций и качества сборки, оценивается надежность крепления всех элементов. Проверяется четкость маркировки, плавность хода и фиксация органов управления — регуляторов напряжения, скорости подачи проволоки и индуктивности. При наличии безопасного доступа производится внутренний осмотр силовых компонентов, таких как трансформатор, выпрямительный блок и силовые ключи, на предмет следов перегрева, плохих контактов или повреждений. Отдельное внимание уделяется кабельной системе, шлангопакету и горелке, проверяется состояние их изоляции и соединений. Все обнаруженные особенности сверяются с информацией, содержащейся в техническом паспорте аппарата. Следующим шагом является инструментальная проверка электрических и механических параметров, выполняемая на холостом ходу и под нагрузкой. После подключения к сети, но без запуска процесса сварки, измеряется напряжение холостого хода на выходных клеммах, которое для аппаратов данного типа обычно находится в диапазоне 45-75 В и должно соответствовать паспортному значению. Проверяется стабильность выходного напряжения, желательно с помощью осциллографа, для анализа формы сигнала. Далее тестируется система подачи проволоки: устанавливается определенная скорость и с помощью тахометра или разметки проволоки с секундомером измеряется ее фактическое значение, оценивается плавность регулировки и отсутствие рывков или проскальзывания [2]. Газовая система проверяется на герметичность и соответствие установленного на редукторе расхода газа реальному потоку, выходящему из сопла горелки. Также проверяется корректность работы всех управляющих цепей и функций, таких как режимы «2T» и «4T». Ключевым и наиболее показательным этапом методики являются функционально-технологические испытания, в ходе которых аппарат используется для выполнения пробных сварных швов на подготовленных пластинах. Этот этап позволяет оценить интегральную работу всех систем в 6 реальных условиях. Процесс начинается с установки рекомендованных параметров сварки для выбранной толщины металла и диаметра проволоки. В ходе выполнения шва оценивается легкость и надежность возбуждения дуги, стабильность ее горения на установившемся режиме, характер звука. Проверяется отзывчивость и предсказуемость регулировок — как изменение напряжения влияет на форму валика, а изменение скорости подачи — на глубину проплава. «Антизалипание». Тестируются При защитные функции, пробной сварке длительной такие как контролируется эффективность системы охлаждения и отсутствие перегрева силовых компонентов. Заключительная часть оценки посвящена анализу качества полученного сварного соединения. Визуально исследуется внешний вид шва: равномерность чешуек, отсутствие поверхностных пор, подрезов, наплывов и правильное заполнение кратера. Измеряются геометрические параметры усиления шва. Для оценки внутренних дефектов и глубины проплавления может проводиться разрушающий контроль тестовых образцов на излом или разрыв. Качественно или количественно оценивается уровень разбрызгивания металла в процессе сварки, который является косвенным показателем правильности настроек и стабильности процесса. Синтез результатов всех проведенных этапов позволяет сформировать итоговое, объективное заключение о качестве конкретного экземпляра аппарата BRIMA MIG 230 DPP. Выводы могут варьироваться от признания высокого качества, при полном соответствии всем критериям и легком получении отличного результата, до удовлетворительного, когда аппарат работоспособен, но имеет незначительные недостатки, требующие более тонкой настройки. В случае же выявления критических несоответствий по параметрам, нестабильности работы или невозможности получения качественного шва, оборудование оценивается как неудовлетворительное и подлежащее ремонту или отбраковке. Данная методика обеспечивает 7 комплексный подход, минимизирующий субъективность и позволяющий дать точную техническую характеристику состояния сварочного аппарата [3]. На основе последовательного формируется итоговое заключение проведения о всех качественном этапов оценки состоянии и функциональных возможностях конкретного сварочного аппарата BRIMA MIG 230 DPP (рисунок 1.1). Критерием для отнесения аппарата к той или иной категории служит совокупность результатов, полученных в ходе визуального, инструментального и технологического контроля. Аппарат может быть признан соответствующим высшему уровню качества в случае его полного соответствия сопроводительной документации, отсутствия каких-либо конструктивных или сборочных дефектов при визуальном осмотре, подтверждения стабильности и соответствия паспортным значениям всех измеряемых электрических и механических параметров, а также безупречной работы всех систем в комплексе. Важнейшим признаком высокого качества является способность аппарата обеспечивать легкое и быстрое получение технологически совершенного сварного шва с оптимальными геометрическими характеристиками, минимальным разбрызгиванием и отличным внешним видом уже при первичной настройке по рекомендуемым параметрам. Рисунок 1.1 Проверка BRIMA MIGMMA 230DPP 8 Качество аппарата считается удовлетворительным и соответствующим своему эксплуатационному классу, если при его оценке выявляются несущественные отклонения, такие как неидеальность сборки корпуса, незначительные люфты органов управления или необходимость более тонкой, опытной настройки для достижения оптимального результата. При этом ключевые функциональные и выходные характеристики должны находиться в пределах допустимых норм, аппарат должен демонстрировать стабильную работу дуги, правильное формирование шва и надежное выполнение всех заявленных функций, таких как подача проволоки и газа. Такое оборудование является полностью работоспособным и пригодным для производства качественных сварочных работ, несмотря на отдельные мелкие недостатки. Аппарат получает оценку неудовлетворительного качества при обнаружении критических недостатков, которые делают его эксплуатацию невозможной, небезопасной или не позволяющей получить приемлемый результат. К таким недостаткам относятся существенное несоответствие реальных выходных характеристик паспортным данным, нестабильность горения дуги, выраженная нелинейность регулировок, сильный и неустранимый перегмотр ключевых компонентов, неработоспособность основных систем, например, механизма подачи проволоки с постоянными рывками или проскальзыванием, либо газового клапана с утечками. Технологическим индикатором неудовлетворительного состояния является невозможность получения качественного сварного соединения с нормальным проплавлением и без чрезмерных дефектов даже после квалифицированной настройки всех доступных параметров [4]. Оборудование, попавшее в данную категорию, требует незамедлительного ремонта силами специализированной службы и не должно допускаться к дальнейшему использованию до полного устранения всех выявленных дефектов и проведения повторных приемочных испытаний. 9 2. Прием и экспертиза заявочных документов Приём и экспертиза заявочных документов для последующей аттестации специалистов сварочного производства представляют собой строго регламентированную, многоуровневую процедуру первичной проверки и анализа представленного комплекта документов на предмет их полноты, достоверности, соответствия установленным нормативным требованиям и правилам оформления. Данный процесс является критически важным начальным этапом, поскольку от его результатов зависит дальнейший допуск кандидата к процедурам аттестации, включающим теоретическую и практическую проверку знаний и навыков. Основная цель экспертизы заключается в подтверждении формального права кандидата претендовать на определённый уровень профессиональной квалификации, что требует тщательного сопоставления представленных сведений с действующими регламентами [5]. Процедура начинается с формального приёма пакета документов от организации-заявителя или самого кандидата. На этом этапе проводится их первичный учёт и регистрация в системе, что фиксирует дату поступления и формирует уникальное дело. Сразу после приёма осуществляется проверка комплектности пакета согласно исчерпывающему перечню, определённому в руководящих документах. В обязательный комплект входят: официальное заявление установленной формы, подписанное уполномоченными лицами организации и самим кандидатом; копии документов, удостоверяющих личность; документы об образовании (дипломы, свидетельства) с приложениями, подтверждающие получение необходимого для искомого уровня общего и специального профессионального образования; документы, подтверждающие трудовой стаж в сварочном производстве (копии трудовой книжки, заверенные выписки, справки с предыдущих мест работы), с детализацией периодов работы по конкретным профессиям, видам деятельности и технологиям; копии ранее выданных свидетельств об аттестации (при их наличии), подтверждающих предыдущие уровни 10 квалификации или право проведения специальных работ; медицинские справки установленного образца, подтверждающие отсутствие противопоказаний к работе по специальности; фотографии требуемого формата; иные документы, специфичные для аттестации на определённые специальные виды работ, такие как сертификаты на неразрушающий контроль, допуски к работам повышенной опасности и прочие. После подтверждения комплектности начинается содержательная экспертиза каждого документа. Экспертом проводится детальный анализ на предмет подлинности представленных копий, их читаемости, наличия всех необходимых страниц, печатей, подписей и регистрационных номеров. Особое внимание уделяется документам об образовании: проверяется статус учебного заведения, аккредитация образовательной программы, её профиль и уровень, а также соответствие специальности и квалификации, указанных в дипломе, требованиям для запрашиваемого направления аттестации. При необходимости может быть запрошено подтверждение из федерального реестра документов об образовании [6]. Скрупулёзной проверке подвергается подтверждение производственного стажа. Эксперт изучает записи в трудовой книжке, оценивая хронологию, непрерывность и продолжительность стажа на конкретных должностях, непосредственно связанных с заявленным видом деятельности. Проверяется соответствие наименований должностей, профессий и выполняемых функций требованиям руководящих документов. При выявлении неоднозначных формулировок или недостаточности информации заявителю может быть направлен запрос на предоставление дополнительных разъясняющих документов, таких как подробные служебные характеристики, технологические карты работ или приказы, детализирующие круг обязанностей. Экспертиза также включает проверку внутренней непротиворечивости всего пакета документов: соответствия дат, совпадения персональных данных (ФИО) во всех документах, логической связи между образованием, стажем и 11 заявленным уровнем квалификации. Проводится проверка актуальности медицинских справок и соответствия их формы установленным требованиям. По итогам всесторонней экспертизы принимается одно из следующих решений: о признании пакета документов полным и соответствующим всем требованиям, что даёт основание для допуска кандидата к следующему этапу аттестации; о необходимости устранения незначительных замечаний, таких как предоставление нечёткой копии или недостающей справки, в установленный срок; или же об отказе в допуске к аттестации в связи с выявленными неустранимыми несоответствиями, например, недостаточностью стажа по требуемой специальности или непрофильным образованием. Решение оформляется мотивированным заключением, которое направляется заявителю. Вся процедура приёма и экспертизы документов должна обеспечивать максимальную объективность, прозрачность и соответствие установленным регламентам, создавая справедливые и равные условия для всех кандидатов и гарантируя, что к последующим, более сложным этапам проверки профессиональной компетентности будут допущены только лица, формально соответствующие всем обязательным критериям [7]. 12 3. Комплекс мероприятий по испытаниям различных типов источников Комплекс мероприятий по проведению испытаний различных типов источников сварочного тока (дуговой сварки) представляет собой системную последовательность процедур, направленных на всестороннюю оценку технических, эксплуатационных оборудования в условиях, и технологических максимально характеристик приближенных к реальной производственной деятельности, а также на проверку его соответствия требованиям нормативной документации, безопасности и заявленным производителем параметрам [8]. Данный комплекс является неотъемлемой частью приемочных испытаний нового оборудования, плановой диагностики находящегося в эксплуатации, а также сравнительного анализа аппаратов различных принципов действия, таких как трансформаторы, выпрямители, инверторы, полуавтоматы и аппараты для аргонодуговой сварки. Его основная цель — получение объективных, количественно измеримых данных, позволяющих судить о надежности (рисунок 3.1), экономичности, стабильности и пригодности источника для выполнения конкретных сварочных технологий. Рисунок 3.1 Сварка в рамках испытаний на удержание дуги 13 Процесс начинается с подготовительного этапа, который включает в себя детальное изучение технической документации на испытуемый источник сварочного тока — паспорта, руководства по эксплуатации, электрических схем и сертификатов соответствия. На основе этих данных формируется программа и методика испытаний, определяются контрольные точки и критерии оценки. Подготавливается необходимая контрольно-измерительная аппаратура, такая как прецизионные вольтметры и амперметры истинного среднеквадратичного значения (True RMS), анализаторы качества электроэнергии для фиксации потребляемых токов, коэффициента мощности и гармонических искажений, осциллографы с гальванической развязкой для визуализации формы выходного температуры (пирометры, напряжения тепловизоры), и тока, регистраторы калиброванные нагрузочные балластные реостаты или активные нагрузочные стенды, а также приборы для проверки работы вспомогательных систем. Параллельно обеспечиваются все условия безопасности: проверяется исправность заземления, целостность силовых и контрольных кабелей, соответствие питающей сети требованиям аппарата, наличие средств пожаротушения и вентиляции. Первым этапом непосредственных испытаний является внешний осмотр и проверка конструкции, в ходе которой оценивается качество изготовления, надежность механических соединений, состояние органов управления и индикации, маркировка клемм, степень защиты корпуса от пыли и влаги (IP). Далее следует проверка электрической безопасности, включающая измерение сопротивления изоляции силовых цепей и цепей управления относительно корпуса, проверку целостности цепи защитного заземления и срабатывания устройств защиты от перегрузки по току и перегрева [9]. Ключевым блоком являются испытания на холостом ходу и под нагрузкой. При работе на холостом ходу измеряются и анализируются параметры входной сети: пусковые токи, установившийся ток холостого хода, потребляемая мощность, коэффициент мощности. Для трансформаторных источников фиксируется напряжение холостого хода, которое должно 14 соответствовать паспортному значению и требованиям безопасности. Для инверторных источников с помощью осциллографа изучается форма и частота выходного напряжения на холостом ходу, что позволяет сделать предварительные выводы о работоспособности силовых ключей и системы управления. Затем источник подвергается нагрузочным испытаниям на калиброванной активной нагрузке (балластных реостатах) во всем диапазоне регулирования выходного тока. На каждой контрольной точке фиксируются: фактическое значение выходного тока и напряжения в сравнении с показаниями штатных приборов аппарата, стабильность поддержания заданного тока при колебаниях напряжения питающей сети в допустимых пределах, способность источника развивать номинальный и максимальный сварочный ток в течение времени, указанного в паспорте (продолжительность включения, ПВ). В процессе длительной работы под нагрузкой ведется мониторинг теплового режима критических компонентов — силовых трансформаторов, дросселей, выпрямительных диодов, IGBT-транзисторов, радиаторов системы охлаждения — с помощью тепловизора или контактных датчиков температуры, что позволяет оценить эффективность системы охлаждения и отсутствие перегрева [10]. Для современных источников с цифровым управлением и синергетическими режимами (например, в полуавтоматической сварке MIG/MAG) отдельно исследуется работа системы управления: плавность и линейность регулировок, точность поддержания заданных параметров в динамическом режиме, скорость отклика на изменение регулировок, а также корректность работы всех заявленных функций, таких как «Горячий старт» (Hot Start), «Форсирование дуги» (Arc Force), «Антизалипание» (Anti Stick) (рисунок 321), импульсные и иные специальные режимы. Для этого часто требуются не только измерения, но и осциллографирование выходных параметров при имитации различных сварочных ситуаций, например, короткого замыкания электрода на изделие. 15 Рисунок 2.2 Проверка антизалипания Заключительной и наиболее значимой частью комплекса являются технологические испытания, в ходе которых источник используется для выполнения реальных сварочных операций, соответствующих его технологическому назначению. Для аппаратов ручной дуговой сварки (ММА) это сварка покрытыми электродами различных типов (кислыми, основными, целлюлозными) в различных пространственных положениях, в ходе которых оценивается легкость поджига дуги, устойчивость ее горения, глубина проплавления, форма шва и величина разбрызгивания. Для инверторных источников особое внимание уделяется их способности работать с трудно поджигаемыми электродами, пониженном напряжении (MIG/MAG) технологические например, сети. Для с основными (УОНИ) полуавтоматических испытания включают в при аппаратов себя оценку стабильности процесса сварки в коротком дуге и в режиме струйного переноса, качество формирования шва, работу систем подачи проволоки и газа в комплексе с источником, эффективность регулировки индуктивности для управления динамикой короткого замыкания и величиной разбрызгивания. Для аппаратов аргонодуговой сварки (TIG) тестируются плавность регулировки тока, устойчивость горения дуги на малых токах (например, при сварке тонкого металла), работа высокочастотного осциллятора для бесконтактного поджига, динамика нарастания и спада тока (функции UpSlope и Down-Slope), а также работа импульсных режимов [11]. По итогам всех проведенных мероприятий составляется подробный протокол испытаний, в который заносятся все полученные данные, результаты измерений, осциллограммы, тепловизионные снимки и выводы по каждому этапу. На основе этого протокола формируется итоговое экспертное 16 заключение, в котором дается интегральная оценка соответствия источника сварочного тока его назначению, делаются выводы о его надежности, энергоэффективности, удобстве эксплуатации, стабильности технологических параметров и, в конечном счете, о его пригодности для внедрения в производственный процесс или необходимости доработки, ремонта или отбраковки. Такой комплексный подход обеспечивает не формальную, а глубоко технически обоснованную оценку качества и возможностей любого типа источника сварочного тока. 17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ По мнению ВНИИАВТОГЕНМАШ экспертов данная из состава методика кафедры соответствует сварки и требованиям, действующим на территории Российской Федерации, но для подтверждения практической эффективности необходимо во время прохождения педагогической практики аспиранту с привлечением студентов старших курсов провести её апробацию на базе кафедры сварки с использованием современного испытательного оборудования (аудитория П-36). И приложить к отчету о педагогической практики реальные протоколы испытаний, получив экспертную оценку ведущих аттестационных специалистов Сорокина В.Н., Сингаевского В.Н. и Файна М.Л. 18 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Липпольд Д. Металлургия сварки и свариваемость нержавеющих ста­ лей : [пер. с англ.] / Д. Липпольд, Д. Котеки; под ред. Н. А. Соснина, А. М. Лев­ченко. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. — 467 с. 2. Нестерова С., Альтернатива дорогостоящим аустенитным сталям – высококачественные европейские стали «дуплекс» / И. Марьин, С. Нестерова // Материалы в арматуростроении – 2009 – №2 (59) – С. 49-52. 3. Седухин В.В. Совершенствование химического состава и технология выплавки дуплексной марки стали, легированной азотом, в открытой доменной печи: дис. к-та технических наук: 02.06.02 / Седухин Вадим Валерьевич; ЮУрГУ. – Челябинск, 2022. – 125 с. 4. СТО ИНТИ S.00.2 Стали специальные коррозионностойкие аустенитно-ферритного класса [текст] – Москва, 2023. – 30 с. 5. Chai, G., & Kangas, P. Super and hyper duplex stainless steels: structures, properties and applications. In 21st European Conference on Fracture (ECF21), 2024 June 2016, Catania, Italy. Procedia Structural Integrity, 2016, 2, P. 1755–1762. 6. DNV-OS-F101. Submarine Pipeline Systems. Offshore Standard. Det Norske Veritas AS, August 2012. [Электронный ресурс]. URL: http://www.dnv.com (дата обращения: 24.02.2025). 7. Francis, R., & Byrne, G. Duplex Stainless Steels – Alloys for the 21st Century/ R. Francis, G. Byrne //Metals. – 2021, Issue 11, P. 23. 8. Frodigh, M., Björnstedt, P.O. Welding guidelines for duplex, super duplex, and hyper duplex stainless steels / M. Frodigh, P.O. Björnstedt // Sandvik Materials Technology. – 2017. P. 1-8. 9. Kahar S. D. Duplex Stainless Steels-An overview // International Journal of Engineering Research and Application. 2017. Vol. 7, Issue 4 (Part 4). P. 27–36. 10. Kangas, P., & Chai, G. Use of advanced austenitic and duplex stainless steels for applications in Oil & Gas and Process industry. P. Kangas, G. Chai// Advanced Materials Research. – 2013, Vol. 794, P. 645-669 19 11. NORSOK M-630: Material data sheets for piping. Rev. 4. — Lysaker: Standards Norway, 2004. 20