Zalety i wady
W wyniku spalania wodoru nie powstają żadne szkodliwe substancje, w przeciwieństwie do przypadków, gdy do spawania stosuje się acetylen. Dzieje się tak, ponieważ podczas spalania wodoru w środowisku tlenowym powstaje woda, a właściwie para wodna, która nie zawiera żadnych szkodliwych zanieczyszczeń.
Temperaturę płomienia mieszanki wodorowo-tlenowej można regulować w zakresie 600-2600 °C, co pozwala na spawanie i cięcie nawet najbardziej ogniotrwałych materiałów.
Wszystkie powyższe właściwości umożliwiają stosowanie spawania wodorowego w pomieszczeniach zamkniętych, pomieszczeniach o słabej wentylacji, w studniach, tunelach, piwnicach domów.
Warto zwrócić uwagę na taką zaletę spawania wodorowego, jak możliwość wymiany dyszy palnika. Wodór podtrzymuje płomienie o niemal każdej konfiguracji i wielkości.
Możliwe jest użycie cienkiego strumienia gazu, dającego płomień nie grubszy niż igła do szycia, nawet podczas pracy z biżuterią wykonaną z metali szlachetnych. Cienki płomień nie wymaga obecności dodatkowego tlenu, wystarczająco rozpuszczonego w powietrzu.
Domowy generator wodoru
Wadę spawania wodorowego można uznać za uzależnienie od dostępności źródła energii elektrycznej niezbędnej do produkcji wodoru. Stosowanie butli z wodorem jest niedozwolone ze względu na niebezpieczeństwo ich transportu i eksploatacji.
Metoda atomowego wodoru
Jednym z rodzajów spawania wykorzystującego wodór jest spawanie wodorem atomowym. Jej proces opiera się na zjawisku dysocjacji (rozpadu) wodoru cząsteczkowego na atomy.
Aby się rozpaść, cząsteczka wodoru musi otrzymać znaczną ilość energii cieplnej. Stan atomowy wodoru jest tak niestabilny, że trwa tylko ułamek sekundy. A potem następuje redukcja wodoru z atomu do cząsteczki.
Podczas redukcji uwalniana jest duża ilość ciepła, które jest wykorzystywane w spawaniu atomowym wodorem do podgrzewania i topienia spawanych części metalowych.
W praktyce cały proces realizowany jest za pomocą spawania elektrycznego za pomocą dwóch nietopliwych elektrod. Do uzyskania prądu wymaganego do zajarzenia łuku można użyć konwencjonalnej spawarki. Ale uchwyt lub palnik ma nietypowy wygląd.
Elektrody i palnik
Elektrody z palnikiem, do którego doprowadzany jest wodór, są ustawione pod kątem do siebie. Między tymi dwiema elektrodami inicjowany jest łuk. Wodór, czyli mieszanina azotowo-wodorowa, doprowadzona do strefy łuku, pod wpływem wysokiej temperatury przechodzi w stan wodoru atomowego.
Co więcej, po powrocie do swojej formy molekularnej wodór oddaje ciepło, tworząc temperaturę, która wraz z temperaturą łuku może osiągnąć 3600 °C.
Ponieważ dysocjacja następuje wraz z pochłanianiem ciepła (wodór ma działanie chłodzące), napięcie do uruchomienia łuku musi być dość wysokie - około 250-300 V. Później napięcie można obniżyć do 60-120 V, a łuk może spalić doskonale.
Intensywność spalania będzie zależeć od odległości między elektrodami oraz ilości wodoru dostarczanego do strefy spawania.
Spalanie łuku
Łuk zapala się przez krótkie zwarcie elektrod ze sobą lub na płycie grafitowej, gdy elektrody są przedmuchiwane gazem. Po zajarzeniu łuku odległość do spawanych części jest utrzymywana w granicach 5-10 mm.
Jeśli łuk nie dotyka spawanego metalu, pali się równomiernie i równomiernie. Nazywają ją spokojem. Przy niewielkich odległościach od przedmiotu obrabianego, gdy płomień łuku prawie dotyka przedmiotu obrabianego, wytwarzany jest silny, ostry dźwięk. Taki łuk nazywa się dzwonieniem.
Technologia spawania jest podobna do konwencjonalnej technologii gazowej.
Spawanie metodą wodoru atomowego zostało wynalezione i zbadane w 1925 roku przez amerykańskiego naukowca Langmuira. W procesie badawczym zamiast łuku wykorzystano ciepło ze spalania żarnika wolframowego, przez który przechodził wodór.
Technologia
Istotę takiego zjawiska, jak spawanie pod wodą, tłumaczy fakt, że gdy łuk się pali, uwalniany jest gaz, który tworzy bańkę. Otaczając elektrodę i spawane części, gaz zwalnia miejsce na spalenie łuku.
W rezultacie całe uwalniane przez niego ciepło jest zużywane na podgrzewanie i topienie metalu, który aktywnie się temu opiera, stale chłodzony przez otaczającą wodę.
Jego temperatura w niektórych przypadkach może osiągać wartości ujemne, jeśli woda jest nasycona wystarczającą ilością soli.
Gaz uwalniany podczas spalania łuku jest częściowo produktem spalania metali. Część jej udziału (wodór i tlen) powstaje podczas rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego i wysokiej temperatury.
Pęcherzyki gazu stale dążą do góry, mając mniejszą wagę i gęstość niż woda, a w strefie spawania stale tworzy się nowa porcja gazu.
Kształt szwu
Ze względu na gaz unoszący się w chaotycznym ruchu, a także ze względu na zawarte w nim produkty spalania (sadza, dym) widoczność w strefie spawania jest bardzo utrudniona.
Ta okoliczność determinuje cechy konstrukcyjne szwów podczas spawania pod wodą. Produkowane są w formie tauri, to znaczy, gdy łączone części znajdują się względem siebie pod kątem zbliżonym do prawego. Jeśli łączone części muszą znajdować się w tej samej płaszczyźnie, to są one spawane nie od końca do końca, ale na siebie.
Tego typu szwy umożliwiają pracę z elektrodą pod wodą nawet przy braku dostatecznej widoczności, skupiając się na krawędzi łączonych części, jakby „dotykowo”.
Napięcie i prąd
Napięcie, przy którym spawanie odbywa się pod wodą, musi być wystarczająco wysokie, aby zapewnić stabilne spalanie łuku. Z reguły waha się w granicach 30-35 V.
Aby dostarczyć takie napięcie na głębokość, potrzebne są spawarki, które mogą „oddawać” napięcie 80-120 V i prąd spawania 180-220 A. Spawanie pod wodą można wykonywać zarówno prądem stałym, jak i przemiennym, ale najlepiej wyniki uzyskuje się przy użyciu prądu stałego.
Wraz ze wzrostem głębokości, na której prowadzone są prace spawalnicze, nie zmienia się intensywność spalania łuku, a także jakość powstałych spoin. Dla stabilnego spalania konieczne jest tylko zwiększenie napięcia. Dlatego możliwości spawania pod wodą są technicznie nieograniczone. Ograniczenie głębokości jest ustalane wyłącznie przez możliwości ludzkiego ciała spawacza i stabilność sprzętu do użytku pod wodą.
Funkcje spawania rur wysokociśnieniowych.
Przy wyborze rodzaju spawania należy wziąć pod uwagę zarówno materiał, z którego wykonane są rury, jak i ich średnicę.
Spawanie rurociągu wysokociśnieniowego odbywa się metodą spawania łukowego gazowego lub elektrycznego. W takim przypadku spawanie gazowe można zastosować tylko wtedy, gdy średnica rur rurociągu mieści się w zakresie od 6 do 25 mm. W przypadku rur o większych średnicach należy stosować spawanie łukiem elektrycznym. Przy średnicach rur od 25 do 100 mm stosuje się ręczne spawanie łukiem elektrycznym, ale jeśli średnica rury przekracza 100 mm, istnieje potrzeba półautomatycznego lub automatycznego spawania łukiem krytym, przy czym w każdym przypadku spawanie grani spoiny odbywa się ręcznie. Należy również pamiętać, że w przypadkach, gdy średnica rur nie przekracza 40 mm, z reguły stosuje się konwencjonalną spoinę i wykonuje się rowek w kształcie litery V. Ale podczas spawania rur o średnicy większej niż 60 mm najczęściej stosuje się pierścienie podkładowe.
Kolejną cechą prac spawalniczych wykonywanych za pomocą rur wysokociśnieniowych jest konieczność wykonania kilku warstw spoiny - liczba warstw zależy od rodzaju rurociągu i właściwości metalu i może wynosić od 4 do 10 sztuki.
Kontrola połączeń spawanych. Korekta wad złącza spawanego
Przy dodatkowej produkcji w miejscu eksploatacji, montażu, naprawie, przebudowie urządzeń ciśnieniowych należy stosować system kontroli jakości złączy spawanych gwarantujący wykrywanie niedopuszczalnych wad, wysoką jakość i niezawodność działania tego urządzenia i jego elementów.
Kontrolę jakości złączy spawanych należy przeprowadzić w sposób określony w dokumentacji projektowej i procesowej.
Wszystkie połączenia spawane podlegają oględzinom i pomiarom w celu wykrycia następujących wad:
a) pęknięcia wszelkiego rodzaju i kierunków;
b) przetoki i porowatość zewnętrznej powierzchni spoiny;
c) podcięcia;
d) napływy, oparzenia, niestopione kratery;
e) odchyłki wymiarów geometrycznych i względnego położenia spawanych elementów;
f) przemieszczenie i usunięcie złączy krawędzi spawanych elementów z przekroczeniem określonych norm;
g) niezgodność kształtu i wymiarów szwu z wymaganiami dokumentacji technologicznej;
h) wady na powierzchni metalu nieszlachetnego i złączy spawanych (wgniecenia, rozwarstwienia, skorupy, brak penetracji, pory, wtrącenia itp.).
Defektoskopia ultradźwiękowa i kontrola radiograficzna są przeprowadzane w celu identyfikacji wad wewnętrznych w złączach spawanych (pęknięcia, brak penetracji, wtrącenia żużla itp.).
Metodę kontroli (ultradźwiękowa, radiograficzna, obie metody w połączeniu) dobiera się w oparciu o możliwość zapewnienia najpełniejszego i najdokładniejszego wykrycia defektów w określonym rodzaju złączy spawanych, z uwzględnieniem właściwości fizycznych właściwości metalu i tę metodę kontroli.
Zakres kontroli dla każdego typu urządzeń ciśnieniowych ustalany jest w oparciu o wymagania odpowiednich instrukcji bezpieczeństwa i jest wskazany w dokumentacji technologicznej.
Złącza spawane nie mogą mieć wad zewnętrznych lub wewnętrznych (uszkodzeń), które mogą mieć wpływ na bezpieczeństwo sprzętu. Minimalne wartości właściwości mechanicznych złączy spawanych sprzętu nie mogą być niższe niż minimalne wartości właściwości mechanicznych łączonych materiałów.
Połączone ze sobą elementy wyposażenia muszą zapewniać bezpieczeństwo wyposażenia i być odpowiednie do jego przeznaczenia. Wszystkie połączenia stałe lub spawane elementów wyposażenia muszą być dostępne do badań nieniszczących.
Kontrola jakości instalacji (przedprodukcyjna) musi być potwierdzona certyfikatem jakości instalacji.
Certyfikat jakości instalacji musi być sporządzony przez organizację, która wykonała instalację, podpisany przez kierownika tej organizacji, a także kierownika organizacji - właściciela zamontowanego urządzenia ciśnieniowego i zaplombowany.
Organizacja, która źle wykonała instalację (dodatkową produkcję), naprawę, przebudowę urządzeń ciśnieniowych ponosi odpowiedzialność zgodnie z obowiązującym prawem.
Niedopuszczalne wady stwierdzone podczas instalacji (dodatkowa produkcja), przebudowy, naprawy, testowania muszą zostać wyeliminowane z późniejszą kontrolą naprawionych sekcji.
Technologię usuwania wad określa dokumentacja technologiczna. Odstępstwa od przyjętej technologii korekcji wad muszą być uzgodnione z twórcą.
Metody i jakość usuwania usterek muszą zapewniać niezbędną niezawodność i bezpieczeństwo sprzętu.
Usuwanie defektów powinno odbywać się mechanicznie, zapewniając płynne przejścia w punktach pobierania próbek. Maksymalne wymiary i kształt próbek do warzenia określa dokumentacja technologiczna.
Dopuszcza się stosowanie metod termicznego cięcia (żłobienia) w celu usunięcia wad wewnętrznych, a następnie mechanicznej obróbki powierzchni próbki.
Kompletność usunięcia defektów należy sprawdzić wizualnie i za pomocą badań nieniszczących (defektoskopia kapilarna lub magnetyczna lub trawienie).
Pobieranie próbek z wykrytych miejsc defektów bez późniejszego spawania jest dozwolone, pod warunkiem zachowania minimalnej dopuszczalnej grubości ścianki części w miejscu maksymalnej głębokości pobierania próbek i potwierdzonej obliczeniami wytrzymałościowymi.
Jeżeli podczas kontroli korygowanego obszaru zostaną wykryte wady, należy przeprowadzić drugą korektę w tej samej kolejności, co pierwsza.
Korekcję wad w tym samym odcinku złącza spawanego można przeprowadzić nie więcej niż trzy razy.
W przypadku wycięcia wadliwego złącza spawanego i późniejszego wprowadzenia odcinka rury w postaci zgrzewu, dwa nowo wykonane złącza spawane nie są uważane za poprawione.
sposób półautomatyczny
Ze względu na to, że podczas spawania w wodzie znajduje się duża ilość wodoru, szew jest porowaty. Jednocześnie wzmożone chłodzenie materiału wodą ma negatywny wpływ.
Szew okazuje się delikatny, niestabilny w zginaniu. Aby uzyskać zadowalający wynik, przy obliczaniu konstrukcji należy wziąć pod uwagę duży margines bezpieczeństwa i niezawodności.
Spawanie pod wodą w środowisku argonu nie daje wymiernego efektu, ponieważ tylko nieznacznie zmniejsza zawartość wodoru w szwie.
Dobry wynik uzyskuje się stosując spawanie półautomatyczne drutem proszkowym. Ma mniejszą średnicę niż elektroda.
Podczas spawania urządzeniem półautomatycznym możliwe jest zorganizowanie stałego i ciągłego zmechanizowanego podawania drutu, co w połączeniu z użyciem nietopliwych elektrod umożliwi uzyskanie jednolitych szwów o dużej długości.
Materiały i ekwipunek
Urządzenia elektroenergetyczne do spawania pod wodą – transformatory, przetwornice – nie mogą w żaden sposób różnić się od tych stosowanych do spawania konwencjonalnego. Wyjątkiem są konstrukcje, których praca przewidziana jest na dużych głębokościach. Czasami zmienia się system chłodzenia takich urządzeń.
Węże i kable
Węże i kable muszą być starannie dobrane i sprawdzone pod kątem integralności. Potrzeba ta wynika zarówno z wymagań bezpieczeństwa elektrycznego, jak i technologii pracy.
Spawanie bardzo często odbywa się w wodzie morskiej o wysokiej zawartości soli. Taka woda jest dobrym przewodnikiem prądu, dlatego jeśli kable nie są uszczelnione, może przeciekać, co może mieć negatywny wpływ na jakość łuku.
garnitur
Oczywiście do ochrony spawacza niezbędny jest sprzęt do nurkowania. Do pracy na dużych głębokościach kombinezon lub skafander kosmiczny może być wykonany z metalu. Oto kolejna sztuczka.
W słonej wodzie łuk może zapalić się w przyzwoitej odległości od metalu, nawet go nie dotykając. A ponieważ w wodzie między spawaną częścią a kombinezonem spawacza można ustalić dodatnie przewodnictwo, może wystąpić wyładowanie przy niewielkiej odległości między elektrodą a kombinezonem.
Elektrody i drut
Na szczególną uwagę zasługują elektrody do spawania pod wodą. Muszą być wykonane z materiału, który nie jest narażony na działanie wody. Spawanie pod wodą odbywa się za pomocą elektrod ze stali miękkiej.
Powłoka pokryta jest specjalnymi związkami, które zapobiegają jej niszczeniu przez długi czas, tworząc na powierzchni wodoodporną warstwę.
Jako takie kompozycje można stosować parafinę, wosk, celuloid rozpuszczony w acetonie. Średnica elektrod do spawania pod wodą wynosi 4-6 milimetrów. Istnieją specjalne marki - Sv-08, Sv-08A, Sv-08GA, Sv-08G2.
Podczas spawania za pomocą urządzenia półautomatycznego stosuje się drut spawalniczy następujących marek - SV-08G2S, PPS-AN1.
Trudne warunki pracy wymagają odpowiedniej organizacji miejsca pracy oraz przestrzegania wszelkich środków bezpieczeństwa.Miejsce pracy należy dobrać w taki sposób, aby fale i prądy nie przeszkadzały spawaczowi.
W pobliżu miejsca pracy nie powinny znajdować się żadne luźne przedmioty. Elektrody należy wymieniać tylko przy wyłączonym zasilaniu.
Zgodność ze wszystkimi zasadami i technologią spawania podwodnego pozwoli uzyskać doskonałe wyniki podczas instalowania i naprawy konstrukcji hydraulicznych, statków oraz instalacji sprzętu podwodnego.
Obróbka spoiny przy łączeniu rur wysokiego ciśnienia.
Podczas spawania rur grubościennych tworzących rurociąg wysokociśnieniowy metal jest narażony na działanie wysokiej temperatury, co prowadzi do zmian w jego strukturze w miejscu samego spoiny i w odległości około 1-2 centymetrów od niej ( czyli w strefie ogrzewanej) . Prowadzi to do obniżenia właściwości spawu, co oznacza, że nie ma gwarancji, że wytrzyma on niekorzystne oddziaływanie środowiska przechodzącego przez rurociąg i jego otoczenia. Aby tego uniknąć, konieczne jest przeprowadzenie specjalnej obróbki spoiny i znajdującego się w jej pobliżu obszaru.
Najczęściej stosuje się do tego obróbkę cieplną, której cechy zależą od tego, z jakiej stali wykonane są rury i od ich dokładnych wymiarów. Jeżeli rurociąg jest produkowany w warunkach produkcyjnych, do obróbki cieplnej połączeń stosuje się specjalne piece – mogą to być oporowe piece muflowe, palniki gazowe z pierścieniami lub nagrzewnice indukcyjne.
Piec muflowy oporowy służy do obróbki cieplnej połączeń rur grubościennych o średnicy od 30 do 320 mm. W takim przypadku dokładna grubość ścianek rur nie ma znaczenia. W takim piecu złącze jest podgrzewane do 900 stopni.
Nagrzewnice indukcyjne przetwarzają połączenie rur poprzez nagrzewanie złącza prądem elektrycznym o częstotliwości przemysłowej (50 Hz). Taki grzejnik służy do przetwarzania połączenia rur o średnicy przekraczającej 100 mm i grubości ścianki -10 mm. W celu przeprowadzenia takiej obróbki cieplnej samo złącze i znajdujący się obok niego obszar rury owija się arkuszem azbestu, na który układa się kilka zwojów skręconego drutu miedzianego o przekroju co najmniej 100 mm2. Podczas nawijania drutu należy upewnić się, że zwoje są jednocześnie wystarczająco blisko siebie, ale nie stykają się ze sobą - w przeciwnym razie może wystąpić zwarcie.
Jak widać z powyższego, spawane połączenie rur i jego późniejsza obróbka to zadania przeznaczone dla rzemieślników z dużym doświadczeniem w takiej pracy.
Podczas wykonywania spawania należy wziąć pod uwagę wszystkie cechy konkretnego rurociągu - z jakich rur jest on montowany, a kończąc na warunkach, w jakich będzie eksploatowany. Jeśli chodzi o późniejszą obróbkę cieplną, tutaj również konieczne jest poznanie niuansów takiej operacji i spełnienie wszystkich wymagań technologicznych - tylko takie podejście w rezultacie zagwarantuje wysoką jakość połączenia.
Zdobywanie wodoru
Wodór można otrzymać przez elektrolizę wody, a dokładniej alkaliczny roztwór wodorotlenku sodu (soda kaustyczna, soda kaustyczna, wszystkie są nazwami tej samej substancji). Wodorotlenek dodaje się do wody w celu przyspieszenia reakcji.
Aby uzyskać wodór, wystarczy opuścić dwie elektrody do roztworu i przyłożyć do nich prąd stały. Podczas procesu elektrolizy tlen zostanie uwolniony na elektrodzie dodatniej, wodór na elektrodzie ujemnej. Ilość uwolnionego wodoru będzie dwa razy większa niż ilość uwolnionego tlenu.
Pod względem chemicznym reakcja wygląda tak:
2H2O=2H2+O2
Z technicznego punktu widzenia pozostaje oddzielenie tych dwóch gazów i zapobieżenie ich mieszaniu, ponieważ wynikiem jest mieszanina o ogromnej energii potencjalnej.Pozostawienie procesu niekontrolowanego jest niezwykle niebezpieczne.
Do spawania wodór uzyskuje się za pomocą specjalnych urządzeń - elektrolizerów. Do ich zasilania potrzebna jest energia elektryczna o napięciu 230 V lub wyższym.Elektryzery w zależności od konstrukcji mogą pracować na prądzie trójfazowym oraz na prądzie jednofazowym.
W domu
Aby wykorzystać spawanie wodorowe w życiu codziennym, nie trzeba kupować urządzeń do produkcji wodoru. Zwykle mają świetną wydajność i moc. Ponadto takie generatory są nieporęczne i drogie.
Zasilanie i płyn roboczy
Zasilanie może być dostarczane z ładowarki samochodowej lub prostownika własnej roboty, który można wykonać za pomocą odpowiedniego transformatora i kilku diod półprzewodnikowych.
Jako płyn roboczy należy stosować roztwór wodorotlenku sodu. Będzie lepszym elektrolitem niż zwykła woda. Gdy poziom roztworu spada, wystarczy dodać wodę. Ilość wodorotlenku sodu zawsze będzie stała.
Obudowa i rury
Jako obudowę generatora wodoru można wykorzystać zwykły litrowy słoik z polietylenową pokrywką. W pokrywie konieczne jest wywiercenie otworów na średnicę szklanych rurek.
Do usuwania powstałych gazów zostaną użyte rurki. Długość rurek musi być wystarczająca, aby dolne końce były zanurzone w roztworze.
Elektrody muszą być umieszczone wewnątrz rurek, przez które dostarczany jest prąd stały. Miejsca przechodzenia rurek przez pokrywę należy uszczelnić dowolnym uszczelniaczem silikonowym.
Odbiór wodoru
Z rurki zawierającej elektrodę ujemną zostanie uwolniony wodór. Konieczne jest zapewnienie możliwości opróżnienia go za pomocą węża. Wodór należy usunąć przez uszczelnienie wodne.
To kolejny półlitrowy słoik wody, w którego wieczku zamontowane są dwie rurki. Jedna z nich, przez którą z generatora dostarczany jest wodór, jest zanurzona w wodzie. Drugi usuwa z żaluzji wodór, który przepłynął przez wodę i dostarcza go wężami lub elastycznymi rurkami do palnika.
Uszczelnienie wodne jest konieczne, aby płomień z palnika nie przechodził do generatora, gdy ciśnienie wodoru spada.
Palnik
Palnik może być wykonany z igły ze strzykawki medycznej. Jego grubość powinna wynosić 0,6-0,8 mm. Do uchwytu igły można dopasować odpowiednie plastikowe tuby, części długopisów, ołówki automatyczne. Niezbędne jest również zapewnienie dopływu tlenu do palnika z generatora.
Intensywność powstawania wodoru i tlenu w generatorze będzie zależeć od wielkości przyłożonego napięcia. Eksperymentując z tymi parametrami można osiągnąć temperaturę płomienia palnika 2000-2500 °C.
Samodzielnie wykonana aparatura wykonująca spawanie wodorowe może być z powodzeniem wykorzystywana do cięcia lub łączenia przez spawanie lub lutowanie różnych drobnych części wykonanych z metali żelaznych i nieżelaznych. Może to być konieczne przy naprawie różnych artykułów gospodarstwa domowego, części samochodowych, różnych narzędzi metalowych.
