§ 4. Сварка труб и трубопроводов

При строительстве магистральных трубопроводов приходится собирать и сваривать миллионы стыков труб большого диаметра.

Укладка трубопроводов может быть либо непрерывной, либо секционной. В первом случае производят последовательное наращивание, причем все стыки выполняют без поворота. Во вто­ром случае первоначально сваривают секции, вращая при этом трубы, а затем на трассе соединяют секции без поворота. В СССР на строительстве магистральных трубопроводов приме­няют главным образом секционный способ укладки труб. Трубы длиной 12 м поступают на полевые сварочные базы, где их соеди­няют в секции длиной 24—36 м. Последние на специальных автомашинах транспортируют на трассу и сваривают в плети. Трубы соединяют встык без использования подкладных колец. Сборка стыков труб является важнейшей операцией, во многом определяющей качество сварки. При сборке необходимо обеспе­чить соосность труб, достаточно точное совпадение свариваемых кромок и равномерный зазор в стыке, позволяющий проварить корень шва по всему периметру. Для этой цели применяют цент­раторы наружные или внутренние.

Наружный центратор (рис. 20-78) состоит из ряда шарнирно соединенных звеньев 5 и 6 с роликовыми опорами 4. При сборке раскрытую цепь центратора подводят под трубы, и крючки 3 на­девают на цапфы крестовин 2, При этом пластины цепи распо­лагаются симметрично по обеим сторонам от плоскости стыка. Затем цепь натягивают винтом /, ролики совмещают кромки обе­их труб и производится прихватка. Наружные центраторы

629

в определенной степени облегчают центровку труб, но не исклю­чают применения ручного труда.

Применение внутренних центраторов позволяет механизиро-, вать операцию сборки более полно. Кроме того, собранный стык

Рис. 20-7Я. Наружный центратор для сборки труб

оказывается целиком доступным для сварки и корневой шов можно выполнить от начала до конца без остановок и прихва­ток. Для внутреннего центратора используют механизм типа

Рис. 20-79. Схема внутреннего центратора

«зонтик» с радиальным приложением сил к кромкам труб (рис. 20-79, а). Два ряда центрирующих элементов 2 и S могут разжиматься независимо, а сжиматься одновременно. Управле-

630

пне осуществляется перемещением золотника 1. Последователь­ное разжатие заднего (левого) и переднего рядов центрирующих элементов 2 \\3 достигается подачей масла в полости 10 и 8. При этом движение каждого из конусов 6 и 7 влево через ролики 5 и жимкн 4 передается башмакам 2 и 3, которые непосредственно соприкасаются с поверхностями собираемых труб-и обеспечива­ют их центровку. Для освобождения стыка после сборки и при­хватки масло подается в полость 9. Конус 7, двигаясь вправо, упирается в конус 6 и увлекает его за собой. Этим достигается одповременный отвод центрирующих элементов обоих рядов. При сборке поворотных стыков центратор внутрь трубы обычно вво­дится с помощью штанги (рис. 20-79,6). Для использования

Рис. 20-80. Механизированная трубосварочная Рис. 20-81. Схемы нало-

ЛИШ1Я (МТЛ) для наружной сварки поворот- жения швов:

пых стыков /, 2, з— слои шм

центратора в качестве вращателя штанга закрепляется в под­шипниках и ей сообщается вращательное движение. При сборке неповоротных стыков перемещение центратора внутри трубопро­вода целесообразно производить с помощью самоходного устройства.

При сварке поворотных стыков труб большого диаметра кор­невой шов выполняют полуавтоматами в среде С0₂ или ручной сваркой; заполнение разделки — автоматами иод флюсом. Непо­воротные стыки, как правило, выполняются ручной сваркой в несколько слоев.

При сборке и сварке секций на полевых базах такие вспомо­гательные операции, как подача отдельных труб, накатка и скат­ка секций, установка центратора и т. д., при использовании при­митивной оснастки оказываются достаточно трудоемкими. Комп­лексную механизацию обеспечивает использование механизиро­ванных трубосварочных линий типа МТЛ (рис. 20-80}. Трубы

631

с накопителя / поочередно гидравлическими отсекателями плав­но укладываются на рольганг 3. Сборка выполняется с помощью внутреннего поворотного центратора 2, закрепленного на одном месте штангой. Первая труба рольгангом 3 надвигается на цент­ратор так, чтобы ее торец располагался па расстоянии 15—20 мм от ряда жимков центратора, которые при разжатии фиксируют ее _гв этом положении. Вторая труба подается рольгангом 3 до соприкосновения с первой и фиксируется разжатием второго ряда жимков центратора, чем достигается центровка стыка. Требуемый зазор устанавливается поднятием конца секции гид­роцилиндром. Центратор одновременно выполняет роль враща­теля с широким диапазоном скоростей. Два сварщика одновре­менно выполняют корневой шов полуавтоматами в среде С0₂ или ручной дуговой сваркой. Сваренная первым слоем двухтруб­ная секция отводится рольгангом вперед, на ее место на центра­тор надвигается третья труба, и цикл сборки стыка и сварки первого слоя повторяется. После этого собранная трехтрубная секция перегружателем передается на промежуточный стеллаже и поступает на второй стенд 6, где стыки окончательно сварива­ют автоматами иод флюсом с помощью торцового вращателя 5. Над местом сборки стыков 2 предусмотрено укрытие в виде за­стекленного домика. В случае непогоды на этом рабочем месте стыки можно сваривать полностью, т. е. выполнять пе только корневой шов, но и последующие слои автоматом под флюсом.

Предполагается дальнейшее усовершенствование выполнения поворотных стыков труб большого диаметра путем сварки их автоматами под флюсом с двух сторон на передвижных базах, состоящих из двух линий. На первой линии сборка стыков осу­ществляется, как было изложено выше при описании работы ли­нии МТЛ, однако первый слой с наружной стороны выполняется на весу расщепленным электродом на автомате под флюсом, а-затем второй, как показано на рис. 20-81. После этого трех­трубная секция поступает на линию внутренней сварки с привод­ными опорами для вращения секции со скоростью сварки. Сварка швов 3 первого и второго стыков выполняется двумя сварочны­ми головками под флюсом, поочередно вводимыми внутрь трубы с корректировкой направления по пятну разогрева.

Другим усовершенствованием процесса укладки магистраль­ных трубопроводов можно считать поставку на трассу труб дли­ной 24 м непосредственно с завода, минуя промежуточные пере­движные сварочные базы. Перевозку таких труб по железным дорогам можно осуществлять на двух открытых платформах обычного типа или в полувагонах длиной 25 м.

Выпуск труб длиной 24 м со спиральным швом особых труд­ностей не представляет. Прямошовные трубы длиной 12 м можно удлинить двусторонней сваркой поворотного стыка автоматами под флюсом. Использование более тяжелого и совершенного

632

оборудования позволяет выполнять эту операцию в условиях завода более эффективно, чем на передвижных базах. Для этой цели применяют стационарные установки (рис. 20-82), обеспечи­вающие механизированную подачу труб, их сборку, двусторон­нюю сварку и выдачу длинномерной трубы па стеллаж. Трубы / по рольгангу 7 подаются до упора 10 так, чтобы кольцевой стык оказался в плоскости расположения сварочных головок 2 и 4. Затем трубы приподнимаются опорными роликами 6 и зажима­ются роликами наружного центратора-вращателя 8 и 3. Первым начинают сваривать внутренний шов головкой 2, закрепленной па штанге 5. После того, как па флюсоремеиной подушке 9 сва-

Рис. 20-82. Схема установки для двусторонней сварки стыков труб

рема половина внутреннего шва, включается подача проволокйг наружной головки 4, и сварка с наружной стороны происходит на уже заваренном внутреннем шве.

Выполнение неноворотных стыков магистральных трубопро­водов большого-диаметра продолжает оставаться весьма трудо­емким. Использование трубоукладчиков и внутренних гидравли­ческих центраторов обеспечивает механизацию процесса сборки, однако сварка по-прежнему выполняется, как правило, вручную.

Заметное повышение темпа укладки трубопроводов дает рас­членение процесса сварки стыков на ряд последовательных операций. Так, при выполнении неповоротных стыков трубопро­вода диаметром 1020 мм с толщиной стенки 10—12 мм при по-точно-расчлененном методе одновременно работают бригада сборщиков и четыре бригады сварщиков (по 3 человека). Впе­реди движется бригада сборщиков, собирая стыки с помощью-

633

^шшЬф-шш^

внутреннего центратора. За ней от стыка к стыку движутся бригады сварщиков. Каждая бригада сварщиков выполняет свой слой иша, а каждый сварщик —определенный участок этого слоя.

При укладке трубопроводов диаметром 114—529 мм эффек­тивно применение прессовых методов сварки. Для контактной сварки оплавлением предназначены установки типа ТКУС и ТКУП. Основным агрегатом стационарной установки ТКУС (рис. 20-83) является неразъемная сборочпо-сварочная головка, имеющая кольцевой трансформатр 6 и механизм центровки 4 стыкуемых кромок с гидравлическим приводом 5 зажима, оплав­ления и осадки труб. Установка выполнена в виде одностендовой поточной линии и обслуживается трубоукладчиками 3. Трубы со

стеллажа 1 накатыва-_ ^р"^ ются на рольганг 2, по-

даются к сварочной головке, центрируются и свариваются. Удале-, ние грата (внутри и снаружи) произво­дится гратоспимателя-ми непосредственно после сварки. Установ­ки ТКУС позволяют сочетать высокую про­изводительность сты­ковой контактной свар­ки с механизацией сбо­рочных п вспомога­тельных операций при соединении труб в укрупненные секции. Передвижная установка ТКУП, используемая при сварке стыков на трассе, имеет разъ­емную сварочную головку, которая подвешивается на стреле специального трактора.

Дуто-контактный способ сварки⁴ позволяет обходиться источ­ником тока меньшей мощности, чем при контактной сварке с ис­пользованием кольцевого трансформатора. Кромки труб нагре­вают сварочной дугой, горящей в зазоре между их торцами и вра­щающейся с большой скоростью под действием магнитного поля. Одна из первых установок такого типа УДС-1 предназначена для сварки промысловых трубопроводов диаметром 114 мм. Она име­ет сварочную головку с пневмогидравлическим механизмом зажатия и осадки, включение механизма осадки производится с помощью реле времени.

Определенный интерес представляют попытки зарубежных фирм создать при укладке трубопроводов оборудование для изготовления труб в полевых условиях. Так, малогабаритная

\Ь-

з

Рис. 20-83. Схема стационарной установки

для стыковой электроконтактной сварки

труб в секции (ТКУС)

634

установка, размещающаяся в автомобильном фургоне, может выпускать спирально-шовные трубы диаметром 150—1020 мм и выше непосредственно на месте их укладки. Основной частью этой установки является формующее устройство. Сварка выпол­няется двумя сварочными головками с внутренней и с наружной сторон трубы. Другая установка, использующая контактную сварку токами радиочастоты, предназначена для изготовления прямошовной трубы неограниченной длины диаметром 200—400 мм непосредственно во время ее укладки. В процессе изготовления установка движется со скоростью сварки, готовая труба укладывается вдоль траншеи.

Рис. 20-84. Схемы основных стыков заводских трубопроводов

Огромное количество стыков труб приходится выполнять при сооружении нефтяных, химических, металлургических заводов и др. Так, современный нефтеперерабатывающий завод может иметь 500—600 км обвязочных и 1500—1600 км межцеховых трубопроводов. Эти трубопроводы имеют большое количество вварных деталей. В среднем на 10 м обвязочного трубопровода приходится устанавливать две задвижки, четыре фланца, два угольника, сваривать до десяти стыков, вваривать два штуцера и т. д. (рис. 20-84). Часть вварных деталей также изготавливает­ся с помощью сварки.

Межцеховые трубопроводы отличаются от обвязочных боль­шим диаметром прокладываемых труб и меньшим количеством привариваемых деталей.

Сборку и сварку большинства стыков заводских трубопрово­дов обычно выполняют в трубозаготовительных цехах, а на

635

монтаже сваривают только стыки, соединяющие готовые секции или узлы. В условиях цеха трубы со склада направляются в за­готовительное отделение, где их обрезают и скашивают кромки. Затем трубы подают на сборку, куда поступают и готовые дета­ли (отводы, тройники, фланцы, переходы и т. п.), поставляемые специализированными заводами. Сборку узлов производят па столах-стендах, оснащенных приспособлениями, позволяющими собирать элементы в определенном диапазоне размеров.

Рис. 20-85. Приспособление для сборки трубы с фланцем

Широко применяют приспособления для сборки элементов типа «труба —фланец» (рис. 20-85). Привариваемый фланец устанавливается на сменных контрольных штифтах 6, соответ­ствующих по диаметру болтовым отверстиям фланца. С помощью двухзаходного винта 3 и рукоятки 5 штифты раздвигаются и фик­сируют положение отверстий фланца симметрично вертикальной оси. Требуемое положение фланца относительно оси трубы до­стигается прижимом зеркала фланца к поверхности установоч­ной каретки 4 и перемещением каретки с фланцем по вертикали с помощью винта 2 и рукоятки /.

Комплексный стенд для сборки элементов типа «труба —фла­нец», «труба — отвод» и «отвод — труба — флапец» показан на

636

-рис. 20-86. Базовая поверхность стола 2 изготовлена из швел­леров, по которым перемещаются элементы приспособлений. Для сборки трубы с отводом служит приспособление /, имеющее подъемную площадку, на которую вертикально устанавливается отвод на один из торцов. Второй торец отвода стыкуется с тру­бой, уложенной в призмах на двух подвижных каретках 3. Для сборки плоских приварных фланцев применяют приспособле­ние 4 со специальной подвижной оправкой, имеющей выступ по внутреннему диаметру соответствующих фланцев. Сварка собранных узлов трубопроводов выполняется под флюсом или в среде С0₂ с использованием вращателей и мани­пуляторов.

Рис. 20-86. Схема стенда для сборки элементов труболроподов

Несмотря на большое количество типоразмеров элементов, разделение их на группы позволяет выделить из технологическо­го процесса значительную часть операций с большими партиями однотипных деталей и организовать производство узлов в спе­циализированных поточных линиях. В таких линиях обычно сна­чала собирают и сваривают отдельные подузлы (например, трубу с фланцем или угольником), а затем эти подузлы поступают на укрупнительную сборку и окончательную сварку готовых узлов. В крупных трубозаготовительных цехах при выпуске больших партий узлов одинаковых размеров используют специализиро­ванные установки дуговой автоматической сварки, а также при­меняют контактную сварку встык.

Неповоротные монтажные стыки труб сваривают вручную

637

или специальными автоматами в среде защитных газов. Исполь­зование таких автоматических головок, обегающих стык, особенно необходимо для выполнения труднодоступных швов, а также в условиях, опасных для человека.

В нефтяной, химической и атомной промышленности приме­няют трубы из специальных сталей, цветных металлов и их сплавов, предназначенные для работы при высоких давлениях и в активных средах. Технология сварки таких труб весьма раз-иоообразна, но общим требованием является надежное проплав-ление всего сечении. Помимо этого, высокие требования часто предъявляют к состоянию поверхности и очертанию сварного шва внутри трубы. Так, в атомной промышленности при выполнении стыков трубопроводов контактную сварку не применяют из-за необходимости тщательного удаления грата. В этом случае ос­новным методом является аргонодуговая сварка без присадки,

а если трудно собрать

а\

8l

72 ±2'

Рис. 20-87. Проплавление корня шва:

а) формирование кормя шва; б) подготовка стыка со вставкой грибовидного сечения

стык без зазора, то с присадкой в V-образ-ную разделку.

Для обеспечения надежного проплавле-ния и хорошего форми­рования проплава при выполнении первого слоя часто используют специальное расплав­ляющееся кольцо гри­бовидного сечения (рис. 20-87, а, б). При выполнении монтаж­ных стыков ответственных трубопроводов их сборка под сварку автоматической головкой, обегающей стык, выполняется обычно с помощью специального жесткого центратора, исключающего необходимость прихваток.

Значительный объем работ по Сварке труб выполняют в кот-лостроении и аппаратостроении. Стыкование труб экранов и змеевиков производится преимущественно контактной сваркой оплавлением с последующим удалением грата. К топочным экранным трубам приваривают большое количество шипов (рис. 20-88), удерживающих защитные тугоплавкие покрытия. Обычно это осуществляется под флюсом полуавтоматами писто­летного типа, однако ввиду очень большого количества шипов (более 1 млн. на один котел П-50) такую операцию целесооб­разно автоматизировать полностью. Использование специализи­рованных установок типа ЦШ-1 с автоматической подачей шипов из, бункера позволяет с помощью контактной сварки привари­вать их до 2000 шт. в час.

638

Соединения труб с труоными досками являются основными узлами большинства теплообменников. Соединения // и /// (рис 20-89) просты в подготовке, по сложны для сварки из-за большого различия толщин Сопрягаемых элементов. Соедине­ние / воспроизводит соединение с отбортовой и хотя оказывает­ся сложнее в подготовке, но зато более удобно для сварки. Этот

Рис. 20-88. Экранная труба с шипами

тип соединения применяют при выполнении трубных решеток из материалов с ограниченной свариваемостью.

Для увеличения теплоотдачи или для других целей часто приваривают-к трубам продольные или спиральные ребра. При выполнении таких операций целесообразно использовать кон­тактную сварку токами высокой частоты, как показано на рис. 20-90.

Рис. 20-89. Типы Рис. 20-90. 'Приварка ребер к трубам

соединений труб с помощью контактной сварки тока-

с трубными дожа- ми ВЧ:

/ — труба: 2 — ребро; 3 — гокоподволяище кон­такты; 4 — путь тока; S — прижимной ролик

639