Мустафин Ф.М. - Сварка трубопроводов

не позволяет ей убежать, и она постоянно находится под контро­ лем сварщика.

Высокий расход газа может значительно охладить сварочную ванну. Обычно он составляет 12 л/мин. Расход газа увеличивают в том случае, если сварку производят в полевых условиях при вет­ ровых нагрузках или когда контактный наконечник выступает от торца сопла на расстоянии более 6,4 мм.

Рекомендуемые режимы сварки корневого шва на спуск пред­ ставлены в табл. 3.30. Рекомендуется использовать проволоку типа L-56 диаметром 0,045" (1,2 мм) и защитный газ — С 0 2 .

Таблица 3.30

Рекомендуемые режимы сварки корневого шва на спуск

При использовании в качестве защитного газа смесей аргона необходимо уменьшить пиковый ток и увеличить базовый.

В качестве защитного газа при сварке углеродистых сталей ис­ пользуется 100 % С 0 2 . Могут быть использованы также различные смеси аргона. Однако большое содержание аргона в этих смесях приводит к струйному переносу.

Сварку нержавеющих сталей ведут в среде :

1.90% Не — 7,5 %Аг — 2,5%С0 2 ;

2.55 % Не — 42,5 % Аг — 2,5 % С 0 2 ;

3.98 % Аг — 2 % 0 2 или 96 % Аг — 4 % С 0 2 .

Если применяются смеси аргона, то сила пикового тока значи­ тельно ниже, чем при использовании чистого С 0 2 .

В основном сварка корневых швов процессом STT ведется на спуск. Кроме этого, возможна сварка на подъем. При этом про­ цесс проходит на низких скоростях подачи и характеризуется невысокой производительностью.

Заполняющие и облицовочные слои могут быть также выпол-

165

нены с помощью STT. Однако низкие скорости наплавки замедля­ ют процесс сварки.

Технология сварки неповоротных стыков трубопроводов мо­ жет иметь различные варианты. Один из них: корневой шов — полуавтоматическая сварка STT; заполняющие и облицовочные швы — полуавтоматическая сварка порошковой самозащитной проволокой Innershield NR-207.

Все перечисленные режимы сварки носят рекомендательный характер. В реальных условиях с учетом индивидуальных особен­ ностей сварной конструкции они могут быть другими. Если фор­ ма, размеры и качество выполненного шва удовлетворяют уста­ новленным требованиям и высока производительность процесса, значит, режим выбран правильно.

Рекомендуемые режимы сварки труб из углеродистой стали с толщиной стенки трубы 3/8" (9,5 мм) с использованием проволо­ ки типа L-56 диаметром 0,045" (1,1 мм), защитного газа — 100 % С 0 2 с расходом 12 л/мин представлены в табл. 3.31.

вочпый;

сварка на подъем

166

Рекомендуемые режимы сварки для труб из нержавеющей стали с толщиной стенки трубы 3/8" (9,5 мм) с использованием нержавеющей проволоки диаметром 0,045" (1,1 мм), защитного газа — 98 % Аг + 2 % 0 2 с расходом газа 12 л/мин следующие:

Рекомендуемые режимы сварки для труб из нержавеющей стали с толщиной стенки трубы — 1/8" (3,2 мм), с использованием нержавеющей проволоки диаметром 0,035" (0,9 мм), защитного газа — 90 % Не + 7,5 % Аг + 7,5 С 0 2 (98 % Аг + 2 % 02 — с более хо­ лодной сварочной ванной) и расходом газа — 12 л/мин:

Сварка STT порошковой проволокой. Как уже было отмече­ но, процесс STT является одной из разновидностей сварки в за­ щитных газах в режиме коротких замыканий. Если при сварке по­ рошковой проволокой происходит струйный перенос металла, то это не означает, что источник STT нельзя использовать для этих целей. На самом деле сварка может быть осуществлена, но это уже

167

будет не процесс STT. При этом наблюдается значительное сниже­ ние вариаций сварочных параметром для получения шва требуе­ мой формы, размеров и качества.

Сварка оцинкованных труб. Трубы с толстым цинковым по­ крытием (например, гальванизированные) гораздо лучше свари­ вать с помощью STT, чем обычной сваркой в среде защитных газов. Это возможно благодаря тому, что в процессе STT дуга концентрируется в довольно узкой зоне и сварочная ванна, имею­ щая небольшие размеры, не выходит вперед дуги. При обычном процессе ванна расплавленного металла забегает вперед дуги и захватывает часть оцинкованной поверхности. Цинк начинает испаряться со дна сварочной ванны и выходить на ее поверхность. Если ванна затвердеет перед тем, как все пузырьки цинка выйдут наружу (это исключается при сварке на очень низких скоростях), то это приведет к образованию пор. Иногда поры видны на внешней поверхности шва (вырывы), но обычно (особенно на угловых швах таврового соединения) их трудно обнаружить ви­ зуально.

В процессе сварки STT ванна, меньшая по размеру, локализо­ вана вокруг дуги и при этом происходит прожигание цинкового слоя с помощью дуги вместо его расплавления сварочной ванной. Объем расплавленной стали в сварочной ванне — небольшой.

Влияние входного напряжения на сварочные параметры процесса STT. Время реакции источника, или, другими словами, время, требуемое для изменения сварочного тока с одного значе­ ния на другое, для Invertec STT II измеряется в микросекундах. Это во много раз меньше времени реакции обычных сварочных источ­ ников питания трансформаторного типа с тиристорным управле­ нием.

На передней панели источника представлена упрощенная форма сварочного тока. Передний и задний фронт пикового импульса представлены в виде прямых. На самом же деле они име­ ют некоторую кривизну, величина которой зависит от времени реакции источника.

Время реакции (или dICB/dt) является функцией входного на­ пряжения. При уменьшении входного напряжения оно увеличива­ ется. В связи с этим, если входное напряжение ниже 460 В, то не­ обходимо поднять пиковый ток 1П, чтобы компенсировать влияние низкого напряжения сети питания. Повышение 1П приводит к уве-

168

личению скорости возрастания сварочного тока /св. При этом фор­ ма пикового импульса становится более острой, чтобы компенси­ ровать его пологую форму при низком входном напряжении.

/св

I

Прямая In

"VЛ—1"

Рис. 3.52. Влияние входного напряжения на сварочные параметры про­ цесса STT

Кроме этого, увеличение пикового тока приводит к повыше­ нию тепловложений в изделие, чтобы возместить то тепло, кото­ рое теряется при пологой форме пикового импульса. Длитель­ ность пикового импульса следует измерять от момента, при кото­ ром сварочный ток начинает увеличиваться, а не тогда, когда он достигает пикового значения.

График, представленный на рис. 3.53, показывает, насколько следует увеличить пиковый ток при уменьшении входного напря­ жения.

Д/„, %

Рис. 3.53. Зависимость увеличения значения пикового тока от уменьше­ ния входного напряжения

169

3.6. АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА ТРУБ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ КОМПЛЕКСОМ CRC-Evans AW

3.6.1. Технология автоматической сварки труб комплексом CRC-Evans AW

Область применения. Система автоматической сварки "CRC-Evans AW" предназначена для двусторонней сварки неповоротных стыков труб диаметром 630— 1420 мм. В ней реали­ зован процесс сварки тонкой электродной проволокой сплошного сечения в среде защитных газов. Конструкция и состав оборудова­ ния обеспечивают комплексное решение автоматизации сварки неповоротных стыков линейной части магистральных нефтепро­ водов, основанное на следующих технологических подходах [8, 16]:

повышение производительности сварки за счет уменьшения объема наплавленного металла при использовании специальной узкой разделки и сборки без зазора кромок в сочетании с повы­ шенным коэффициентом наплавки при сварке тонкой электрод­ ной проволокой;

использование быстродействующего пневматического цент­ ратора и сокращение времени сборки стыка, так как нет необхо­ димости устанавливать зазор;

сокращение времени сварки корня шва за счет применения многоголовочного сварочного автомата;

обеспечение высокого темпа производства работ на трассе ма­ гистрального трубопровода за счет высокой скорости сварки и со­ вмещения сварки корневого шва и "горячего" прохода;

компенсация неточностей сборки, обеспечение гарантируе­ мого качества корневого слоя и всего шва в целом за счет приме­ нения процесса двусторонней сварки.

В 1968 г. фирмой CRC-Evans была впервые разработана систе­ ма для автоматической сварки трубопроводов, которая имеет ряд значительных преимуществ по сравнению с ручной дуговой сваркой:

высокий коэффициент наплавки; снижение объема наплавляемого металла;

качественные и стабильные показатели по механическим

170

свойствам и неразрушающему контролю; уменьшение зависимости качества сварки от ошибок опера­

тора; снижение физической нагрузки на сварщика/оператора;

возможность быстрого обучения операторов; снижение объемов используемого оборудования и рабочей

силы для сварки труб большого диаметра с большой толщиной стенки.

Эти преимущества привели к использованию автоматическо­ го сварочного оборудования CRC-Evans при сооружении более 45 000 километров трубопроводов по всему миру. Диаметр труб варьировался от 400 до 1520 мм с толщиной стенки до и более 50 мм. Система была апробирована в экстремальных природных условиях: при температурах до — 40 °С на Аляске, в Канаде и Рос­ сии; в субтропическом климате Мексики и Венесуэлы; в пустынях Техаса, Ирана и Саудовской Аравии; при оффшорном строитель­ стве в Мексиканском заливе, Северном море и Индийском океане.

Система автоматической сварки CRC-Evans является специ­ ально разработанной системой для двусторонней сварки непово­ ротных стыков труб при сооружении линейной части магистраль­ ных трубопроводов в среде защитного газа проволокой малого ди­ аметра.

Трубы должны быть изготовлены в соответствии с требовани­ ями API, стандарт 5L. Согласно стандарту API требуется, чтобы кромки трубы имели фаску в 30 ° и 1,6-мм зазор со стороны корня шва (рис. 3.54). Подобная конфигурация разделки имеет ряд недо­ статков в случае использования автоматической сварки.

Во-первых, если труба не имеет идеально круглой формы, режущий инструмент вызывает вариации по толщине притупле­ ния кромки со стороны корня шва.

Во-вторых, внутренний центратор, используемый в большин­ стве случаев при сварке трубопроводов, может выровнять кромки трубы по окружности, исказив при этом исходную плоскую по­ верхность среза разделки. Эти два фактора, как правило, не вызы­ вают каких-либо особых сложностей при ручной сварке, однако они могут привести к серьезным проблемам при применении автоматической сварки в защитном газе.

Третьим недостатком API-разделки является просто ее неэко­ номичность по причине большого объема металла шва, необходи-

171

Рис. 3.54. Подготовка кромок для сварки с использованием системы CRC-Evans в сравнении со стандартной заводской разделкой

мого для ее заполнения. Даже при использовании ручной дуговой сварки для труб с большой толщиной стенки зачастую применяют модифицированную разделку с целью уменьшения объема на­ плавляемого металла.

Недостатки стандартной разделки API устраняются при авто­ матической системе сварки. CRC-Evans добивается этого путем использования новой комбинированной конфигурации разделки, которая производится машинной обработкой торцов труб. При этом гарантируется абсолютная перпендикулярность кромки по отношению к оси трубы. Торцы трубы выравниваются по окруж­ ности идентично тому, как они будут выглядеть при использова-

172

нии центратора. Таким образом, достигается практически идеаль­ ная сборка стыка для сварки. Подобная новая конфигурация раз­ делки требует значительно меньшего количества металла шва для ее заполнения. Эффект экономии сварочного материала увеличи­ вается с ростом толщины стенки трубы.

Сварку производят в режиме короткого замыкания. Другими признаками системы являются отсутствие зазора при сборке сты­ ка и сварка корня шва с внутренней стороны трубы. Совокупность этих факторов повышает скорость и качество сварки следующим образом:

отсутствие зазора при сварке уменьшает количество необхо­ димого металла шва, сокращает время на сборку стыка и практи­ чески исключает прожог при сварке;

сварка корня изнутри существенно уменьшает влияние неточ­ ностей при сборке стыка и, как следствие, предотвращает внут­ ренний подрез. Это также позволяет выполнять сварку "горячего" прохода практически одновременно со сваркой корня, что увели­ чивает скорость сварки и обеспечивает формирование прочного соединения при удалении внутреннего центратора.

3.6.2. Оборудование сварочного комплекса CRC-Evans AW

Комплекс "CRC-Evans AW" состоит из следую­ щих основных единиц оборудования:

станков для обработки кромок труб под специальную разделку; внутренней кольцевой пропановой горелки для предваритель­

ного подогрева концов труб; установки внутренней сварки (для сварки изнутри трубы),

представляющей собой самоходный внутренний центратор с мно­ гоголовочным сварочным автоматом, встроенным между рядами жимков;

агрегата энергообеспечения установки внутренней сварки; автоматов наружной сварки с направляющими поясами; агрегатов энергообеспечения постов наружной сварки с за­

щитными палатками; передвижной мастерской для наладки и ремонта оборудова­

ния и хранения запасных частей;

173

вспомогательного оборудования.

Станок для обработки кромок трубы (pipe facing machine — PFM) (рис. 3.55, 3.56) используют для изготовления комбинирован­ ной фаски трубы с постоянной и высокой точностью. Станок со­ стоит из двух основных частей: зажимной секции и секции механической обработки. Зажимная секция включает в себя два набора башмаков с гидравлическим приводом, которые связаны таким образом, что могут раздвигаться одновременно и равномер­ но. Башмаки обеспечивают фиксацию станка по отношению к трубе. Башмаки также выравнивают концы трубы по окружно­ сти и гарантируют идеальную перпендикулярность станка по от­ ношению к оси трубы.

Секция механической обработки PFM состоит из вращаю­ щейся наружной платформы и гидравлического мотора, связанно­ го с гидравлической системой. Радиальные консоли, на которых закреплены режущие головки, смонтированы на наружной плат­ форме и позволяют путем использования до 6-ти карбидных рез­ цов обрабатывать практически любую конфигурацию фаски. На­ ружная платформа вращается и подается внутрь трубы с помощью гидравлического мотора. Энергия для PFM поступает от дизельно­ го или электрического двигателя, который приводит в движение гидравлический узел питания.

Обычно используют две PFM. Каждая машина подвешена на трубоукладчике и имеет свой собственный гидравлический блок питания. Операция по обработке фаски занимает, как правило, 2 — 5 мим в зависимости от толщины стенки и квалификации оператора. Обслуживающий персонал состоит из PFM-оператора и машиниста трубоукладчика. Подсобный рабочий необходим при обработке кромок труб большого диаметра.

Операция по обработке кромки начинается тогда, когда за­ жимная секция PFM вставляется внутрь трубы до тех пор, пока кромка трубы не коснется конических ведущих роликов на ради­ альных консолях. Оба набора башмаков затем раздвигаются для фиксации машины в трубе. Наружная платформа начинает вра­ щаться и быстро продвигается в сторону торца трубы до тех пор, пока режущие головки не дойдут на расстояние примерно 6 мм от торца. Затем производится подача в режущем режиме до окон­ чания обработки новой фаски. Вращение наружной платформы прекращается, и она подается в обратном направлении до осво-

174