2.4 Процес напівавтоматичного зварювання трубопроводів за процесом stt

Абревіатура STT розшифровується як «SurfauTensionTransfer» - механізм перенесення краплі силою поверхневого натягу зварювання в середовищі захисних газів, що базуються на методі перенесення короткими замиканнями. Процес STT заснований на можливості безпосереднього керування умовами перенесення наплавлюваного металу у зварювальну ванну. Ця можливість забезпечується швидкодіючою інвентарною схемою джерела живлення, спеціальним електронним мікропроцесорним модулем, який примусово задає необхідний рівень зварювального струму та контуром зворотного зв’язку, що динамічно відслідковує зміну напруги на дузі [6].В процесі зварювання, керованого джерелом живлення, величина сили струму залежить від стану газового проміжку. Час реакції системи на зміни, що відбуваються у зварювальній ванні, складає одиниці мікросекундиПараметри дуги оптимізуються протягом всього процесу утворення та моменту перенесення кожної краплі розплавленого металу з електрода у зварювальну ванну. Схема керування струмом дуги дозволяє усунути недоліки, властиві звичайному зварюванню, що проходить в режимі короткого замикання – жорсткої дуги та значного розбризкування. Пінчефект додатково допомагає краплі відділитись, але не є основним механізмом переносу як це спостерігається при звичайному зварюванні короткими замиканнями. Зварені шви піддавались 100% неруйнівному контролю за допомогою ультразвуку та 20% дублюючому контролю рентгенографією.Проводились так само механічні дослідження.За оцінкою діагностичної лабораторії інституту ім. Патона якість виконаних робіт відповідає всім світовим стандартам.

В даний час широко застосовується процес зварювання методом STT, для зварювання кореневих швів трубопроводів будь-якої товщини та всіх шарів шва трубопроводів [5]. Даний технологічний варіант передбачає зварювання кореневого шару шва напівавтоматичним зварюванням в середовищі вуглекислого газу методом STT і всіх наступних шарів дротом типу Іннершілд.

Абревіатура STT розшифровується як «SurfauTensionTransfer» - механізм перенесення краплі силою поверхневого натягу зварювання в середовищі захисних газів, що базуються на методі перенесення короткими замиканнями. Процес STT заснований на можливості безпосереднього керування умовами перенесення наплавлюваного металу у зварювальну ванну. Ця можливість забезпечується швидкодіючою інвентарною схемою джерела живлення, спеціальним електронним мікропроцесорним модулем, який примусово задає необхідний рівень зварювального струму та контуром зворотного зв’язку, що динамічно відслідковує зміну напруги на дузі [6].В процесі зварювання, керованого джерелом живлення, величина сили струму залежить від стану газового проміжку. Час реакції системи на зміни, що відбуваються у зварювальній ванні, складає одиниці мікросекунди

2.3Комбінований технологічний варіант зварювання технологічних тубороводів

Даний технологічний варіант передбачає зварювання кореневого шару шва напівавтоматичним зварюванням в середовищі вуглекислого газу методом STT і всіх наступних шарів дротом типу Іннершілд.

Зварювання кореневих швів труб традиційно є найбільш складним етапом при спорудженні трубопроводів. Цей етап висуває певні вимоги до самого процесу зварювання. Використовуючи зварювання за допомогою процесу STT, з його можливістю керувати механізмом перенесення і відмінним контролем за формуванням зварювальної ванни, вдається значно полегшити виконання кореневого шва. Крім того, процес STT забезпечує мінімальний вміст дифузійного водню в металі шва і розбризкування металу, що істотно розширює діапазон зварюваних сталей і знижує ймовірність водневого розтріскування.

Процес може бути використаний як для лінійної частини трубопроводу, так і для виконання спеціальних зварювальних робіт: захльостів і різних різнотовщинних трубних з'єднань. Для реалізації процесу зварювання STT були використані спеціальне джерело живлення (зварювальний джерело) - Invertec STT II в комбінації з механізм подачі дроту LF-37.

Таблиця 3.1 – Технічна характеристика джерела живлення Invertec STT II

Назва параметра	Значення
Номінальний зварювальний струм при ПВ 60%, А	225
Напруга на дузі, В	29
Мережа живлення при 50 Гц, В	220 / 380
Діапазон регулювання пікового струму, А	0 - 450
Діапазон регулювання базового струму, А	0 -125
Вага, кг	53

Для реалізації процесу зварювання STT були використані спеціальне джерело живлення (зварювальний джерело) - Invertec STT II в комбінації з механізм подачі дроту LF-37.

Invertec STT II - спеціалізоване інверторне джерело живлення з можливістю регулювання величини і форми зварювального струму в процесі перенесення розплавленої краплі.

LF-37 - мобільний механізм подачі, призначений для напівавтоматичного зварювання. Діапазон використовуваних діаметрів дроту суцільного перерізу: 0,6 - 1,6 м / хв при швидкостях 1,25 - 19,5 м / хв. Вага механізму - 15 кг.

Для зварювання кореневого шару стиків труб зі сталі класу Х65 ми вибрали дріт суцільного перетину діаметром 1,14 мм (0,045 "). Дріт вагою 13,6 кг поставляється в касетах з рядною намотуванням. В якості захисного газу застосовували вуглекислий газ. Режими зварювання STT не є настільки критичними, як це спостерігається при звичайному зварюванні в середовищі захисних газів, і знаходяться в широкому діапазоні. Якщо при звичайному зварюванні труби, заданої марки сталі й типорозміру, для отримання якісного з'єднання використовуються конкретні значення сили струму, напруги дуги та швидкості подачі зварювального дроту, то процес STT має різні варіанти режимів для цих цілей. При зварюванні апаратом Invertec STT II використовується дріт більшого діаметру в порівнянні з тим, який застосовується при аналогічних роботах з джерелом, що має жорстку характеристику.

При зварювання труб процесом STT використовувалась стандартна обробка кромок у відповідності зі стандартом API. Однак, часто при використанні даної технології встановлюється збільшений зазор, складає 2,0 ÷ 2,5 мм. Процес менш чутливий до поганого збірці, ніж звичайні методи зварювання. Виліт електрода складав 9,5 ÷ 15,9 мм. Звичайною помилкою при зварюванні є надто великою виліт. Для кращого контролю за вильотом електрода необхідно, щоб контактний наконечник виступав від торця сопла зварювального пальника на відстані 6,4 мм.

Рисунок3.1 – Джерело живлення Invertec STT II

Звичайною помилкою при зварюванні є надто великою виліт. Для кращого контролю за вильотом електрода необхідно, щоб контактний наконечник виступав від торця сопла зварювального пальника на відстані 6,4 мм.

Напівавтоматичне зварювання STT кореневого шва неповоротних стиків труб ведеться на спуск. Процес починається у верхній частині труби в положенні 12-ти годин. Порушення дуги проводиться на одній з кромок. Потім дуга переноситься на протилежну крайку, формуючи при цьому зварювальну ванну. На цій ділянці труби зварювання здійснюється з дугоподібними коливаннями невеликої амплітуди. Дугу слід розташовувати всередині зварювальної ванни в першій 1/4 або 1/3 від її переднього фронту. Не варто розташовувати дугу на передній кромці зварювальної ванни. У позиціях від 12-ти до 1-ої години зварювання проводиться кутом назад. При цьому кут нахилу електрода складає 45 градусів. Здійснюючи дугоподібні коливання, не потрібно затримуватися на кромках труби. Прямолінійні коливання з кромки на кромку призводять до збільшення проплавлення.

З позиції 1-го години амплітуду коливань можна зменшити і потім зовсім припинити їх, продовжуючи рухатися уздовж стику і розташовуючи дугу всередині зварювальній ванні в першій третині від її переднього фронту. Кут нахилу електрода на цій ділянці зменшують на 10 градусів.

У позиції 4:30-5:00 коливання можна відновити і збільшити кут нахилу електрода. Це залежить від зазору і притуплення зварюваних кромок. При припиненні зварювання завершуйте дугу на одній з кромок. За зовнішнім виглядом наплавленого валика можна судити про необхідність коригування зварювальних параметрів. Існують різні комбінації величин пікового і базового струму, які дозволять отримати вам необхідну форму кореневого шва. Збільшення розбризкування спостерігається при дуже низькому значенні пікового струму.

Тримаючи дугу в передній частині зварювальної ванни, з позиції 1-ої години до 5-ти зварювання проводять без коливань. При необхідності з 5-ти до 6-ти годин коливання поновлюються. У позиціях з 5-ти - 6-ти годин зварювальний пальник розташовується перпендикулярно поверхні. У позиції 6-ти годин, припиняючи процес зварювання, виводять дугу на одну з крайок і обривають її. Не потрібно зупиняти процес зварювання на самому шві, томущо це може призвести до утворення поверхневої пористості.

При виконанні прихватки збудження дуги проводиться на одній з кромок. Потім дуга переноситься на протилежну крайку, формуючи при цьому зварювальну ванну. Прихватка виконуються необхідної довжини. Переривання дуги має обов'язково проводитися на одній з кромок, а не в зазорі.

Початок і закінчення кожної прихватки необхідно зашліфувати, щоб забезпечити плавний перехід від кореневого шва до прихватки. Процес STT не дозволяє повністю проплавити прихватку.

Для з’єднання заповнюючих і облицювального шарів шва неповоротних стиків труб використовували напівавтоматичне зварювання самозахисним порошковим дротом типу Innershield (Іннершілд) методом "на спуск".

Технологічні режими зварювання трубопроводу діаметром 1420 мм з сталі класу Х65 представлені в табл.3.2: В комплект обладнання входили:

універсальний тиристорний трансформатор-випрямляч IdealarcDC-400, вихідна

Таблиця 3.2 – Технологічні режими зварювання трубопроводу

Назва параметра	Значення
Діаметр зварювального дроту, мм	1,14
Тип зварювального дроту	L-56
Захисний газ	100% CO2
Витрата газу, л / хв	12
Швидкість подачі, дюймів / хв	140
Піковий струм, А	350
Базовий струм, А	50
Величина TAIOUT	0
Зазор, мм	2,4
Притуплення, мм	1,6

В комплект обладнання входили:

універсальний тиристорний трансформатор-випрямляч IdealarcDC-400, вихідна характеристика: 400 А /36 В / ПВ100%, мережа живлення: 380 В / 3 фази / 50/60 Гц, вагою 215 кг;

• автономний універсальний зварювальний агрегат Commander 500,вихідна характеристика: 500 А / 40 В / ПВ100%, трьох циліндровий дизельний двигун фірми "Deutz";

• мобільний механізм подачі самозахисного порошкового дроту LN-23P, вагою 16 кг.Починати зварювання слід завжди при вильоті дроту 12 - 15 мм (рис. 3.2). При цьому зріз дроту злегка стикається з трубою або трохи піднятий над її поверхнею. Після запалювання дуги виліт електрода (дроту) повинен бути збільшений до 20 мм. У стельовому положенні збільшували виліт електрода до 25 - 30 мм. Зменшення вильоту дроту менше рекомендованої величини призводить до появи пористості, а збільшення - до недостатнього розігріву кінця дроту, внаслідок чого процес зварювання стає нестабільним.

Перед виконанням першого шару порошкової дротом необхідно ретельно (до чистого металу) попередньо зварений за допомогою процесу STT кореневий шар.

Процес зварювання порошковим дротом у всіх випадках виконується на постійному струмі прямої полярності, напрям зварювання - "на спуск". Для сталі класу міцності Х65 використовували порошковий дріт InnershieldNR-207 діаметром 1,73 мм (0,068 "). Технологічні параметри зварювання приймали наступні:

швидкість подачі порошкового дроту

– 80 дюйм/ хвилину;

• напруга дуги складала – 17 В;

• зварювальний струм – 195 А;

• коефіцієнт наплавлення – 1,3 кг/год.

Рисунок 3.2 – Визначення довжини вильоту електрода

• Починати зварювання слід завжди при вильоті дроту 12 - 15 мм (рис. 3.2). При цьому зріз дроту злегка стикається з трубою або трохи піднятий над її поверхнею. Після запалювання дуги виліт електрода (дроту) повинен бути збільшений до 20 мм. У стельовому положенні збільшували виліт електрода до 25 - 30 мм. Зменшення вильоту дроту менше рекомендованої величини призводить до появи пористості, а збільшення - до недостатнього розігріву кінця дроту, внаслідок чого процес зварювання стає нестабільним.

Перед виконанням першого шару порошкової дротом необхідно ретельно (до чистого металу) попередньо зварений за допомогою процесу STT кореневий шар.

Процес зварювання порошковим дротом у всіх випадках виконується на постійному струмі прямої полярності, напрям зварювання - "на спуск". Для сталі класу міцності Х65 використовували порошковий дріт InnershieldNR-207 діаметром 1,73 мм (0,068 "). Технологічні параметри зварювання приймали наступні:

швидкість подачі порошкового дроту

Кут нахилу електрода постійно змінюється в процесі зварювання (рис. 3.3):

• в точці початку зварювання (000) кут повинен становити 20 - 30 градусів;

• при русі від 000 до 300 кут поступово збільшується до 45 - 50 градусів;

• від 300 до 500 кут поступово доводиться до 0 градусів (перпендикулярно тілу труби);

• від 500 до 600 кут доводять до 10-15 градусів "кутом вперед".

Рисунок 3.3 – Зміна кута нахилу дроту при русі вздовж периметру труби

При зміні кута нахилу в деякій мірі можна контролювати ступінь проплавлення. При зменшенні кута ступінь проплавлення збільшується, при збільшенні кута - зменшується.

У разі зварювання труб з товщиною стінок до 12 мм використовують традиційний для ручного дугового зварювання порядок заповнення оброблення, при якому кожен шар шва виконується за один прохід. Рекомендовано техніка - прямий рух без поперечних коливань або з невеликими поперечними коливаннями.

У нашому випадку використовувався наступний порядок заповнення оброблення:

• два перших заповнюють шару виконували за принципом "шар за один прохід";

• при зварюванні всіх наступних шарів для забезпечення збалансованого заповнення оброблення застосовували техніку накладення перекривання валиків. При цьому формування шару відбувалося за два проходи. Можна застосовувати невеликі поперечні коливання для забезпечення більш плавного переходу шва до основного металу;

• облицювальний шар виконували за два проходи.

Рисунок 3.4 – Схема заповнення розроблення розділки кромок труб з стандартним 30-градуснимм скосом кромок

Зварені шви піддавались 100% неруйнівному контролю за допомогою ультразвуку та 20% дублюючому контролю рентгенографією.Проводились так само механічні дослідження.За оцінкою діагностичної лабораторії інституту ім. Патона якість виконаних робіт відповідає всім світовим стандартам.

4. Трубозварювальні бази.

При спорудженні трубопровідних систем набула поширення технологічна схема, за якої на трубозварювальних базах виготовляли секції з двох або трьох труб, після чого їх транспортували на трасу і з’єднували в нитку ручним дуговим, контактним зварюванням або за допомогою установок “ Стик” . Зварювання секцій на трубозварювальних базах, розміщених в безпосередній близькості до будівництва, дозволяє прискорити виконання монтажних робіт, особливо в умовах холодного клімату, та знизити витрати на виконання робіт безпосередньо на трасі [7].

Спеціалістами компанії Lincoln Electric розроблена та запущена у виробництво трубозварювальна база, що дозволить скористатися перевагами напівавтоматичного зварювання за процесами STT та автоматичного зварювання під шаром флюсу [8].

Сформований за допомогою процесів STT тонкий корінь шва гарантовано переплавляється під час зварювання під флюсом, чого не завжди вдається досягнути при використанні гарячого проходу ручними електродами або напівавтоматом.

Перевагами такої технології є те, що вона поєднує простоту установок ПАУ з якістю систем БТС, та, маючи при цьому більшу продуктивність, дозволяє надалі вдосконалювати організацію виробництва при зварюванні плітей труб. Використання такої трубозварювальної бази передбачає велику продуктивність та якість зварювальних робіт.

Останнім часом, коли газопроводи почали будувати із труб довжиною 18м із заводським ізоляційним покриттям, відбулися структурні зміни в організації та методах зварювальних робіт. Практично відмовились від трубозварювальних баз для виробництва дво- або тритрубних секцій та перейшли до зварювання одиничних труб безпосередньо на трасі.

Таким чином, зварювальні роботи перенесені на трасу і зводяться переважно до з’єднання одиничних труб в нитку та виконанні спеціальних операцій. Це дає змогу значно спростити транспортну схему доставки труб до місця монтажу, повністю відмовитись від завантажувально-розвантажувальних робіт, пов’язаних з функціонуванням трубозварювальних баз, суттєво скоротити пошкодження ізоляційного покриття труб, що, без сумніву призведе до скорочення загальних витрат на виробництво будівельно-монтажних робіт.

Система автоматичного зварювання «CRS-Evans», що використовується в такій технологічній схемі, призначена для двостороннього зварювання стиків труб діаметром від 680 до 1420 мм. В даній системі реалізований процес зварювання тонким електродним дротом суцільного перерізу в середовищі захисних газів [9].

Відомо, що якість підготовки кромок труб є одним з найважливіших факторів отримання надійного зварного з’єднання. В більшості систем «CRS-Evans» ця технологічна операція виконується шляхом переточування кромок труб під вузьку розробку з допомогою оригінальних установок. Спеціальна розробка кромок дає змогу різко підвищити якість зварювання і повторюваність результатів, збільшити продуктивність і зменшити об’єм металу, що наплавляється.

На другому етапі здійснюється зварювання кореня шва за однією із технологій:

• зсередини - за допомогою внутрішньої зварювальної станції;

• ззовні - із використанням внутрішнього центратора з вмонтованим мідним підкладним кільцем;

• ззовні - із використанням стандартного внутрішнього центратора за технологією STT.

На завершальному етапі процесу зовнішніми зварювальними головками виконується гарячий прохід, та заповнюючі і облицювальний проходи. Такі головки встановлюються ззовні на направляючому поясі, що охоплює трубу. При застосуванні процесу STT для зварювання кореня шва не потребує виконання гарячого проходу, а також дозволяє уникнути переточування заводської кромки на трасі та зварювати труби з фіксованим зазором до 4мм.

Теплофізичні властивості дуги та зварювальної ванни, характерні для процесу перенесення металу під дією сил поверхневого натягу, дозволяють вести процес зварювання та отримувати зворотний валик потрібних розмірів у всіх просторових положеннях.

Конструкція та склад обладнання комплексу «CRS-Evans» забезпечують підвищення продуктивності зварювання шляхом зменшення товщини шару наплавленого металу при використанні спеціальної вузької розділки та складання без зазору кромок у поєднанні з підвищеним коефіцієнтом наплавлення при зварюванні тонким електродним дротом. Використання швидкодіючого пневматичного центратора скорочує час складання стику, оскільки не потрібно встановлювати зазор. Багатоголовкові зварювальні автомати дозволяють скоротити час зварювання, чим забезпечується високий темп виконання робіт на трасі магістрального трубопроводу.

Такі особливості конструкції дозволили використовувати автоматичний зварювальний комплекс «CRS-Evans» при спорудженні більш як 45 000 км трубопроводів по всьому світу. Діаметр труб коливався від 400 до 1 520 мм з товщиною стінки до 50 мм і більше. Система апробована в екстремальних погодних умов: за температур до -40°С на Алясці, в Канаді та Росії, у субтропічному кліматі Мексики та Венесуели, в пустелях Техасу, Ірану та Саудівської Аравії.