Контактно стыковая сварка оплавлением для сухопутных трубопроводов

Комплекс оборудования КСС-01 сухопутный для сварки труб диаметром 1220 мм из сталей класса прочности Х52-Х80

 1. Состояние вопроса.

При строительстве трубопроводов производительность строительно-монтажных работ определяется темпом технологических операций на каждом посту. Основной и наиболее сложной операцией является сварка. В настоящее время, применяются различные способы электродуговой сварки плавлением. При таком методе сварки требуемую производительность достигают за счёт расчленения операции сварки всего шва (полное сечение) на сварку корневого шва и сварку заполняющих слоев. Такой подход требует установки нескольких сварочных постов, на которых выполняется корневой шов, а затем заполняющие швы. Количество постов зависит от диаметра и толщины стенки свариваемых труб. В настоящее время в сварочной линии для сварки труб Ø1220х16мм применяются 4 сварочных поста сварочной системы «CRC-Evans». Эти системы обслуживают 32 чел. В связи с этим, электродуговые способы сварки труб требуют значительной длины сварочной колонны. Помимо этого недостатком данной технологии является зависимость качества сварного соединения от погодных условий, квалификации операторов сварочных установок, качества расходуемых материалов и др. Кроме этого сварные стыки, выполненные электродуговыми методами сварки необходимо подвергать тщательному контролю неразрушающими методами по причине большой вероятности появления различных дефектов. Так, при обнаружении недопустимых дефектов в сварном соединении необходимо вырезать стык (участок трубопровода), останавливая всю сварочную колонну, или делать разрыв под захлест.

Таким образом, расширение технологических возможностей скорости сварки, возможно при замене многопостовой сварки на однопостовую. В таком случае необходимо иметь технологию сварки, при которой все сечение соединяемых труб сваривалось с большой скоростью на одном посту. Такую задачу можно выполнить, применив автоматическую контактную стыковую сварку оплавлением (далее КССО).

Впервые, по положительным результатам КССО труб Ø1420мм комплексами «Север-1» в 1970…1980 гг., большой интерес к этому методу проявили зарубежные компании «McDermott» (США) и «Rauma-Reppola» (Финляндия), которые по лицензиям Института электросварки им.Е.О.Патона изготовили сварочные комплексы для КССО труб диаметром 530…920мм применительно к трубоукладочным баржам. Однако, по ряду экономических и политических причин эти работы не были доведены до практического их применения.

Вопрос о применении КССО при укладке морских трубопроводов поднимался в 1983г. Приоритет КСС перед другими методами был установлен на расширенном совещании в организации «Прометей».

Вместе с тем, КССО широко применялся для сварки труб различного сортамента в наземных условиях. Создан целый ряд сварочных машин для сварки труб диаметром 57…1420мм. В настоящее время, безаварийно эксплуатируется газонефтепроводы сваренные КССО в различных климатических зонах, включая Заполярные районы России, пустыни Туркмении и Ирака, а также технологические трубопроводы (теплообменники тепловых и атомных электростанций как в России, так и США, Австралии и других странах). Только в России эксплуатируется свыше 70 тыс. км различных трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности, в том числе более 10 тыс. км трубопроводов Ø1420мм.

Цель настоящей работы: разработать (Т Э О) целесообразности применения технологии КССО неповоротных стыков труб Ø1220мм, с толщиной стенки до 16мм, из стали Х52-Х80, с внутренним гладкостным покрытием комплексом оборудования КСС-01 для сварки труб КССО обеспечивающего высокое и стабильное качество сварных соединений при высокой производительности сварочных работ.

2. Технология автоматической контактной стыковой сварка труб.

● процесс сварки выполняется на одном посту;

КССО обеспечивает высокий темп строительства трубопроводов за счёт малого времени сварки одного стыка на одном посту, которое составляет 60…200сек в зависимости от типоразмера свариваемых труб диаметром от 114 до 1420мм, с толщиной стенки до 30 мм. Накоплен большой промышленный опыт применение КССО при строительстве трубопроводов различного назначения в наземных условиях.

● весь процесс, от начала до конца, выполняется в автоматическом режиме по заданной программе, что исключает субъективное влияние сварщика на качество соединений;

● сварочное оборудование обладает стабильным воспроизводством технологических параметров процесса в соответствии с заданными программами;

● в сварных соединениях низкий уровень остаточных напряжений, что существенно повышает коррозионную стойкость такого соединения; механические свойства отвечают требованиям стандартов промышленно развитых стран (например, стандарту АР1-1104 США); статистические данные, полученные на предприятиях бывшего Миннефтегазстроя в период интенсивного строительства трубопроводов показывают, что при КССО труб процент брака составляет 0,3…0,5%.

● имеет эффективный метод оценки качества сварных соединений посредством компьютеризированной обработки фактических значений параметров режима сварки, созданного на базе реально существующей зависимости «режим сварки – качество соединения», которая обусловлена физическими особенностями процесса КССО; достоверность выявления возможных дефектов практически равна 100%; накоплен большой промышленный опыт оценки качества сварных соединений этим методом; оценка качества производится в процессе сварки каждого стыка; метод широко апробирован на практике при сварке труб и других ответственных изделий; результат контроля выдаётся сразу после окончания сварки; комплексные исследования и многолетняя практика показывает, что этот метод обеспечивает высокую эксплуатационную надёжность сварных соединений, в том числе без дополнительного неразрушающего метода контроля;

● все недопустимые дефекты: незакрывшиеся кратера и оксидные плёнки, которые могут появиться при грубом нарушении заданного режима, с высокой достоверностью выявляются компьютеризированной системой по отклонению параметров, а также известными методами неразрушающего контроля УЗК и рентгеном,

● сварка выполняется без присадочных материалов и защитных газов, отпадает необходимость в их доставке, хранении и подготовке к сварке;

● трубы всех категорий прочности свариваются при любой температуре окружающей среды без предварительного подогрева;

● погодные факторы не оказывают влияние на качество сварных соединений. Это подтверждено многолетней практикой при сварке магистральных трубопроводов диаметром 1420мм в суровых климатических условиях Крайнего Севера в Западной Сибири.

● повышается скорость укладки трубопроводов;

● снижаются материальные затраты на строительство трубопроводов.

Комплекс оборудования КСС-01 сухопутный предназначен для стыковой сварки труб из сталей класса прочности Х52-Х80 диаметром 1220 мм с толщиной стенки до 16 мм в нитку газонефтепровода на трубосварочной базе и в трассовых условиях непрерывным или пульсирующим оплавлением.

  Комплекс обеспечивает подготовку труб к сварке, получение сварного соединения в соответствии с требованиями нормативно – технической документации, съем грата непосредственно после сварки снаружи и внутри трубы с контролем качества срезки грата и удалением из трубы стружки, брызг оплавленного металла, а так же термическую обработку стыка.

 

3. Состав сварочного комплекса, основные технические требования к оборудованию.

В состав сварочного комплекса входят:

ВНУТРИТРУБНАЯ СВАРОЧНАЯ МАШИНА С ВНУТРЕННИМ ЦЕНТРАТОРОМ, НАРУЖНЫЙ ГРАТОСНИМАТЕЛЬ, ВНУТРЕННИЙ ГРАТОСНИМАТЕЛЬ, АГРЕГАТ ДЛЯ ЗАЧИСТКИ ТОРЦОВ ТРУБ, ИНДУКЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ.

  3.1. СВАРОЧНАЯ МАШИНА предназначена для КССО труб диаметром 1219 мм. с толщиной стенки до 16 мм. Сварка выполняется в автоматическом режиме по заданной программе. Машина внутритрубного исполнения, проходного типа. Концы труб должны иметь на внутренней поверхности участок свободный от изоляции и зачищенный до металлического блеска протяжённостью не менее 150мм от торцов труб. Для уменьшения теплового потока из зоны разогрева на торцах в глубь труб, с целью предохранения от выгорания внутреннего гладкостного покрытия, зажимы сварочной машины внутреннего центратора соединены с водоохлаждающей системой.

Электропитание – однофазное, от автономного генератора. Электрическая мощность 1000 кВт.

Машина снабжена компьютеризированной системой оценки качества сварных соединений по результатам контроля параметров режима сварки. При недопустимых отклонениях заданных значений отдельных параметров система контроля подаёт световой и звуковой сигнал, что позволяет уже на посту сварки выявлять стыки, в которых возможны недопустимые дефекты.

 3.2. НАРУЖНЫЙ ГРАТОСНИМАТЕЛЬ предназначен для удаления наружного грата (грат образуется с двух сторон, с внутренней и наружной, в процессе сварки в виде выдавленного нагретого металла и наплывов расплавленного металла). Гратосниматель представляет собой набор последовательно соединённых режущих инструментов, выполнен в виде разъемного пояса (возможно применение отдельного наружного гратоснимателя резцового типа).

  Гратосниматель размещается на отдельном посту (пост №2) после сварки привариваемой трубы на сварочной машине (пост №1).

3.3. ВНУТРЕННИЙ ГРАТОСНИМАТЕЛЬ. Установлен на внутреннем центраторе и предназначен для удаления грата с внутренней стороны сварного стыка труб после окончания сварки. Принцип работы – сразу после окончания сварки зажимы подвижной части машины разжимаются, и грат удаляется в горячем состоянии путём перемещения гратоснимателя усилием подвижной части сварочной машины. Перед удалением грата гратосниматель фиксируется с помощью внутреннего центратора.

Схема зажатия и работы гратоснимателя в трубе с гладкостным покрытием аналогична схеме работы кромкострогального агрегата «CRC-Evans», подготавливающего кромки труб под сварку сварочными головками «CRC», (зажимы и ролики перемещения гратоснимателя в трубе не повреждают гладкостного покрытия).

Режущие инструменты не увеличивают ширину участка в зоне стыка свободного от гладкостного покрытия.

Гратосниматель имеет лазерную систему контроля профиля стыка (видеокамеры), за качеством удаления грата и за состоянием внутренней поверхности трубы после её очистки от частиц грата и закристаллизовавшихся брызг.

Гратосниматель имеет приспособление для извлечения частиц удалённого грата из трубы.

3.4. ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ.

Нагреватель применяется для термообработки сварных соединений с целью выравнивания структурной и механической неоднородности в сварном соединении. При определении ударной вязкости в соответствии с действующей методикой Шарпи (один острый надрез по шву) показатели ударной вязкости соединений КССО достигают требуемых значений. Термообработка осуществляется за счет локального нагрева сварного стыка до температуры нормализации: Тн = Ас3 + (10…50)0С (Тн зависит от металла свариваемых труб). Ширина требуемой зоны нагрева сварного соединения до заданной температур – 10…15мм.

Индуктор разъемный клещевого типа, размещается на наружной поверхности. Индукционный нагреватель и технология термообработки обеспечивает получение требуемых свойств сварного соединения при максимальной ширине зоны нагрева, равной 100мм от центра стыка, с максимальной температурой в крайних точках не более 120…1500С.

Система охлаждения зоны нагрева необходима для восстановления прочностных свойств нагретых участков труб, металл которых получен методом контролируемой прокатки, и для ограничения распространения тепла вдоль образующей труб.

3.5. ЗАЧИСТНОЕ УСТРОЙСТВО. Предназначено для зачистки до металлического блеска контактных внутренних поверхностей труб под токоподводящие зажимы сварочной машины (располагается вне сварочной линии, на подающих рольгангах или на отдельном участке). Ширина оголенного участка, свободного от изоляции, перед сваркой должна быть не менее 150мм от торца труб.