 Механизация сварки трубопроводов
Статья предоставлена журналом «Svetsaren»
сборником статей концерна «ЭСАБ». Автор: Д. Дж. Виджери (D.J. Widgery)
ESAB Group LTD., Великобритания
В этой статье рассматриваются различные подходы к вопросу механизации сварки трубопроводов и их применение в различных частях мира.
Системы механизированной сварки трубопроводов применяются уже более 40 лет. Уже давно они широко используются также при строительстве трубопроводов на шельфах. Однако до последнего времени они мало применялись при строительстве наземных трубопроводов. В наши дни трудность найма и высокая зарплата квалифицированных сварщиков ручной и полуавтоматической сварки привела к быстрому росту механизированной сварки наземных трубопроводов. В этой статье рассматриваются различные подходы к вопросу механизации сварки трубопроводов и их применение в различных частях мира.
Ранние системы
Почти сразу после разработки процесса сварки в среде углекислого газа, для механизации сварки кольцевых стыковых швов трубопроводов горелки стали монтировать на передвижных тележках. Первый наземный трубопровод с применением механизированной полуавтоматической сварки в среде СО2 был проложен в США в 1961 году. К этому времени были разработаны пять механизированных систем для сварки в среде защитных газов плавящимся электродом.
В этом же году прошли первые полевые испытания.
Неизбежно начался дарвиновский процесс естественного отбора первых систем. Удивительно быстро стали выкристаллизовываться черты современных механизированных систем.
Развитие систем пошло по двум путям. В первом горелки укреплялись на тележках, смонтированных на ленточных бандажах или цепях, закрепляемых на трубах. Этот тип стал исходной моделью для последующего развития сварочных систем для строительства наземных трубопроводов.
Во втором применялись наружные конструкции (рамы), внутри которых монтировались сварочные головки. Этот тип систем стал применяться в дальнейшем на судах-трубоукладчиках. Спроектированные для строительства трубопроводов на широких просторах США и СССР первые подобные системы, появившиеся в шестидесятых годах, не отличались компактностью и легкостью, что было не удивительно, поскольку они разрабатывались не для стран с ограниченным пространством, выделяемым для прокладки трубопровода, и с большим количеством различных пересечений.
Вскоре обнаружилось, что правильный выбор размера и типа электрода является ключевым фактором успеха. Вначале полагали, что чем меньше диаметр проволоки, тем легче контролировать дугу. Некоторые стали применять электродную проволоку диаметром 0,8 мм. Однако на практике сварщики предпочитали использовать проволоку диаметром 0,9 мм. Оказалось, что малое сопротивление вылета проволоки и, следовательно, меньший нагрев означало более медленное плавление электрода (при одинаковом токе). Таким образом, большее количество тепла расплавляет основной металл и устраняет явление непровара. Другим открытием было то, что небольшое содержание титана в электродной проволоке уменьшает скорость плавления и уменьшает количество сварочных дефектов. Сравнивая проволоку без титана диаметром 0,8 мм с проволокой, легированной титаном диаметром 0,9 мм, оказалось, что при токе 200 А и напряжении на дуге 25 В первая проволока плавилась со скоростью 4,1 кг/час, а вторая 2,99 кг/час. В первом случае 33% тепла уходило на плавление проволоки; во втором только 24%. В последующие 40 лет тысячи километров трубопроводов были построены с использованием проволоки диаметром 0,9 мм, легированной титаном. Такая проволока остается популярной и в наше время.
Работа сварщика тяжелый труд, поэтому любыми способами необходимо снижать трудоемкость сварки, что приведет к уменьшению объема ремонтных работ по устранению дефектов. Несмотря на то, что большое количество трубопроводов построены с использованием метода механизированной сварки в защитных газах, не совсем ясно преимущество применения проволок легированных титаном. В таких проволоках используется свойство легирующего титана образовывать структуру игольчатого феррита, однако, современные стали и проволоки содержат так мало примесей, что высокая ударная вязкость может быть достигнута при различных микроструктурах. Современные механизированные системы сварки труб успешно используют как легированные титаном проволоки, так и не содержащие титан проволоки. Производители дают пользователям право самим выбирать тип проволоки. ЭСАБ предлагает проволоку Spoolarc XТi, легированную титаном, и проволоку OK Autrod 12.66, не содержащую титан.
Развитие конструкций сварочных систем MIG/MAG (плавящимся электродом в среде защитных газов).
В 70-80х годах сварочные системы MIG/MAG сварки получили дальнейшее развитие, становясь более распространенными и надежными. Скорость прокладки трубопровода зависит от скорости сварки корневого прохода стыка. Поэтому установка сварочных головок на центрирующих устройствах, располагаемых внутри трубы, была следующим шагом вперед. Применение четырех одновременно работающих сварочных головок позволило бы довести скорость сварки до 2 м/мин (установка CRC). Однако, сложность конструкции таких систем препятствовала их внедрению. В других сварочных процессах применяют внутренние медные кольцевые подкладки, что обеспечивает высокую скорость сварки при использовании меньшего количества сварочных головок. Системой, положившей начало новому поколению сварочных установок, явилась установка PASSO (Progetto Arcos Saipem di Saldatura Orbitale). Это оборудование было легче и компактнее предыдущих конструкций и применялось для строительства как наземных, так и шельфовых трубопроводов. Дальнейшие разработки такого оборудования получили широкое применение и в Европе, заменяя ручную сварку при строительстве магистральных трубопроводов, проходящих даже в горной местности с ее туннелями ограниченного сечения. Впервые механизированная сварка труб была одобрена в Канаде. В США, на родине процесса, одобрение заняло большее время скорее из-за социальных, чем технических проблем.
С самого начала возможность установки двух сварочных горелок на одной сварочной головке была продемонстрирована в Советском Союзе еще в 1961 году. Эта система успешно использовалась, например, компанией Serimer-Dasa с девяностых годов. Позднее было обнаружено, что обе проволоки могут быть расположены ближе друг к другу, используя единую газовую защиту и оставаясь электрически изолированными друг от друга. Проволоки подаются поочередно импульсами, без негативного взаимного влияния дуг. Этот метод позволяет увеличить скорость сварки, несмотря на то, что обе проволоки подаются в одну сварочную ванну. Тепловложение при этом остается не слишком высоким и к сварочным материалам не предъявляются дополнительные требования.
Дальнейшие разработки позволили заменить две горелки системы, на двойные (тандемные) горелки. Такой процесс получил название "Dual-Tandem process"[2]. Это позволило еще больше увеличить производительность сварки. Однако высокое суммарное тепловложение может повлиять на механические качества сварного шва, особенно для труб, выполненных из высокопрочной стали (например, Х80 и выше). Производители в настоящее время работают над оптимальным легированием сварочных проволок, используемых для сварки труб из таких сталей.
Сварка «на подъем»
Все системы механизированной сварки, описанные до настоящего времени, старались добиться максимальной скорости сварки, а это значит, что сварка осуществлялась по узкому стыку «на спуск». Такой метод требовал дополнительную доработку кромок труб в полевых условиях с помощью станка, стоимость которого превышает стоимость самой сварочной системы. Это затрудняло применение сварочных систем механизированной сварки в малых странах, особенно в развивающихся.
В других наиболее развитых странах, таких, например, как Великобритания, имеется иная проблема: многочисленные пересечения шоссейных дорог, железных дорог и рек. Эти пересечения требуют другой технологии проведения сварки: доработка кромок трубы и применение внутренних центраторов невозможно. Проблема в обоих случая может решаться применением сварки «на подъем».
При сварке «на подъем» необходимо применять подкладки под сварочную ванну. Эта проблема успешно решается при образовании во время сварки достаточно твердого шлака, такого, который образуется при использовании рутиловых порошковых проволок. Такая сварка позволяет использовать стандартную (API рекомендации американского нефтяного института) разделку кромок трубы с углом наклона 600. Трубные заводы поставляют трубы именно с такой разделкой. Подрядчики, имеющие сравнительно недорогое оборудование, могут легко соединить трубы даже для магистрального трубопровода, с получением стыка, где наилучшим образом можно использовать механизированную сварку «на спуск». При отсутствии внутреннего центратора сварка корневого прохода целлюлозными электродами будет едва ли не самым быстрым способом решения задачи. В то же время надо отметить, что полуавтоматические системы сварки постоянно модернизируются.
При сварке «на спуск» задача выбора типа электрода становится более простой, поскольку быстрое остывание образует достаточно прочные микроструктуры с высокой ударной вязкостью. Даже простые углеродисто-марганцовистые сварочные материалы могут подойти для сварки труб из стали Х80.
В противоположность сварке «на спуск» при сварке «на подъем» уровень тепловложения обычно выше, а скорость охлаждения ниже той, что указана на сертификатах производителя сварочных материалов. Пользователи должны иметь в виду, что может быть придется выбирать сварочные материалы с более высокой прочностью, приведенной в каталоге, чем прочность материала трубы. Учитывая вышеизложенное, прекрасно себя зарекомендовали новые проволоки, такие как OK Tubrod 15.09, специально разработанные для таких случаев применения.
Сварка самозащитными проволоками
Трубопроводы часто прокладываются в удаленных местностях, где могут возникать проблемы со снабжением защитными газами. В этих случаях могут показаться привлекательными самозащитные проволоки, не требующие защитного газа.
Сварочная система, в которой успешно использовалась самозащитная порошковая проволока, частично стала жертвой распада Советского Союза. Применялся процесс "Стык" эффективный электрогазовый процесс сварки кольцевых швов без применения защитного газа. Медные подкладки или формы, удерживающие на месте наплавленный металл во время перемещения сварочной головки вокруг трубы (Рис. 2), позволяли сваривать в два прохода трубы с толщиной стенки до 16 мм, и в четыре прохода с толщиной стенки до 25 мм. Достигалась хорошая ударная прочность наплавленного металла при температурах до - 400 и даже до - 600 С, а процент исправления сварочных дефектов был ниже 1,5% [4]. К сожалению, когда произошел распад СССР, Украина, где производилось это оборудование и сварочные материалы, и Россия, где в основном использовалось это оборудование, стали отдельными независимыми государствами, процесс перестал применяться, а средств на его дальнейшую разработку не было.
Хотя специально разработанные самозащитные проволоки для полуавто-матической сварки труб выпускались в течение нескольких лет, они оказали малое влияние на развитие механизированной сварки. ЭСАБ недавно вновь обратил на них внимание, имея в виду тот факт, что малая скорость плавления современных проволок вызывает неудовольствия сварщиков при их использовании для механизированной сварки, поскольку их производительность соизмерима с производительностью штучных электродов. Новые проволоки показали более высокую производительность и могут помочь изменить эту ситуацию.
Процессы недуговой сварки
Вот уже 40 лет на каждой научной конференции по сварке труб появляются доклады о новых способах сварки труб трубопроводов. Среди них: фрикционная и электроннолучевая сварка труб (шестидесятые годы); сварка оплавлением, MIAB (Magnetically Impelled Arc Butt - стыковая сварка магнито-концентрированной дугой) и сварка взрывом (семидесятые годы); лазерная сварка (восьмидесятые годы) и гибридная лазерная сварка (девяностые годы). Некоторые методы предполагали единовременною сварку сразу всего кольцевого стыка, что, безусловно, было бы для подрядчиков очень заманчивой перспективой - сразу кардинально решить вопрос ускорения производительности прокладки трубопроводов. Не удивительно, что на разработку прототипов таких систем были потрачены огромные деньги. Из всех вышеописанных процессов, однако, только стыковая сварка оплавлением нашла применение для прокладки некоторых участков трубопроводов.
Институт Патона в Киеве разработал серию установок для стыковой сварки оплавлением труб диаметром до 42 дюймов. В руководстве одной такой установки для сварки небольших труб 325 х 14 мм было указано, что сварочный ток достигает 16000 А и потребляемая мощность равняется 180 КВт, производительность 15 швов/час. Более мощные установки имели несколько меньшую, но достаточно конкурентоспособную производительность. Несмотря на то, что технология была лицензирована одной компанией в США и включена в стандарт API 1104, она так и не нашла распространение за пределами бывшего СССР.
Это частично объясняется вопросом надежности механических характеристик шва и, кроме всего прочего, удивительными возможностями механизированной сварки плавящимся электродом в среде защитного газа (GMAW).
Будущее механизированной сварки трубопроводов
В любое время специалист, не знакомый с историей развития сварки трубопроводов, читая материалы последней конференции по этому вопросу, может прийти к выводу, что новый описываемый в докладе процесс может совершить революцию в области прокладки трубопроводов. Действительно, лучшие подрядчики могут увеличить среднюю скорость прокладки трубопровода. Наилучшие результаты достигнуты в отдельных случаях сваркой низкоуглеродистыми электродами снизу-вверх. Возможно, что следующим шагом в прокладке морских трубопроводов будет замена оборудования полуавтоматической сварки на сравнительно недорогие, доступные системы механизированной сварки, которые, тем не менее, позволят использовать стандартную подготовку торцов труб по API.
Для тех, кто имеет возможность вложить средства в разработку установок, обеспечивающих максимальную скорость сварки и максимальную производительность, процесс GMAW сварки «на спуск», по крайней мере, на ближайшие годы остается наиболее перспективным. Новые системы сварки корневых проходов без применения подкладок могут достигать скорость сварки до 1,5 м/мин [5]. Системы, использующие сварку заполняющих и облицовочных швов двойным тандемом (Dual Tandem), могут уменьшить число постов при прокладке трубопровода диаметром 48 дюймов и с толщиной стенки 19 мм с 14 до 5. Даже зная о таких преимуществах нового метода, едва ли все-таки подрядчики пойдут на большие затраты на развитие неизвестной технологии, которая не обещает больших улучшений сварочных характеристик.
Даже небольшие изменения требуют больших усилий для достижения требуемой надежности, при том, что в то же время наблюдается снижение затрат за счет применения для труб сталей марок Х80 и Х100. Использование этих сталей уже вынуждает производителей выпускать надежные сварочные материалы, которые подтверждали бы свои характеристики не только в лабораторных условиях, но и в условия строительства трубопровода. Сварочные материалы будут играть важную роль в непрерывном процессе улучшения экономических показателей сварки трубопроводов.
Об авторе: Дэвид Виджери (David Widgery) MSc, PhD Metallurgy работает в «ЭСАБ» с 1983 года в качестве руководителя отдела разработки порошковых проволок. С 1996 года он менеджер проекта «ЭСАБ Групп».
|
