Комплекс «Север-1» для контактной стыковой сварки неповоротных стыков труб больших диаметров

14.07.2018
Объем строительства трубопроводов различного назначения в нашей стране непрерывно возрастает, причем резко увеличивается протяженность трубопроводов диаметром более метра. Большая часть их сооружается в труднодоступных районах Сибири и Крайнего Севера. Сварка неповоротных стыков труб большого диаметра является трудоемкой и ответственной операцией, во многом определяющей работоспособность и надежность трубопроводов в целом.

До последнего времени практически все неповоротные стыки труб сваривались вручную дуговым способом. Резервы повышения производительности при таком способе сварки в значительной мере исчерпаны. Например, независимо от схемы организации работ производительность ручной сварки неповоротных стыков труб диаметром 1420 мм не превышает 1...1,2 стыка на одного сварщика за смену. Что же касается качества сварных соединений, то оно существенно зависит от квалификации сварщиков и климатических условий.

В последние годы в нашей стране и за рубежом интенсивно ведутся поиски новых механизированных способов сварки неповоротных стыков труб больших диаметров. Получен положительный опыт эксплуатации многоголовочных установок для сварки в защитных газах тонкой проволокой в узкий зазор труб диаметром 800...1420 мм с предварительной обработкой торцов. Успешно ведутся работы по применению установок для электродуговой сварки самозащитными порошковыми проволоками.

Оригинальным отечественным решением проблемы комплексной механизации сборочно-сварочных работ при строительстве трубопроводов является использование стыковой контактной сварки.

Первые установки для контактной сварки труб созданы ИЭС им. Е.О. Патона совместно с организациями, подчиненными теперь Мин-нефтегазстрою, еще в пятидесятые годы и внедрены на строительстве трубопроводов диаметром до 529 мм. В течение последних 15 лет для контактной сварки секций из труб диаметром 114...325 мм серийно выпускаются установки ТКУС, на которых ежегодно сваривается около 2000 км труб. Многолетний опыт эксплуатации трубопроводов протяженностью в несколько десятков тысяч километров, сваренных контактным способом в различных климатических условиях, свидетельствует о высоком качестве сварки.

Технико-экономические расчеты показывают, что с увеличением диаметра и площади поперечного сечения труб эффективность применения контактной сварки возрастает, так как время сварки, исчисляемое несколькими минутами, при этом увеличивается незначительно по сравнению с известными электродуговыми способами, при которых оно возрастает пропорционально диаметру и толщине стенки труб.

Однако создание сварочных машин для контактной сварки труб больших диаметров связано со значительными трудностями. С увеличением диаметра и площади поперечного сечения труб резко возрастает вес и мощность машин, что ограничивает области их применения, особенно в полевых условиях; возникает проблема обеспечения надежного функционирования сложных электрических и гидравлических узлов машин в полевых условиях и особенно на Крайнем Севере. Известно также, что при контактной сварке с увеличением площади сечения соединяемых деталей труднее обеспечить стабильное качество соединений и исключить опасность появления дефектов по линии сплавления. Поэтому сварка труб больших диаметров в полевых условиях потребовала принципиально новых технологических и конструктивных решений основных узлов машины и вспомогательного оборудования.

Технология сварки труб больших диаметров. Создание гаммы машин для контактной сварки труб диаметром до 529 мм стало возможным благодаря найденному решению — снижению сопротивления короткого замыкания сварочных машин и применению трансформаторов специальной конструкции. Это позволило возбуждать и вести устойчивый процесс непрерывного оплавления при относительно низких удельных мощностях без предварительного подогрева торцов труб сопротивлением, как это принято при контактной сварке деталей с большими поперечными сечениями на известных стационарных машинах. Переход к технологии сварки непрерывным оплавлением позволил обеспечить равномерный и устойчивый нагрев торцов труб, что является основным условием получения качественного соединения. При сварке труб диаметром 529 мм основные параметры, в частности скорость подачи, задаются жесткой программой. При этом устойчивый процесс оплавления гарантируется, если сопротивление сварочной цепи и источника питания не превышает определенного уровня.

Например, по данным работы, устойчивое оплавление пластин шириной 100 мм (b = 10...12 мм) возможно, если при жестко заданной программе изменения скорости подачи и U2х.х = 7 В сопротивление сварочной машины не превышает 600 мкОм. Эту величину следует рассматривать как предельно допустимую для лабораторных условий при питании от жесткой сети, имеющей минимальное сопротивление. При сварке в полевых условиях сварочная машина питается электроэнергией от передвижной электростанции, генератор которой имеет относительно большое внутреннее сопротивление, дополнительное сопротивление в общую цепь вносят также токоведущие кабели. Кроме того, необходимо учитывать, что активное сопротивление сварочной машины в процессе эксплуатации может повышаться в результате нагрева токоведущих элементов сварочного контура, окисления переходных контактов, загрязнений токоподводящих башмаков. Поэтому в реальных условиях сопротивление короткого замыкания машины должно быть таким, чтобы в пересчете на единицу длины периметра трубы его величина была меньше 600 мкОм. По данным эксплуатации имеющихся установок для контактной сварки труб диаметром 529 мм, она составляет 400 мкОм (при U2x.х = 7 В).

Для обеспечения идентичных условий оплавления при сварке труб диаметром 1420 мм в соответствии с теорией подобия необходимо, чтобы сопротивление короткого замыкания не превышало 8...9 мкОм.

По конструктивным соображениям выполнить это условие оказалось невозможным, сопротивление короткого замыкания созданных образцов машин превышало приведенное значение.

Наряду с максимально возможным снижением сопротивления короткого замыкания машины понадобилось повысить устойчивость процесса оплавления.

Исследованиями установлено, что применение регуляторов скорости подачи, автоматически регулирующих ее величину при изменении тока в сварочной цепи, позволяет значительно расширить области устойчивого оплавления. В данном случае процесс оплавления можно возбуждать на ровно обрезанных трубах, не имеющих скосов кромок, что практически невозможно при жестко заданной скорости подачи. Значительно расширяется область допустимых изменений переходных сопротивлений в сварочной цепи, что связано с различной чистотой зачистки токоподводящих башмаков и поверхности труб в местах токоподвода.
Комплекс «Север-1» для контактной стыковой сварки неповоротных стыков труб больших диаметров

Сварка по программе труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 16,5...20 мм начинается с возбуждения оплавления по всему сечению трубы (рис. 1). До этого момента происходит непрограммируемый цикл оплавления неровностей на торцах труб, при этом зазор между трубами на отдельных участках может достигать до начала оплавления 7 мм при отсутствии зазора на других участках. Благодаря такой системе управления процессом значительно облегчается совмещение торцов труб. В конце оплавления автоматическими устройствами контролируется длительность и программа изменения скорости подачи, выдержка под током при осадке и величина осадки. Сварка выполняется с минимальной осадкой, что создает незначительный изгиб волокон металла в зоне термического влияния и обеспечивает стабильность пластических свойств соединений. Кроме того, при минимальных допусках на осадку меньше вероятность изгиба предельно смещенных кромок труб вследствие отклонений диаметров и толщин стенок труб или наличия вмятин на торцах.

Программа сварки предусматривает три периода оплавления.

В первом периоде скорость подачи непрерывно изменяется с целью предотвращения коротких замыканий торцов при оплавлении неровностей. Во втором скорость подачи поддерживается на заданном уровне и кратковременно снижается, если плотность тока в сварочной цепи превышает заданные значения. При этом обеспечивается нагрев торцов до заданной температуры. В течение первых двух периодов потребляемая мощность автоматически поддерживается на минимальном уровне (удельная мощность не превышает 7...8 Вт/мм2). В третий период, который предшествует осадке, скорость подачи кратковременно повышается и удельная потребляемая мощность возрастает до 14 Вт/мм2. Длительность первого периода в зависимости от точности сборки труб перед сваркой может изменяться от 60 до 100 с.

Длительность второго периода зависит от толщины стенки труб и температуры окружающей среды. При сварке труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 16,5...19 мм при положительной и отрицательной (до -30 °С) температурах окружающей среды длительность этого периода принята соответственно 100 и 140 с. Длительность третьего периода принята постоянной — 15 с. Таким образом, общая длительность сварки в рассмотренных случаях составляет 3...4 мин.

Основные результаты механических испытаний образцов, вырезанных из сварных стыков, находятся на уровне соответствующих данных для основного металла (таблица).

Неразрушающий контроль качества сварных соединений выполняется с помощью ультразвуковых дефектоскопов. Многоканальным регистрирующим прибором производится запись основных параметров, влияющих на качество соединений: напряжение, ток, мощность, скорость оплавления и осадки, величина осадки. Сравнение этих записей с эталонными позволяет выявлять нарушения заданных режимов сразу же после выполнения сварки. Следует отметить, что результаты операционного контроля хорошо согласуются с данными неразрушающего ультразвукового контроля.

Сварочная машина К700. В основу конструкции машины для сварки труб больших диаметров положена идея расположения машины внутри трубы. Во время работы машина двигается внутри свариваемой нитки трубопровода, как по готовому пути. Это позволило значительно снизить вес машины и быстро ее перебазировать от стыка к стыку. Концы свариваемых труб изнутри разжимаются цанговыми зажимами с усилием до 1200 тс. При разжатии одновременно происходит центровка труб. Сварочный трансформатор, встроенный в зажим через штангу и гибкий кабель, подключается к источнику питания. В задней части машины имеется привод ее самоходного перемещения со скоростью 0,05...0,5м/с.

На рис. 2 показано рабочее положение машины перед сваркой. Одним из зажимов она разжата на краю плети, гибкий кабель, подающий питание в машину, отключен от токоведущей штанги с помощью быстросъемного разъема. Привариваемая труба надевается на штангу и переднюю часть машины, после чего ее привариваемый конец зажимается и к штанге машины подключаются силовые кабели, кабель управления. Производится центровка труб, и машина включается для сварки.

Источник питания. Для питания машины и ее вспомогательных устройств служит передвижная электростанция. Она транспортируется тягачом вдоль свариваемой нитки трубопровода, при этом напряжение через токоподводящий кабель от электростанции с помощью подвижной стрелы периодически подается к штанге сварочной машины.

Установка для зачистки концов труб. Перед сваркой в местах подвода тока к внутренней поверхности труб металл должен быть очищен от окалины, ржавчины и грязи. Для механизированной очистки концов труб иглофрезами Киевским филиалом СКВ «Газстроймашина» разработана подвесная установка АЗТ (рис. 3). Установка последовательно обрабатывает концы труб, уложенных вдоль трассы. Для этого она вводится внутрь трубы, фиксируется там гидравлическими зажимами, а затем зачищает поверхность трубы.

Установка для снятия внутреннего и наружного грата сварных швов. При контактной сварке внутри и снаружи трубы образуется грат. Так как усиление шва, согласно СНиП, не должно превышать 3 мм, лишний металл необходимо удалять. Внутренний грат в горячем состоянии снимается ножами, установленными на сварочной машине. Наружный грат снимается в холодном состоянии на участке, удаленном на 20...30 м от места сварки. Для удаления наружного грата Киевским филиалом СКВ «Газстроймашина» разработана передвижная установка (рис. 4), входящая в состав комплекса «Север-1».


Снятие грата производится двумя торцевыми фрезами, перемещающимися по направляющим вдоль шва с возможностью копирования специальным копирным устройством поверхности трубы в месте сварки.

Опытный образец комплекса (рис. 5), изготовленный в 1975 г., успешно прошел производственные испытания при сварке труб диаметром 1420 мм на нескольких строительных участках трубопровода Оренбург-Западная граница. Сваренные участки общей протяженностью более 12 км в составе трубопровода сданы в эксплуатацию.

Сварочный комплекс «Север-1» обслуживает бригада из 12 человек.

Производственный образец комплекса «Север-1», изготовленный опытным заводом ИЭС совместно с предприятиями Миннефтегазстроя в 1976 г., эксплуатируется с 1977 г. при строительстве трубопроводов на севере Тюменской области.

В период зимней эксплуатации в 1978 г. достигнута производительность 6 стыков в час.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: