Методы сварки магистральных трубопроводов

Сварка магистральных трубопроводов

Содержание:

Очень большое значение для развития экономики имеет прокладка различных трубопроводов. Магистральные трубопроводы позволяют транспортировать на очень большие расстояния газообразные и жидкие продукты добычи от месторождения до мест переработки или их потребления. Трубопроводы делят по видам транспортируемых по ним продуктов, например водопроводы, газопроводы, нефтепроводы и др.

Остановимся подробнее на том, как происходит сварка магистральных трубопроводов.

Главным условием бесперебойного функционирования трубопровода является правильный подбор труб, с учетом эксплуатационных особенностей.

Особенности труб.

Трубы бывают бесшовные, изготовленные на специальных станках из заготовок путем специальной прокатки или сварные, сделанные на специальных прессах из листовых заготовок.

Химический состав и геометрическая форма труб имеет большое значение для правильного соединения труб в трубопроводе. Сварка туб является основным технологическим процессом прокладывания трубопровода. Трубопровод обычно сваривают из двух или трех труб, которые соединяют стационарно на специальных трубосварочных станциях.

В строительстве трубопроводов уже непосредственно на месте соединения обычно пользуются различными видами дуговой сварки, такими, например, как ручная дуговая сварка, различные автоматические дуговые сварки под флюсом или в защитных газах, а также контактной стыковой сваркой оплавления.

Для трубопроводов привозят трубы уже с подготовленными для сварки кромками. В зависимости от конструкции трубопровода, кромку делают в различной геометрической формы (под углом или с зазором для стыка) Подготовка кромок включает в себя не только правку приготовленных к свариванию концов, но и очистку от грязи, влаги и шлаков

Основной особенностью сварки трубопроводов является послойная сварка трубы, сначала нижний слой , затем вертикальный, а потом потолочный. Потому что невозможно сварной дугой прогреть сразу всю толщину трубы.

Автоматизированная сварка.

При автоматической сварке дугой подача электрода и перемещение дуги вдоль шва происходит автоматизировано. Автоматическую дуговую сварку под флюсом выполняют автоматически подаваемым электродом, который подается в зону сварки. Флюс призван защищать дугу и сварочную ванну от воздействия окружающей среды, кроме того препятствует разбрызгиванию жидкого металла. Автоматическая сварка под флюсом, несомненно, имеет преимущество перед ручной дуговой сваркой. Она имеет большую производительность, весь процесс механизирован. Но есть и определенные недостатки, например, то, что сварку можно производить только в нижнем положении.

Для всех разновидностей дуговой сварки существует общий недостаток, это низкая производительность, так как мощность дуги приходиться ограничивать из-за опасности сквозного расплавления шва.

Более высокую производительность получают при контактной стыковой сварке оплавлением. Где место стыка нагревается электрическим током и сдавливается.

Сооружение трубопроводов.

При сооружении трубопроводов трубы свариваются встык. Сборку труб для сварки делают с помощью специальных приспособлений, которые называют центраторами. Зазор между диаметрами свариваемых труб допускается не больше 1 см.

При сварке происходит образование усиления шва, которое называют гратом. Снаружи он может мешать изоляции, а изнутри проходимости по трубопроводу. Поэтому после сварки удаляют лишнее с помощью специального устройства – гратоснимателя.

Для ускорения прокладки трубопроводов обычно пользуются не отдельными трубами, а сразу секциями, то есть сваренными в цеховых условия частями трубопровода. Основным способом соединения труб в промышленных условиях является автоматическая сварка под флюсом или же сварка встык оплавлением. Это обеспечивает герметичность и прочность сварных швов.

Особенности сварки магистралей.

Соединение же труб в единую нитку на трассе чаще всего происходит вручную, с помощью дуговой сварки, причем сварка идет послойно, как уже говорилось выше. Первый слой выполняется вручную, а последующие два заваривают автоматической сваркой с флюсом.

Сварку разрешается проводить при температуре не ниже минус 20 градусов, что обеспечивает наиболее качественное соединение.

Все работы, которые направлены на соединение трубопровода, должны выполняться с полным соблюдением проектных чертежей и технологических особенностей, чтобы избежать возникновения напряжения трубопровода и появления трещин.

Сварка магистральных трубопроводов является высокотехнологичным процессом, поэтому должна выполняться сварщиками высокой квалификации, с соблюдением всех технических требований, потому что от этого зависит качественность проводимого трубопровода. В нашей статье мы рассказали о особенностях процесса сварки магистральных трубопроводов, знание которых обеспечит качественное соединение секции труб.

Технология сварки трубопровода

Способы сварки трубопроводов
Способы сварки трубопроводов классифицируют как термические, термомеханические и механические. Термические способы включают все виды сварки плавлением (дуговая, газовая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная и др. виды сварки. К термомеханическому классу относятся стыковая контактная сварка, сварка магнитоуправляемой дугой. К механическим способам относятся сварка трением и взрывом.
Различают методы сварки трубопроводов по типу носителей энергии (дуговая, газовая, плазменная, лазерная и др.); по условиям формирования соединения (свободное или принудительное формирование сварного шва); по способу защиты зоны сварки (под флюсом, в защитных газах, с использованием самозащитной электродной проволоки т.д.); по степени механизации и автоматизации процесса (ручная, механизированная, автоматизированная и роботизированная).
Для сварки магистральных трубопроводов наибольшее распространение получили дуговые методы сварки. Более 60% всех стыков на магистралях свариваются автоматической дуговой сваркой под флюсом. Дуговая сварка под флюсом используется только в тех случаях, когда существует возможность вращения стыка. Сварку трубопроводов под флюсом в основном автоматизированным способом применяют при изготовлении двух- и трехтрубных секций диаметром 219. 1420 мм. Когда применение механизированных методов невозможно, используется ручная дуговая сварка.
Ручную дуговую сварку выполняют при различных пространственных положениях стыка – нижнем, вертикальном и потолочном. В процессе сварки вручную перемещают электрод по периметру стыка со скоростью 8.. .20 м/ч.
Сварка в защитном газе имеет разновидности: по типу защитного газа – сварка в инертных газах (аргон, гелий, их смесь), в активных газах (СО2, азот, водород), сварка в смеси инертного и активного газов (Аг + СО2; Аг + СО2 + О2); по типу электрода – плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродом; по степени механизации ручная, механизированная и автоматизированная сварка. Дуговую сварку в защитных газах применяют для сварки трубопроводом в различных пространственных положениях. Скорость ручной сварки 8. 30 м/ч, механизированной и автоматизированной 20. 60 м/ч. Для сварки трубопроводом применяют метод механизированной сварки порошковой проволокой с принудительным формированием шва, при котором функции защиты выполняют порошкообразные компоненты, заполняющие металлическую оболочку проволоки. По мере кристаллизации сварочной ванны наружное формирующее устройство и сварочная головка перемещаются по периметру стыка снизу вверх со скоростью 10. 20 м/ч. Перспективна лазерная сварка трубопроводом, при которой носителем энергии служит лазерный луч. Скорость лазерной сварки – до 300 м/ч.
При стыковой контактной сварке непрерывным оплавлением процесс происходит автоматически по заданной программе. Продолжительность сварки одного стыка труб диаметром 1420 мм составляет 3. 4 мин, цикл сварки одного стыка при строительстве трубопроводов -10. 15 мин.
Автоматическая сварка магнитоуправляемой дугой (или дугоконтактная сварка) отличается от стыковой контактной сварки способом нагрева кромок. При дугоконтактной сварке нагрев выполняется дугой, вращаемой магнитным полем по кромкам свариваемых труб с большой скоростью. Этот способ сварки применяют для сооружения трубопроводов малого (пока до 114 мм) диаметра.

Требования к трубам
Для строительства магистральных и распределительных газопроводов применяются стальные бесшовные электросварные прямошовные и спиральношовные. Трубы диаметром до 1020 мм изготавливаются из спокойных и полуспокойных низколегированных сталей, трубы диаметром до 1420 мм – из низколегированных сталей в термически улучшенном или термомеханически упрочненном состоянии. Только для распределительных газопроводов низкого давления (до 0, 005 МПа) допускается применение труб из кипящих низкоуглеродистых сталей.
В СНГ трубы применяются в соответствии с ГОСТ 8731 . ГОСТ 8734 группы В, а также при соответствующем технико-экономическом обосновании – по ГОСТ 9567; трубы стальные электросварные – в соответствии с ГОСТ 20295 для труб с условным диаметром (Ду) до 800 мм включительно. Для труб Ду > 800 мм разрабатываются специальные технические условия, в которые должны включаться требования, изложенные ниже.
Готовые трубы маркируют, выбивая клеймами (холодной штамповкой) на расстоянии 250-500 мм от одного из концов трубы следующие данные: товарный знак или наименования предприятия – изготовителя; марку стали или ее условное обозначение; номер трубы; клеймо технического контроля; год изготовления. Участок клеймения четко обводят краской. Кроме того, на трубе несмываемой краской указывают ее диаметр и толщину стенки.
Импортные трубы изготавливаются и поставляются в основном по стандартам Американского нефтяного института (АРI), таких как: АРI-5 I (бесшовные и прямошовные трубы), АРI-513 (спиральношовные трубы для различных трубопроводов) АРI-51Х (трубы для трубопроводов высокого давления).
По этим стандартам трубные стали объединяются в группы по пределу текучести. Каждая группа сталей с одинаковыми значениями предела текучести в тысячах фунтов на 1 кв.дюйм. По этим стандартам существуют группы сталей: Х-42, Х-46, Х-52, Х-56, Х-60, Х-65, Х-70 с временным сопротивлением разрушению от 414 до 565 МПа. Стандарты АРI помимо механических свойств регламентируют процесс изготовления труб, химический состав стали, размеры, массу и длину трубы, давление при гидравлических испытаниях в процессе изготовления, методы неразрушающего контроля, которые применяют при изготовлении, условия ремонта труб и т.д. Обозначение трубы по стандарту АРI состоит из названия фирмыизготовителя труб, монограммы АРI (товарного знака, означающего, что данная труба изготовлена в соответствии с требованиями АРI), размера трубы в дюйма, массы одного фута трубы в фунтах, обозначения класса прочности стали и вида изготовления (S -бесшовные, Е – сварные прямошовные трубы, SW – спиральношовные трубы, Р – трубы с продольным швом, сваренные прессовыми методами), обозначения типа стали (Е – сталь, выплавленная в электропечах, М – высокопрочная низколегированная сталь), обозначения вида термообработки (NМ -нормализация или нормализация и отпуск, NО – закалка и отпуск, NS -высокий отпуск). Маркировка выполняется несмываемой краской. Трубы для магистральных трубопроводов изготавливаются из сталей с соотношением предела текучести к временному сопротивлению разрыву не более: 0, 75 – для низкоуглеродистых сталей; 0, 8 – для низколегированных нормализованных сталей; 0, 85 – для дисперсионно-твердеющих нормализованных и термически улучшенных сталей; 0, 9 – для сталей контролируемой прокатки.

Подготовка кромок труб под сварку
Перед началом сварочно-монтажных работ необходимо убедиться в том, что используемые трубы и детали трубопроводов имеют сертификаты качества и соответствуют проекту, техническим условиям на их поставку. Трубы и детали должны пройти входной контроль в соответствии с требованиями соответствующих стандартов и технических условий на трубы.
Концы труб и соединительных деталей должны иметь форму и размеры скоса кромок, соответствующие применяемым процессам сварки. При их несоответствии допускается механическая обработка кромок в трассовых условиях. Для труб небольшого диаметра (до 520 мм) возможно применение торцевателей, фаскоснимателей, труборезов и шлифмашинок. Для больших диаметров применяются орбитальные фрезерные машины, гидроабразивная резка и шлифмашинки. В отдельных случаях, при врезке катушек или выполнении захлестов, допускается применение термических способов подготовки кромок, таких как:
а) газокислородная резка с последующей механической зачисткой кромок абразивным кругом на глубину 0, 1.. .0, 2 мм;
б) воздушно-плазменная резка с последующей механической обработкой на глубину до 1 мм – вследствие насыщения кромки азотом (при использовании аргона в качестве плазмообразующего газа механическая обработка не требуется); в) воздушно-дуговая резка с последующей зашлифовкой на глубину до 0, 5 мм (науглераживание кромок);
г) строжка и резка специальными электродами типа АНР-2М, АНР-3 или ОК.21.03, после которых не требуется механическая обработка.
Перед сборкой труб необходимо очистить внутреннюю полость труб от попавших туда грунта, грязи, снега, а также зачистить до металлического блеска кромки и прилегающие к ним внутреннюю и наружную поверхность труб и соединительных деталей на ширину не менее 10 мм.
Участки усиления наружных заводских швов, прилегающие к свариваемому торцу трубы, рекомендуется ошлифовывать до высоты О..Д5 мм на расстоянии от торца не менее 10 мм.
Все трубы поступают на трассу с заводов с разделкой кромок, предназначенной для ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Эта разделка (рис. 1, а) имеет для труб любого диаметра при толщине стенки более 4 мм угол скоса кромок 25-30° и притупление 1-2, 6 мм. При толщине стенки 16 мм и более трубы большого диаметра могут поставляться с комбинированной разделкой кромок в соответствии с рис. 1, б.
Размер В зависит от толщины стенки и составляет:
7 мм – при толщине стенки трубы 15. 19 мм
8 мм – при толщине стенки трубы 19. 21, 5 мм
10 мм – при толщине стенки трубы 21, 5. 26 мм.

Для трубопроводов Ду 1000 мм и свыше, когда предусмотрено выполнение подварочного корневого шва изнутри, рекомендуется разделка представленная на рис.1, в. При строительстве распределительных трубопроводов допускается ручная дуговая сварка труб без разделки кромок с толщиной стенки до 4 мм. Кроме того, для трубопроводов диаметром до 152 мм возможно применение газовой сварки (без разделки кромок – до 3 мм, и односторонним скосом кромок – до 5 мм).
Соединение разностенных труб на трассе допускается без дополнительной обработки кромок:
• для толщин стенок не более 12, 5 мм, если разность толщины не превышает 2 мм;
• для толщин стенок свыше 12, 5 мм, если разность толщины не превышает 3 мм. В этом случае смещение стыкуемых кромок не допускается.
Соединение труб или труб с запорной и распределительной арматурой с большей разностью толщин стенок осуществляют посредством вварки между стыкуемыми элементами переходников заводского изготовления или вставок из труб промежуточной толщины длиной не менее 250 мм.
Допускается выполнять непосредственную сборку и сварку труб или труб с деталями трубопроводов при разностенности до 1, 5 толщин при специальной обработке, прилегающей к торцу поверхности более толстой трубы или детали (рис.2, а). Сварка захлесточных стыков разностенных труб не допускается.
Непосредственное соединение труб с запорной и распределительной арматурой разрешается при условии, если толщина стыкуемого торца арматуры не превышает 1, 5 толщины стенки трубы с подготовкой патрубка арматуры согласно (рис. 2, б). Указанная подготовка должна быть осуществлена заводом-поставщиком.

Требования к сборке труб
Сборка стыков труб должна гарантировать:
• перпендикулярность стыка к оси трубопровода. Отклонение от перпендикулярности не должно превышать 2 мм;
• равномерность по периметру зазора, находящегося в пределах значений, регламентированных соответствующими стандартами и инструкциями;
• минимально возможную величину смещения кромок, регистрируемую универсальными шаблонами, не превышающую допустимых значений (для магистральных трубопроводов – 0, 2 толщины стенки, но не более 3 мм, для распределительных – (0, 15 толщины стенки + 0, 5 мм);
• смешение продольных заводских швов относительно друг друга на расстояние не менее 100 мм – для труб диаметром более 100 мм и на 1/3 длины окружности – для труб диаметром менее 100 мм. В случае технической невозможности выполнения указанных требований назначается дополнительный ультразвуковой контроль сварочного соединения на данном участке стыка.
При изготовлении труб большого диаметра, корпусов цилиндров из обечаек применяют следующие виды сборки и сварки – “Сборка и сварка обечаек корпуса.”

Предварительный подогрев
Предварительный подогрев является одной из важнейших технологических операций, позволяющих регулировать термический цикл сварки. Известно, что структура и свойства сварного соединения в значительной степени определяются скоростью охлаждения металла в интервале температур 800-500°С (наименьшей устойчивости аустенита). При высоких скоростях охлаждения возможно образование закалочных структур типа мартенсит в ЗТВ, обладающих высокой прочностью и низкой пластичностью, а также склонностью к образованию холодных трещин. Особенно это относится к низколегированным сталям с эквивалентом углерода 0, 43% и выше. Эти стали весьма чувствительны к действию термического цикла, к концентраторам, а зона термического влияния склонна к охрупчиванию. Наиболее ярко эти явления проявляются при ручной дуговой сварке, когда скорость охлаждения металла ЗТВ может достигать 70°С/с. При заданной толщине стенки трубы регулировать скорость охлаждения зоны термического влияния можно изменяя начальную температуру стыкующих кромок предварительным подогревом. Особенно важно это при сварке корня шва электродами с целлюлозным покрытием, когда скорость охлаждения максимальна по сравнению со сваркой других слоев шва, уменьшена погонная энергия сварки (скорость сварки такими электродами вдвое превышает скорость сварки электродами с основным покрытием) и увеличена склонность и образованию холодных трещин за счет повышения содержания диффузионного водорода в металле шва.
Температуру предварительного подогрева выбирают в зависимости от химсостава стали (по эквиваленту углерода), толщины станки трубы, температуры окружающего воздуха и вида электродного покрытия. Эти параметры, как правило, регламентируются соответствующими стандартами и технологическими инструкциями. Так, например, в СНГ руководствуются ВСН 066-89 (табл. 2). При сварке электродами с целлюлозным покрытием температура предварительного подогрева повышается на 75 °С.

Сварка стыков магистральных трубопроводов

При строительстве магистральных трубопроводов приходится собирать и сваривать множество стыков труб большого диаметра. Укладка трубопроводов может быть либо непрерывной, либо секционной. В первом случае производят последовательное наращивание трубопровода, причем все стыки выполняют без вращения труб. Во втором случае первоначально сваривают секции, вращая при этом трубы, а затем на трассе стыки выполняют без вращения. В России при строительстве магистральных трубопроводов применяют главным образом секционный способ укладки труб. Трубы длиной 12 м поступают на полевые сварочные базы, где их соединяют в секции длиной 24. 36 м. Эти секции на специальных автомашинах транспортируют на трассу и сваривают в плети.

Сборка стыков труб является важнейшей операцией, во многом определяющей качество сварки. При сборке необходимо обеспечить соосность труб, достаточно точное совпадение свариваемых кромок и равномерный зазор в стыке, позволяющий проварить корень шва по всему периметру. С этой целью применяют внутренние или наружные центраторы.

Применение внутренних центраторов позволяет механизировать операцию сборки более полно. Кроме того, собранный стык оказывается целиком доступным для сварки, и корневой шов

Рис. 8.24. Схема устройства внутреннего центратора:

/ — центрующий элемент 1-го ряда; 2 — центрующий элемент 2-го ряда; 3 — жи- мок; 4 — ролик; 5 — первый конус; 6 — второй конус; 7 — первая полость; 8 — полость разгрузки; 9 — вторая полость

можно выполнять от начала до конца без остановок и прихваток. Для внутреннего центратора используют механизм типа «зонтик» с радиальным приложением сил к кромкам труб (рис. 8.24). Два ряда центрующих элементов 1 и 2 могут разжиматься независимо, а сжиматься — одновременно. Последовательное разжатие заднего и переднего рядов центрующих элементов 1 и 2 достигается подачей масла под давлением в полости 7и 9. При этом движение каждого из конусов 5 и б через ролики 4 и жимки 3 передается башмакам, которые непосредственно соприкасаются с поверхностями собираемых труб и обеспечивают их центровку. Для освобождения стыка после сборки и прихватки масло подается в полость, обеспечивая одновременный отвод центрующих элементов обоих рядов. Внутрь трубы центратор обычно вводят с помощью штанги. При использовании центратора в качестве вращателя штангу закрепляют в подшипниках и сообщают ей вращательное движение.

При сборке и сварке секций на полевых базах используют механизированные трубосварочные линии. Трубы из накопителя поочередно манипулятором укладывают на рольганг. Сборку выполняют с помощью гидравлического внутреннего центратора, закрепленного штангой и используемого в качестве вращателя. Первая труба рольгангом надвигается на центратор так, чтобы ее торец располагался на расстоянии 15. 20 мм от ряда жимков 5центратора, которые при разжатии фиксируют ее в таком положении. Вторая труба подается рольгангом до соприкосновения с первой и фиксируется разжатием второго ряда жимков центратора, чем достигается центровка стыка.

Сцентрированные трубы приподнимают над роликами продольного перемещения, и при вращении трубы два сварщика одновременно выполняют сварку корневого шва полуавтоматами в среде углекислого газа или ручной дуговой сваркой. Сваренную первым слоем двухтрубную секцию подают рольгангом вправо, на ее место на центратор надвигается третья труба, и цикл сборки стыка и сварки первого слоя повторяется. После этого собранная трехтрубная секция перегружателем подается на промежуточный стеллаж, а затем на второй стенд, где стыки окончательно сваривают автоматами под флюсом с помощью торцового вращателя.

Поворотные стыки труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки до 17 мм необходимо выполнять двусторонней сваркой. Торцы труб проходят механическую обработку с одновременным нанесением риски на внутренней поверхности для автоматического направления внутренней сварочной головки по стыку. Сборку выполняют с помощью самоходного центратора; вращение обеспечивается поворотными роликами стенда. Сначала сваривают наружные швы, затем внутренний шов. Автоматическую сварку внутреннего шва под слоем флюса выполняет оператор, который наблюдает за процессом по приборам.

Выполнение сварки неповоротных стыков магистральных трубопроводов большого диаметра весьма трудоемко. Использование трубоукладчиков и внутренних гидравлических центраторов обеспечивает механизацию процесса сборки, однако значительный объем сварочных работ по-прежнему выполняется вручную.

Для ускорения темпа укладки трубопроводов процесс сварки расчленяют на ряд последовательных операций. При поточно-расчлененном методе одновременно работают звено сборщиков и несколько звеньев сварщиков. Так, применительно к укладке трубопровода диаметром 1420 мм каждый из четырех сварщиков звена выполняет только свой определенный участок слоя. Два сварщика с лестниц-стремянок ведут сварку верхней полуокружности трубы, а два других сваривают ее нижнюю полуокружность. Впереди движется звено сборщиков-сварщиков, собирающее стыки с помощью внутреннего центратора. Это же звено выполняет сварку корневого шва методом опирания электрода на кромки без колебательных движений, что обеспечивает образование обратного валика, исключающего необходимость подварки корня шва внутри трубы. Последующие слои выполняют с поперечными колебаниями электрода.

Источники:

http://stalevarim.ru/pub/svarka-magistralnyh-truboprovodov/
http://m.energoportal.ru/articles/tehnologiya-svarki-truboprovoda-2039.html
http://studref.com/364630/tehnika/svarka_stykov_magistralnyh_truboprovodov