Jak se svařují potrubí?

Článek pojednává o třídách ropovodů a ropovodů, představuje klasifikaci potrubí pro hlavní ropovody, popisuje proces svařování hlavního potrubí pro přepravu ropy a ropných produktů v drsných klimatických podmínkách pomocí standardních metod svařování a identifikuje výhody a nevýhody. těchto metod. Zvažují se moderní metody svařování ropovodů a plynovodů, studují se možnosti využití technologie hybridního laserového obloukového svařování ropovodů z konstrukčních legovaných ocelí, zjišťují se její výhody a identifikují se faktory omezující široké použití této technologie. . Je uvažována technologie hybridního laserového obloukového svařování švů silnostěnných trubkových polotovarů se současným použitím dvou laserových paprsků z vnější plochy spoje okrajů trubkového polotovaru. Jsou zdůrazněny vlastnosti, které přispívají ke zlepšení kvality svarového spoje při svařování pomocí dvou laserových paprsků, a také jsou identifikovány nevýhody tohoto typu svařování. Prezentována je automatizovaná kombinovaná technologie svařování kořenové vrstvy svaru přechodem z metoda mechanizovaného svařování stavnou elektrodou v prostředí aktivního plynu na standardní tovární řezání hran trubek pro automatické svařování plným drátem v ochranném plynu do speciální zúžené okrajové drážky trubky montované se „slepou“ mezerou, což napomáhá ke zvýšení mechanických vlastností svarů a zlepšení kvality svarového spoje, což je potvrzeno zavedením této technologie do svařování potrubí.

svařování ropovodů a plynovodů
obloukové svařování
hybridní laserové obloukové svařování
kořenový šev
spoje potrubí
1. Gorshkova O.O. Svařování kovových konstrukcí. Sterlitamak: AMI, 2017. 103 s.

2. Svařování hlavních potrubí [Elektronický zdroj]. URL: http://stalevarim.ru/pub/svarka-magistralnyh-truboprovodov/) (datum přístupu: 14.02.2020).

3. Hlavní potrubí [Elektronický zdroj]. URL: http://www.baltstroymetall.ru/faq/283-magistral (datum přístupu: 14.02.2020).

4. Kaitel S. Technologie hybridního laserového obloukového svařování obvodových svarů na hlavních potrubích // Automatické svařování. 2014. č. 4. s. 37–43.

5. Fedorov M.A., Kotlov A.O., Chernyaev A.A., Romantsov A.I. Metoda hybridního laserového obloukového svařování podélného svaru trubky // RF Patent č. 2637035. Držitel patentu PJSC Chelyabinsk Pipe Rolling Plant. 2017.

6. Tatarinov E.A. Nová kombinovaná technologie pro automatické svařování pevných spojů hlavních plynovodních potrubí // Izvestia z Tula State University. Technické vědy. 2014. Sv. 11. Část 17. s. 74–84.

7. Technologický návod OJSC “Gazprom” pro automatické svařování plným drátem v oxidu uhličitém metodou STT kořenové vrstvy svaru a plněného drátu v ochranných plynech výplňových a lícních vrstev svaru pomocí M-300S svařovací hlavy do speciální zúžené drážky okrajů nerotačních prstencových tupých spojů?. OJSC Gazprom, 2012. 26 s.

V současné době je Rusko jedním z lídrů na světovém trhu s ropou. Malá, střední a velká pole se nacházejí po celé zemi, takže otázka přepravy ropných produktů je aktuální. Pro čerpání ropy a různých ropných produktů je nejvýnosnější potrubní doprava. Mnoho potrubí v Rusku bylo položeno v obtížných přírodních a klimatických podmínkách. Potrubní přeprava ropy a ropných produktů má řadu výhod: nízké provozní náklady; nízké náklady na čerpání; přípustnost čerpání několika druhů ropných produktů najednou; nízké ztráty ropných produktů při čerpání; nepřetržité dodávky bez ohledu na klimatické podmínky atd. Více než 90 % ropy v zemi se přepravuje ropovody. Těžební vrty jsou propojeny s infrastrukturou ropných polí ropovody [1]. Proces výstavby ropovodů a plynovodů je charakterizován velkými kapitálovými investicemi, jejichž snižování je usnadněno použitím inovativních technologií, nových technických řešení a přilákáním vysoce kvalifikovaného personálu.

Metody výzkum: teoretický (studium, analýza a syntéza literatury k řešenému problému; analýza předmětu výzkumu; zobecnění výsledků výzkumu); empirické (studium regulačních dokumentů, analýza dokumentace, analýza výsledků mechanických zkoušek; experimentální (mechanické zkoušky svarových spojů).

Výsledky výzkumu a diskuse

Potrubí se dělí na ropovody pro čerpání ropovody a ropovody, jakož i pro čerpání motorové nafty, benzínu, topného oleje atd. Metody svařování ropovodů: tepelné druhy svařování (oblouk, pod tavidlem, plazma, plyn, laser a další), termomechanické (odporové svařování magneticky řízeným obloukem), speciální metody. Trubky jsou svařovány ve všech prostorových polohách pomocí obloukového svařování. Při ručním svařování dosahuje rychlost pohybu elektrody po průměru spoje 20 m/h, v automatizovaném režimu – 60 m/h [1]. Instalace sekcí sestávajících ze dvou nebo více trubek velkých průměrů se provádí pomocí mechanizovaného svařování. Nejpoužívanější je automatické svařování pod tavidlem a svařování elektrodou. Při spojování trubek malého průměru se používá automatické svařování magneticky řízeným obloukem, tzv. obloukové svařování. Působení magnetického pole podél okrajů spojovaných trubek způsobuje vysokorychlostní rotaci oblouku, což přispívá k ohřevu spojovaných okrajů. Svařování probíhá automaticky podle daného algoritmu s kontinuálním natavováním hran trubek [2].

Před montážními pracemi jsou trubky a komponenty zkontrolovány z hlediska shody parametrů s technickými specifikacemi všechny spojovací výrobky musí odpovídat tvaru konců trubek. Pro výrobu hlavních ropovodů jsou trubky z výroby dodávány s řezanými hranami pro obloukové svařování. Před montáží se trubky očistí od vnějších nečistot, okraje trubek a části k nim přiléhající (více než 1 cm) se vyčistí do kovového lesku.

Při montáži potrubí dbejte na to, aby osy potrubí byly kolmé na spoje, povolená odchylka nebyla větší než 2 mm a kontrolujte rovnoměrnost mezery po celém obvodu spoje. Pomocí speciálních centralizátorů jsou trubky sestaveny a mezi průměry svařovaných trubek je povolena mezera ne větší než 1 cm.

Předehřev se používá k regulaci tepelného cyklu svařování a zamezení vzniku studených trhlin (zejména u nízkolegovaných ocelí s uhlíkovým ekvivalentem 0,43 % a vyšším). Ohřev se provádí speciálními zařízeními, rovnoměrně ohřívajícími okraje na šířku asi 7,5 cm vlevo a vpravo od švu po celé délce [3]. Potrubí je svařeno na tupo. Svařovací proces se provádí ve směru zdola nahoru s příčnými oscilačními pohyby elektrod, amplituda oscilací je určena vzdáleností, která odděluje spoj částí trubky.

Ruční obloukové svařování, prováděné ve 2–4 vrstvách, umožňuje dosáhnout hlubšího průniku kořene svaru a zvýšit hustotu svaru. První nanesená vrstva, která zajišťuje penetraci kořene spáry, má konkávní povrch. Následující vrstvy se překrývají na předchozí, překrývají je a splývají s okraji spáry. Poslední vrstvou je lícní vrstva, která zajišťuje hladký přechod k základnímu kovu, má jemně šupinovitý povrch a plní dekorativní funkci. Metoda svařování trubek s rozřezaným proudem předpokládá, že každý svářeč zpracovává samostatnou část švu. Pokud jsou do práce zapojeni dva svářeči, pak se svařování provádí zdola nahoru, od začátku v opačných směrech podél obvodu.

Proces svařování je doprovázen tvorbou švové výztuže zvané otřepy, která zabraňuje izolaci zvenčí a propustnosti uvnitř potrubí. Po svaření se blesk odstraní pomocí odstraňovače blesků [4]. Při ručním obloukovém svařování je zpomalení tempa výstavby dálnic způsobeno nízkou rychlostí procesu. Doba výstavby potrubí se zkracuje tím, že se nepoužívají jednotlivé trubky, ale úseky svařované automatickým svařováním pod tavidlem nebo bleskovým svařováním na tupo v továrně. V moderních podmínkách, při výstavbě hlavních ropovodů, je současný úsek rozdělen na 10–20 sekcí, posádky začínají pracovat ve vzdálenosti 1 km od sebe, což pomáhá dosáhnout rychlosti pokládky 5–6 km za den. Kvalita svarů je předběžně kontrolována vizuálními měřicími metodami, poté se používá radiační nebo ultrazvukové testování. Poslední fází pokládky úseků ropovodu je jeho zkouška těsnosti.

Při výstavbě hlavních ropovodů, aby se zabránilo zničení pod vlivem rázové vlny, je instalován systém vyhlazování tlakových vln (SVS), který chrání potrubí a minimalizuje vypouštění pracovní tekutiny.

K ochraně potrubí před půdní a atmosférickou korozí se používají následující metody: pasivní – izolační nátěry na bázi bitumenových tmelů, epoxidového základního nátěru, polymerních lepicích pásek atd.; aktivní – elektrochemická ochrana potrubí katodickou polarizací. V současné době se používají izolační monolitické spojky [4].

Pro zvýšení efektivity procesu výstavby ropovodů je velká pozornost věnována výzkumu nových technologií svařování trubek. V tomto případě je kladen důraz na snížení počtu průchodů v procesu svařování, a tím zvýšení rychlosti svařování. Slibným směrem ve vývoji svařovacích technologií je laserové svařování. Plošnému zavedení této metody brání vysoké požadavky na kvalitu přípravy svarových hran. Hybridní laserové obloukové svařování umožňuje tyto požadavky snížit [3]. Hybridní laserové obloukové svařování zahrnuje současné působení svařovacího oblouku a laserového záření za účelem vytvoření svarové lázně. Proces lze provádět s nekonzumovatelnou nebo tavnou elektrodou. Zahřívání kovu a tavení jeho horní vrstvy se provádí pomocí elektrického oblouku, který pomáhá vytvořit široký šev, který vyplňuje mezery; laserový paprsek provádí hlubokou penetraci kovu. Tato metoda svařování umožňuje použití konstrukčních legovaných ocelí s vysokými mechanickými vlastnostmi pro svařování ropovodů. Zpočátku experiment navařování obvodových svarů potrubí prováděla firma Gullco. Jako zdroj laserového záření byl použit laser z optických vláken. Pro výšku otupení do 4,5 mm byl použit laser o výkonu 6 kW a pro vyšší výšku otupení byl použit laser SLV Mecklenburg–Vorpommern o výkonu 10 kW [5].

Během experimentu bylo zjištěno rozložení tvrdosti ve švu, nejvyšší tvrdost byla zaznamenána u kořene švu, což umožnilo svařit kořenový šev bez překrytí. Při testování svarových spojů trubek byly umístěny a upevněny v různých polohách, což umožnilo stanovit toleranční hodnoty charakteristické pro konstrukci potrubí. Pro kontrolu kvality svarů bylo použito ultrazvukové testování, jehož výsledky potvrzují příslib využití hybridní technologie při svařování ropovodů v náročných klimatických podmínkách. Pro svařování ropovodů hybridní laser-obloukovou technologií se používají mobilní technologické komplexy založené na modernizovaném svařovacím traktoru, mezi komplexy patří: laser-obloukový modul (vláknový laser s laserovou hlavou), systém vedení švu, elektrodový drát; podavač, střídač – jako zdroj oblouku.

Ekonomická efektivita při implementaci této technologie je způsobena: zvýšenou produktivitou, automatizací procesů, zlepšenou kvalitou svarů a sníženými výrobními náklady. Nutno podotknout, že zavedení technologie laserového svařování brání vysoké požadavky na přípravu svařovaných hran. Hybridní laserové obloukové svařování umožňuje snížit požadavky? k přípravě svarových hran, což v současnosti brání zavádění technologie laserového svařování při svařování ropovodů.

Laserové obloukové svařování není bez nevýhod, a to: zvětšení příčných rozměrů svaru přispívá k přehřívání základního kovu; zvýšení tlaku oblouku na svarovou lázeň, což je způsobeno zvýšením tepelného příkonu, aby byla zajištěna schopnost tavení hybridního zdroje tepla ve srovnání s laserovým svařováním. Během procesu svařování vznikají charakteristické vady, jako jsou podříznutí na jedné nebo obou stranách horní housenky, vnitřní póry a propadlé švy. Odstranění těchto nedostatků je možné současnou modulací oblouku odtavné elektrody a laserového záření. Kromě toho se svarový šev zužuje (0,87 je koeficient tvaru švu), stejně jako dendritická struktura švu se zjemňuje [4].

Hybridním laserovým obloukovým svařováním lze zhotovit podélný šev tlustostěnných trubkových polotovarů jak s maximální přípustnou mezerou, tak s mezerou přesahující přípustnou hodnotu, a to při zlepšení kvality svaru. V tomto případě se pro svaření švu tlustostěnných trubkových polotovarů současně umístí dva laserové paprsky na stranu vnějšího povrchu spoje okrajů trubkového polotovaru. Laserové paprsky jsou směrovány v rozostřeném stavu na protilehlé okraje spoje polotovaru trubky. To je možné, když se oblasti šíření paprsku neprotínají a jsou umístěny v nejbližší možné vzdálenosti, která je zvolena na základě podmínek pro možnost provádění procesu svařování. Laserové paprsky se protínají v zóně oblastí s nejmenším průměrem každého paprsku, což vede k součtu energie laserového záření. Stejný úhel instalace laserových paprsků vzhledem k vertikále přispívá k roztavení okrajů polotovaru trubky a vytvoření svaru.

Do svařovací zóny je přiváděn přídavný drát, roztavený v ochranném prostředí elektrickým obloukem, aby vytvořil jednu svarovou lázeň. Jako ochranné prostředí pro svar se používá plyn nebo směs plynů, například argon a oxid uhličitý bazén. Za nosníky je umístěn elektrický oblouk pro vyplnění drážky okrajů polotovaru trubky. Osy paprsků jsou umístěny ve stejné rovině, kolmé ke směru svařování, a ve stejných úhlech od svislé osy s jejich průsečíkem v ohniskové oblasti. Ohnisko je umístěno nad povrchem obrobku a oblast rozostření je umístěna tak, aby se zajistilo, že paprsek dopadne na odpovídající protilehlý okraj spoje. Švové svařování se provádí jedním průchodem, což pomáhá snížit náklady na energii a práci [4].

Nejběžnější technologie svařování plynovodů, a to automatické svařování plným drátem v ochranných plynech, kombinovaná technologie zahrnující svařování kořenového švu mechanizovaným svařováním stavnou elektrodou v prostředí aktivního plynu s následným vyplněním drážky tavidlem drátu pomocí automatického svařování v prostředí ochranného plynu, nejsou vždy schopny zohlednit zvláštnosti konstrukce plynovodů z vysokopevnostní oceli, vysoká konstrukční kapacita, pomocí potrubí velkého průměru, od kov velké tloušťky (více než 25 mm). Rovněž je třeba vzít v úvahu náklady na komplex zařízení pro tyto metody svařování.

Technologie zhotovení neotočných spojů trubek automatickým svařováním plným drátem v ochranném plynu do speciální zúžené drážky okrajů trubek sestavených se „slepou“ mezerou [6] napomáhá k získání kvalitních svarových spojů pomocí ne tak drahé vybavení. Tato technologie pomáhá: zkrátit dobu montáže spoje; snížení doby svařování; snížení počtu výplňových vrstev, minimalizace použití perličkového svařování, přispívá ke zlepšení kvality.

Výhody technologie: automatizace procesů; mírné náklady na vybavení (ve srovnání s plně automatickými systémy); snadnost školení (přeškolení) svářečských operátorů; snížení doby montáže a svařování spojů; zmenšením plochy průřezu řezu se objem usazeného kovu zmenšuje; úspora svařovacích materiálů; vysoké mechanické vlastnosti svarových spojů? [6]. Svařování kořenové vrstvy švu se provádí v prostředí aktivních plynů, další plnění drážky švu se provádí plněným drátem automatickým svařováním v ochranných plynech. Tím je zajištěno, že standardní posunutí okrajů není větší než 3 mm, zlepšuje se geometrie svařovaných okrajů trubek, snižuje se šířka lícní vrstvy švu a svařované okraje jsou plně srostlé, přičemž výška vratné housenky je 0–3 mm. Kořenová vrstva se tvoří 4–5 mm vysoká a 3–6 mm široká.

Mechanické zkoušení svarových spojů? dovolujeme konstatovat, že tato technologie napomáhá k dosažení vysokých mechanických vlastností svarových spojů, konkrétně zvýšení rázové houževnatosti (tabulka) [6].

Výsledky srovnávacích testů? mechanické vlastnosti svarových spojů provedených ve spojích trubek Ø1420 mm x 25,8 mm z oceli pevnostní třídy K60

Mechanizované svařování stavnou elektrodou v prostředí aktivního plynu kořenové vrstvy svaru s následným vyplněním drážky automatickým svařováním plněným drátem v ochranných plynech

Kombinovaná technologie pro svařování kořenové vrstvy švu v automatickém režimu pomocí pevného drátu v oxidu uhličitém a svařování výplňových a krycích vrstev švu pomocí plněného drátu v ochranných plynech

Statická pevnost v tahu, MPa