Малогабаритное оборудование и комбинированная технология сварки трубопроводов

М.М. Савицкий, д-р техн. наук, А.М. Савицкий, канд. техн. наук, В.М. Ващенко, Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины

На нашем сайте вы можете купить центраторы для сварки труб по выгодным ценам. Мы являемся официальным представителем Mathey Dearman Inc. в России. Получить консультацию по ассортименту и условиям поставки можно по телефону (8452) 66-22-80 или оставив заявку на сайте.

Надежность и работоспособность многослойных сварных соединений, в том числе и стыков трубопроводов, в значительной мере зависит от качества выполнения корневых швов. Наличие в них дефектов, таких как поры, непровары, несплавления кромок, часто являются причиной разрушения в процессе эксплуатации.

Рис. 1. Макролифы сварных соединений, выполненных традиционным (а) и ATIG способами (б) на одинаковых режимах сварки

Рис. 2. Макролиф сварного соединения толщиной 10 мм, выполненного за один проход без разделки кромок ATIG способом

В настоящее время качественное формирование корневых швов при орбитальной сварке неповоротных стыков трубопроводов обеспечивают специальные формирующие устройства. Для их транспортировки необходима мощная и громоздкая техника. Практически на каждый диаметр трубы необходимо свое формирующее устройство, установка которого, последующее перемещение к следующему стыку или извлечение резко увеличивают трудоемкость монтажных работ.

В ряде случаев при строительстве, и особенно при ремонте трубопроводов, применение формирующих устройств крайне затруднено либо невозможно из-за ограниченности рабочего пространства, невозможности доставки к месту выполнения работ, отсутствия доступа во внутреннюю полость труб. В этих условиях необходимо обеспечивать формирование корневого шва на весу без подкладки. Поэтому в настоящее время основным технологическим процессом для выполнения корневых швов в таких условиях является ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Этот способ, несмотря на всю его простоту и кажущуюся дешевизну, имеет ряд существенных недостатков, таких как нестабильность условий сварки и формирования швов по периметру стыка, а также зависимость качества сварного соединения от квалификации сварщика. Результатом является образование в корневых швах непроваров, несплавлений кромок, зашлаковываний, пор и других дефектов, негативно отражающихся на качестве сварных соединений, работоспособности, долговечности и безопасности эксплуатации трубопроводов. Их исправление требует дополнительных трудовых и материальных затрат, что в свою очередь повышает стоимость и трудоемкость монтажных и ремонтных работ.

Опыт механизации орбитальной сварки трубопроводов в ядерной энергетике свидетельствует о том, что ее применение позволяет снизить количество дефектов сварных соединений с 15–20%, присущих ручной дуговой сварке, до 2–3%. Аналогичные тенденции проявляются и при механизации орбитальной сварки неповоротных стыков магистральных трубопроводов. Поэтому разработкам в области технологий и оборудования для орбитальной сварки неповоротных стыков уделяют внимание во всех промышленно развитых странах. Традиционно основным направлением этих работ является повышение уровня автоматизации на базе микропроцессорной техники, программирующих систем, систем дистанционного слежения и управления процессом сварки.

Для отечественного сварочного производства более оптимальным является путь адаптации и использования передовых технических решений, которые в свое время были разработаны и применены в других отраслях.

Одной из таких отечественных разработок является аргонодуговая сварка неплавящимся электродом с активирующим флюсом (ATIG). В ее основу положена активация процессов в дуге при сварке в защитных газах, которая позволяет в несколько раз, по сравнению с традиционным способом, увеличивать концентрацию нагрева металла и в 2–3 раза глубину проплавления без увеличения силы сварочного тока (рис. 1).

Рис. 3. Первичная структура металла шва, выполненного: а - традиционных способом (х150); б - ATIG способом (х150)

Рис. 4. Аппарат для орбитальной сварки трубопроводов диаметром более 219 мм неплавящимся электродом

Рис. 5. Аппарат для орбитальной сварки трубопроводов диаметром более 219 мм плавящимся электродом

Опыт, накопленный в области орбитальной сварки, свидетельствует, что в настоящее время из всех механизированных способов только аргонодуговой (TIG) позволяет гарантированно формировать корневые швы высокого качества без подкладки во всех пространственных положениях при односторонней сварке. Это способствовало его широкому распространению в атомной и других отраслях энергетики, где требования к качеству сварных соединений трубопроводов чрезвычайно высоки.

Недостатком данного способа является низкая проплавляющая способность дуги, при которой металл толщиной 3 мм и более необходимо сваривать с разделкой кромок. ATIG-способ позволяет сваривать без разделки кромок металл толщиной до 10 мм (рис. 2). Применение активирующих флюсов на Курской и Смоленской АЭС для орбитальной сварки в условиях монтажа свидетельствует о том, что данный способ перспективен.

Результаты исследований свидетельствуют, что применительно к трубопроводам транспортных систем ATIG-способ обеспечивает качественное формирование корневых швов во всех пространственных положениях при суммарной толщине притупления до 6 мм и без зазора между кромкам свариваемых труб. Сварку выполняот с наружной стороны стыка без формирующей подкладки.

В табл. 1 приведены данные, позволяющие оценить влияние активирующего флюса на показатели прочности и пластичности сварных соединений труб из сталей 20, 09Г2С, 17Г1С, 10ХСНД. Сварные соединения, выполненные ATIG-способом, не уступают основному металлу по показателям пластичности, а по прочности превосходят его.

Результаты испытаний на ударный изгиб и на загиб (табл. 2 и 3) также свидетельствуют о высоком качестве сварных соединений, выполненных ATIG-способом. При испытаниях на загиб достигнут предельно возможный угол загиба. Однако даже в этом случае в сварном соединении полностью отсутствуют трещины. Это говорит о высокой пластичности сварных швов, выполненных ATIG-способом. Об этом же свидетельствуют и результаты испытаний сварных соединений, приведенные в табл. 3.

Столь высокое качество сварных соединений, выполненных ATIG-способом, как свидетельствуют результаты металлографии, связано с положительным влиянием активирующих флюсов на процесс структурообразования в них. При традиционном способе сварки кристаллиты крупнее (рис. 3, а), а границы их резче выражены. ATIG-способ позволяет измельчить кристаллиты (рис. 3, б) и сформировать в шве дезориентированную структуру, исключающую возможность образования линии слабины.

При толщине стенки трубы до 6 мм и соответствующем качестве сборки стыка разделка кромок не нужна. Неповоротный стык выполняют за один проход с полным проплавлением и формированием обратной стороны без подкладки. При сварке труб большей толщины необходимо заполнение разделки кромок. Для заполнения можно применять различные механизированные способы сварки: порошковой проволокой либо в среде защитных газов проволокой сплошного сечения.

В случае заполнения разделки кромок механизированной сваркой плавящимся электродом в среде защитных газов, также как и при сварке порошковой проволокой, обеспечивается высокое качество сварных соединений. В табл. 4 приведены результаты механических испытаний сварных соединений труб из стали 20, выполненных комбинированным дуговым способом: корневой шов — ATIG-сваркой, заполнение — плавящимся электродом в защитных газах проволокой Св08Г2С. Эти данные свидетельствуют, что сварные соединения при одинаковой с основным металлом пластичности превосходят его по прочностным характеристикам.

Металлографические исследования этих сварных соединений показали, что в них формируется мелкозернистая феррито-перлитная структура.

Учитывая, что областью применения орбитальной комбинированной дуговой сварки в основном является ремонт трубопроводов или их строительство в местах с ограниченным доступом и рабочим пространством, для ее реализации необходимо соответствующее оборудование. Основными требованиями к нему являются небольшая масса и габаритные размеры для доставки его к месту работ и установки на трубе вручную. В соответствии с этими требованиями разработана конструкция малогабаритного аппарата для орбитальной сварки с блочной схемой комплектации. Аппарат имеет общий ходовой механизм и сменные головки для сварки плавящимся электродом в защитных газах и ATIG-способом (рис. 4, 5).

Источник: Информационно-технический журнал "Сварщик", 3 (67) 2009