Новая комбинированная технология автоматической сварки неповоротных стыков труб магистрального газопровода

УДК 621.791

НОВАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ СТЫКОВ ТРУБ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

Е.А. Татаринов, Н.В. Глушак

Рассмотрена новая полностью автоматизированная комбинированная технология сварки неповоротных кольцевых стыковых соединений труб магистрального газопровода в специальную зауженную разделку кромок, собранных со «слепым» зазором. Произведено сравнение рассматриваемой технологии с традиционно применяемыми технологиями сварки линейной части магистрального газопровода. Выделены основные преимущества использования новой технологии.

Ключевые слова: магистральный газопровод, неповоротные стыки, специальная зауженная разделка кромок, «слепой зазор», автоматическая сварка.

В настоящее время на территории России реализуется большая программа проектирования и строительства крупных внутрироссийских, а также транснациональных газопроводных систем. В рамках данной программы осуществляется широкомасштабное строительство системы магистральных газопроводов «Южный коридор», ориентированное на сооружение системы магистралей нового поколения, отвечающей требованиям высокого уровня безопасности, надежности и эффективности функционирования.

Особенностями реализации проекта строительства газопровода «Южный коридор» является большая проектная мощность (63 млрд. м газа в год), достаточно высокое рабочее давление (до 9,8 МПа) а также использование в связи с этим труб большого диаметра с большой толщиной стенки (0 1420 мм х 25,8 мм - для строительства линейной части), произведенных из стали высокого класса прочности. Следует учитывать также, что газопровод проходит через большое количество земель сельскохозяйственного назначения, а также пересекает большое количество рисовых чеков, каналов, рек и различного рода препятствий искусственного и естественного происхождения.

Указанные особенности не дают возможности полноценного и эффективного применения в данном проекте традиционных технологий сварки неповоротных стыков труб, наиболее часто используемых в современном строительстве магистральных газопроводов, к числу которых относят:

1) технологию автоматической сварки проволокой сплошного сечения в защитных газах (АПГ+ААДП);

2) комбинированную технологию механизированной сварки плавящимся электродом в среде активных газов корневого слоя шва с последующим заполнением разделки автоматической сваркой порошковой про-

волокой в защитных газах (МП+АПИ).

Данные технологии сварки неповоротных стыков труб на сегодняшний день обладают наилучшим сочетанием таких показателей, как: качество готовых сварных соединений, производительность процесса сварки, а также экономическая эффективность от применения в проектах.

Помимо этого, несомненным преимуществом применения технологии сварки АПГ+ААДП при строительстве магистральных газопроводов является полная автоматизация сварочного процесса, которая в сочетании с усовершенствованной геометрией свариваемых кромок, обеспечивает высокую производительность для широкого диапазона типоразмеров свариваемых труб в сочетании с высокими механическими свойствами сварных соединений [1]. Осуществление данного способа сварки в щелевую разделку минимизирует количество наплавленного металла, что помимо экономии сварочных материалов, сокращает время производства сварочных работ. Но высокая стоимость комплекса оборудования (табл. 1), его квалифицированного обслуживания делает рентабельным применение данной технологии сварки только при строительстве достаточно протяженных линейных участков магистральных газопроводов [1]. А количество таких участков при строительстве системы газопроводов «Южный коридор» сильно ограничено ввиду наличия большого количества указанных ранее препятствий естественного и искусственного происхождения. Именно этот факт не дает возможности использования технологии сварки АПГ+ААДП при реализации проекта строительства газопровода «Южный коридор» на полную мощность.

Что касается технологии сварки МП+АПИ, также широко реализуемой при строительстве современных газопроводов, то важнейшими ее преимуществами является простота применения, а также распространённость используемого оборудования, его приемлемая цена и стоимость обслуживания. Но такие недостатки, как отсутствие полной автоматизации сварочного процесса (не автоматизирована сварка корневого слоя шва), а также большой объем наплавленного металла (вследствие сварки в стандартную неусовершенствованную разделку кромок) не позволяют обеспечить необходимый на сегодняшний день темп строительства в сочетании с высоким экономическим эффектом от использования данной технологии при строительстве системы магистралей «Южный коридор».

Проанализировав положительные и отрицательные стороны вышеуказанных технологий, было принято решение о необходимости создания новой технологии сварки неповоротных стыков труб, которая может быть эффективно применена при строительстве системы газопроводов «Южный коридор». Соответствующая технология должна обеспечить получение высококачественных сварных соединений в сочетании с надежной работой оборудования и его приемлемой ценой. Помимо этого, основным требованием к новой технологии явилось обеспечение полной автоматизации сва-

рочного процесса, а также усовершенствование геометрии свариваемых кромок труб.

Таблица 1

Сравнение способов сварки неповоротных стыков труб магистрального газопровода

№ п/п

Способ

жарки Параметры

АПГ+ААДП

МП+АПИ

АПГ+АПИ

б р

т к о м о

рк

а к

е

п

3

Схема разделки

Схема заполнения разделки

Площадь сечения, мм2

180

352

232

Сложность обучения и применения

Низкая

Средняя

Низкая

Производительность*, шт

20 - 25

7 - 9

12 - 16

Усредненное время сварки стыка**, мин

93

220

135

Сварочное оборудование

1) Сварочная головка Р600/Р700;

2) Источник тока Idealarc DC-400;

3) Источник тока Fronius TPS 3200;

4) Внутритрубный автомат IWM

1) Источник тока ¡пуейее 8ТТ-П;

2) Подающий механизм ЬБ-37 3) Источник тока Ыеа1аге ЭС-400;

4) Сварочная головка М300-С

1) Источник тока Invertec STT-II;

2) Источник тока Idealarc DC-400;

3) Сварочная головка М300-С

6

Дополнит. оборудование

Станок для переточки кромок PFM

Станок для переточки кромок PFM

* Производительность определена из расчета осуществления сварки стыков магистрального газопровода 01420 мм с толщиной стенки 25,8 мм за смену

продолжительностью 12 часов в трассовых условиях с применением поточно-расчлененной схемы сварки._

1

2

3

4

5

_Продолжение Табл. 1

** Усредненное время сварки определено из расчета осуществления сварки стыка магистрального газопровода 01420 мм с толщиной стенки 25,8 мм.

*** Толщина стенки 25,8 мм выбрана, как основная толщина стенок труб, применяемая при строительстве линейной части газопровода «Южный коридор»_

В качестве базовой технологии была выбрана технология сварки МП+АПИ, реализуемая на базе широко распространённого в России оборудования (табл. 1), которое и было положено в основу новой технологии сварки, как отвечающее всем требованиям по приемлемости цены, стоимости облуживания, простоте применения и качеству получаемых при его использовании сварных соединений.

Автоматизация корневого слоя шва была достигнута посредством перехода со способа сварки МП (механизированной сварки плавящимся электродом в среде активных газов) в стандартную заводскую разделку кромок труб на способ сварки АПГ (автоматическую сварку проволокой сплошного сечения в защитном газе) в специальную зауженную разделку кромок труб, собранных со «слепым» зазором, которая осуществляется методом 8ТТ в автоматическом режиме. Таким образом, была создана полностью автоматизированная комбинированная технология сварки корневого слоя шва в автоматическом режиме проволокой сплошного сечения в углекислом газе и сварки заполняющих и облицовочного слоев шва порошковой проволокой в защитных газах (АПГ+АПИ). Применение новой технологии АПГ+АПИ сводит к минимуму влияние человеческого фактора на процесс сварки, а также облегчает обучение сварщиков (операторов) по сравнению с базовой технологией МП+АПИ, что в конечном итоге повышает механические свойства сварных соединений и обеспечивает стабильность их получения.

Сварка корневого слоя шва по технологии АПГ осуществляется с использованием источников сварочного тока 1пуеГ;ес 8ТТ-П («Линкольн Электрик» (США) и автоматических сварочных головок М300-С («СиЭр-Си Эванс АВ» (США) в соответствии с режимами сварки, представленными в табл. 2, «на спуск» с поперечными колебаниями электродной проволоки одновременно двумя автоматическими сварочными головками, каждая из которых сваривает свою сторону сварного соединения [3].

Сварка заполняющих и облицовочного слоев шва по технологии АПИ выполняется с использованием источников питания Иеа1агс БС-400 («Линкольн Электрик» (США) и автоматических сварочных головок М300-С в соответствии с режимами сварки, представленными в табл. 3, «на подъем» с поперечными колебаниями электродной проволоки, одновременно двумя сварочными головками, при этом каждая головка сварива-

ет свою половину стыкового соединения. Сварку второй автоматической головкой начинают после завершения сварки первой головкой участка периметра сварного соединения, длина которого достаточна для одновременной работы сварочных головок [3].

Таблица 2

Режимы автоматической сварки корневого слоя шва головками

М300-С в зауженную разделку кромок труб, _собранных по «слепому зазору» *_

№ п/ п Наименование параметра Корневой слой шва

1 Направление сварки На спуск

2 Род тока, полярность Постоянный, обратная

3 Диаметр проволоки, мм 1,14

4 Скорость подачи электродной проволоки, дюйм/мин

5 Сила тока, А (Базовый/пиковый/Тайои1;) 420/90/0

6 Вылет электродной проволоки, мм 6,0 - 12,0

7 Скорость сварки, дюйм/мин

8 Защитный газ 100 % С02

9 Расход газа, л/мин 36 - 43

10 Угол наклона электродной проволоки (вперед) 0° - 3°

11 Частота колебаний электродной проволоки, мин-1 110 -160

12 Амплитуда колебаний электрода, мм 0,100 - 0,140

13 Время задержки электрода на кромке, мсек 0 - 50

* Параметры режимов сварки корректируются конкретно для каждого диаметра и толщины стенки труб

Как уже отмечалось, помимо вопроса полной автоматизации разрабатываемой технологии, также стоял вопрос о совершенствовании геометрии свариваемых кромок труб, ввиду того, что стандартная заводская разделка кромок труб, используемая при реализации базовой технологии, имеет большую площадь сечения (табл. 1). Это приводит к таким недостаткам как: большой объем наплавленного металла; наличие большого количества заполняющих слоев; выполнение сварки последних заполняющих слоев в несколько валиков (что представляет сложность для сварщиков и, в общем, понижает качество готовых сварных соединений); снижение общего темпа производства сварочных работ.

Таблица 3

Режимы автоматической сварки заполняющих и облицовочного слоев шва головками М300-С в зауженную разделку кромок труб *

№ п/п Параметры сварки Наименование слоя шва

Первый заполняющий Последующие заполняющие Облицовочный

1 Направление сварки На подъем На подъем На подъем

2 Скорость подачи проволоки, дюйм/мин

3 Диаметр проволоки, мм 1,32

4 Род тока, полярность Постоянный, обратная Постоянный, обратная Постоянный, обратная

5 Сила тока, А 220 - 240 230 - 260 190 - 215

6 Напряжение на дуге, В 21 - 23

7 Вылет электрода, мм 7 - 10

8 Скорость сварки, дюйм/мин

9 Частота колебаний -1 электрода, мин 90 - 110 90 - 100 110

10 Амплитуда колебаний, мм По ширине разделки

11 Время задержки электрода на кромке, мсек 100 - 200 100 - 200 0 - 50

12 Угол наклона электрода (вперед), град 0-7 0-7 0-7

13 Защитный газ, % 75% Аг + 25% С02

14 Расход газа, л/мин 36-43

* Параметры режимов сварки корректируются конкретно для каждого диаметра и толщины стенки труб

При решении вопроса совершенствования геометрии свариваемых кромок труб изначально было определено, что сварка по новой технологии будет осуществляться по «слепому зазору». В результате дальнейшей работы по созданию новой разделки кромок, проведенной в рамках разработки технологии сварки АПГ+АПИ, была получена разделка кромок труб (табл. 1), при которой достигается оптимальное сочетание качества сварных соединений, производительности сварки и служебных свойств металла шва. Соответствующая разделка кромок труб (рис. 1) позволяет повы-

сить производительность технологии сварки АПГ+АПИ по сравнению с базовой практически в два раза (табл. 1).

Рис. 1. Внешний вид новой специальной разделки кромки труб

Это достигается посредством: уменьшения времени сборки стыка, которая является менее трудоемкой в случае сварки по «слепому зазору», нежели в стандартную разделку кромок; уменьшения времени, затрачиваемого на сварку корневого слоя шва, а также времени сварки заполняющих и облицовочного слоев. При этом уменьшение времени сварки заполняющих слоев, связано как со снижением их общего числа, так и со сведением к минимуму применения валиковой сварки, отсутствие которой, помимо всего прочего, позволяет повысить качество сварных соединений (рис. 2).

Рис. 2. Макрошлиф сварного соединения, выполненного по технологии

сварки АПГ+АПИ

Одновременно с этим, сварка по «слепому зазору» приводит к экономии используемых сварочных материалов. По подсчетам разработчиков экономическая выгода от применения зауженной разделки кромок труб при сварке в «слепой зазор» по технологии АПГ+АПИ по сравнению со сваркой стыка в стандартную заводскую разделку кромок по технологии МП+АПИ составляет порядка 26 млн рублей на 100 км строительства: 21 млн рублей экономится за счет уменьшения количества используемой про-

волоки на 56 тонн и 5 млн рублей - за счет уменьшения количества применяемых защитных газов на 2600 баллонов.

При этом, автоматическая сварка корневого слоя шва методом 8ТТ в узкую разделку кромок труб, собранных со «слепым» зазором (рис. 3), позволяет получить гарантированную высоту корневого слоя в 4,0-5,0 мм и полное проплавление свариваемых кромок с высотой обратного валика в диапазоне 0-3,0 мм и шириной 3,0-6,0 мм. В процессе разработки новой технологии успешно выполнялась сварка стыков труб, собранных с нормативным смещением кромок до 3,0 мм включительно.

Рис. 3. Автоматическая сварка корневого слоя шва методом 8ТТ в узкую разделку кромок труб со «слепым» зазором

Ширина облицовочного слоя шва, выполненного по технологии сварки АПГ+АПИ отличается в меньшую сторону, по сравнению с шириной облицовочного слоя шва, выполненного по базовой технологии (рис. 4).

Рис. 4. Облицовочный слой шва, выполненный по технологии

АПГ+АПИ

В процессе разработки новой технологии сварки была произведена целая серия механических испытаний сварных соединений, результаты которых показали, что технология сварки АПГ+АПИ обеспечивает получение высоких механических свойств сварных соединений, при этом особенные успехи были достигнуты в области повышенных значений вязкопла-стических свойств сварных соединений (особенно ударной вязкости) как при температуре испытаний - 20°С, так и при температуре испытаний -40

°С (табл. 4). Этот факт расширяет область применения технологии сварки АПГ+АПИ и предполагает возможность ее использования на проектах с повышенными требованиями к сварным соединениям в части значений ударной вязкости.

Таблица 4

Результаты сравнительных испытаний механических свойств сварных соединений, выполненных по технологиям сварки МП+АПИ, ААДП+АПГ и АПГ+АПИ на стыках труб 01420мм х 25,8мм из стали

класса прочности К60

№ п/ п Вид испытаний МП+АПИ ААДП+АПГ АПГ+АПИ

1 На статическое растяжение, [МПа] 651 608 642

649 604 640

644 619 639

647 610 641

2 Твердость, [ИУ10] Верхние слои сва рного соединения

шт шах шт шах шт шах

3 Основной металл 230 241 211 223 214 229

4 Зона термического влияния 217 229 222 263 200 268

5 Металл шва 221 236 213 236 211 222

6 Нижние слои сва рного соединения

7 Основной металл 235 249 204 220 202 212

8 Зона термического влияния 205 222 213 232 200 218

9 Металл шва 223 228 236 245 195 202

10 На ударный изгиб, КСУ [Дж/см2] -20°С -40°С -20°С -40°С -20°С -40°С

11 Надрез по шву, верхние слои сварного соединения 102 66 163 125 156 104

109 71 176 113 159 120

104 83 145 121 162 116

12 Надрез по шву, нижние слои сварного соединения 72 51 147 103 131 111

77 55 181 96 135 118

81 47 163 114 141 109

13 Надрез по линии сплавления, верхние слои сварного соединения 173 112 189 157 156 128

179 98 165 152 165 174

186 134 172 121 143 163

14 Надрез по линии сплавления, нижние слои сварного соединения 127 102 168 112 161 174

155 89 154 124 94 101

167 71 192 93 179 98

Таким образом, можно выделить следующие основные преимущества технологии сварки АПГ+АПИ по сравнению с традиционными технологиями сварки неповоротных кольцевых стыков труб магистральных газопроводов:

1. Полная автоматизация сварочного процесса.

2. Отсутствие необходимости закупки монтажными организациями нового оборудования.

3. Умеренная стоимость оборудования и его обслуживания по сравнению с другими полностью автоматическими комплексами.

4. Легкость обучения (переобучения) будущих сварщиков- операторов.

5. Легкость применения технологии за счет высокой степени автоматизации.

6. Снижение времени сборки и сварки стыка за счет использования труб со специальной зауженной разделкой кромок, собранных со «слепым зазором».

7. Снижение объема наплавленного металла за счет уменьшения площади сечения разделки.

8. Экономия сварочных материалов.

9. Высокие и стабильные механические свойства сварных соединений (в первую очередь, значения ударной вязкости).

Технология сварки АПГ+АПИ прошла квалификационные испытания и внесена в нормативную документацию по сварке трубопроводов ОАО «Газпром» [3]. В настоящее время данная технология внедрена и успешно применяется для сварки неповоротных стыков труб на проекте строительства магистрального газопровода «Южный коридор». В ближайшее время планируется использование данной технологии сварки и на других крупных объектах строительства магистральных газопроводов, таких как: МГ Бованенково-Ухта, «Южный коридор» (европейский участок строительства).

Работа представлена на 3-й Международной Интернет - конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ 1 мая - 30 июня 2014 г.

Список литературы

1. Преимущества автоматической сварки самозащитной порошковой проволокой / Блехерова Н.Г. [и другие] // Территория НЕФТЕГАЗ, 2013. №5. С. 94 - 95.

2. СТО Газпром 2-2.2-136-2007. Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых магистральных газопроводов. Часть I - введ. М.:ОАО «Газпром», 2007.-260с.:ил.

3. Технологическая инструкция ОАО «Газпром» по автоматической сварке проволокой сплошного сечения в углекислом газе методом 8ТТ корневого слоя шва и порошковой проволокой в защитных газах заполняющих и облицовочного слоев шва сварочными головками М-300С в специальную зауженную разделку кромок неповоротных кольцевых сты-

ковых соединений. ОАО «Газпром», 2012.-26с.

Татаринов Евгений Александрович, канд. техн. наук, доц., protopo-pov@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Глушак Николай Васильевич, рук. группы по внедрению инновационных технологий и оборудования, Nglushak@,nipistroytek. ru, Россия, Москва, ООО «НИПИСтрой-ТЭК»

A NEW COMBINED ORBITAL WELDING TECHNOLOGY OF MAIN GAS

PIPELINE'S TUBES

E.A. Tatarinov, N. V. Glushak

Considered a new fully automated combined orbital welding technology of annual butt joints of main gas pipeline's tubes into special narrowed edge preparation, collected with "blind" gap. Made comparison of concerned technology of conventionally used line pipe's technologies of main gas pipeline. Highlighted the main benefits of using the new technology.

Key words: main gas pipeline, orbital welding, special narrowed edge preparation, "blind" gap, machine welding.

Tatarinov Evgeniy Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, protopopov@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Glushak Nikolay Vasil 'evich, group chief in introducing innovative technologies and equipment, Nglushak@,nipistroytek. ru, Russia, Moscow, NIPIStroyTEK, LLC