Обоснование применения дуговой сварки при ремонте магистральных трубопроводов под давлением

Сегодня ни у кого не вызывает сомнения экономическая и экологическая целесообразность выполнения ремонтных работ на магистральных трубопроводах без остановки транспортировки продукта. Основными из них являются восстановление несущей способности линейной части трубопроводов с коррозионно-механическими повреждениями и присоединение ответвлений. При этом применение дуговой сварки на действующем трубопроводе имеет свои особенности, которые требуют новых технологических решений.

Обоснование применения дуговой сварки при ремонте магистральных трубопроводов под давлением

В связи со снижением прочности металла при локальном разогреве дугой экспериментально и теоретически установлены условия сохранения несущей способности трубы в процессе сварки. Получены расчетные и графические зависимости для определения допустимой протяженности зоны разогрева стенки труб различного диаметра при сварке вдоль образующей и обоснованы безопасные условия сварки по окружности.

Экспериментальные данные, полученные при сварке на сосудах под гидравлическим давлением, показывают (табл. 1), что даже при незначительном тепловложении (3,74 кДж/см) тонкостенные оболочки разрушаются при сварке вдоль образующей трубы. При сварке по окружности допустимое тепловложение несколько выше, а предварительное бандажирование участка сварки значительно расширяет этот диапазон.

вляли по программе, разработанной в ИЭС им. Е.О. ПАТОНА под руководством академика НАНУ В. И. МАХНЕНКО. Результаты расчетов приведены в виде графических зависимостей разрушающих давлений от толщины стенки трубы для нефтепроводов (рис. 2, а) и газопроводов (рис. 2, б) при различных условиях теплообмена и режимах сварки. Видно, что дуговую сварку на токах 90-100 А можно выполнять на трубопроводах под давлением до 10,0 МПа при условии, что реальная толщина стенки в зоне сварки превышает 5 мм. Увеличение интенсивности теплоот-вода (кривая 1) приводит к снижению требований к допустимой толщине стенки трубы. При сварке на газопроводе в интервале давлений 0,1-2,0 МПа наблюдается отклонение в пропорциональности зависимости разрушающего давления от толщины стенки (см. рис. 2, б). В этом случае коэффициент

УСЛОВИЯ РАЗРУШЕНИЯ ТРУБЫ ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Таблица 1

Диаметр трубы, мм Толщина стенки, мм Внутреннее давление, МПа Соотношение св/ст, % Направление сварки Погонная энергия, кДж/см

320 3,0 4,0 0,85 По образующей 3,74

320 3,0 4,0 0,85 По окружности 4,75

320 3,0 3,0 0,04 По образующей 4,75

320 3,0 3,0 0,64 По окружности 5,05

325 8,0 12,0 0,76 По образующей 13,80

325 8,0 11,0 0,70 По образующей 15,60

325 8,0 9,0 0,57 По образующей 18,10

320 3,0 4,0 0,85 По окружности (с бандажами) 9,15

На рис. 1 показаны условия разрушения трубы внутренним давлением при сварке вдоль образующей, связанные с параметрами зоны разогрева ее стенки. Расчетные данные получены по критериям механики разрушения, когда за условный дефект принимается зона разогрева металла до 720 °С (при значениях прочностных характеристик металла, близких к нулю). Видно, что с уменьшением диаметра трубы критические размеры этой зоны сокращаются, что свидетельствует о высокой опасности сварочных работ.

С учетом положительного эффекта предварительного бандажирования численным методом были определены безопасные условия сварки по окружности. Решение нестационарной задачи теплопроводности с учетом конвективного теплообмена на внутренней поверхности трубопровода осущест-

50 100

Критическая длина разогрева стенки трубы, мм

Рис. 1. Критические размеры зоны разогрева металла до 720 °С для труб с различными геометрическими параметрами, мм: 1 - 325х8; 2 - 530х9; 3 - 720х9; 4 - 1020x12; 5 - 1220x14

(условия) теплоотдачи оказывает большее влияние на пластическую неустойчивость непроплавленной части стенки, нежели уровень внутреннего давления. При больших значениях давления лидирующую роль играет уже распределенная нагрузка на указанную перемычку.

Как показали исследования, при сварке на трубопроводе, предварительно усиленном бандажами, опасность его разрушения внутренним давлением вследствие чрезмерного локального разогрева металла стенки сварочной дугой значительно снижается. При этом диапазон допустимых тепловло-жений при сварке нахлесточно-стыковых

4,0 5,0 6,0 1,тт

Рис. 2. Зависимость разрушающего давления Р от толщины ? стенки трубы при сварке по окружности нефтепровода (1, 3 — скорость транспортировки нефти 6 м/с; 2, 4 — скорость транспортировки нефти 2 м/с) и газопровода (1, 3 — скорость транспортировки газа 20 м/с;

2, 4 — скорость транспортировки газа 6 м/с; 1, 2 — ток сварки 90 А;

3, 4 — ток сварки 140 А)

ЭКСПОЗИЦИЯ 17 (37) август 2007 г.

СВАРКА 39

соединений имеет более широкие пределы, чем просто при наплавке или выполнении угловых швов, что в свою очередь позволяет регулировать параметры и свойства зоны термического влияния. В связи с изложенным, повышается безопасность проведения сварочных работ на трубопроводе под давлением и надежность полученных соединений при эксплуатации.

Все вышесказанное позволило предложить новый конструктивно-технологический подход к выполнению сварочных работ на действующих трубопроводах с применением нахлесточно-стыковых соединений, обеспечивающих безопасность дуговой сварки на трубах с толщиной стенки не менее 5 мм и внутренним давлением до 7,5 МПа. В качестве примера на рис. 3 показана технологическая схема соединения усиливающей герметичной муфты с трубопроводом на участке, поврежденном

коррозией. Продольные швы муфты и дополнительных колец выполняют на подкладке, не касаясь стенки трубопровода. Для герметизирующих кольцевых швов обязательным условием является сплавление трех элементов по технологии, обеспечивающей нормализацию участка крупного зерна (исключающей образование закалочных структур) в ЗТВ стенки трубопровода.

С целью оценки служебных свойств на-хлесточных сварных соединений нового типа были проведены испытания образцов-имитаторов с различным конструктивным оформлением (рис. 4) при статическом и циклическом нагружении. Установлено, что для сварных соединений, выполненных по предложенной новой схеме, напряжение среза и сопротивление изгибу значительно выше, чем для традиционных соединений с угловыми швами (табл. 2).

Механические свойства и ударная вязкость металла швов, полученных при различных условиях охлаждения, соответствует нормативным требованиям (табл. 3).

На рис. 5 показано, что переход от соединений с угловым швом к нахлесточно-стыковым повышает предел выносливости сварного узла в случае повторно-статического нагружения более чем на 50%. Это объясняется снижением уровня напряжений в зоне сплавления шва со стенкой трубы за счет локального ограничения изгибных деформаций нагружаемого элемента.

Немаловажное значение при осевом сдвиге имеют контактные давления между трубопроводом и усиливающими конструктивными элементами, вызываемые сваркой и повышением внутреннего давления до рабочего. От их величины зависит запас прочности кольцевых швов нахлесточно-стыковых соединений, работающих на

12±2'

Рис. 3. Технологическая схема применения усиливающих муфт с дополнительными кольцами на поврежденных участках трубопровода: 1 — трубопровод; 2 — герметичная муфта; 3 — дополнительное технологическое кольцо

1 1

Рис. 4. Образцы для оценки служебных свойств нахлесточных сварных соединений с различным конструктивным оформлением: а — одноосное растяжение; б — испытание на изгиб; в — циклическое нагружение (растяжение); г — малоцикловое внеосевое нагружение

Таблица 2

СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ РАЗРУШЕНИЮ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С РАЗЛИЧНЫМ КОНСТРУКТИВНЫМ ОФОРМЛЕНИЕМ ПРИ ДЕЙСТВИИ СРЕЗЫВАЮЩИХ И ИЗГИБАЮЩИХ УСИЛИЙ

Тип сварного Напряжение среза, Изгибающий момент,

соединения МПа Н^м

Нахлесточное

с угловым швом 450-500 585-600

Нахлесточно-стыковое 500-620 1040-1090

Примечание. Приведены результаты испытаний не менее 5 образцов

Таблица 3

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ МЕТАЛЛА ШВА НАХЛЕСТОЧНО-СТЫКОВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛИ ТИПА 17Г1С

Условия сварки Толщина свариваемых элементов, мм Сварочные материалы Предел текучести, МПа Временное сопротивление разрыву, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % Ударная вязкость КСи, Дж/см2, при температуре: °С

-40 -60

Скорость охлаждения 18 °С/с (температура предварительного подогрева 150 °С) 14+14 14 УОНИ-13/55 444 581 26,7 60,1 116 85

Скорость охлаждения 85 °С/с (принудительное охлаждение) 14+14 14 УОНИ-13/55 512 630 18,2 57,3 58 36

Скорость охлаждения 85 °С/с (нормализация) 14+14 14 УОНИ-13/55 420 565 28,1 63,2 132 91

Примечание. Приведены минимальные значения результатов механических испытаний сварных образцов

срез при воздействии осевых нагрузок. Сопротивление осевому сдвигу при механическом обжатии муфты (рис. 6, а) составляет всего 6,5% от сопротивления срезу кольцевого шва (рис. 7, а). В случае сварки продольных стыков это сопротивление повышается до 17% при последовательном выполнении швов (рис. 7, б) и до 21% (рис. 7, в) - при одновременном (рис. 6, в). Наложение дополнительных кольцевых швов на муфте (рис. 6, г) позволяет повысить сопротивление сдвигу до 33% от величины усилий, срезывающих кольцевой шов сплавления с трубой шириной 6 мм (рис. 6, д).

В качестве примера применения разработанных в ИЭС им. Е. О. ПАТОНА технологических рекомендаций по использованию дуговой сварки на действующих трубопроводах можно привести ремонт дефектных стыков магистрального газопровода «Союз» на участке КС «Богородчаны» - КС «Хуст» трубы диаметром 1400 мм из стали Х70 при внутреннем давлении 3,96 МПа в сложных горных условиях (рис. 8), а также врезку отвода Ду200 в магистральный газопровод Ду1400 под давлением 6,1 МПа на линейном участке УМГ «Черкассытрансгаз».

Суммарный экономический эффект только за счет сэкономленного газа составил 3,5 млн. грн.

Следует отметить, что персонал, который был задействован для выполнения ремонт-но-восстановительных работ на газопроводе под давлением, прошел теоретическое обучение. Практические навыки приобретали на образцах и макетах. Сварщики также прошли дополнительное обучение и переаттестацию по программе, разработанной в ИЭС им. Е. О. ПАТОНА.

В настоящее время официальный статус получила Инструкция по применению дуговой сварки при ремонте газопроводов под давлением, согласованная с Госнадзорохрантруда.

Р-102, кН

8642

Выполненные работы по усилению дефектных стыков магистрального газопровода и врезке отвода подтвердили экономическую целесообразность, надежность, мобильность и безопасность дуговой сварки с применением нахлесточно-стыковых соединений в экстремальных условиях.

В. С. БУТ, канд. техн. наук, ИЭС им. Е. О. ПАТОНА НАН Украины, А. В. ЩЕРБАК, инж., ДК «Укртрансгаз»

Рс, МПа

15 10 5

ст0, МПа 260

220 180 140 100

с

1 ч 1г

ст0, МПа 400-

10*

4 6 8106 2И

360 320 280

240 10:

АЛ 1 N

<ъ ^

Л,

\ о-*

Рис. 7. Контактные давления РC

2 4 6 8 104 N

Рис. 5. Кривые сопротивления усталости при циклическом

и повторно-статическом (б) нагружении: 1 — соединения с угловым швом; 2 — нахлесточно-стыковые соединения

200

Рис. 6. Схемы сборки и сварки моделей бандажного соединения

Рис. 8. Ремонт дефектного стыка на действующем магистральном

газопроводе «Союз» Ду1400: а — сборка нахлесточно-стыковых соединений; б — внешний вид усиливающей двухслойной муфты