СПОСОБ ЦЕНТРОВКИ ТРУБ ПРИ ИХ СВАРКЕ ВСТЫК
METHOD OF PIPE ALIGNMENT DURING THEIR BUTT WELDING

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и может быть использовано при сооружении и ремонте вскрытого от грунта участка подземного трубопровода из стальных труб.
Соединение труб сваркой встык, отвечающее требованиям нормативных документов, предполагает выполнение центровки, в результате которой две сопрягаемые трубы становятся соосными. Обеспечение соосности сопрягаемых труб достигается их перемещениями с целью достижения ими единой продольной оси. Эта работа трудоемка, особенно при наличии начальных отклонений по направлению к пространственному положению осей соединяемых труб.
Совмещение осей труб, то есть их центровку, производят трубоукладчиками. Усилия центровки в условиях наличия значительных отклонений начальных положений осей соединяемых труб и центровки труб больших диаметров достигают существенных значений. В связи с этим в ряде случаев при центровке труб используют десятки трубоукладчиков. Несмотря на это работа по центровке труб при их сварке встык занимает недопустимо по современным требованиям много времени. Причиной этого является отсутствие аналитических зависимостей между технологическими параметрами центровки труб, что не позволяет заблаговременно принять и использовать эти параметры при выполнении работы.
Известен способ центровки труб при их сварке встык при сооружении трубопроводов на опорах [Петров И.П., Спиридонов В.В. Надземная прокладка трубопроводов. - М.: Недра, 1965 г. - С. 218-224]. Способ позволяет определить высотные положения опор для обеспечения соосности соединяемых труб и определить усилия поддержки трубопровода опорами в условиях обеспечения центровки. Недостатком известного способа является невозможность его использования при наличии первоначальных отклонений положений продольных осей соединяемых труб в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Наиболее близким техническим решением является способ центровки труб при их сварке встык, включающий применение трубоукладчиков и центратора, обеспечение соосности сопрягаемых труб, путем их перемещения [Таран В.Д. Сооружение магистральных трубопроводов. - М.: Недра, 1964 г. - С. 116-118, 122-128]. Способ позволяет определить потребное количество трубоукладчиков исходя из необходимости обеспечения прочности труб при подъеме трубопровода. Недостатком данного способа является отсутствие решений по рациональным перемещениям труб трубоукладчиками и расстоянию между ними, отсутствие определения необходимого количества трубоукладчиков с целью обеспечения центровки труб при их сварке встык, связанная с этим сложность достижения соосности стыкуемых труб, а также возможность повреждения трубопровода из-за неопределенности его перемещений, протяженности изогнутого и вскрытого участков.
Технический результат изобретения - упрощение проведения центровки труб при их сварке встык при одновременном повышении соосности стыкуемых труб с исключением повреждения трубопровода.
Технический результат в способе центровки труб при их сварке встык достигается тем, что соосность центрируемых труб обеспечивают расстановкой трубоукладчиков по длине вскрытого от грунта участка трубопровода, при этом количество и необходимые усилия подъема трубопровода трубоукладчиками, расстояния между ними определяют решением системы уравнений:
1
i+1
i
при а=0; a=1,25a (i≥2) и
где
- расстояние от i-го сечения подъема до сечения центровки;
- длина изогнутого участка трубопровода;
T
q - вес трубопровода единичной длины;
n - количество трубоукладчиков, участвующих в центровке;
i - номер сечения подъема трубопровода трубоукладчиком;
- расстояние от i-го сечения до сечения центровки труб;
а также производят удаление грунта над участком трубопровода, прилегающим к дефектному, при этом протяженность удаления грунта определяют из условия
где Е - модуль упругости металла трубы;
I - момент инерции поперечного сечения трубы;
0
ν - величина несоосности центрируемых труб;
T
q - вес трубопровода единичной длины;
а - безразмерный параметр изогнутого участка трубопровода, определяемый в зависимости от технологических параметров центровки труб.
i
i
0
Сущность способа заключается в следующем. При ремонте участка подземного трубопровода центрируемые участки трубопровода 1 и 2 центруют с помощью трубоукладчиков с усилием подъема P на расстоянии  от центрируемого торца трубопровода до сечения приложения усилия P (где i-номер сечения) по всей длине изогнутого участка  в ремонтном котловане 3 (фиг. 1). Соосность центрируемых участков трубопровода 1 и 2 обеспечивают вскрытием участка трубопровода, прилегающего к дефектному, протяженностью , и рациональной расстановкой трубоукладчиков, что позволит устранить несоосность центрируемых труб ν.
Так как трубы могут иметь разрешенные стандартами ограниченные по величине отклонения по толщине стенки и наружному диаметру от номинальных размеров, поэтому центраторы обеспечивают повышение качества соединения труб встык. Кроме того, центратор фиксирует соосность стыкуемых труб при сварке их встык. Так как центратор по своей конструкции может воспринимать только ограниченное усилие, то соосность может быть обеспечена предлагаемым техническим решением. С учетом этого в предлагаемом способе усилие подъема трубопровода в сечении стыка принято минимальным, что упрощает работу. Достижение соосности стыкуемых труб обеспечивает надежную эксплуатацию трубопровода. Дефекты соединения труб являются причиной многих аварий трубопроводных систем.
Обоснование системы уравнений для определения количества и усилий подъема трубопровода трубоукладчиками, а также условия протяженности вскрытого участка трубопровода
i
i
i
1. Изгиб засыпанного грунтом участка повышает усилие подъема трубопровода и напряжения изгиба в трубопроводе. Усилия подъема трубопровода трубоукладчиком P, расстояние l от центрируемого торца трубопровода до сечения приложения усилия P (где i-номер сечения) определяются решением системы уравнений:
где
n - количество трубоукладчиков, участвующих в центровке;
- длина изогнутого участка трубопровода;
T
q - вес трубопровода единичной длины;
- расстояние от i-го сечения подъема до сечения центровки.
Длина изогнутого участка  определяется по формуле:
где Е - модуль упругости металла трубы;
I - момент инерции поперечного сечения трубы;
0
ν - величина несоосности центрируемых труб;
а - безразмерный параметр, определяемый по формуле:
В процессе центровки в стенке труб возникают напряжения изгиба, определяемые по формуле:
где
W - момент сопротивления поперечного сечения трубы.
Расчетные уравнения (1) - (7) получены из условия, что в сечении соединения труб встык (фиг. 1, сечение х=0) обеспечивается соосность этих труб, то есть продольная ось одной трубы является продолжением продольной оси другой трубы.
2
3
n
Совместным решением уравнений (1), (2), (3) и (4), задавая необходимое количество технологических параметров, вычисляются остальные значения указанных параметров. Первый (счет ведется от центрируемого конца труб) трубоукладчик следует установить непосредственно в конце поднимаемого участка и необходимое усилие подъема трубопровода этим трубоукладчиком принять значительно меньше, чем другими трубоукладчиками. Такие решения существенно облегчают достижение соосности труб в процессе работы, повышают качество и понижают продолжительность центровки труб. С целью обеспечения однотипности используемых трубоукладчиков (кроме первого) следует принять равенство усилий подъема Р=Р=…=P. С целью снижения необходимых усилий центровки трубоукладчики следует располагать ближе к центрируемому концу трубопровода с соблюдением безопасных условий работы этих трубоукладчиков.
После вычисления технологических параметров центровки труб по формуле (5) определяются напряжения изгиба в стенке трубы в сечениях его подъема трубоукладчиками, в которых возникают наибольшие напряжения.
Вычисление технологических параметров центровки по уравнениям (1)-(4) и определение напряжений по (5) позволяют обоснованно принимать технологические параметры центровки труб при их сварке встык и количество используемых трубоукладчиков, исключить повреждение трубопровода при центровке, совершенствовать организацию и проведение работы с повышением ее качества.
0
2
2
3
1
2
3
1
2
3
i
В качестве примера определим технологические параметры центровки труб с наружным диаметром 720 мм, толщиной стенки 10 мм при величине несоосности ν=50 мм. Вес трубопровода единичной длины  Примем количество трубоукладчиков n=3 шт. Для определения искомых величин имеем два уравнения с двумя неизвестными  и а. В результате вычислений находим а=0,32; а=0,40;  Параметр а вычислим по формуле  и а=1,81. Вычислено, что длина изогнутого участка трубопровода  Принято  с учетом условия  Необходимые усилия подъема трубопровода трубоукладчиками: Р=242 кгс; Р=Р=2420 кгс;  По значениям Р, P, Р производится подбор соответствующих трубоукладчиков. С увеличением количества трубоукладчиков уменьшаются значения P, то есть усилие подъема одним трубоукладчиком.
иi
2
иi
2
н
2
н
Обеспечение прочности трубопровода в процессе центровки достигается выполнением условия σ≤R. Здесь σ - наибольшие напряжения изгиба в трубопроводе, возникающие в сечениях приложения сил его подъема. А значение  где m, k, k - коэффициенты, принимаемые по СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы». Для рассматриваемого примера m=0,99, k=1,15, k=1,1. Величина - нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла труб, принимаемое равным минимальному значению предела текучести стали и равно 360 МПа для рассматриваемого примера.
2
i
i
2
3
2
3
и2
иi
2
3
5
4
Имеем R=282 МПа. Напряжения изгиба определяются по формуле  где M - изгибающий момент; W - момент сопротивления поперечного сечения трубопровода и равен 3893 см. Изгибающий момент определяется по формуле  где параметр w в сечении приложения усилия подъема Р вычисляется по формуле  а в сечении приложения усилия Р по формуле  Кроме того, Е=2,06⋅10 МПа - модуль упругости металла трубопровода и I=140140 см - момент инерции поперечного его сечения. Имеем w=0,26 и w=0,24. Наибольшее напряжение изгиба σ=26,2 МПа. Условие σ≤R соблюдается, то есть в процессе центровки прочность трубопровода обеспечена. При необходимости увеличением количества трубоукладчиков снижаются значения наибольших напряжений изгиба.
Таким образом, определение технологических параметров решением предложенной системы уравнений позволяет обеспечивать соосность центрируемых труб с соблюдением условий прочности трубопровода.