Способ приварки ремонтной конструкции к трубопроводу
METHOD OF WELDING REPAIR CONSTRUCTION TO PIPELINE

Изобретение относится к области строительства, в частности, к способам ремонта сваркой трубопроводов подземной и надземной прокладки, а конкретно, к способу дуговой сварки угловых сварных швов ремонтных конструкций при их установке на трубопроводы из труб с контролируемой прокаткой.
Известен способ приварки муфты к трубе кольцевым угловым швом (Временная инструкция по технологии ремонта сварными муфтами дефектов труб и сварных соединений газопроводов, ОАО «Газпром», 2005), при котором сначала на трубу наносят наплавочные валики, а затем один на другой наносят последующие валики, при этом каждый последующий валик перекрывает предыдущий валик на величину, равную 1/3 его ширины. Катет сварного шва равен толщине привариваемой муфты. Зазор между трубой и муфтой составляет 2-3 мм. Катет сварного шва равен толщине привариваемой муфты.
Недостатком способа приварки является высокое тепловложение в металл трубопровода. На трубопроводах из сталей с контролируемой прокаткой происходит разупрочнение металла на линии сплавления и в зоне термического влияния, что приводит к снижению несущей способности трубопровода в указанных зонах, а также к образованию трещин. Использование способа приварки приемлемо только для трубопроводов из закаленных и отпущенных, нормализованных сталей, а также горячекатанных труб.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, является:
- снижение тепловложения в металл и за счет этого получение металла на линии сплавления и в зоне термического влияния с высоким металлургическим качеством и высокими вязкопластическими свойствами;
- отказ от перекрытия последнего контурного валика последующими валиками и нанесение завершающего корректировочного валика, что позволяет увеличить толщину стенки в зоне максимальной концентрации напряжений и сместить ее в сторону металла трубы в зону с более низкими концентрациями напряжений и структурами с высокой трещиностойкостью.
Технический результат заключается в повышении надежности сварного соединения при выполнении сварочных работ за счет получения структуры металла на линии сплавления и в зоне термического влияния сварного соединения с вязкой составляющей не менее 80%, что приводит к повышению несущей способности трубопровода.
Технический результат достигается за счет того, что в способе приварки ремонтной конструкции к трубопроводу, характеризующемся разделкой кромок торцов ремонтной конструкции под сварку, предварительным нагревом кольцевых кромок на торцах ремонтной конструкции, установкой и наложением сварных наплавочных и заполняющих валиков, формирующих угловой сварной шов и число которых не менее двух, на трубопроводе предварительно осуществляют установку ремонтной конструкции с зазором между трубопроводом и конструкцией от 3,0 до 5,0 мм, затем последовательно выполняют сварку продольных и кольцевых швов ремонтной конструкции, при этом предварительный нагрев кольцевых кромок на торцах ремонтной конструкции для угловых сварных швов проводят в интервале температур от 130 до 150°С, а дуговую сварку торцов ремонтной конструкции осуществляют с формированием кольцевого углового сварного шва по всему периметру трубопровода, при этом установку сварных наплавочных валиков осуществляют так, что крайний сварной валик не перекрывается заполняющими валиками, а после наложения заполняющих валиков по контуру углового сварного шва накладывают дополнительный сварной валик, причем выдерживают температуру охлаждения между накладываемыми сварными валиками в интервале от 130 до 170°С, затем охлаждают угловой сварной шов, со скоростью не более 40°С /сек путем непрерывного сопутствующего подогрева, до 170°С, и дальнейшее охлаждение выполняют путем укрытия теплоизолирующими поясами до температуры 50°С.
Способ приварки ремонтной конструкции к трубопроводу поясняется чертежом, где на фиг. представлена схема осуществления способа приварки ремонтной конструкции к трубопроводу.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - трубопровод;
2 - ремонтная конструкция;
3 - контурный валик;
4 - завершающий корректирующий валик;
5 - наплавочные валики;
6 - заполняющие валики
δм - толщина стенки ремонтной конструкции;
δом - толщина стенки трубопровода;
t - зазор между ремонтной конструкцией и трубопроводом;
К1 - катет шва со стороны трубопровода;
К2 - катет шва со стороны ремонтной конструкции
Реализация способа сварки заключается в выполнении сборочно-сварочных операций в следующей последовательности:
- осуществляют установку ремонтной конструкции 2 на трубопровод 1 с зазором t между трубопроводом и конструкцией от 3,0 до 5,0 мм с помощью наружного центратора;
- выполняют предварительный подогрев продольных и кольцевых кромок в интервале температур от 130 до 150°С;
- выполняют прихватку продольных стыков;
- выполняют сварку продольных стыков;
- выполняют сварку торцов с формированием кольцевого углового шва по всему периметру трубопровода.
Наложение кольцевых валиков выполняют в следующей последовательности:
а) наносят наплавочные валики 5, при этом каждый последующий валик перекрывает, по ширине, предыдущий не менее, чем на 50%;
б) наносят контурный валик 3;
в) наносят заполняющие валики 6, при этом контурный валик не перекрывается заполняющим валиком;
г) наносят завершающий (дополнительный) валик по контуру углового сварного шва;
д) между накладываемыми валиками выдерживают температуру охлаждения в интервале от 130 до 170°С;
е) после выполнения сварки охлаждают угловой сварной шов со скоростью не более 40 0С/сек путем непрерывного подогрева до 170°С;
к) накрывают угловой сварной шов теплоизолирующими поясами и выполняют охлаждение до температуры 50°С;
- удаляют теплоизолирующие маты и выполняют дальнейшее охлаждение стыка на воздухе.
Следует отметить, что местный (на длине не более 1/6 периметра трубопровода) интервал зазора между трубопроводом и ремонтной конструкцией от 3,0 до 5,0 мм выбран экспериментально, как наиболее оптимальный и часто встречающийся на практике, т.к. сборка стыка без зазора по всему периметру невозможна из-за эллипсности трубопровода по диаметру.
Выбор предварительного подогрева кольцевых кромок на торцах ремонтной конструкции для угловых сварных швов в интервале температур от 130° до 150°С, был сделан из следующих условий:
- при нагреве кромок ниже 130°С, тепловложение в металл оказывается недостаточным и после сварки, в зоне термического влияния, образуется закалочная структура нижнего бейнита, обладающая низкой трещиностойкостью из-за высокой загрязненности границ зерен неметаллическими включениями;
- при нагреве кромок выше 150°С, тепловложение в металл оказывается избыточным, что приводит к росту зерна и снижению показателей механических свойств в части пластичности и вязкости.
Кроме того, при температурах охлаждения между накладываемыми сварными валиками в интервале от 130 до 170°С механические свойства сварных соединений в части вязкостных характеристик при низких температурах и твердости являются оптимальными.
Способ приварки ремонтной конструкции к трубопроводу показан на следующих примерах.
Пример.
На трубопровод 1 с номинальным наружным диаметром 219 мм с толщиной стенки 10 мм класса прочности К48 устанавливают ремонтную конструкцию 2 в виде герметичной муфты длиной 1000 мм (класс прочности К48, толщина стенки 10 мм, внутренний диаметр муфты 219 мм) с зазором от 3,0 до 5,0 мм. Сварку выполняют электродами типа Э50А ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467 -75) с предварительным подогревом 100°С, 150°С, 200°С. Сварку стыков выполняют на одинаковых режимах.
Результаты механических испытаний металла сварных соединений на твердость (HV10) и ударную вязкость следующие:
- предварительный подогрев продольных, кольцевых швов и кольцевых кромок 100°С: 24-44 Дж/см2 (KCV -40); 220-250 (HV10);
- предварительный подогрев продольных, кольцевых швов и кольцевых кромок 150°С: 52-68 Дж/см2 (KCV -40); 205-220 (HV10);
- предварительный подогрев продольных, кольцевых швов и кольцевых кромок 200°С: 29-45 Дж/см2 (KCV -40); 190-210 (HV10).
Пример 2.
На трубопроводе 1 с номинальным наружным диаметром 426 мм с толщиной стенки 10 мм класса прочности К48 устанавливают ремонтную конструкцию 2 в виде герметичной муфты длиной 1000 мм (класс прочности К48, толщина стенки 10 мм, внутренний диаметр муфты 426 мм) с зазором от 3,0 до 5,0 мм. Сварку выполняют электродами типа Э50А ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467 -75) с предварительным подогревом 130°С, 150°С, 200°С. Сварку стыков выполняют на одинаковых режимах.
Результаты механических испытаний металла сварных соединений на твердость (HV10) и ударную вязкость следующие:
- предварительный подогрев продольных, кольцевых швов и кольцевых кромок 80°С: 24-44 Дж/см2 (KCV -40); 225-260 (HV10);
- предварительный подогрев продольных, кольцевых швов и кольцевых кромок 130°С: 52-59 Дж/см2 (KCV -40); 200-210 (HV10);
- предварительный подогрев продольных, кольцевых швов и кольцевых кромок 220°С: 25-42 Дж/см2 (KCV -40); 180-190 (HV10);
- предварительный подогрев продольных, кольцевых швов и кольцевых кромок 170°С: 54-64 Дж/см2 (KCV -40); 180-190 (HV10).
Сварка выполняется электродами типа Э50А, Э60 по ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467-75.
Сварка угловых швов выполняется последовательным наложением валиков с суммарным катетом шва равным толщине ремонтной конструкции 2 без перекрытия контурного валика 3 и наложением дополнительного завершающего корректирующего валика 4.
С целью определения работоспособности конструкции и ее оптимальных характеристик были проведены натурные опытные работы в производственных условиях при температурах окружающего воздуха до минус 10°С включительно.
На трубопроводе 1 диаметром 219 мм (2 образца) и 426 мм (2 образца) были приварены ремонтные конструкции типа разрезной тройник. На трубопроводе диаметром 219 мм были приварены ремонтные конструкции с патрубками и диаметром 57 мм, а на трубопроводе диаметром 426 мм были приварены ремонтные конструкции диаметром 159 мм.
Неразрушающий контроль показал отсутствие дефектов сварочного происхождения, а также механических повреждений и трещин.
В результате были установлены параметры технологии сварки, указанные в таблице 1.
Сваренные натурные образцы были испытаны на специализированном стенде на статическую прочность и циклическую долговечность. Результаты испытания натурных образцов трубопроводов с разрезными тройниками на статическую прочность приведены в таблице 2.
Результаты испытания натурных образцов трубопроводов с разрезными тройниками на циклическую долговечность приведены в таблице 3.
Применение предложенного способа обеспечивает получение сварного соединения с высоким металлургическим качеством и высокими вязко-пластическими свойствами, что повышает его сопротивляемость трещинообразованию и, соответственно, повышает несущую способность трубопровода.
Предложенное техническое решение может быть использовано при выполнении ремонтных работ на трубопроводах.