УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВАРКИ НАМАГНИЧЕННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области электрической стыковой сварки и может быть использована при строительстве и ремонте трубопроводов, имеющих остаточную намагниченность.
Нахождение труб вблизи линии электропередач, а также электрохимзащита труб, магнитное поле Земли, упругие механические напряжения, технологическая намагниченность труб при их изготовлении и транспортировке ведут к появлению эффекта намагниченности. Но наибольшую опасность предоставляет внутритрубная диагностика методом магнитной дефектоскопии, т.е. диагностика магистральных трубопроводов с помощью внутритрубных снарядов-дефектоскопов (кроулеров), после которой величина остаточного магнитного поля в разделке сварного стыка может достигать 100-150 мТл (1000-1500 Гс) и более. Наведенная в результате дефектоскопии остаточная намагниченность вызывает явление магнитного дутья, т.е. отклонения сварочной дуги под действием магнитного поля.
При сварке в слабом магнитном поле магнитное дутье проявляется в виде статического или медленно изменяющегося отклонения (выгибания) сварочной дуги. В сильном магнитном поле - это быстрые хаотичные движения дуги. Проявления магнитного дутья ухудшают стабильность горения сварочной дуги, вызывают сильное разбрызгивание металла или выброс металла из сварочной ванны, изменяют глубину проплавления металла, нарушают процесс переноса металла в дуге, что затрудняет сварку и приводит к снижению качества сварного шва (появлению непроваров, шлаковых включений, трещин, нарушению формы и структуры шва), В очень сильных магнитных полях магнитное дутье может быть столь велико, что "сносит" сварочную дугу уже в момент зажигания и сварка становится невозможной (http://naukarus.com/sposoby-povysheniya-kachestva-svarki-gazoprovodov-za-schet-ptedvaritelnogo-ustraneniya-ostatoehnoy-namagnichennosti).
Кроме того, при резке трубы в процессе ее изготовления в зоне разогрева и естественной закалки металла трубы, образуются конгломераты постоянных микромагнитов, которые невозможно размагнитить, кроме как нагревая трубу до точки Кюри, что невозможно осуществить в полевых условиях.
Намагниченность трубопроводов создает большие трудности при их строительстве и ремонте. Одним из путей решения проблемы сварки намагниченных труб является размагничивание стыков труб перед сваркой либо применение режима временного размагничивания (компенсации магнитного поля трубы) в процессе сварки.
Известны устройства для сварки намагниченных трубопроводов (RU 112494, опубл. 10.01.2012, RU 87041, опубл. 20.09.2009, JP 2003290920, опубл. 14.10.2003, CN 2899051, опубл. 09.05.2007, US 2009072937, опубл. 19.03. 2009), в которых снятия избыточной напряженности магнитного поля используют дополнительное оборудование, специально для этого предназначенное, например компенсатор магнитного потока, который представляет собой катушку индуктивности, одетую на свариваемый стык. По схожему принципу работают и такие отечественные специальные устройства для размагничивания трубопроводов, как установка АУРА-7001-3 (http://totaltofg.ru/index/aura_7001_3/0-308). или прибор ЛАБС-7К (http://www. лабс7.рф).
Такое дополнительное оборудование требует дополнительных энергозатрат, специально подготовленных операторов, а также повышенную трудоемкость при установке на трубопровод в полевых условиях.
Известны также устройства для сварки намагниченных трубопроводов, позволяющие производить их сварку с локальной демагнитизацией сварных стыков с использованием вспомогательного оборудования, например, накладываемой катушки, с помощью которой создают переменное магнитное поле, позволяющее минимизировать отклонение дуги (RU 2344909, опубл. 27.01.2009).
Недостатком такого устройства является относительная его конструктивная сложность, повышенные затраты времени на установку и перемещение вспомогательного оборудования, необходимость использования для него дополнительного источника тока (трансформатора).
Прототипом заявленной полезной модели является устройство для дуговой сварки намагниченных труб (RU 2245231, опубл. 27.01.2005).
Устройство для дуговой сварки намагниченных труб содержит сварочный выпрямитель, выход которого подключен к входу инвертора со схемой управления, содержащей блок сравнения, усилитель, блок формирования опорного напряжения и блок программ. При работе устройства постоянный ток сварочного выпрямителя преобразуется с помощью инвертора в переменный ток прямоугольной формы. При смене полярности блок программ задает фиксированное значение предельной длительности протекания тока данной полярности. В случае отклонения дуги под воздействием внешнего магнитного поля и соответствующего увеличения ее напряжения блок сравнения в интервале заданного периода осуществляет сравнение напряжения дуги с опорной величиной, задаваемой блоком формирования опорного напряжения. В момент достижения напряжения дуги опорной величины блок сравнения через усилитель выдает инвертору сигнал на смену полярности. Одновременно с усилителя сигнал поступает в блок программ, который отменяет сигнал на смену полярности по программе и задает фиксированное значение предельной длительности протекания тока другой полярности, и процесс повторяется.
Устройство основано на использовании метода регулирования частоты переменного тока в зависимости от напряженности магнитного поля и, как следствие, от изменения напряжения дуги, что приводит к появлению остаточного эффекта магнитного дутья при регулировании частоты переменного тока в сторону снижения и отрицательно сказывается на качестве сварочного шва.
Недостатком прототипа является низкое качество сварочного шва из-за появления эффекта остаточного магнитного дутья.
Технический результат заключается в создании устройства, позволяющего существенно повышать качества сварочного шва за счет исключения эффекта магнитного дутья путем автоматической подстройки амплитуды сварочного тока положительной и отрицательной полярностей при неизменной частоте тока.
Технический результат достигается тем, что устройство для сварки намагниченных трубопроводов, содержащее сварочный выпрямитель с падающей вольт-амперной характеристикой, инвертор-коммутатор с блоком управления и контроллер, дополнительно содержит двухтактный высокочастотный инвертор и электронный блок регулирования амплитуды сварочного тока, при этом инвертор-коммутатор выполнен с возможностью плавного регулирования частоты сварочного тока в заданном диапазоне, а контроллер выполнен с возможностью управления двухтактным высокоточным инвертором и электронным блоком регулирования амплитуды сварочного тока положительной и отрицательной полярности в заданном диапазоне.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1 - диаграммы зависимости напряжения сварочной дуги и сварочного тока от времени, где: U - напряжение дуги;
- напряжение дуги положительной полярности;
- напряжение дуги отрицательной полярности;
- опорное напряжение дуги положительной полярности;
- опорное напряжение дуги отрицательной полярности;
c
I - сварочный ток;
+
-
А1- величина приращения сварочного тока; Al - величина снижения сварочного тока.
Диаграммы на фиг. 1 поясняют процесс осуществления сварки намагниченных труб с помощью заявленного устройства, обеспечивающего стабильное качество сварочного шва за счет исключения эффекта магнитного дутья.
Сварку ведут под воздействием внешних магнитных полей на переменном токе повышенной частоты. В соответствии с технологическими требованиями предварительно задают величину тока положительной и отрицательной полярности 1д и частоту сварочного переменного тока. В зависимости от величины возмущающего воздействия внешнего магнитного поля в процессе сварки регулируют амплитуду тока положительной и отрицательной полярности.
Поперечное магнитное поле, накладываясь на собственное поле дуги в контуре, может вызвать ее отклонение в ту или иную сторону. Поскольку под воздействием переменного тока на дугу действует знакопеременная электромагнитная сила, то дуга совершает колебания в обе стороны от положения равновесия с заданной частотой переменного тока.
+
При отклонении дуги от соосного с электродом положения в период протекания тока соответствующей полярности ее столб деформируется и удлиняется, что приводит к росту напряжения дуги. Напряжение дуги сравнивается с опорным напряжением, и при увеличении напряжения дуги  выше значения величины опорного напряжения  осуществляется регулировка амплитуды тока положительной и отрицательной полярности на величину А1.
-
При смене полярности тока и прохождении дуги через равновесное положение столб дуги укорачивается, что приводит к снижению напряжения дуги. В этом случае напряжение дуги  становится ниже значения величины опорного напряжения  и осуществляется регулировка амплитуды тока положительной и отрицательной полярности на величину Al.
Фиг. 2 - блок- схема устройства для сварки намагниченных труб. Устройство для сварки намагниченных труб содержит сварочный выпрямитель 1 с падающей вольтамперной характеристикой, входной сетевой выпрямитель 2, сглаживающий фильтр 3, двухтактный высокочастотный инвертор 4, силовой трансформатор 5 и выходной высокочастотный выпрямитель 6, подключенный ко входу транзисторного инвертора-коммутатора 7. Последний служит для формирования переменного сварочного тока с регулируемой частотой на силовых клеммах источника «+» и « - ». Система управления 8 состоит из блока 9, служащего для управления инвертором-коммутатором 7, контроллера 10, служащего для управления двухтактным высокочастотным инвертором 4 и электронным блоком регулятора амплитуды сварочного тока 11 положительной и отрицательной полярностей в заданном диапазоне.
Устройство при сварке намагниченных труб работает следующим образом. Напряжение питания 380 В подают на входной сетевой выпрямитель 2, с выхода которого напряжение порядка 540 В через сглаживающий фильтр 3 поступает на двухтактный высокочастотный инвертор 4, работающий на частоте 22 кГц. Относительно вывода средней точки вторичной обмотки силового трансформатора 5 выпрямитель 6, формирует двуполярное напряжение.
Транзисторный инвертор-коммутатор 7 формирует переменный ток значением от 25 до 250 А. Частота сварочного переменного тока может плавно регулироваться в широком диапазоне от 200 до 800 Гц в отличие от прототипа, где регулировка отсутствует. Контроллер 10 в зависимости от величины возмущающего воздействия внешнего магнитного поля производит сравнение выходного напряжения с опорным напряжением  По изменению выходного напряжения электронный блок регулятора амплитуды сварочного тока 11 автоматически осуществляет регулировку амплитуды тока положительной и отрицательной полярности, что позволяет придать необходимые свойства сварочной дуге для получения качественного сварного соединения.
После сварки корневого прохода на переменном токе повышенной частоты намагниченность свариваемых труб падает до нуля, что позволяет проводить сварку последующих проходов в режиме постоянного тока на этом же устройстве. Переход на сварку постоянным током осуществляется простым переключением режима работы инвертора-коммутатора 7 без переключения сварочных кабелей.
Проведенные испытания доказали работоспособность заявленного устройства для сварки намагниченных труб.