Разработка технологического процесса автоматической сварки под флюсом при монтаже трубопроводов

Спирально шовные трубы имеют ряд достоинств:

• возможность изготовления труб непосредственно в полевых условиях, что снижает транспортные расходы;
• требуется меньшее количество обслуживающего персонала.

Наряду с этим установки, предназначенные для сварки спирально шовных труб имеют сравнительно небольшую производительность.

Значительные трудности в полевых  условиях представляет также испытание готовых труб водой или сжатым воздухом. Поэтому изготовление спирально сварных труб на передвижных установках можно рекомендовать в тех случаях, когда доставка готовых труб по железной дороге крайне сложна из-за дорожных и других трудностей и/или осложнена большим «плечом» перевозок от места доставки до трубосварочной базы.

Используем трубу диаметром 1220 мм с заводским трехслойным полимерным антикоррозионным наружным покрытием.

 

3.1 Оценка свариваемости

 

Рассматриваемое изделие - труба диаметром 1220мм (ТУ 75-98), класс - низколегированная  терма упрочненная. Применяется для конструкций ответственного назначения. Легирование производится для того, чтобы повышение временного сопротивления разрыву (σ_В), физического предела текучести (σ_Т) не сопровождалось снижением относительного удлинения (δ),

Работы удара (KV). По свариваемости эта сталь относится к хорошо

свариваемой стали, так как содержание углерода в стали равно 0,12%.

При свариваемости определяют склонность металла к образованию холодных и горячих трещин.

Склонность к образованию холодных трещин определяется по величине эквивалента углерода - С_экв:

 

                                                           (1)

При подстановке величин содержания элементов получаем С_экв= 0,34%.

Данная сталь обладает удовлетворительной свариваемостью и, хотя C_экв меньше 0,45%, вероятность появления холодных трещин очень мала. Поэтому для того, чтобы не производить подогрев, используют другие технологические приемы:

• снижение содержание водорода в металле шва за счёт тщательной очистки кромок свариваемых деталей и поверхности сварочной проволоки;
• использование сварки на постоянном токе обратной полярности
• сушки или прокалки электродов и флюсов.

 Поэтому большое применение  находит расчет температуры подогрева:

,               (2)

 где С'экв=Сэкв(1+0,005δ);

        ( ) - в скобках указаны значения для трубы с толщиной стенки 18,7мм.

Склонность к образованию горячих  трещин для углеродистой стали определяется с помощью  эквивалента углерода - С_экв.

                                           (3)

При расчёте получим С_экв равное 0,28%, значение Сэкв<0,35%, следовательно, горячих трещин при сварке быть не может.

Склонность к образованию горячих трещиннизколегированной стали можно определить с помощью показателя НСS:

                                                          (4)

для труб при σ_в<700МПа, если HCS< 4, то сталь не склонна к горячим трещинам. Для данной стали это условие выполняется.

 

 

 

 

 

3.2 Анализ технологичности изделия

 

Оценка технологичности предусматривает  определение целого ряда показателей, характеризующих возможность улучшения  конструктивных, технологических и  эксплуатационных свойств изделия:

• Простота конструкции. Конструкция состоит из трех сборочных единиц, соединенных между собой двумя кольцевыми швами.
• Отсутствие необходимости или необходимость использования уникального специального оборудования для выполнения заготовительных операций.

Для данной конструкции подобное оборудование не требуется -свариваемость материала конструкции.

Данный материал обладает хорошей  свариваемостью и при выполнении операций, которые предусматривает  технология, то есть просушка флюса, электродов, очистка проволоки и свариваемых  кромок, опасность возникновения горячих и холодных трещин, а также других недопустимых дефектов, сводится к минимуму:

• Необходимость проведения мероприятий в процессе сварки по повышению технологической прочности сварных соединений конструкции:
• Просушка конца трубы повышает качество сварного шва, но данная операция используется, если концы трубы увлажнены.
• Предварительный подогрев при толщине стенки 10 мм не требуется.
• Необходимость проведения после сварочной термообработки. После сварочная термообработка не требуется.
• Удобства сборки.

Сборка осуществляется на линии  БТС 142В при помощи внутреннего центратора ЦВ 1220/1420 .

Протяженность и конфигурация сварных швов. Данные шва обладают большой протяженностью, но процесс сварки механизирован - пространственное положение сварных швов.

Трехтрубная секция имеет вертикальные кольцевые швы. Сварка производится на роликовом стенде - возможность механизации процесса сварки. Кольцевые швы легко поддаются механизации - обзорностью.

Швы доступны для наблюдения мест стыковки, удобны в выполнении сварных швов - доступность мест сварки.

Трехтрубная секция Ø 1220 мм является удобной для проведения сварки снаружи  и внутри.

Необходимость переналадки оборудования при сварке трехтрубной секции возникает  лишь при изменении режимов сварки.

Время сварки.Процесс сварки почти  полностью механизирован, что позволяет  экономить достаточно времени.

Возможность возникновения сварочных  деформаций и их величина. Возможность  возникновения сварочных деформаций полностью исключается, так как  в технологии используется многослойная сварка и предыдущие слои отжигаются.

 

 

4 Способы  сварки трубопроводов

 

Способы сварки трубопроводов классифицируют на термические, термомеханические и механические. Термические способы включают все виды сварки плавлением (дуговая, газовая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная и другие виды сварки). К термомеханическому классу относятся стыковая контактная сварка, сварка магнитоуправляемой дугой. К механическим способамотносятся сварка трением и взрывом.

Различают методы сварки трубопроводов:

• по типу носителей энергии (дуговая, газовая, плазменная, лазерная и др.);
• по условиям формирования соединения (свободное или принудительное формирование сварного шва)
• по способу защиты зоны сварки (под флюсом, в защитных газах, с использованием самозащитой электродной проволоки т. д.);
• по степени механизации и автоматизации процесса (ручная, механизированная, автоматизированная и роботизированная). Классификация методов сварки при строительстве трубопроводов приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Классификация методов сварки при строительстве трубопроводов

Для сварки магистральных трубопроводов  наибольшее распространение получили дуговые методы сварки. Более 60процентов всех стыков на магистралях свариваются автоматической дуговой сваркой под слоем флюса. Дуговая сварка под слоем флюса используется только в тех случаях, когда существует возможность вращения стыка. Сварку трубопроводов под флюсом, в основном автоматизированным способом, применяют при изготовлении двух- и трехтрубных секций диаметром 219...1220 мм на полустационарных трубосварочных базах. Производительность - до шести стыков в час труб диаметром 1220мм. Когда применение механизированных методов невозможно,используется ручная дуговая сварка.

Ручную дуговую сварку выполняют  при различных пространственных положениях стыка - нижнем, вертикальном и потолочном. В процессе сварки вручную перемещают электрод по периметру стыка со скоростью 8...20м/ч.

Сварка в защитном газе имеет  разновидности:

• по типу защитного газа
• сварка в инертных газах (аргон, гелий, их смесь), в активных газах (углекислота, азот, водород), сварка в смеси инертного и активного газов (аргон и углекислота (Аг + СО₂);аргон, углекислота и кислород (Аг + СО₂ + + О₂));
• по типу электрода - плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродом;
• по степени механизации - ручная, механизированная и автоматизированная сварка.

Дуговую сварку в защитных газах  применяют для сварки трубопроводов в различных пространственных положениях. Скорость ручной сварки 8...30м/ч, механизированной и автоматизированной 20...60м/ч.

Для сварки трубопроводов применяют метод механизированной сварки порошковой проволокой с принудительным формированием шва,при котором функции защиты выполняют порошкообразные компоненты, заполняющие металлическую оболочку проволоки. По мере кристаллизации сварочной ванны наружное формирующее устройство и сварочная головка перемещаются по периметру стыка снизу вверх со скоростью 10...20м/ч.

Перспективна лазерная сварка трубопроводов, при которой носителем энергии служит лазерный луч. Скорость лазерной сварки - до 300 м/ч.

При стыковой контактной сварке непрерывным оплавлением процесс происходит автоматически по заданной программе. Продолжительность сварки одного стыка труб диаметром 1220мм составляет З...4мин, цикл сварки одного стыка при строительстве трубопроводов - 10... 15 минут.

Автоматическая сварка магнитоуправляемой дугой (или дугконтактная сварка) отличается от стыковой контактной сварки способом нагрева кромок. При контактной сварке нагрев выполняется дугой, вращаемой магнитным полем по кромкам свариваемых труб с большой скоростью. Этот способсварки применяют для сварки трубопроводов малого (пока до 114мм) диаметра.

При сооружении магистральных трубопроводов  ежегодно сваривается 2...3 млн. стыков труб диаметром до 1220мм.

 Качество сварных стыков  существенно влияет на работоспособность трубопроводов, их надежность. Опыт сооружения и эксплуатации магистральных трубопроводов показывает, что разрушения магистралей при испытаниях и работе происходят наиболее часто по стыкам, заваренных ручной дуговой сваркой. Поэтому ставится задача довести в ближайшие годы уровень автоматической сварки до 70 % общего объема.

При сооружении магистральных трубопроводов  выбор способа сварки основывается на принятых схемах организации работ и темпах строительства, требованиях к качеству и надежности получаемого соединения, технических возможностях способа, его трудоемкости, энергетической  и экономической эффективности процесса сварки(рисунок 2).

 

 

Рисунок 2 Расход электроэнергии на сварку одного стыка труб диаметром 1220 мм и толщиной стенки 17 мм:

1 — ручная дуговая сварка; 2 — полуавтоматическая сварка в среде СО₂; 3— стыковая контактная методом оплавления;4 - сварка под флюсом по сваренному вручную корню шва; 5 - двухсторонняя автоматическая сварка под флюсом;

6 - сварка  лазерная.

 

4.1 Автоматическая сварка под флюсом

 

Автоматическая сварка под флюсом на строительстве магистральных трубопроводов применяется для изготовления двух- и трехтрубных секций труб на трубосварочных базах путем сварки поворотных стыков. При сварке под флюсом поворотных стыков трубопроводов на базах все процессы механизированы, в том числе подача проволоки и флюса в дугу, а также взаимное перемещение сварочной головки и собранного стыка.

Обеспечивается высокая производительность заполнения стыка присадочным материалом и высокое качество сварных соединений, обусловленное надежной защитой  сварочной ванны. Наблюдается стабильность качества по периметру стыка и  по всей массе свариваемых стыков. Автоматическая сварка под флюсом на базах позволяет сократить число  высококвалифицированных сварщиков, создает благоприятные условия труда для сварщиков, не требует применения специальных средств защиты от излучения дуги и разбрызгивания металла.

Сварка под флюсом стыков трубопроводов  выполняется только в нижнем положении. Это объясняется тем, что металл и шлак сварочной ванны обладают высокой жидкотекучестью. Причем, чем  выше мощность дуги, тем более перегрет металл и тем больше длина и  объем сварочной ванны, поэтому  удержать ее на наклонной или вертикальной плоскости чрезвычайно трудно.

Сварку труб под флюсом можно  выполнять на переменном и постоянном токе. Стабильность процесса и качество сварных соединений при использовании постоянного тока выше, поэтому сварка стыков трубопроводов под флюсом выполняется на постоянном токе. Состав металла шва регулируется за счет различных сварочных материалов, изменения доли основного и присадочного металла в шве, изменения разделки кромок и варьирования параметров процесса сварки.