Сварка трубопроводов

СВАРКА ТРУБОПРОВОДОВ (а. welding of pipelines; н. Rohrleitungsschweißen; ф. soudage des tuyauteries; и. soldadura de tuberias) — технологический процесс получения неразъёмных соединений труб и деталей трубопровода нагреванием и (или) пластическим деформированием. Способы сварки трубопроводов классифицируют на термические, термомеханические и механические. Термические способы включают все виды сварки плавлением, выполняемой сплавлением кромок соединяемых труб или деталей без приложения давления (дуговая, газовая, плазменная, электроннолучевая, лазерная и другие виды сварки). К термомеханическому классу относятся методы сварки трубопроводов, которые образуют соединения между нагретыми до температуры плавления кромками за счёт приложения давления по оси труб, перпендикулярной плоскости стыка (стыковая контактная сварка, сварка магнитоуправляемой дугой). К механическим способам можно отнести сварку трубопроводов трением и взрывом — методы сварки, при которых образование сварного соединения происходит без использования внешнего носителя энергии, а лишь за счёт приложения к свариваемым трубам давления.

Различают методы сварки трубопроводов по типу носителей энергии (дуга — дуговая сварка, газовое пламя — газовая, плазма — плазменная, лазерный луч — лазерная и т.д.); по условиям формирования соединения (свободное или принудительное формирование сварного шва); по способу защиты зоны сварки (под флюсом, в защитных газах, с использованием самозащитной электродной проволоки, в вакууме и т.д.); по степени механизации и автоматизации процесса (ручная, механизированная, автоматизированная и роботизированная); по технологическим признакам (например, сварка в защитных газах плавящимся или неплавящимся электродом).

Наиболее распространён метод сварки трубопроводов термическими способами — дуговая сварка, при которой источником нагрева соединяемых кромок труб (деталей) служит электрическая дуга между плавящимся электродом и кромками труб. Простейший способ дуговой сварки трубопроводов — ручная дуговая (в процессе сварки вручную перемещают электрод по периметру стыка со скоростью 8-20 м/ч). Ручную дуговую сварку выполняют при различном пространственном положении стыка — нижнем, вертикальном и потолочном; её используют, когда применение механизированных методов невозможно.

При дуговой сварке в защитных газах источником нагрева кромок труб служит дуга, защищенная потоком газа, подаваемого в зону дуги через сопло. Сварка в защитном газе имеет разновидности: по типу защитного газа — сварка в инертных газах (аргон, гелий, их смесь), в активных газах (CО₂, азот, водород), сварка в смеси инертного и активного газов (Ar+CО₂; Ar+CО₂+О₂); по типу электрода — плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродом; по степени механизации — ручная, полумеханизированная, механизированная и автоматизированная сварка. Дуговую сварку в защитных газах применяют для сварки трубопроводов любого диаметра и трубопровода в различных пространственных положениях. Скорости ручной сварки 8-30 м/ч, механизированной и автоматизированной 20- 60 м/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 10-20 м/ч.

Дуговая сварка трубопроводов 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 трёхтрубных секций диаметром 219-1420 мм на полустационарных трубосварочных базах. Производительность до 6 стыков труб диаметром 1420 мм в час.

Газовая сварка трубопроводов — сварка плавлением, при которой для нагрева используют тепло пламени смеси газов, сжигаемых с помощью горелки. При сооружении городских газопроводов диаметром до 114 мм с толщиной стенки 3-6 мм, монтаже и врезке труб малого диаметра в газо- и нефтепроводы используют ручную газовую сварку. Скорость ручной газовой сварки трубопроводов не превышает 8-15 м/ч.

Плазменная сварка — вид дуговой сварки, при которой источник нагрева свариваемых кромок — плазменная струя. Скорость плазменной сварки, которую обычно выполняют механизированным или автоматизированным способом, в различных пространственных положениях 10-60 м/ч.

Электроннолучевая сварка (ЭЛС) выполняется в вакуумной камере с использованием в качестве источника нагрева электронного луча — потока свободных электронов, получаемого в электронной пушке. Скорость ЭЛС может достигать 100 м/ч. Использование этого метода в монтажных условиях при строительстве нефте- и газопроводов сложно, т.к. требует вакуумирования зоны сварки.

Перспективна лазерная сварка, при которой носителем энергии служит лазерный луч. Лазерная сварка не требует вакуумной камеры. Скорость лазерной сварки до 300 м/ч.

При стыковой контактной сварке непрерывным оплавлением кромки свариваемых труб нагреваются теплом, выделяющимся в контактах этих кромок при прохождении электрического тока, а сварное соединение образуется по поверхности стыкуемых торцев за счёт приложения к трубам осевого давления. Процесс стыковой контактной сварки труб происходит автоматически по заданной программе. Время сварки одного стыка труб диаметром 1420 мм составляет 3-4 минуты, цикл сварки одного стыка при строительстве трубопроводов 10-15 мин.

Сварка магнитоуправляемой дугой (СМД), или дугоконтактная сварка, отличается от стыковой контактной сварки способом нагрева кромок. При СМД нагрев выполняется дугой, вращаемой магнитным полем по кромкам свариваемых труб с большой скоростью. СМД применяют для сварки трубопроводов малого диаметра до 114 мм (процесс автоматизирован).

Методы сварки механическим способом осуществляются без нагрева кромок внешним источником тепла. Однако при сварке труб трением нагрев кромок производится за счёт тепла, выделяемого в стыке при трении свариваемых поверхностей или вращаемой между ними расходуемой вставки. После нагрева поверхностей до температуры 1000-1300°С трубы сдавливают приложением осевого усилия. Этот метод сварки перспективен, т.к. характеризуется высокой производительностью (время сварки стыка от нескольких секунд до нескольких минут) и низкими затратами (в 5-10 раз ниже, чем при контактной сварке), а также простотой механизации и автоматизации процесса и невысокой стоимостью оборудования.

При сварке взрывом химическая энергия превращения заряда взрывчатого вещества в газообразные продукты взрыва переходит в кинетического энергию соударения свариваемых труб, которая затрачивается на работу совместной пластической деформации свариваемых поверхностей, металл в зоне соединения разогревается до высоких температур. Этот метод сварки, несмотря на свою простоту, сопряжён с опасностью, шумом, требует специальных приёмов контроля и критериев оценки свойств сварных соединений.

Ежегодно в CCCP сваривают 2-3 млн. стыков магистральных и промысловых трубопроводов. При строительстве трубопровода Уренгой — Помары — Ужгород протяжённостью 4451 км общая длина сварных швов на линейной части составила 2,2 тысяч км. Темп сварки трубопроводов зависит от метода организации работ, состава сварочной колонны, метода сварки и может достигать 1,5 км готового трубопровода или 40-50 стыков труб диаметром 1420 мм в смену.