МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

КИСЛОРОДНО-ДУГОВАЯ РЕЗКА И ВВАРКА ПАТРУБКОВ В МНОГОСЛОЙНЫЕ ТРУБЫ

В условиях строительства, эксплуатации и ремонта магистральных трубопроводов из многослойных труб возникает необходимость свар­ки монтажных врезок: приварки патрубков для устройства отводов, перемычек, продувочных свечей, подключения контрольно-измери­тельной аппаратуры; вырезки технологических отверстий с последую-

щей их заваркой. Возможны также по­вреждения труб в процессе перевозки и хранения, что требует их ремонта в усло­виях трассы.

Характерной особенностью многослой­ной трубы является наличие межслойных зазоров, которые, как показали опыты, затрудняют проведение кислородной резки.

Для многослойных труб приварка патрубков с усиливающей нак­ладкой неэффективна, так как последняя будет приварена только к верхнему слою. Поэтому при монтаже отводов необходимо изменить конструкцию узла.

Указанные выше особенности резки и сварки многослойных труб легли в основу исследований, проведенных в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР.

Резка многослойных труб. Исследования показали, что несмотря на хорошее прилегание листов, кислородная резка многослойных труб затруднена, даже если ее начинать от свободной кромки, прогревая в начальный момент все слои по толщине. Возобновление процесса резки, пробивка отверстия, резка от отверстия малого диаметра практически невозможна без чрезмерного оплавления верхних листов. Скорость резки многослойного металла снижается по сравнению с резкой монолитного металла такой же толщины. При резке межслой - ные зазоры увеличиваются.

Трудности резки многослойного металла связаны, прежде всего, с неравномерным нагревом его по толщине. Нижние листы не прогре­ваются до температуры воспламенения стали в кислороде, в то время как верхние перегреваются, коробятся и чрезмерно оплавляются. Поэтому часто при резке пакета на него накладывается лист большей толщины, который препятствует деформации пакета.

Особенно затруднен процесс резки замкнутого контура и, прежде всего, пробивка отверстия. В верхних листах диаметр отверстия до­стигает 30—40 мм, в нижнем 10—15 мм. Время пробивки отверстия кислородной резкой составляет 60—80 с. Это приводит к перегреву резака и быстрому выходу его из строя. Межслойные зазоры увеличи­ваются до 1,5—2 мм.

Аналогичные явления наблюдаются и при возобновлении резки или резке от предварительно пробитого отверстия малого ди­аметра.

При кислородной резке многослойной трубы изнутри процесс несколько улучшается по сравнению с резкой снаружи. Меньше де­формируется верхний лист, он не так сильно оплавляется при повтор­ном возобновлении процесса резки.

Кислородная резка многослойного металла, как указано выше, приводит к увеличению межслойных зазоров. Исследования показали, что при кислородной резке замкнутого контура увеличиваются меж­слойные зазоры, причем на значительном расстоянии от линии реза (табл. 1).

Качество кислородной резки многослойного металла несколько снижается по сравнению с резкой монолитного металла той же тол­щины. Увеличивается ширина и неравномерность реза, шерехова - тость его поверхности, в большей степени оплавляется верхняя кромка.

Таким образом, в существую­щем виде кислородная резка мно­гослойного металла не может быть рекомендована для применения при строительстве и ремонте ма­гистральных трубопроводов. Для успешного применения кислород­ной резки многослойных труб нужно обеспечить отсутствие де - формации отдельных листов (замоноличивание, надежный прижим), что требует дополнительных затрат материальных средств и энер­гии, усложняет технологический процесс.

Другим путем решения вопроса разделительной резки многослой­ных труб является применение более концентрированных чем газо­кислородное пламя источников энергии и прежде всего электрической дуги.

На наш взгляд, наиболее приемлемыми способами резки много­слойных труб является плазменно-дуговая и кислородно-дуговая резка.

Опыты, проведенные в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, показали, что плазменно-дуговая резка многослойного металла происходит без затруднения. Она применяется на опытном участке Харцызского трубного завода при изготовлении многослой­ных труб. Разработана установка для машинной и ручной плазменно­дуговой резки многослойных труб в условиях трассы. Однако при этом требуются специальные источники тока с повышенным напря­жением, что не всегда безопасно в полевых условиях.

Сущность процесса кислородно-дуговой резки заключается в том, что место реза нагревается дугой, горящей между трубчатым электро­дом и изделием. На нагретый до плавления металл через отверстие в электродном стержне подается струя чистого кислорода, которая интенсивно окисляет металл и удаляет окислы из полости реза. Схема процесса резки представлена на рис. 1.

Кислородно-дуговая резка известна давно, но в настоящее время она используется лишь для подводных работ. В качестве электродного стержня чаще всего применяются цельнотянутые или многослойные стальные трубки диаметром 6—8 мм и длиной до 450 мм На трубки наносят специальные покрытия для устойчивого горения дуги. В свя­зи с тем, что такие электроды дорогостоящие и выпускаются в огра­ниченных количествах, кислородно-дуговая резка не нашла широко­
го применения. Однако она отличается простотой, не требует спе­циального сложного оборудования и аппаратуры, обеспечивает удов­летворительное качество поверхности и, главное, может быть приме­нена для резки многослойного металла. Концентрированный быстрый нагрев исключает деформацию отдельных листов многослойного ме­талла и процесс резки протекает стабильно.

В Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР разрабо­таны электроды для кислородно-дуговой резки. В качестве электрод­ного стержня используется трубчатая заготовка, которая применяет­ся для изготовления активированных (порошковых) проволок для сварки в защитных газах. Ее получают прокаткой и волочением по технологии, незначительно отличающейся от процесса изготовления проволок сплошного сечения. Стоимость такой трубчатой проволоки в несколько раз ниже стоимости цельнотянутой трубки.

На электродный стержень наносится покрытие для стабилизации дугового разряда и образования направленного потока кислорода. Состав покрытия позволяет получить дополнительный поток кисло­рода и газов, который способствует удалению металла из полости реза.

Толщина покрытия влияет на устойчивость процесса кислородно­дуговой резки, ее производительность. При большой толщине покры­тия (свыше 1,3 мм), вследствие более быстрого сгорания электродного стержня, на конце электрода образуется втулка, длина которой пре­вышает длину дуги, в связи с чем процесс резки прерывается. При малой толщине покрытия (менее 0,5 мм) трудно обеспечить направлен­ный поток кислорода и производительность резки снижается. Опти­мальная толщина покрытия составляет 0,6 —1,0 мм.

Покрытие наносится на стандартном оборудовании методом опрессовки. Разность толщины покрытия не должна превышать 0,10—0,15 мм.

Для интенсификации процесса резки, окисления расплавленного металла и выноса продуктов окисления из полости реза применяется технический кислород не ниже 1—2 сорта по ГОСТ 5583—78.

В качестве источника питания используется любой источник по­стоянного тока для ручной дуговой сварки (ВКСМ-1000, ПСО-ЗОО, ВДУ-504 и др.).

Для кислородно-дуговой резки разработан специальный электро- додержатель, внешний вид которого показан на рис. 2. Он обеспечи­вает надежное закрепление электрода с помощью пружины. Кислород подается в трубчатый стержень через клапан с рычажным приводом. Масса электрододержателя без шланга и токоподвода составляет око­ло 700 г. Минимальная масса резака для кислородной резки равна 1050 г.

Кислородно-дуговая резка выполняется на постоянном токе любой полярности. Возможна резка и на переменном токе, однако стабиль­ность процесса при этом несколько снижается. Величина тока зави­сит от диаметра электрода. Экспериментальным производством ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР налажен выпуск электродов диаметром 5 мм. Электродами такого диаметра можно выполнять также разде­лительную резку металла толщиной до 40 мм.

Режимы разделительной прямолинейной резки приведены в табл. 2.

Скорость резки зависит не только от толщины металла, но и от формы линии реза. При фасонной резке и резке с разделкой кромок скорость снижается на 10—20 %.

Перед началом кислородно-дуговой резки вырезаемый контур намечается мелом. Целесообразно также пользоваться специальными направляющими линейками или шаблонами. В зависимости от толщи­ны разрезаемого металла устанавливают необходимые величину тока и давление кислорода.

Процесс кислородно-дуговой резки осуществляется в такой после­довательности: возбуждают дугу, металл нагревают до температуры воспламенения его в кислороде, пускают струю режущего кислорода и конец электрода перемещают но намеченной линии реза. Резку можно выполнять во всех пространственных положениях.

Резку замкнутого контура начинают с прожигания отверстия. Для этого нагревают металл до плавления и подают импульсами или непрерывно струю режущего кислорода. Отверстие в многослойном металле пробивается легко. Время для пробивки многослойного ме­талла толщиной 20 мм (5 слоев но 4 мм) составляет 2—3 с.

При кислородно-дуговой резке многослойного металла не наблю­дается деформация отдельных листов и увеличение межслойных за­зоров.

Ширина реза вверху несколько больше чем внизу, что связано с оплавляющим действием дуги. Поверхность реза покрыта тонкой шлаковой коркой, которая удаляется примерно с таким же усилием, как и шлаковая корка при ручной сварке.

Качество резки определяется чистотой поверхности реза, сте­пенью оплавления верхней кромки, наличием и степенью сцепления грата с нижней кромкой и отсутствием местных выхватов.

Чистота поверхности реза несколько ухудшается по сравнению с кислородной резкой монолитного металла. При правильном выборе скорости резки оплавление верхней кромки незначительно или пол­ностью отсутствует.

На нижней кромке реза образуется грат, величина которого зависит от чистоты кислорода и квалификации резчика. Сцепляемость грата с нижней кромкой при кислородно-дуговой резке примерно такая же, как и при газокислородной.

Зона теплового воздействия незначительная, в отдельных местах на поверхности реза остается тонкий слой расплавленного и закри­сталлизовавшегося металла (примерно 0,1—0,5 мм).

Вварка патрубков в многослойные трубы.

Врезку ответвлений, перемычек между газопроводами производят под прямым углом с помощью тройников заводского изготовления или изготавливают их в соответствии с действующими нормами на детали стальных трубопроводов. Монтаж отводов в действующий трубопровод может производиться путем вырезки отверстия и привар­ки патрубков, если такая возможность подтверждается расчетом на прочность.

При монтаже ответвлений путем вырезки отверстий и приварки патрубков обязательна установка усиливающей накладки (по типу тройника с укрепляющими накладками). Для трубопроводов из мно­гослойных труб существующая конструкция усиливающей накладки (воротника) не пригодна, так как она будет привариваться только к верхнему слою. Из-за отсутствия связи между отдельными слоями применение подобной укрепляющей накладки для многослойных труб неэффективно. Усиливающие накладки служат для укрепления от­верстий в трубе. Другой вариант — приварка патрубков к много­слойным трубам без усиливающих накладок, но с увеличенной тол­щиной стенки ответвлений.

Таким образом, при монтаже ответвлений на трубопроводах из многослойных труб следует использовать тройники заводского изго­товления (для любых диаметров отверстия) или вырезать отверстия и приваривать патрубки большей толщины без усиливающих накла­док. При втором способе монтажа ответвлений допустимые диаметры врезок определяются расчетами на прочность.

Расчеты показывают, что непосредственно на трубопроводах, без применения тройников заводского изготовления, можно приваривать отводы диаметром до 150 мм без укрепляющих накладок. В то же время СНиПП-45-75 предусмотрено, что при отношении диаметра ответвления к диаметру магистрали менее Qt2 (Д0/Дм < 0Х2) укреп­ляющие накладки не устанавливаются.

Таким образом, на магистраль­ных трубопроводах из многослой­ных труб можно вести монтаж от­ветвлений путем вырезки отверс­тия и вварки патрубка без укреп­ляющих накладок при Ду ответ­вления не более 250. Для ответ­влений с условным диаметром 300, 400 мм монтаж их необходимо про­изводить с применением труб с толщиной стенки, идущих на из­готовление участков трубопрово­дов на категорию выше, чем кате­гория монтируемого трубопровода или применять патрубки большей толщины.

Конструкция узла при монтаже ответвлений с условным диамет­ром до 400 мм показана на рис. 3.

Монтаж отводов в трубопровод из многослойных труб путем вы­резки отверстия и вварки патрубков производится в соответствии о требованиями действующей нормативной документации с учетом сле­дующих особенностей.

1. Сварку монтажных врезок необходимо выполнять сразу же после резки и подготовки кромок или принимать меры по надежной временной герметизации подготовленных кромок.

2. При сборке деталей трубопроводов под сварку необходимо уменьшить величину зазоров между стыкуемыми элементами на 0,5— 1,0 мм, что связано с изменением условий отвода тепла по сравнению со сваркой монолитного металла.

Для вварки патрубков в многослойной трубе вырезают отверстие со скосом кромок под углом 50—60°. Отверстие вырезают кислородно­дуговой или плазменной резкой. С помощью шлифовальной машинки зачищают неровности и грат.

При вварке патрубков стенка трубы деформируется и прогибается внутрь, причем для труб с многослойной стенкой может произойти деформация отдельных слоев и чрезмерное увеличение межслойных зазоров. Для предупреждения этого кромку отверстия в трубах с многослойной стенкой замоноличивают, т. е. связывают слои между собой короткими швами, расстояние между которыми равно 80— 100 мм.

В подготовленное отверстие вставляют патрубок и пропускают его внутрь трубы на 4—5 мм. При необходимости патрубок обрезают по кривизне трубы. Величина зазора по периметру не должна превы­шать 2—3 мм.

Вварка патрубков производится вручную электродами с фтористо­кальциевым покрытием многослойным швом. Техника и технология вварки патрубков в многослойную трубу не отличается от существую­щей при вварке патрубков в трубу с монолитной стенкой. Межслой - ные зазоры не влияют на качество швов и его механические свойства.

Таким образом, для выполнения ремонтных работ и врезки еди­ничных патрубков в многослойные трубы наиболее пригодна кисло­родно-дуговая резка трубчатым металлическим электродом. Кон­центрированный нагрев при кислородно-дуговой резке исключает деформацию отдельных листов, процесс резки протекает стабильно.

Разработана технология кислородно-дуговой резки, изготовлен специальный электрододержатель для резки.

Установлено, что в многослойную трубу можно врезать патрубки о Ду < 400 без усиливающих накладок и с увеличенной толщиной стенки.