image
energas.ru

Газовая промышленность Спецвыпуск № 2 2017

Ремонт и диагностика

01.08.2017 11:00 ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Высокие требования к свойствам сварных соединений магистральных трубопроводов, а также увеличение темпов их строительства и ремонта приводят к необходимости разработки новых технологий сварки и сварочного оборудования. Авторами статьи предложен способ лазерной сварки в узкощелевую разделку (с углом раскрытия примерно 2º) в качестве альтернативы дуговой сварки при строительстве магистральных трубопроводов. В основу технологии сварки кольцевых неповоротных стыков труб легли преимущества, которые дает использование лазерного луча. В статье представлены преимущества лазерной сварки труб самоходным агрегатом лазерной сварки (САЛС) с применением двухголовочной установки орбитальной лазерной сварки труб УЛСТ-1 для лазерной сварки неповоротных кольцевых стыков труб. Приведены требования к сварным соединениям согласно нормативной документации (НД). Показаны этапы разработки технологии, объем, виды и результаты испытаний, как предварительных, так и квалификационных.
Ключевые слова: СТРОИТЕЛЬСТВО И РЕМОНТ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ДУГОВАЯ СВАРКА, ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА, ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, САМОХОДНЫЙ АГРЕГАТ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Открыть PDF


1.png

Развитие лазерного оборудования и технологий обработки металлов получило огромный толчок с появлением на рынке волоконных лазеров, мощность которых сегодня достигает десятков и сотен киловатт. Лазерная сварка металлов волоконными лазерами обеспечивает высокие характеристики сварных швов благодаря [1, 2]:

• ведению процесса в режиме глубокого («кинжального») проплавления;

• малому объему расплавленного металла и незначительному размеру зоны термического влияния (ЗТВ);

• высоким скоростям ведения процесса и др.

1_1.png

Помимо этого использование волоконных лазеров позволяет осуществлять транспортировку лазерного излучения на большие расстояние от источника, а перемещение луча возможно практически по любой траектории.

1_1_1.png

В основу технологии лазерной сварки кольцевых неповоротных стыков труб заложена возможность сварки корня в режиме глубокого проплавления (величина притупления, провариваемого первым проходом, может достигать 8 мм) и заполнения разделки с углом раскрытия 2º с присадочной проволокой [3, 4].

1_1_2.png

Предлагаемая разделка кромок снижает объем наплавляемого металла более чем в 3 раза по сравнению с применяемыми дуговыми способами в узкую перетачиваемую разделку кромок (рис. 1). Малый угол раскрытия кромок и применение волоконного лазера в качестве высококонцентрированного источника тепла позволяет вести процесс на скоростях, превышающих скорость других автоматических процессов сварки. При этом лазерный процесс не подвержен влиянию магнитных полей труб и исключает необходимость механических осцилляций горелки, характерных для дуговой сварки.

1_1_3.png

Отработка технологии проводилась на трубах класса прочности К60 с толщиной стенки 25,8 мм. Для реализации проекта была разработана установка УЛСТ-1 диаметром 1420 мм (рис. 2) для лазерной сварки неповоротных кольцевых стыков труб, в состав которой входят: орбитальный манипулятор, включающий две оптические лазерные головки, направляющий пояс и механизм подачи проволоки, два лазера и два чиллера, пневмокомпрессор, электрошкаф и газовые баллоны.

1_1_4.png

Технология лазерной сварки неповоротных кольцевых стыков труб большого диаметра (ТБД) была разделена на два этапа: сварка корня и заполнение разделки с нанесением облицовочного слоя.

Сварка корня проводилась за один проход с добавлением присадочной проволоки. Заполнение узкощелевой разделки присадочной проволокой осуществлялось с применением сканирования лазерным лучом.

После операции подготовки кромок на трубу был установлен направляющий пояс, затем производились сборка труб на внутреннем центраторе, предварительный подогрев стыка и сварка корня шва. Заполнение разделки и облицовка осуществлялись уже на других сварочных постах.

1_1_5.png

Требования к сварным соединениям согласно нормативной документации приведены в таблице.

Поскольку для отработки технологии необходимо было производить сварку в различных пространственных положениях, а также экспериментировать с наклонами оптической лазерной головки, для удобства использовали роботизированный комплекс (рис. 3).

1_1_6.png

Сначала режимы подбирались на пластинах в различных пространственных положениях, затем отрабатывались на сегментах труб и переносились на реальный стык трубы.

Сварка корня проводилась с высотой притупления 5–8 мм.

Наибольший интерес представлял подбор способа сварки и режима в потолочном положении ввиду трудности формирования обратного валика необходимой высоты, а также стекания металла внутрь разделки (рис. 4). Проводился проплав пластин толщиной 5–8 мм, подбирался угол скоса притупления в разделке от 0 до 45º, а также выполнялась сварка по зазору.

1_1_7.png

Для заполнения разделки проволокой подбирались оптимальная плотность мощности излучения, а также параметры колебания лазерного луча.

На рис. 5 представлены шлифы поперечного сечения сварных швов с различной высотой заполняющих слоев. Приведены графики изменения твердости по ширине шва.

Для нанесения облицовки производился подбор погонной энергии для получения необходимого уровня твердости в ЗТВ. Также отрабатывалось получение валика стабильной геометрии в различных пространственных положениях.

Микроанализ сварных швов, выполненных в различных пространственных положениях, показал, что геометрия и структуры швов схожи. Ширина ЗТВ составила максимум 1,8 мм.

Структура как корневого шва, так и околошовного участка зоны термического влияния (ОШУ ЗТВ) оказалась преимущественно бейнитной с незначительным содержанием мартенситной фазы. Твердость ОШУ ЗТВ составила 250–265 HV10, металла шва – 230–245 HV10 (рис. 6).

1_1_8.png

В металле заполняющих швов наблюдалась практически бейнитная структура – как в самом шве, так и в его ОШУ ЗТВ. Их твердость была практически одинакова и колебалась в пределах 220–240 HV10.

В облицовочном шве было отмечено формирование структур, отличающихся более высокой дисперсностью и твердостью (255–270 HV10). Максимальная твердость наблюдалась на линии сплавления и не превышала 280 HV10.

Для получения данных о скорости охлаждения сварных соединений были проведены исследования с записью термических циклов. Поскольку считается, что скорость охлаждения от всех заполняющих слоев одинакова, то измерения проводились только для первого заполняющего слоя. Запись термических циклов проводилась на сегментах труб в трех пространственных положениях: нижнее, вертикальное и потолочное (рис. 7).

1_1_9.png

На рис. 8 показаны скорости охлаждения, полученные при лазерной сварке трубной стали. Сопоставление скоростей охлаждения, полученных при лазерной сварке сегментов, с термокинетической диаграммой распада аустенита стали типа 10Г2ФБЮ показало, что при скоростях охлаждения свыше 50 °C/c в сварном соединении начинается формирование мартенситной фазы.

1_1_10.png

При сварке контрольных сварных соединений (КСС) были использованы элементы труб с разделкой кромок, приведенной на рис. 9. Сварка осуществлялась со следующими проходами: корневой (сварка притупления), корректирующий (выравнивание поверхности верхней части корневого шва для подготовки под заполнение), заполняющий и облицовочный.

1_1_11.png

Результаты предварительных механических испытаний образцов, вырезанных из КСС, были признаны удовлетворяющими требованиям нормативной документации.

При испытаниях на статическое растяжение разрушение происходило по основному металлу. После статического изгиба на 180º дефектов не было обнаружено. Ударная вязкость сварных соединений оказалась выше установленной нормы (рис. 10).

1_1_12.png

Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из КСС (полученные на базе испытательного центра «Политехтест» при Санкт-Петербургском политехническом университета им. Петра Великого), также удовлетворяли требованиям нормативной документации (рис. 11).

Результаты неразрушающего контроля показали отсутствие дефектов недопустимых размеров и в целом небольшое число дефектов на протяжении всего кольцевого сварного шва.

Неразрушающий контроль был выполнен следующими методами: визуальным измерительным (ВИК), радиационным (РК) и ультразвуковым (УЗК).

Для проведения РК использовалась система цифровой радиографии «ТРАНСКАН» с панорамной схемой контроля.

Для проведения УЗК была использована система механизированного УЗК Harfang Veo GS c комбинированным акустическим блоком, включающим преобразователи на фазированных решетках и TOFD (дифракционно-временной метод контроля).

Ранее (до сварки КСС) были выполнены исследования темплетов, вырезанных из сварного шва. Трехмерная компьютерная рентгеновская томография показала, что в представленных темплетах недопустимые дефекты отсутствовали [5], о чем свидетельствуют результаты, приведенные на снимках сегмента шва (рис. 12).

1_1_13.png

Для реализации технологии лазерной сварки труб на базе установки УЛСТ-1 в трассовых условиях в начале 2017 г. был разработан самоходный агрегат лазерной сварки – САЛС (рис. 13).

При проектировании контейнера для размещения оборудования была предусмотрена возможность работы САЛС в сложных погодных условиях, быстрой замены вышедших из строя механизмов через боковые панели, обеспечения необходимого режима.

Внутри контейнера располагаются:

• два волоконных иттербиевых лазера серии ЛС, каждый из которых обеспечивает выходную мощность до 10 кВт, производства ООО «НТО «ИРЭ-Полюс». Конструкции лазера выполнены в виде отдельных стоек. Для транспортировки выходного излучения из стойки выходит волоконно-оптический кабель, оканчивающийся оптическим коннектором;

• два чиллера серии LC, которые автономно обеспечивают охлаждение;

• блок электропитания и управления (включая программатор – для программирования и проверки параметров на УЛСТ);

• дизельный генератор мощностью 160 кВт;

• промышленный винтовой маслозаполненнный компрессор Atlas Copco GA22 FF;

• две кассеты для баллонов с газовой смесью емкостью по четыре баллона в каждой.

Палатка сварщика служит для размещения орбитального манипулятора (навесного сварочного оборудования) и представляет собой сборно-разборную конструкцию, имеющую две двери, лестницу на крышу, четыре вентилятора, два прожектора, четыре пенала под сварочную проволоку, четыре розетки на напряжение 220 В переменного тока, два держателя для шлифмашинок.

1_1_14.png

Навесное сварочное оборудование – орбитальный манипулятор – включает (рис. 14):

• направляющий пояс (на рисунке показаны как пневматический пояс, так и предусмотренный в комплекте набор гибких направляющих поясов на диаметры 500–1420);

• две сварочные каретки, оснащенные оптической лазерной головкой FLW, датчиком положения сварочной каретки, датчиком слежения за разделкой кромок, механизмом подачи проволоки;

• пульт дистанционного управления.

В качестве самоходного шасси был выбран трековый трактор с двигателем ЯМЗ-НД3 и усиленной рамой с увеличенными сечениями лонжеронов.

Кран-манипулятор имеет грузоподъемность до 1,7 т на вылете стрелы 7 м. Контейнер – съемный, изготовленный из сэндвич-панелей, с автономной системой пожаротушения и отопления.
В стандартной комплектации предусмотрена эксплуатация машины в условиях низких температур. Габаритные размеры шасси позволяют производить отгрузку агрегатов железнодорожным транспортом по 2 шт. на платформе (рис. 15).

Преимущества лазерной сварки труб комплексом САЛС с применением установки УЛСТ-1 следующие:

• высокая производительность сварочно-монтажных работ;

• низкий расход сварочных материалов и защитных газов;

• высокие механические свойства сварных соединений;

• низкое энергопотребление (за счет высокого КПД волоконных лазеров) – 160 кВт;

• малое разбрызгивание металла;

• возможность применения данного оборудования в широком спектре номенклатуры труб (диаметром 500–1420 мм, толщиной 8–38 мм), технологий и сварочных материалов.

САЛС труб с применением УЛСТ-1 был продемонстрирован на 18-й Международной выставке-конгрессе «СВАРКА/WELDING-2017» (рис. 16), проходившей 25–28 апреля 2017 г. в Санкт-Петербурге.

В настоящее время комплекс САЛС с применением УЛСТ-1 готовится к серийному производству. Формируется инфраструктура для продаж и сервисного обслуживания, гарантийный срок на комплекс с промышленной лазерной установкой составит три года. 



Требования к сварным соединениям согласно нормативной документации

Тип испытания

СТО Газпром 2-2.2-136–2007

СТО Газпром 2-3.7-050–2006 (DNV-OS-F101)

Статическое растяжение

поперек сварного шва

Временное сопротивление разрыву – не ниже нормативного значения временного сопротивления разрыву основного металла труб

металла шва
в поперечном направлении

Верхний предел текучести, предел прочности и относительное удлинение – не менее, чем задано для основного металла

Статический изгиб

Угол изгиба – не менее 120º

Угол изгиба – не менее 180º

Испытания на ударный изгиб
(по Шарпи)

Ударная вязкость металла шва и ЗТВ при температуре –40 ºС не менее 50 Дж/см2, при этом минимальное значение ударной вязкости для одного образца – не менее 37,0 Дж/см2

Среднее арифметическое по результатам испытаний отдельных образцов в каждом положении – не менее 50 Дж и полученное на отдельном образце – не менее 40 Дж

Твердость

Твердость металла шва – не более 280 HV10, зоны термического влияния – не более 325 HV10

Твердость металла шва и зоны термического влияния – не более 300 HV10

Вязкость разрушения


Минимальное значение раскрытия в вершине трещины (CTOD) – 0,2 мм

 



← Назад к списку