Марс Зульфатович Зарипов, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Оборудование и технологии сварки и контроля»
ул. Космонавтов, д. 1, г. Уфа, 450064
Mars Z. Zaripov, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Equipment and Technologies of Welding and Control
Kosmonavtov str., 1, Ufa, 450064
Зинур Ришатович Мухаметзянов , д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры «Автомобильные дороги, мосты и транспортные сооружения»
ул. Космонавтов, д. 1, г. Уфа, 450064
тел.: +7 (917) 780-35-05
Zinur R. Mukhametzyanov , Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Department of Highways and Structural Engineering
Kosmonavtov str., 1, Ufa, 450064
tel.: +7 (917) 780-35-05
Александр Николаевич Пудовкин, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Строительные конструкции»
ул. Космонавтов, д. 1, г. Уфа, 450064
Alexander N. Pudovkin, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Building Constructions
Kosmonavtov str., 1, Ufa, 450064
Введение. Ремонт трубопроводов, находящихся под давлением перекачиваемой среды, с применением сварки актуален для снижения трудоемкости выполнения работ. Но при этом возрастает риск снижения безопасности производства работ. Для решения этой проблемы в статье рассматривается возможность применения технологических процессов механизированной сварки с управляемым переносом капель.
Цель исследования: определение основных параметров технологических процессов механизированной сварки с управляемым переносом капель, влияющих на безопасность сварочных работ.
Материалы и методы. Для достижения поставленной задачи была использована разработанная авторами теоретическая модель расчета рабочей толщины стенки трубопровода, находящегося под давлением, при расчетах на прочность в процессе сварки. Также использовалась зависимость толщины стенки трубы у края проплавленного отверстия от внутреннего давления.
Результаты. Установлено, что применение сварочных процессов механизированной сварки с управляемым переносом капель металла позволяет управлять глубиной проплавления стенки за счет изменения параметров режима. Это значительно повышает безопасность проведения сварочных работ на трубопроводах, находящихся под давлением перекачиваемых сред, по сравнению с другими видами сварки. Разработанные нами технологические процессы сварки обеспечивают безопасность производства сварочных работ за счет достижения плавного и точного контролирования глубины проплавления стенки трубопровода. Достигается это правильным подбором базового и пикового токов, управлением процессом переноса капель по напряжению на дуге, управлением количеством наплавляемого металла и температуры нагрева свариваемых конструкций.
Выводы. За последнее время разработан ряд ремонтных технологий, предназначенных для повышения качества сварных швов при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов. Полученные с высокой степенью достоверности результаты исследований по разработке технологии механизированной сварки с управляемым переносом капель позволяют рекомендовать эту технологию в качестве эффективного способа повышения безопасности производства сварочных работ на трубопроводах, находящихся под давлением перекачиваемых сред.
Introduction. Repair of pipelines under pressure of pumped media by means of welding is relevant to reduce the complexity of work. However, it may reduce the safety of work. To solve this issue, the authors consider applying the technological processes of machine welding with controlled drop transfer.
Aim. To determine the main parameters of technological processes of machine welding with controlled drop transfer, affecting the safety of welding.
Materials and methods. The authors developed a theoretical model for calculating the working thickness of a pipeline wall under pressure which they used for calculating the strength during welding. The dependence of the pipeline wall thickness at the edge of the penetrated hole on the internal pressure was also used in the calculations.
Results. It was found that machine welding with controlled transfer of metal drops allows the wall penetration depth to be regulated by changing the welding variables. This significantly increases the safety of welding on pipelines under pressure of pumped media, compared to other types of welding. The developed welding processes ensure the safety of welding operations by means of a smooth and accurate control of the wall penetration depth. This is achieved by the correct selection of the background and peak current, control of the drop transfer process by arc voltage, control of the amount of weld metal and the heating temperature of welded structures.
Conclusion. Recently, a number of repair technologies have been developed to improve the quality of welds in the construction and repair of trunk pipelines. The highly significant results of research on the development of machine welding technology with controlled drop transfer allow this technology to be recommended as an effective way to improve the safety of welding operations on pipelines under pressure of pumped media.
Для изготовления трубопроводов часто применяют низкоуглеродистую сталь. Она хорошо сваривается, почти не закаливается, слабо подвержена коррозии и потому весьма удобна для работы в элементах конструкций [1–4]. Разработка процессов механизированной сварки с управляемым переносом капель позволила управлять процессом сварки и сделать его в меньшей степени зависимым от квалификации сварщика [
При сварочных работах на трубопроводах, находящихся под давлением перекачиваемых сред, допустимая толщина стенки трубопровода, при которой возможна сварка, равна сумме глубины проплавления (δпр) и рабочей толщины (1)
δ = δпр + δраб.(1)
δраб зависит от внутреннего давления и определяется по формуле (1):
δраб =,
где Р – внутреннее давление, МПа;
r – радиус области нагрева сварочной дугой (10-3 м) [
Рис. 1. Расчетная модель рабочей толщины стенки трубопровода, находящегося под давлением (Р), при расчетах на прочность в процессе сваркиFig. 1. Calculation model of working wall thickness of a pipeline under pressure (P), when calculating the strength in the welding process
На рис. 2 показана форма проплавленного сваркой отверстия в стенке трубопровода, находящегося под давлением перекачиваемой среды (нефти).
Рис. 2. Форма отверстия, возникающего в стенке трубопровода, находящегося под давлением, при сквозном проплавлении в процессе сваркиFig. 2. Shape of hole in pipeline wall under pressure due to penetration in the welding process
Глубина проплавления (провар) (δпр) при ручной сварке зависит от техники сварки (скорости перемещения сварочной дуги, угла наклона электрода). Этот параметр может колебаться от 1,5 до 2,6 мм (электроды диаметром 3 мм с основным видом покрытия), что ограничивает возможности проведения сварочных работ, так как при этом требуется увеличивать толщину стенки трубопровода.
Рабочая толщина стенки трубопровода (δраб) при внутреннем давлении Р = 6,0 МПа равна 0,5 мм (рис. 3) [
Рис. 3. Зависимость толщины стенки трубы у края проплавленного отверстия от внутреннего давления(1 – эксперимент; 2 – расчет)Fig. 3. Dependence of pipeline wall thickness at the edge of penetrated hole on internal pressure(1 – experiment; 2 – calculation)
Поэтому общая предельная толщина (δ) равна 2,6 + 0,5 = 3,1 (мм). Принимая запас по величине проплавления стенки равный двум, получим допустимую толщину стенки трубопровода при сварке на трубопроводе, находящемся под давлением до 6,0 МПа, равную
2,6 × 2 + 0,5 = 5,7 (мм).
Сварка методами управляемого переноса капель (STT, ВКЗ, УКП) позволяет установить такие параметры режима сварки, которые гарантируют требуемую величину проплавления металла независимо от техники сварки.
В этих процессах управление переносом капель осуществляется за счет подбора базового и пикового токов (STT, УКП), которые обеспечивают заданную форму шва и глубину проплавления стенки трубопровода. В процессе ВКЗ получение заданной формы шва и глубины проплавления обеспечивается изменением напряжения на сварочной дуге.
При сварке на трубопроводах, находящихся под давлением перекачиваемых сред, данные процессы должны применяться при выполнении первого (корневого) шва, так как глубина проплавления корневого шва должна быть наименьшей (1,0–1,5 мм). Заполняющие и облицовочные слои могут быть также выполнены с помощью этого процесса. Однако низкие скорости наплавки снижают производительность сварочных работ.
Настройка параметров режима сварки производится на специальных образцах в виде катушки, вырезанной из трубы. Глубина проплавления стенки катушки будет больше, чем стенки трубы, заполненной перекачиваемой средой, из-за отсутствия теплоотвода в перекачиваемую среду. Поэтому режимы сварки на «катушке» должны обеспечивать провар не более 2,0 мм.
Режим сварки методом STT следующий [
Обратная полярность увеличивает величину расплавления сварочной проволоки и уменьшает нагрев свариваемых труб, что снижает глубину проплавления стенки труб.
Технология механизированной сварки методом УКП требует большего расхода защитного газа (15–20 л3/мин), что дополнительно охлаждает сварочную ванну и уменьшает величину проплавления стенки трубопровода. В этой технологии применяется меньший вылет электродной проволоки (5–10 мм) и низкий пиковый ток (25–270 А), что снижает производительность сварки (коэффициент наплавки), но увеличивает запас прочности по глубине проплавления.
Сварка методом ВКЗ производится на постоянном токе обратной полярности. Модуляция осуществляется по напряжению от 16,5 до 18,5 В. При напряжении 16,5 В происходит касание электродной проволокой сварочной ванны и расплавление проволоки на определенную длину. При напряжении 18,5 В реализуется капельный перенос электродного металла в сварочную ванну. Поэтому модуляция по напряжению также обеспечивает заданную глубину проплавления стенки трубопровода требуемой величины (до 2 мм).
При сварке с управляемым переносом капель сварочная дуга горит в сварочной ванне, поэтому металл электрода наплавляется на стенку трубы, при этом расплавляет только поверхность стенки трубы, а расплавленный металл закрывает отверстие, которое может появиться в стенке трубопровода при сквозном проплавлении [11–14].
Для полуавтоматической сварки трубопроводов с управляемым переносом капель фирмой Lincoln Electric разработаны инверторные источники питания типа Invertec STT [
За базовое оборудование в процессе ВКЗ были выбраны серийно выпускаемые установки типа ДК (ВД-306ДК, ВД-506ДК) с комбинированной внешней вольтамперной характеристикой для механизированной сварки. В зависимости от размеров капли электродного металла и фазы перехода капли в сварочную ванну вольтамперная характеристика может быть жесткой или падающей. Управление процессом переноса капель производится не по величине тока, а по напряжению на дуге.
Во всех процессах в качестве защитного газа используется углекислый газ, который подавляет горение, поэтому этот газ можно использовать для тушения возможного загорания при случайной разгерметизации трубопровода и выхода перекачиваемого продукта.
Для снятия остаточных напряжений в сварных швах, выполненных на трубопроводах, находящихся под давлением перекачиваемого продукта, наиболее эффективным является применение вибрационной обработки [4–6], так как термическая обработка сварных швов неэффективна из-за теплоотвода в перекачиваемый продукт.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.