Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

Притупление и зазор являются важными  показателями, определяющими качество будущего шва. С их помощью можно  регулировать глубину проплавления. Увеличение зазора и уменьшение притупления  повышают глубину проплавления, уменьшение зазора и увеличение притупления – понижают ее. Слишком малое притупление может привести к пережогу, отсутствие притупления (c = S) приводит к непровару.

Причина столь жесткого контроля геометрических параметров в том, что сварной шов, даже качественный, является мощным концентратором напряжений (К= 1.5–1,6), а в некачественно выполненном шве концентрация напряжений может возрастать на 25–30%.

2.2.2 Конструкция шва. Назначение  и технология сварки отдельных  его слоев

В зависимости от толщины стенки трубы и формы разделки сварной шов может выполняться в один или несколько проходов (слоев), причем каждый слой (кроме корневого) может по сечению состоять из одного или нескольких валиков. Согласно п.2.4.18[5] при ширине разделки более 30 мм рекомендуется применять многоваликовую сварку (рис. 42).

Сварной шов по высоте состоит из нескольких слоев. Каждый из них имеет  свое название, особенности выполнения и осуществляет определенные функции. Конструкция шва в общем случае приведена на рис.43.

Наиболее ответственным является корневой слой шва. Он должен надежно  проплавлять кромки свариваемых  труб и образовывать на внутренней поверхности равномерный обратный валик с усилением 1–3 мм. Допускается  на отдельных участках стыка длиной не более 50 мм (разрешается один подобный участок на каждые 350 мм длины стыка) ослабление корня шва величиной до 15% от толщины стенки (при S = 4–12 мм) или величиной до 10% от толщины стенки (при S > 12 мм). Наружная поверхность корневого слоя должна быть гладкой, мелкочешуйчатой и иметь сопряжение с боковой поверхностью разделки. Оптимальной формой наружной поверхности корня шва является вогнутость. Сварка корневого слоя электродами с целлюлозным видом покрытия должна вестись на постоянном токе обратной полярности; в случае нарушения на отдельных участках условий сборки можно использовать прямую полярность. Сварка ведется методом «на спуск» простым опиранием торца электрода на кромки свариваемых труб. Угол наклона электрода для обеспечения необходимого проплавления должен составлять 40–90º. Сварщик должен постоянно вести за торцом электрода «технологическое окно». Поддержание оптимальных размеров окна (поперечный размер не менее 3,5 , но не более 4,5 мм) позволяет сварщику непрерывно наблюдать и управлять процессами проплавления свариваемых кромок. При образовании «козырька» (оплавления покрытия электрода на одну сторону) при сварке необходимо резко изменить угол наклона электрода или же энергично раскачать его поперек шва до исчезновения козырька и до равномерного плавления электродного покрытия. Скорость сварки должна составлять 14–22 м/ч (при меньшей скорости нарушается нормальное формирование шва и возникает опасность образования пор, при большей – увеличивается возможность несплавления и непровара). Наличие сквозного проплавления фиксируется по характерному звуку проходящей навылет дуги. При вынужденных перерывах в работе во время сварки корневого слоя необходимо поддерживать температуру торцов труб на уровне требуемого предварительного подогрева. Если это требование не соблюдено, то стык должен быть вырезан и заварен вновь. После окончания сварки корневого слоя электродами с целлюлозным видом покрытия обязательна его шлифовка абразивным инструментом (обычно шлифмашинкой с абразивным кругом). Такая обработка необходима для вскрытия зашлакованных карманов (2, рис.44) – подрезов в кромках трубы, не имеющих выхода на поверхность шва и заполненных шлаком. Сразу после обработки  в течение последующих максимум пяти минут необходимо выполнить слой «горячего прохода». Горячим считается только такой проход, который выполнен электродами типа Ц или специальными низководористыми электродами, обеспечивающими возможность сварки «на спуск», по неостывшему корню шва не более, чем через пять минут после окончания сварки корня. Назначение «горячего прохода» в следующем:

1) устранение дефектов, образовавшихся в металле корневого слоя шва;

2) выплавление шлака из раскрытых при шлифовке зашлакованных карманов;

3) обеспечение чуть вогнутой или, по крайней мере, плоской ровной подложки для выполнения заполняющего слоя шва;

4) равномерное перераспределение водорода по всему периметру сварного шва и, тем самым, повышение его трещиностойкости;

5) отжиг закалочных структур.

Сварка горячего прохода ведется  поддержанием электрода на весу при длине сварочной дуги в 1,5–2 мм в рваном ритме как с продольными, так и поперечными колебаниями. Сварщик придает торцу электрода продольное возвратно-поступательное движение с достаточно большой амплитудой при переменной длине дуги. В нижнем положении этой траектории сварщик осуществляет незначительное поступательное движение торца электрода с задержкой на свариваемых торцах труб, а затем сразу после задержки следует резкое выметающее шлак движение вверх-вниз. Скорость сварки должна составлять 18–20 м/ч.

Сварка корневого слоя электродами  с основным видом покрытия выполняется  на постоянном токе обратной полярности методом «на подъем» с поперечными  колебаниями, амплитуда которых  зависит от ширины разделки кромок стыка. При сварке корневого слоя шва электродами с основным видом покрытия «на спуск» (используется реже, чем метод «на подъем») дугу возбуждают методом «зажигания спички» на поверхности разделки (запрещается зажигать дугу на поверхности основного металла трубы вне разделки), затем, чуть оторвав электрод от поверхности зажигания (длина дуги не более 1,5 мм), мгновенно переводят дугу на свариваемые кромки. Кратер необходимо выводить на поверхность разделки кромок или прорезать шлифмашинкой. После достижения контакта между втулочкой электрода и поверхностью разделки электрод перемещают сверху вниз без поперечных колебаний, непрерывно регулируя положение дуги относительно сварочной ванны. Промежуток «застывший сварочный шлак – дуга» регулируется изменением наклона электрода, скоростью его перемещения, усилием прижатия электрода к свариваемым кромкам и силой тока.

При сварке труб диаметром 1020 мм и более рекомендуется выполнять подварочный слой (подварку). Различают 100%-ную подварку (т.е. подварку всего периметра стыка) и визуальную подварку (подварку в местах видимых дефектов (непроваров) с обязательной подваркой нижней четверти стыка, т.е. части, где корень выполнялся в потолочном положении). Подварку неповоротных стыков в случае сварки корневого слоя электродами с основным покрытием способом «на подъем» осуществляют на нижней четверти периметра и на участках стыка с непроваром. Подварку выполняют перед началом сварки заполняющих слоев шва. Запрещается производить подварку способом сварки «на спуск». Подварочный шов должен обеспечивать надежный провар корня и иметь мелкочешуйчатую поверхность, плавно сопрягающуюся со внутренней поверхностью трубы без подрезов и др. дефектов. Ширина подварочного слоя может колебаться в пределах от 8 до 10 мм, усиление составляет 1–3 мм. Подварочный слой может присутствовать не только при сварке корня основными электродами, но и если сварка велась целлюлозными электродами - для обеспечения гарантированного провара. В этом случае чаще всего используется визуальная подварка. СНИП [6] устанавливает обязательность подварки для труб диаметром 1020 мм и более при разнотолщинности свариваемых элементов. Во всех случаях подварка делается электродами с основным покрытием.

После выполнения слоя горячего прохода  электродами типа Ц или корневого  слоя электродами типа Б производится сварка заполняющего или заполняющих (число их зависит от толщины стенок свариваемых труб) слоев шва. Заполняющие слои надежно сплавляются между собой и проплавляют кромки труб. Выполняются они основными электродами.

Последним слоем сварного шва является облицовочный (другие его названия – косметический, отжигающий). Важнейшая его функция – термическая обработка (отжиг) предыдущих слоев шва, что позволяет выровнять и нормализовать структуру всего шва, а значит, и его физико-механические характеристики. Как уже отмечалось, ко внешнему виду облицовочного слоя предъявляются особые требования. Он должен быть мелкочешуйчатым (чешуйчатость не более 1 мм),иметь плавный переход к основному металлу, усиление 1–3 мм, перекрывать разделку на 2,5–3,5 мм в каждую сторону и иметь колебание по ширине не более 5 мм. В зарубежной практике усиление шва принято спиливать – подобные швы лучше работают на знакопеременную нагрузку (т.е. имеют повышенный предел выносливости), у них меньший коэффициент концентрации напряжений и они более экономичные. Чтобы предупредить образование дефектов между слоями перед наложением каждого последующего слоя шва, поверхность предыдущего шва должна быть очищена от шлака и брызг наплавленного металла. После окончания сварки поверхность облицовочного слоя шва также должна быть очищена от шлака и брызг. Шов не должен иметь наплывов, выходящих на поверхность дефектов, прожогов, незаваренных кратеров и видимых глазом подрезов.

Ручную дуговую сварку следует  выполнять с применением электродов, указанных в табл. 10,11 [5] либо аналогичных, сертифицированных и допущенных к применению ВНИИСТом. Запрещается вести сварку с применением любых присадок, подаваемых в дугу дополнительно или закладываемых в разделку.

При сварке последующий валик по длине должен перекрывать предыдущий на расстояние не менее 15 мм, что связано с необходимостью переплавки дефектов окончания сварки – кратеров. Рекомендуется заварка кратеров в процессе сварки, чего можно достичь путем растяжки дуги - естественного затухания дуги вследствие ее удлинения.

Сварные соединения разрешается оставлять  незаконченными только на одни сутки  после окончания рабочего дня  или при остановке работ, если число выполненных слоев шва  соответствует таблице 7 (табл.17[5]). Если число слоев на брошенном стыке  не соответствует данным, приведенным в таблице 7, стык должен быть вырезан и заварен вновь.

Таблица 7

Минимальное допустимое число слоев  при остановке работ

Толщина стенки трубы, мм	Необходимое число слоев при  сварке корневого слоя шва электродами  с разным видом покрытия
	целлюлозный	основной
До 10	Стык заваривается полностью
Свыше 10-15	3	2
Свыше 15	4	3
Примечание: число слоев указано  без учета подварочного слоя

2.3 Этапы разработки технологии РДС

От правильной разработки технологии сварки в конечном счете зависит работоспособность конструкции, ее эксплуатационные характеристики. В общем случае при разработке технологии целесообразно выделить пять основных этапов:

1) выбор вида подготовки (разделки) кромок;

2) выбор электродов;

3) выбор рода и силы сварочного тока;

4) выбор конструкции стыка и шва;

5) выбор скорости сварки.

Выбор схемы производства работ  ввиду его специфичности рассматривается  отдельно.

2.3.1 Подготовка кромок труб

При сварке двух металлических элементов  значительной толщины (именно такими являются трубы для магистральных трубопроводов) применяется особая форма обработки свариваемых кромок – разделка. Смысл ее использования в обеспечении необходимой глубины проплавления при отсутствии пережога. Все трубы поступают на трассу с заводов с разделкой кромок, предназначенной для ручной дуговой сварки толстопокрытыми электродами (рис. 45. а). Эта разделка имеет для труб любого диаметра при толщине стенки более 4 мм угол скоса кромок 25–30º и притупление 1–2,6 мм. При толщине стенки более 16 мм трубы большого диаметра могут поставляться с комбинированной разделкой кромок (рис. 45, б). При ремонте стыков труб, обрезке поврежденных кромок, вырезке катушек и дефектных стыков, сварке захлестов и др. случаях подготовка кромки труб выполняется непосредственно в полевых условиях. Чаще всего для этих целей применяют ручную или механизированную газокислородную и воздушно-плазменную резку. После подобного резания рекомендуется зачистка поверхности реза при помощи ручных шлифмашинок абразивными кругами. Смысл этой операции в снятии насыщенного кислородом и азотом в процессе резки верхнего слоя металла трубы. Иногда, если труба имеет небольшой диаметр и толщину стенки, подготовка кромок может выполняться ручными шлифмашинками с абразивными кругами, однако такой способ весьма неэкономичен вследствие значительного перерасхода абразивных кругов и малой скорости операции. Лучшим методом подготовки кромок труб в полевых условиях является их обработка с помощью специализированных станков СПК.

2.3.2 Выбор электродов

Тип электродов и вид электродного покрытия выбираются исходя из необходимости получения механических свойств шва, одинаковых со свойствами основного металла, назначения электродов (какой слой сварочного шва ими будут варить), а также с учетом требования наибольшей производительности сварки. Выбор производится согласно таблицам 8, 9 (табл.10, 11[5])

Таблица 8

Электроды с покрытием основного  вида для сварки и ремонта поворотных и неповоротных стыков труб при любых  условиях прокладки трубопроводов

Электроды			Характеристика металла свариваемых труб
Назначение	Тип по ГОСТ 9467-75	Диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Нормативное значение временного сопротивления  разрыву, МПа (кгс/мм )
Для сварки, ремонта корневого слоя шва и подварки изнутри трубы	Э42А	2,0-2,5	5-8	До 490 (50) включительно
		3,0	6-26 и более
	Э50А	2,0-2,6	5-8	До 588 (60) включительно
		2,5-3,25	8-26 и более	-
Для сварки и ремонта заполняющих  и облицовочных слоев шва (после "горячего" прохода электродами  с целлюлозным покрытием или  после сварки корневого слоя электродами с основным покрытием)	Э42А	3,0-4,0	5-26 и более	До 431 (44) включительно
	Э50А	3,0-3,25	5-8	До 539 (55)
		4,0-5,0	6-26 и более	-
	Э60	3,0-3,25	5-8	539-588 (55-60) включительно
		4,0-5,0	6-26 и более	538-588 (55-60) включительно
	Э70	4,0-5,0	10-26 и более	588-637 (60-65)
Примечание. Каждый диаметр (группа диаметров) электродов относится ко всем маркам электродов, сгруппированных согласно типу по ГОСТ 9467-75. Например, группа диаметров 2,0-2,6 относится ко всем маркам электродов типа Э50А от УОНИ-13/55 до ОК 48.04, то же самое для диаметра 3,0 и 3,25

 

Таблица 9

Электроды с покрытием целлюлозного вида для сварки неповоротных стыков труб при подземной прокладке  трубопроводов

Электроды			Характеристика металла свариваемых  труб
Назначение	Тип по ГОСТ 9467-7	Диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Нормативное значение временного сопротивления  разрыву, МПа (кгс/мм )
Для сварки первого (корневого) слоя шва	Э42	3,0-3,25	5-8	До 568 (60)
		4,0	6-26
	Э50	3,0-3,25	5-8	539-637 (55-65) включительно
		4,0	6-26 и более
Для сварки второго слоя шва (горячего прохода)	Э42	3,0-3,25	5-8	До 588 (60)
		4,0	10-26 и более
	Э50 и Э60	4,0-5,0	6-26 и более	539-588 (55-60) включительно
Для сварки заполняющих слоев шва	Э60	5,0	10-26 и более	539-588 (55-60) включительно