Новости

Приведены результаты разработки и апробации гибридной лазерно-дуговой сварки труб большого диаметра.

Дата публикации: 01/03/2011
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Обобщены основные результаты исследований, в частности, особенности формирования шва на различных участках кольцевого стыка, показатели механических свойств сварных соединений, перспективы имеющейся техники применительно к строительству магистральных трубопроводов.
Одной из важнейших составных частей мировой энергетической системы является сеть магистральных трубопроводов, при сооружении которых продемонстрировано преимущество ручных и механизированных способов дуговой сварки, в частности, ручной дуговой сварки покрытым электродом, механизированной сварки в защитном газе проволокой сплошного сечения или порошковой проволокой, механизированной двухдуговой тандем-сваркой.
Среди недуговых процессов можно выделить способ стыковой сварки оплавлением, который несмотря на простоту принципа не нашел широкого распространения при сооружении современных нефте-, газопроводов.
Сварка неповоротных стыков трубопроводов является достаточно трудоемким процессом, от которого в значительной степени зависит темп прокладки магистрали в целом. Применяемые дуговые способы сварки характеризуются относительно низкой скоростью процесса и, например, при строительстве трубопровода диаметром 1229 мм с толщиной стенки 35 мм и более это ограничение представляется довольно ощутимым.
Кроме того, нефтегазовая отрасль находится в поиске решений в области внедрения современных высокопрочных конструкционных материалов, что позволило бы уменьшить толщину стенки трубопровода с целью снижения его металлоемкости или увеличить рабочее давление в трубопроводе для более эффективной транспортировки продукта.
Вместо стандартных сортов трубопроводной стали классов прочности Х60, Х70 с пределом текучести до 500 МПа по классификации Американского института нефти в эксплуатацию вводятся стали более высокого класса прочности, такие как Х80 или XI00, при этом возможно повышение рабочего давления в новых проектируемых трубопроводах с 7... 10 до 15...20 МПа.
Несмотря на то что повышение прочностных характеристик стали с точки зрения сварочной металлургии приводит к ухудшению ее свариваемости применяемая традиционная дуговая сварка способна обеспечить требуемое качество сварного соединения, а использование полностью автоматизированных технологических процессов решает проблему его воспроизводимости.
На выбор тех или иных сварочных процессов при сооружении перспективных трубопроводов из высокопрочной стали первоочередное влияние будут оказывать, по всей видимости, технико-экономические факторы с учетом объемов строительства и гарантий качества строительно-монтажных работ.
Данная стратегия неразрывно связана с использованием последних достижений в области сварочных технологий, среди которых наиболее привлекательными на сегодня являются высокопроизводительные комбинированные (гибридные) процессы сварки, основанные на синергетическом эффекте комплексного воздействия на сварной шов лазерного луча и электрической дуги.
Идея использования лучевой сварки для изготовления кольцевых швов трубопроводов не является новой. Так, приблизительно с 2000 г., опубликован ряд работ, в которых обсуждаются возможности использования электронного луча, газового СО2-лазера, а также твердотельного Nd-YAG-лазера для реализации процесса орбитальной сварки. Установлено, что с повышением температуры подогрева процесс сварки реализуют с меньшей мощностью лазерного излучения, чем та, которая необходима при сварке «холодных» проб. Мощность лазера при температуре предварительного подогрева 350 °С может быть снижена до 17 кВт.
Измеренное в зоне термического влияния время охлаждения t8/5 (в интервале температур от 800 до 500 °С) составляет около 1 с при сварке без подогрева. С подогревом до 350 °С время t8/5 увеличивается до 16 с.
Максимальная микротвердость металла шва при этом находится на уровне основного металла (НV220).
Достигнутые с применением предварительного подогрева значения микротвердости соответствуют требованиям действующих норм в области производства труб из материалов, не предназначенных для работы в кислой среде, например DNV-OS-F101.
При использовании нагревателей сопротивления при подогреве полной окружности стыка необходимо учитывать, что это довольно длительная технологическая операция, которая может негативно сказаться на темпе прокладки трубопровода. В качестве альтернативы нами рассматривается локальный подогрев кромок стыка, например с помощью индуктора, перемещаемого вместе со сварочной головкой.
В зависимости от конфигурации и расположения индуктора дополнительное тепловложение в материал возможно как непосредственно перед сваркой, так и после нее. При этом мощность индуктора должна обеспечивать прогрев свариваемого материала на всю толщину при заданной скорости процесса сварки.
На примере труб диаметром 914 мм с толщиной стенки 16 мм успешно продемонстрирована сварка кольцевого стыка в два полуорбитальных прохода на спуск со средней скоростью 2 м/мин при мощности лазера 19 кВт.
Потолочное положение сварки (участок от 150 до 180°) является наиболее сложным с точки зрения обеспечения качественного формирования корня.
Адаптация скорости подачи сварочной проволоки, скорости сварки, а также применение формирующего газа заметно улучшают качество корня в потолочном положении сварки. Сканирующая оптика зарекомендовала себя как эффективный инструмент, позволяющий расширить допуски на зазоры в стыке, а также компенсировать незначительные ошибки позиционирования сварочной головки относительно стыка. Установленный для свариваемой толщины 16 мм зазор, при котором еще возможен стабильный процесс без дефектов сплавления, составляет 0,7 мм, при обычной сварке он составляет 0,3 мм.
С применением предварительного подогрева достигнуто увеличение времени охлаждения t 8/5 с 1 до 16 с, что способствовало значительному снижению микротвердости в зоне термического влияния.
Работа выполнена и подготовлена к публикации специалистами: С. Гоок, А. Гуменюк, М. Ламмерс, М. Ретмайер (БАМ, г.Берлин, Германия).

Источник: «Автоматическая сварка», 2010, № 9, с.5-13 / www.nas.gov.ua/pwj

Статьи по теме:

страницы: 1