укажите параметры подогрева концов свариваемых труб при необходимости его применения

Современные методы подогрева для сварки трубопроводов

П.М. Корольков, ООО «Нагрев» (Москва)

На нашем сайте вы можете выбрать и заказать оборудование для сварки трубопроводов по выгодным ценам. Поставки оборудования возможны во все регионы России. Получить консультацию по ассортименту и оформить заказ можно по телефону (8452) 66-22-78.

Подогрев при сварке трубопроводов является технологической операцией, направленной на улучшение тепловых условий свариваемого соединения с целью повышения качества сварки. Различают подогрев для сварки предварительный (до начала сварки), сопутствующий, который проводится при перерыве в процессе сварки, межслойный (при многослойной сварке подогрев проводят после сварки какого-либо слоя шва при его остывании ниже нормативной температуры). В отдельных случаях (при сварке толстостенных конструкций, при отрицательной температуре окружающего воздуха) подогрев проводят в течение всего процесса сварки, который может длиться десятки часов.

В задачу подогрева для сварки входит:

Необходимость проведения подогрева для сварки определяют научно-исследовательские организации в результате проведения опытных работ и указывают в нормативно-технических документах (НТД): отраслевых стандартах (ОС), основных положениях (ОП), руководящих документах (РД) и др.

Температура подогрева для сварки обычно невелика: для теплоустойчивых сталей типа 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и др. не выше 300–350°С, для конструкционных углеродистых и низколегированных кремнемарганцевых сталей марок 20, 09Г2С, 15ГС и др. — не более 100–150°С.

Эти НТД устанавливают только основные требования к выполнению подогрева, главным из которых является обеспечение равномерности нагрева по окружности свариваемого соединения и по длине труб (обычно не менее 75 мм от кромки свариваемого соединения).

Как правило, сварные соединения труб имеют простую форму и чаще всего представляют собой так называемые «прямые стыки» (соединение «встык» трубы с трубой), подогрев которых для сварки труб не должен представлять больших трудностей. Для подогрева свариваемых труб с небольшой толщиной стенки (менее 18 мм) обычно применяют газопламенный нагрев от кольцевых пропановых горелок. Однако этот метод не обеспечивает необходимую равномерность нагрева, загрязняет свариваемые кромки труб, при сварке ответственных сварных соединений его применяют редко.

Обычно подогрев для сварки выполняют теми же средствами (электронагревателями), которые применяют для последующей местной термообработки, если ее проведение предполагается по нормативным требованиям. Таким образом, выполнение подогрева для сварки, как правило, не вызывает больших трудностей и не требует специального и дорогостоящего, сложного оборудования.

На тепловых электростанциях (ТЭС) при подогреве для сварки обычно используют индукторы токов промышленной 50 Гц или средней частоты 2500 Гц, а также электронагреватели КЭН, на атомных электростанциях (АЭС) чаще всего индукторы токов средней частоты 2500 Гц, на общепромышленных предприятиях (нефтехимии и нефтепереработки, химии, технологических трубопроводах и др.) — электронагреватели сопротивления типа гибких матов или электронагреватели КЭН [1–4].

Магистральный газопровод «Северный поток» (трубы из углеродистой стали: диаметр трубы 1200 мм, толщина стенки 41 мм), рассчитанный на давление 22,0 МПа, будет строиться по коду США ASME B 31.8-2003 «Магистральные газопроводы и распределительные трубные системы». Подогрев для сварки согласно этому НТД допускается проводить различными методами нагрева — индукционными, радиационными электронагревателями сопротивления и газопламенного нагрева, кольцевыми пропановыми горелками и другими при обеспечении контроля температуры.

На строительстве газопроводов в системе ОАО «Газпром» и в отдельных случаях при строительстве нефтепроводов сложилась совершенно иная ситуация в решении вопросов подогрева для сварки.

Подход к работам по подогреву для сварки в развитых зарубежных странах и в России неодинаков: за рубежом подогрев для сварки является первой термической операцией и входят в состав НТД по термообработке [5, 6], в России — входит в состав НТД по сварке. По мнению автора, постановка вопроса за рубежом является правильной, так как в большинстве случаев подогрев выполняют рабочие, имеющие квалификацию операторов-термистов на передвижных термических установках. Это позволяет выполнять подогрев для сварки более качественно.

В зарубежных НТД [5, 6] к подогреву для сварки предъявляют следующие требования (в различных НТД эти требования различны):

В то же время отсутствуют какие-либо ограничения в использовании методов нагрева для сварки, а также их зависимость от применяемых способов сварки (РДС — ручная дуговая покрытыми металлическими электродами, автоматическая и др.).

При рассмотрении отечественных НТД [2–4] следует отметить:

Во всех рассматриваемых случаях применяемый способ сварки на выбор метода нагрева не влияет.

При строительстве газопроводов и нефтепроводов примерно до 1995 г. для сварки использовали газопламенный нагрев от кольцевых пропановых горелок. После начала активных строительных работ на Сахалине некоторые иностранные фирмы при строительстве нефтегазопроводов «Сахалин-I» и «Сахалин-II» применяли технически сложное и дорогостоящее оборудование и технологии строительства. Так, для сварки труб диаметром 219–925 мм с толщиной стенки 8–12 мм из низколегированной стали Х65 применяли автоматическую сварку СRС. Одной из основных технологических операций при ее осуществлении являлся подогрев до 100°С, который на каждом свариваемом соединении выполняли несколько раз. Для подогрева использовали дорогостоящие специализированные индукционные установки токов средней частоты (до 10 кГц) стоимостью несколько миллионов рублей.

На Сахалине применение сложного и дорогостоящего оборудования для подогрева при сварке ограничилось автоматической сваркой труб по методу СRС. Фирма «Сахалин Энерджи» при строительстве одного из участков магистрального газопровода «Сахалин-II» категорически отказалась от применения этого оборудования при подогреве для РДС стыков труб диаметром 425–920 мм с толщиной стенки 36–53,5 мм. Строительство этого газопровода не входило в систему «разделения продукции», поэтому использование дорогостоящего оборудования иностранной фирме было невыгодно. Фирма «Сахалин Энерджи» потребовала применения для подогрева электронагревателей комбинированного действия КЭН-4-3 производства ООО «Нагрев» (Россия) [7]. Процесс ручной сварки стыков труб длителен, иногда идет несколько смен (для сварных стыков труб размером 920×53,5 мм до 5–7 смен по 12 ч двумя сварщиками) и требует постоянного подогрева, что практически невозможно выполнить установками для индукционного нагрева.

ОАО «Газпром» пригласил специалистов отдела сварки ВНИИСТ для разработки инструкции по сварке магистральных газопроводов с рабочим давлением до 9,8 МПа, к которым относится Северо-Европейский газопровод (СЕГ) [8]. По данному проекту предусматривалось применение сварки по методу СRC c малым количеством стыков, свариваемых РДС. Помимо СRC, инструкция предусматривала возможность применения и других способов автоматической сварки. По опыту работ на Сахалине отдел сварки ВНИИСТ включил в инструкцию обязательное применение дорогостоящих, в основном иностранного производства, индукционных установок при подогреве труб газопроводов с толщиной стенки более 22 мм, мотивируя это широким применением сварки по методу СRC. Однако в связи с задержкой утверждения в ОАО «Газпром» инструкции [8] ОАО «Сварочно-монтажный трест» в течение 6 мес 2007 г. для подогрева при автоматической сварке труб размером 1420×27 мм Северо-Европейского газопровода использовал газопламенный подогрев от кольцевых пропановых горелок и обеспечил высокое качество сварки.

Особенно сложным стал вопрос о подогреве для сварки при разработке отделом сварки ВНИИСТ и лабораторией сварки и контроля ООО «ВНИИГАЗ» инструкции по сварке труб магистрального газопровода Бованенково-Ухта из стали К65 (Х80) с диаметром труб 1420 мм и толщиной стенки до 33,4 мм, предназначенных для работы под давлением до 11,8 МПа [10]. В этой инструкции разрешен исключительно индукционный метод нагрева независимо от способа сварки. Дело в том, что при сооружении этого газопровода значительное количество стыков подлежало РДС в связи с особенностями условий строительства. Можно согласиться с тем, что при автоматической сварке по методу СRC применение индукционного нагрева рационально, но для РДС использование этого метода вызывает большие трудности, значительное увеличение стоимости и трудоемкости работ.

Технология сварки по методу СRС резко отличается от технологии РДС. Сварка по методу СRC состоит из трех отдельных циклов, каждый из которых требует проведения подогрева для сварки. Индукционные установки, приведенные в табл. 1, комплектуют главным образом гибкими индукторами типа «полотенец», которые при подогреве устанавливают прямо на свариваемые кромки и затем снимают для проведения сварки. Выполнение этих операций в различных местах требует применения нескольких установок для подогрева, увеличивает трудозатраты и стоимость работ, но позволяет повысить производительность сварки.

При РДС сварка длится значительное время (сварка стыка размером 1420×33,4 мм двумя сварщиками одновременно может длиться до 15 ч) и все это время необходимо поддерживать температуру стыка в пределах 150–180°С. Это связано с необходимостью проведения сопутствующего подогрева, что при использовании индукционного метода приведет к частым перерывам в процессе сварки для установки гибких индукторов в виде «полотенец» прямо на свариваемые кромки, подогрева и снятия индукторов.

При использовании электронагревателей КЭН для подогрева при сварке их устанавливают на свариваемые трубы на расстоянии примерно 100 мм от свариваемых кромок и оставляют в таком положении на все время сварки, как это делали при сварке на магистральном газопроводе «Сахалин-II» (рис. 1) [7]. Этими электронагревателями можно подогревать периодически по мере необходимости или в течение всего процесса сварки, как это делали на Сахалине в течение 5–7 рабочих смен по 12 ч. Такой длительный подогрев особенно необходим в зимнее время.

Схема поста для подогрева электронагревателями типа КЭН показана на рис. 2. В качестве источника питания могут быть использованы сварочные преобразователи, применяемые для сварки. Тип электронагревателя КЭН выбирают в соответствии с данными табл. 2. Контроль температуры рекомендуется проводить контактными цифровыми термометрами (контактными термопарами) типа ТК-5-03 и др. При необходимости контроля температуры термопарами можно изготовить небольшой пульт с автоматическим регистрирующим потенциометром на шесть точек измерения с использованием термопар, привариваемых контактным устройством или закрепляемых на трубе с помощью специальных бобышек.

Разработчики сварки по методу СRС мотивируют применение индукционного подогрева токами средней частоты обеспечением равномерности нагрева по окружности и толщине стенки свариваемого соединения, что не соответствует действительности.

Токи средней частоты обладают «поверхностным эффектом», при котором в первое время нагревается поверхность, на которой установлен индуктор, т. е. корень шва не прогревается, и только постепенно теплота с наружной поверхности распространяется в глубь металла. В любом случае перепад температуры по толщине стенки будет равен 1°С/мм толщины стенки. При размещении гибкого индуктора-«полотенца» на свариваемых кромках перепад температуры по окружности свариваемых кромок для трубы диаметром 1420 мм будет равен примерно 20°С (в верхней точке кромок больше, чем внизу), что невозможно исправить при существующей схеме установки индуктора. Аналогично будет происходить нагрев и по длине свариваемых труб (вдоль оси трубы) Следует отметить, что указанные недостатки индукционного нагрева увеличивают свой негативный эффект при увеличении диаметра и толщины стенки труб. Электронагреватели КЭН за счет корректировки расположения витков на трубе обеспечивают равномерность нагрева по окружности и длине свариваемого соединения, а перепад температуры по толщине стенки можно сократить за счет длительности подогрева.

При индукционном методе подогрев для сварки каждого свариваемого соединения проводят в двух-трех разных местах, вследствие чего для подогрева каждого стыка необходимо использовать не менее двух индукционных установок при минимальной стоимости каждой установки 3 млн. руб. (см. табл. 1). Использование такого оборудования для подогрева при РДС не только усложняет технологию сварки, но и резко увеличивает стоимость работ. Так, стоимость средств подогрева с использованием КЭН составляет 0,1 млн. руб. (стоимость одной индукционной установки 3 млн. руб.).

Таблица 2. Технические данные установки КЭН-4-3 для подогрева труб для сварки

Для проведения работ по подогреву для сварки при строительстве и ремонте магистральных газопроводов особенно в существующих экономических условиях, по мнению автора, необходимо разработать дополнения к НТД 8 с целью:

При составлении новых НТД по сварке следует использовать передовой опыт проведения работ по подогреву в других отраслях промышленности, в первую очередь при проведении монтажных работ на тепловых и атомных электростанциях, шире использовать отечественные средства подогрева для сварки, привлекать для разработки нормативов высококвалифицированных специалистов из других отраслей промышленности.

Необходимо также при проведении обучения для повышения квалификации специалистов по сварке особое внимание уделить вопросу рационального выполнения работ по подогреву для сварки.

Список литературы

Источник: Информационно-технический журнал «Сварщик в России», 5 (69) 2009

Источник

Сварка с подогревом металла

Вопросы, рассмотренные в материале:

Сварка с подогревом металла имеет свои преимущества. Среди специалистов нагрев шва в околошовной зоне называется просто – предварительный нагрев. Чаще всего такой подход имеет место при изготовлении печей, резистивных нагревательных элементов, горелок и высокочастотных нагревательных элементов. Благодаря такому нагреву можно избежать появления холодных трещин на металле. Кроме того, он препятствует чрезмерному повышению твердости.

Для изготовления действительно качественного изделия необходимо знать особенности такого типа сварки. Подробнее об этом поговорим ниже.

Для чего нужна сварка с подогревом металла

Преимуществами использования сварки с предварительным нагревом металла являются:

Рекомендуем статьи по металлообработке

Существует несколько способов термической обработки изделий, которые определяются их дальнейшим применением:

Как выбрать температуру для сварки с подогревом металла

Сварочные кодексы содержат информацию о минимально возможной температуре предварительного нагрева. Вполне возможно, что тепловая обработка металла при указанной температуре сможет предотвратить появление трещин, но существует вероятность, что ее будет недостаточно. Это выясняется только опытным путем.

Например, получение балочно-стоечного соединения низководородистым электродом, имеющим большое сечение А36 (чья толщина находится в диапазоне от 10,2 до 12,7 мм), сделанным из сплава ASTM A572-Gr50. Для данного сопряжения необходима температура предварительного прогрева +107 °С (AWS D1.1-96). В случае изготовления стыковых соединений из материалов большого сечения предварительный нагрев рекомендуется поднять выше минимального значения. Институт AISC рекомендует нагревать до температуры +175 °С (AISC LRFD J2.8).

Рекомендация в достаточной степени консервативна. Она указывает на возможно недостаточный минимальный показатель нагрева металла у похожих соединений с высоким напряжением, указанный в документе AWS D1.1

А что же делать, если сварочные кодексы отсутствуют? Как определить нужную температуру? Обратимся к следующему документу – AWS D1.1-96, Приложение XI: «Руководство по альтернативным методам определения предварительного подогрева». Он указывает на существование двух возможностей определения температуры нагрева. Это процедуры, которые были составлены в ходе проведения специальных тестов в лабораториях для выявления образования трещин. Следовать им рекомендуется в ситуациях, когда есть высокие риски появления трещин вследствие напряжения, а также в зависимости от особенностей состава материала, количества водорода или излишне малого тепловложения в ходе сварочных работ.

Приложение № 11 к AWS D1.1-96 содержит два таких метода. Один из них заключается в контроле твердости в HAZ (области теплового воздействия). А второй регулирует количество водорода. Первый способ используется исключительно для угловой сварки. В его основе лежит предположение, что можно избежать появления трещин, поддерживая твердость HAZ на уровне ниже какого-то определенного заранее значения.

Такая возможность появляется при контроле скорости охлаждения металла. Прослеживается прямая взаимосвязь между критической скоростью охлаждения (при заданной твердости) и углеродным эквивалентом стали. Расчет происходит в соответствии со следующей формулой:

CE = C + ((Mn + Si)/6) + ((Cr + Mo + V)/5) + ((Ni + Cu)/15)

По окончании определяется минимальная температура нагрева, которая основывается на критической скорости охлаждения. Процедура описана в труде Блодгетта «Расчет скорости охлаждения методом компьютерного моделирования». Она основана на скорости охлаждения, температуре, при которой скорость охлаждения становится критической, толщине заготовки, тепловложении, температуре, с которой происходит предварительный разогрев материала, его теплоемкости и теплопроводности.

Однако в параграфе 3.4 того же Приложения 11 к документу AWS D1.1-96 говорится следующее: «Несмотря на то, что данным методом можно пользоваться для выяснения температуры предварительного нагрева, создан он для вычисления минимального тепловложения, которое должно помочь избежать излишнего затвердевания, вследствие чего образуется минимальный шов».

Второй метод, предлагающий контролировать водород, исходит из предположения, что избежать возникновения трещин поможет водород, если его количество, остающееся в остывшем до +50 °С шве, будет менее критического значения, определенного заранее. Данный показатель зависит от напряжения стали и ее состава. Описанная процедура подойдет в первую очередь сталям высокой прочности низколегированных сортов, имеющим высокую закаливаемость. Для углеродистых сталей расчетный нагрев металла может быть недостаточен.

Существуют три основных этапа метода контроля количества водорода в металле. На первом рассчитывается параметр состава материала, который эквивалентен углеродному. На втором – определяется индекс восприимчивости – это функция параметра состава, а также содержания водорода, который способен к диффузии в заполняющем металле. На третьем этапе происходит расчет температурного минимума для предварительного нагрева материала с использованием параметров напряжения, индекса восприимчивости и толщины металла.

Где применяется сварка с подогревом металла и какое оборудование необходимо

Предварительному нагреву чаще всего подвергается основной материал на расстоянии от сварного соединения. Рассмотрим пример. А является определенным участком углового шва.

Для расчета расстояния от него до места, где следует проводить предварительный нагрев, потребуется решить две проблемы:

На сегодняшний день производителями предлагается несколько видов различного оборудования для определения контроля, индикации и измерения температуры предварительного подогрева металла. Его используют в ряде коммерческих отраслей промышленности.

Рассмотрим основные измерительные приборы и датчики температуры, используемые с этой целью:

Сварка с подогревом металла: пошаговый алгоритм

В процессе транспортировки либо вследствие иной причины металлические заготовки могут подвергнуться деформации. Если это произойдет, то при стыковке деталей в зоне сварки могут возникнуть проблемы. Как правило, они приводят к ухудшению качества сварного соединения.

Впрочем, далеко не всегда есть возможность исправить дефект вручную. Тогда применяют специальные средства, к примеру, пресс (разных типов) или листоплавильный станок. Двигатель у последнего – электрический, он вырабатывает требуемую для работы мощность, которую передает редуктор. С их помощью давление на деформированные части заготовок увеличивается.

Существует следующие способы разметки: оптическая, ручная, мерная резка. Ручная разметка производится с использованием простых инструментов, таких как штангенциркуль или линейка. В случае, когда необходимо провести разметку небольшой партии заготовок одного типа, пользуются шаблонами, изготовленными из профилируемых листов либо алюминия. Ручной способ разметки имеет высокую трудоемкость и небольшую скорость работ.

Разметно-маркировочное оборудование используется для разметки заготовок оптическим способом. Оно работает со скоростью до 10 м/мин. Для работы следует ввести в аппарат специальную программу, основанную на установленных параметрах. В таком устройстве разметка наносится с использованием пневматического крена.

При мерной резке разметка на профили не наносится. Оборудование разрезает заготовки в соответствии с заложенной в специальные устройства программой. В ней указаны размеры деталей и их конфигурация.

Резка бывает механической и термической. Первая предполагает использование как ручного, так и механического инструмента. Термическая же представляет собой плавку материала по нанесенным заранее отметкам. Она тоже бывает ручной и автоматизированной. Для работы используют плазмотрон, кислородный резак и дуговую сварку. Кроме того, применяется оборудование, которое осуществляет резку в полуавтоматическом либо в автоматическом режиме.

Термический способ резки считается универсальным, поскольку процесс может идти в разных направлениях: прямо- или криволинейно.

Следует помнить о том, что на поверхности металла при длительном контакте с воздушной средой появляется оксидная пленка. Благодаря свои жаростойким свойствам она не дает провести качественную сварку заготовки. Избавиться от нее можно, очистив шов металлической щеткой или болгаркой.

В условиях промышленного производства заготовки очищаются с помощью дробеструйных или пескоструйных агрегатов. Возможно проведение химической чистки в ванне посредством опускания детали в химический реагент. Применение данного способа, как правило, ограничивается подготовкой цветных металлов. А черные и стальные изделия очищают ручным способом.

Сварка с подогревом металла предваряется зачисткой краев изделия, в особенности если заготовка имеет большую толщину. Кроме того, кромки необходимо подрезать до придания им определенной геометрической формы. Края бывают Х-образные, плоские или V-образные. У тонких деталей делают плоские кромки, а остальные используют для сварки толстых изделий.

Края заготовок для соединения готовят следующим образом: обрабатывается ширина зазора, угол разделки, регулируется длина откоса. При сварке труб самой разной толщины подготовке кромок нужно уделять повышенное внимание, иначе металл может не провариться. Необходимо выбрать правильный скос, который поможет сделать переход между заготовками плавным. В результате при дальнейшем использовании готового изделия не будет напряжения нагрузки.

В ходе подготовительных мероприятий холодной сварки труб проводят подрезку последних с помощью ручного инструмента и станков. А для термической сварки требуются автоматические либо ручные горелки.

Проводить сборку следует только после окончания подготовки (очистки и пр.) поверхности материала. Места сварки должны быть полностью доступны. А для предотвращения деформации части конструкции следует надежно закрепить.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Источник