CC BY
167ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
УДК 621.791
А.Б. Ушаков, ООО «НТО «ИРЭ-Полюс» (Московская обл., Фрязино, РФ)
О.П. Морозова, ООО «НПК «УТС Интеграция» (Москва, РФ)
И.А. Бегунов, ООО «НПК «УТС Интеграция»
Е.М. Шамов, ООО «НПК «УТС Интеграция»
А.А. Орешкин, ООО «НПК «УТС Интеграция»
Е.М. Вышемирский, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ)
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 2°) 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.
Рис. 1. Разделки кромок:
а) для ручной и механизированной сварки [5]; б) для сварки комплексом CRC-Evans [5]; в) для лазерной сварки
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») про-плавления;
• малому объему расплавленного металла и незначительному размеру зоны термического влияния (ЗТВ);
• высоким скоростям ведения процесса и др.
Помимо этого использование волоконных лазеров позволяет
осуществлять транспортировку лазерного излучения на большие расстояние от источника, а перемещение луча возможно практически по любой траектории.
В основу технологии лазерной сварки кольцевых неповоротных стыков труб заложена возмож-
ность сварки корня в режиме глубокого проплавления (величина притупления, провариваемого первым проходом, может достигать 8 мм) и заполнения разделки с углом раскрытия 2° с присадочной проволокой [3, 4].
Предлагаемая разделка кромок снижает объем наплавляемого
Рис. 2. Оборудование для лазерной сварки труб: а) общий вид; б) сварочная головка
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.
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.
Технология лазерной сварки неповоротных кольцевых стыков труб большого диаметра (ТБД) была разделена на два этапа:
Тип испытания СТО Газпром 2-2.2-136-2007 СТО Газпром 2-3.7-050-2006
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 120° Угол изгиба - не менее 180°
Испытания на ударный изгиб (по Шарпи) Ударная вязкость металла шва и ЗТВ при температуре -40 °С 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
Рис. 3. Отработка технологии на роботизированном комплексе:
а) внешний вид роботизированного комплекса; б) сварка пластин; в) сварка сегментов; г) сварка труб
Требования к сварным соединениям согласно нормативной документации
Пластины
ПОТОЛОЧНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ СВАРКИ
Стык с разделкой Сварка по зазору
Угол О1
Угол 45"
0,3 мм
0,8 мм
Рис. 4. Сварка корневого слоя шва в потолочном положении
Рис. 5. Шлифы поперечного сечения сварных швов с различной высотой заполняющих слоев и графики изменения твердости по ширине шва
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.
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).
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 45°, а также выполнялась сварка по зазору.
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 про-
странственных 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 М10 (рис. 6).
В металле заполняющих швов наблюдалась практически бей-нитная структура - как в самом
в)
Рис. 6. Анализ микроструктуры сварных соединений:
а) корневого слоя шва; б) заполняющих слоев шва; в) облицовочного слоя шва
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 ^10). Максимальная твердость наблюдалась на линии сплавления и не превышала 280 Н^„.
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.
(*) 1 - точка расположения термопары для измерения СТЦ в ЗТВ при сварке корня шва (отверстия 1-6);
(*) 2 - точка расположения термопары для измерения СТЦ в ЗТВ при выполнении 1-го заполняющего прохода (отверстия 7-10).
-Нижнее (922 °С) -Вертикальное (876 ЛС) — Потолочное (727 "С)
(*) 1 - точка расположения термопары для измерения СТЦ в ЗТВ при сварке корня шва
Рис. 7. Запись термических циклов
ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ РЕМОНТ И ДИАГНОСТИКА
Спецвыпуск № 2 (754)
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.
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 180° дефектов не было обнаружено. Ударная вязкость сварных соединений оказалась выше установленной нормы (рис. 10).
Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из КСС (полученные на базе испытательного центра «Политех-тест» 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 темпле-
1400 1200 1000 ООО Í00 400 200 О
(*) 2 - точка расположения термопары для измерения Щ в ЗТВ при выполнении 1-го заполняющего прохода
-0,2 мм (1254 "С) -0,9 мм (061 "С) -1,5 мм (735 "С)
Положение сварки Слой шва Максимальная температура W 8-5
°C °C/c
Нижнее (0 ч) Корневой 876 75
Первый заполняющий 867 50
Вертикальное (3 ч) Корневой 876 95
Первый заполняющий 867 75
Потолочное (9 ч) Корневой 727 70
Первый заполняющий 943 60
Рис. 8. Анализ скоростей охлаждения при лазерной сварке труб
Рис. 9. Последовательность для лазерной сварки неповоротных кольцевых стыков
Запись термических циклов проводилась на сегментах труб в трех пространственных положениях: нижнее, вертикальное и потолочное (рис. 7).
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 °С/с в сварном соединении начинается формирование мартенситной фазы.
При сварке контрольных сварных соединений (КСС) были использованы элементы труб с
ИСПЫТАНИЯ НА СТАТИЧЕСКОЕ РАСТЯЖЕНИЕ Без снятия усиления Со снятым усилением
№ образца Временное сопротивление разрыву, МПа Относительное удлинение, % № образца Временное сопротивление разрыву, МПа Относительное удлинение, %
1 616 21 1 616 21
2 622 21 2 617 20
3 605 20 3 606 19
4 608 23 4 618 21
Разрушение по основному металлу
ИСПЫТАНИЯ НА СТАТИЧЕСКИЙ ИЗГИБ
Угол изгиба -180°. Трещин не обнаружено
ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ (по Шарли) Надрез по оси шва Надрез по ЛС
Температура испытаний, °С Ударная вязкость (среднее значение), Дж/см2
0 225
-20 229
-40 89
Температура испытаний, °С Ударная вязкость (среднее значение), Дж/см2
0 315
-20 260
-40 270
Температура испытаний, °С Ударная вязкость (среднее значение), Дж/см2
0 313
-20 337
-40 343
Температура испытаний, °С Ударная вязкость (среднее значение), Дж/см2
0 280
-20 285
-40 278
Рис. 10. Результаты предварительных механических испытаний образцов, вырезанных из КСС
тов, 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).
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 мас-лозаполненнный 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.
Навесное сварочное оборудование - орбитальный манипулятор -включает (рис. 14):
ИСПЫТАНИЯ НА СТАТИЧЕСКОЕ РАСТЯЖЕНИЕ
Разрушение по основному металлу
ИСПЫТАНИЯ НА СТАТИЧЕСКИЙ ИЗГИБ
Угол изгиба -120®. Дефектов не обнаружено
ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ (по Шарли)
Надрез по оси шва Надрез по /1С
Температура испытаний, °С Ударная вязкость (среднее значение), Дж/см2
-20 221,2
-40 182,1
Температура испытаний, °С Ударная вязкость (среднее значение), Дж/см2
-20 396,9
-40 364,6
Температура испытаний, °С Ударная вязкость (среднее значение), Дж/см2
-20 242,3
-40 144,1
Температура испытаний, °С Ударная вязкость (среднее значение), Дж/см2
-20 365,1
-40 376,3
Ударная вязкость - на уровне металла трубы
Рис. И. Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из КСС (полученные на базе Испытательного центра «Политехтест» при Санкт-Петербургском политехническом университете им. Петра Великого)
НЕДОПУСТИМЫХ ДЕФЕКТОВ НЕ ОБНАРУЖЕНО
Облицовочный слой
Облицовочный слой
Рис. 13. Основные элементы и компоновка самоходного агрегата лазерной сварки (САЛС)
Рис. 12. Результат компьютерной рентгеновской томографии сварного соединения
• 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 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-НДЗ 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
Рис. 14. Навесное сварочное оборудование (орбитальный манипулятор) установки УЛСТ
машины в условиях низких температур. Габаритные размеры шасси позволяют производить отгрузку агрегатов железнодорожным транспортом по 2 шт. на платформе (рис. 15).
Рис. 15. Самоходное шасси с краном-манипулятором
Рис. 16. Демонстрация САЛС с применением установки УЛСТ-1 на 18-й Международной выставке-конгрессе «MAPKA/WELDING^On»
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 (ди-
аметром 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.■
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.
2. Ready J.F. et al. LIA Handbook of Laser Materials Processing. Orlando, Laser Institute of America, 2001, 704 pp.
3. Гоок С., Гюменюк А., Ламмерс М., Ретмайер М. Особенности процесса орбитальной лазерно-дуговой сварки толстостенных труб большого диаметра // Автоматическая сварка. 2010. № 9. С. 5-13.
4. Чубуков И.А. Разработка способа лазерной сварки конструкционных сталей в щелевую разделку с подачей присадочной проволоки.: дисс. ... канд. техн. наук. М., 1989. 186 с.
5. СТО Газпром 2-2.2-136-2007. Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть I [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://files.stroyinf.ru/Data1/54/54452/ (дата обращения: 15.05.2017).
