Автоматическая подводная контактная стыковая сварка труб при ремонте стояков морских трубопроводов

Сварка и Диагностика, N 5, 2009
Рубрика: Производственный раздел
С.И.Кучук-Яценко, акад. НАН Украины,
Б.И.Казымов, канд. техн. наук,
П.Н.Чвертко, канд. техн. наук.
(ИЭС им. Е.О.Патона),
В.И.Хоменко, канд. техн. наук
(ООО "Ризалти плюс")

УДК 621.791.762

АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДВОДНАЯ КОНТАКТНАЯ СТЫКОВАЯ СВАРКА ТРУБ ПРИ РЕМОНТЕ СТОЯКОВ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Рассмотрены существующие способы ремонта стояков морских трубопроводов с помощью подводной сварки. Предложен принципиально новый способ и оборудование для автоматической подводной контактной стыковой сварки труб при ремонте стояков морских трубопроводов без участия водолазов. Описаны технологические операции практического выполнения подводной сварки на глубине 10-60 м.

Ключевые слова: автоматическая подводная контактная стыковая сварка, ремонт, стояки морских трубопроводов.

Вертикальные части морских трубопроводов (стояки), соединяющие их придонную часть с частью, расположенной на поверхности морских стационарных платформ, в наибольшей мере подвержены химическим и механическим воздействиям [1, 2]. Стояки трубопроводов из широко применяемых низкоуглеродистых и низколегированных сталей в процессе эксплуатации могут подвергаться коррозии (это происходит на участках с переменным смачиванием). Иногда стояки могут получать и механические повреждения (особенно при выполнении разгрузочно-погрузочных работ во время волнения моря). В обоих случаях возникает необходимость замены поврежденного участка, что позволит в дальнейшем использовать трубопровод на проектную мощность. По мере обнаружения на трубопроводе опасных дефектов поврежденный участок вырезают, а на его место устанавливают новую трубную вставку [2].

Основная проблема при выполнении ремонтных работ под водой - получение надежного сварного соединения. Известна технология подводной дуговой сварки труб ("мокрая" сварка) [2], однако ее применение ограничено глубиной проведения сварочных работ.

Другой способ подводной дуговой сварки - сварка в изолированном объеме ("сухая" сварка), выполняемую чаще всего в гипербарических камерах, в которых давление газовой среды несколько превышает давление, существующее на глубине производства работ [3]. При выполнении сварочных работ на глубине возрастает их трудоемкость и увеличиваются материальные затраты.

Для повышения эффективности сварочных работ под водой совершенствуются известные технологии сварки, проводится поиск других методов соединения труб [4, 5].

Эти работы стимулируются постоянно возрастающими потребностями в освоении новых, особенно глубоководных, морских месторождений нефти и газа, а также ремонте действующих морских трубопроводов.

В ИЭС им. Е.О.Патона выполнили комплекс исследовательских и экспериментальных работ, направленных на разработку технологических приемов сварки и создание технических средств для подводной автоматической контактной стыковой сварки оплавлением (КСС) труб в локальной камере.

Локальная камера, как и гипербарические камеры при дуговых способах сварки, предназначена для выполнения сварочных работ в "сухом" объеме. Камера встроена в сварочную машину, после зажатия труб ограничивает доступ воды к узкому участку зоны сварки. Перед сваркой вода вытесняется из камеры (зоны сварки) газовой средой. Давление газовой среды в камере должно несколько превышать давление на глубине производства сварочных работ.

Подводная КСС труб разработана в ИЭС им. Е.О.Патона [6] на базе контактной стыковой сварки труб в наземных условиях, широко применяемой при строительстве различных трубчатых конструкций [7], в том числе трубопроводов различного назначения при обустройстве нефтегазовых месторождений и строительстве магистральных транспортных трубопроводных систем [8, 9].

При подводной КСС весь процесс сварки производится в автоматическом режиме без участия сварщика, что устраняет субъективное влияние человеческого фактора на качество соединений. Роль оператора-сварщика заключается в настройке и контроле за работой сварочной машины и контролирующей аппаратуры в соответствии с регламентом проведения сварочных работ. В качественных соединениях (рис.1), выполненных на оптимальных режимах, отсутствуют дефекты, которые могли бы отрицательно влиять на прочностные и пластические свойства. Этот способ сварки, благодаря свойственным ему особенностям физических процессов, имеет высоконадежный способ контроля качества соединений, основанный на операционном контроле параметров режима сварки. Высокая достоверность оценки качества сварного соединения обеспечивается существующей зависимостью режим сварки - качество сварного стыка. В силу этих особенностей, контроль параметров фактически выполняет роль неразрушающего метода контроля. В данном случае возможное отрицательное воздействие каких-либо случайных факторов на качество соединений постоянно находится под контролем компьютеризированной системы на протяжении всего процесса сварки и не остается не замеченным. Этот метод контроля широко апробирован на практике при сварке труб, рельсов, различного стального проката и др.

Рис.1. Макрошлиф сварного соединения труб

В настоящее время успешно эксплуатируются десятки тысяч трубопроводов различного назначения, сваренных КСС в различных климатических зонах, выполненных, в том числе, в экстремальных погодных условиях, например, в Заполярных районах Западной Сибири и пустынях Ирака и Туркмении.

Известно, что качественные соединения при КСС в обычных условиях можно получить только при надежной защите зоны сварки от кислорода воздуха [10]. Для достижения этой цели используют различные средства, как технологические, так и технические.

Технологические приемы учитывают физические особенности данного процесса сварки, при котором в зоне сварки происходит интенсивное образование паров и мелких брызг расплавленного металла свариваемых деталей. Интенсивность процесса находится в прямой зависимости от скорости оплавления, поэтому самым эффективным технологическим приемом является оплавление перед осадкой на повышенных скоростях [10, 11]. В результате образования паров металла и аэрозолей кислород воздуха вытесняется не только из искрового промежутка, но и зоны сварки.

Из технических приемов можно выделить два способа сварки в защитных камерах, образующих вокруг зоны сварки полузакрытый (аналог сварки в колоколе) или закрытый (аналог сварки в гипербарической камере) объемы. При этом необходимым условием является надежное уплотнение зазоров между защитным устройством и свариваемыми деталями.

При КСС в полузакрытом объеме (рис.2, а) защитная камера имеет вид колокола с открытой частью снизу. Газонепроницаемый щиток препятствует перемещению образовавшейся разогретой массы воздуха и аэрозолей из зоны сварки. При этом кислород, содержащийся в замкнутом объеме, связывается парами и частицами расплавленного металла, которые постоянно обновляются в процессе оплавления. В результате увеличения объема газовой среды за счет продуктов оплавления свариваемых труб значительная ее часть вытесняется из ограниченного объема через нижнюю открытую часть камеры. Таким образом, в зоне сварки в конечный период оплавления образуется газовая среда с низкими окислительными свойствами. Этот вывод подтверждается результатами экспериментальных работ. Соединения, полученные данным способом, при более низкой интенсивности оплавления, чем при обычной сварке на воздухе, отличаются высоким качеством. Подобное защитное устройство особенно эффективно при вертикальном положении свариваемых деталей. В данном случае защитное устройство имеет одно отверстие в верхней части и устанавливается на деталь, расположенную сверху.

Рис.2. Технические приемы защиты зоны сварки при работе на воздухе в полузакрытом (а) и закрытом (б) объеме

Другим эффективным техническим приемом является сварка в закрытых объемах - защитных камерах (рис.2, б). В работе [12] на примере сварки легкоокисляемых материалов показано, что применение защитных камер, создающих вокруг зоны сварки замкнутый объем, позволяет получать качественное соединение при более низких значениях технологических параметров режима сварки. Например, данный технологический прием позволил уменьшить припуски на оплавление и осадку соответственно на 30 и 25%. Это объясняется эффектом "нейтрализации" кислорода. В процессе оплавления кислород связывается в камере продуктами оплавления металла, имеющими высокую температуру.

Приведенные технические приемы, эффективные при сварке на воздухе, были сымитированы в лабораторных условиях применительно к подводной КСС.

При подводной сварке в полузакрытом объеме в камере может повышаться содержание паров воды. Однако, как показывает практика КСС в наземных условиях, даже самая высокая влажность воздуха не отражается на качестве сварных соединений.