Истории применения

Технология многодуговой сварки Lincoln Electric на трубном производстве Berg Steel Pipe
 

Производительная сварка и высокие механические характеристики благодаря инновационным технологиям

Инновационные сварочные системыКорпорация Berg Steel Pipe занимается производством высококачественных трубопроводов. В частности, она была основным поставщиком для проекта трубопровода Гольфстрим. Чтобы сделать производство максимально эффективным, компания использует несколько инновационных систем сварки с системой постоянного отслеживания положения шва и станциями сварки труб с внутренней и внешней стороны.

Если сравнивать с системами двухдуговой сварки под флюсом (SAW), оборудование Berg имеет намного большую скорость сварки труб с толщиной стенок до 2 см – по внутреннему диаметру в три раза выше, по внешнему – в четыре раза выше. Кроме того, эти системы позволили на 25% снизить общее тепловложение и улучшить механические характеристики соединений. В целом многодуговая сварка позволила Berg Steel за час изготавливать 14 труб длиной 12 метров с толщиной стенок 2 см.

В 2001 году компания Berg отвечала за производство труб для проекта трубопровода Гольфстрим, который начинается у города Паскагула, шт. Миссисипи и пересекает Мексиканский залив по направлению к округу Манати, шт. Флорида. Затем трубопровод проходит через южную и центральную часть Флориды и заканчивается в округе Палм-Бич. 31 млн. куб. метров природного газа, которыми этот трубопровод обеспечил электростанции во Флориде, достаточно для электроснабжения 4,5 миллионов домов.

В первой фазе проекта Berg Steel Pipe и ее родительская компания Europipe GmbH в Германии всего за 6 месяцев поставила 713 км труб. Во второй фазе проекта компания изготовила еще 470 км для наземной части трубопровода.

Монтаж наземных трубопроводов

Погрузка 12-метрового листа стали на станок для обработки краев.

Переходный период
На заводе Berg Pipe используются системы сварки компании Lincoln Electric и ее немецкого дочернего предприятия-проектировщика Uhrhan & Schwill. Эти системы помогли Berg значительно повысить производительность работы. Они вывели компанию на поистине новый уровень технологического развития.

«Новые технологии позволили предприятию, которое было построено еще в восьмидесятых и производило 5 000 тонн труб в месяц, изготавливать 40 000 тонн в месяц для проекта Гольфстрим, – говорит Джон Бёртон (John Burton), генеральный менеджер по производству корпорации Berg Steel Pipe. – Мы выбрали процесс многодуговой сварки, потому что у нас не было достаточно места для дополнительных сварочных постов. Поэтому, чтобы получить максимальную эффективность на доступной площади, нам нужно опираться на новейшие технологии».

Berg снабжает потребителей из нефтегазовой отрасли и дистрибьюторов труб. Эта компания с штатом из 275 сотрудников также производит конструкционные сваи и даже имеет необходимую сертификацию для производства трубопроводов для эксплуатации в условиях Арктики, которые имеют высокую ударную вязкость при температурах до -45°C. Корпорация Berg Steel Pipe может обеспечивать материалами настолько большой спектр потребителей благодаря универсальному процессу формовки с рядом уникальных преимуществ, например, возможностью быстрой смены валиков, что позволяет компании выполнять самые разные проекты.
При этом можно менять не только размер, но и тип труб. Berg может производить трубы диаметром от 60 до 162 см и толщиной стенок от 6 до 38 мм. Что касается марок стали, то завод Berg может работать с марками API от B до X80.

В этой статье мы расскажем об изготовленных для проекта Гольфстрим трубах и о том, как предприятие смогло добиться настолько высокой эффективности. Большая часть морских трубопроводов имеет диаметр 91 см при толщине стенок 20.8 мм и изготавливается из стали марки API 5L X70 стандартными отрезками по 12 метров. 

Подготовка листов
Перед этапом сварки Berg обрабатывает пластины стали так, чтобы они имели точно необходимую ширину и скосы кромок для продольной сварки. Эта операция позволяет создать сечение с двойным V-образным скосом кромок для предстоящей сварки. После подготовки скосов кромок пластина проходит предварительную формовку в трубчатую форму на трехваликовом станке. После этого проходит окончательная формовка продольных краев пластины между шаром на гидравлической подвеске и соответствующим по форме роликом в форме песочных часов.

После того, как пластина принимает конечную форму, проводится продольная сварка тремя проходами, начиная с прихваточного. В случае проекта Гольфстрим процесс продольной сварки прошел квалификацию согласно Разделу IX от Американского общества инженеров-механиков (ASME) и внутренним стандартам Berg Steel.

Продольная сварка труб

12-метровый лист стали проходит формовку.

 Прихваточная сварка
Этап прихваточной сварки предназначен для фиксации краев пластины в правильном положении для последующей основной сварки и создания опоры для сварки под флюсом по внутренней поверхности. На предприятии Berg Steel Pipe этот процесс проводится с помощью купленной два года назад системы сварки, которая полностью решила проблемы на этом критическом этапе производства.

В 1999 году на заводе Berg использовался один источник питания DC 1500. Каждый раз, когда было необходимо изменить диаметр трубы, требовалось по 45 минут, чтобы сменить клетку, которая удерживала края пластины во время сварки. Чтобы избавиться от этого недостатка, Berg обратилась к технологиям компании Lincoln Electric. Berg Steel сотрудничает с Lincoln Electric уже на протяжении 21 года. Предприятие всегда обращается к Lincoln за инновационными решениями в области сварки и новыми способами повысить эффективность сварочного производства. Компания Lincoln предложила установить систему непрерывной прихваточной сварки с использованием двух источников питания DC 1000 и контроллера NA-5. Эта новая система с ЧПУ также включает гидравлические цилиндры, которые автоматически смещаются при необходимости изменить диаметр трубы. Это позволило снизить время смены до пяти минут. Эта новая система также позволила избавиться от некоторых проблем с подготовкой скосов кромок для сварки.

Продольная сварка труб

Теперь прихваточная сварка труб проводится на сварочной станции с лазерным управлением.

 

Эти два DC 1000 позволяют проводить прихваточную сварку с применением процесса сварки в защитных газах (MIG/MAG) на высокой скорости – 6,6 метров в минуту. Этот процесс, который часто называют «погруженной дугой», отличается низким напряжением, короткой длиной дуги и очень высокой скоростью сварки, обеспечивающей большую глубину проплавления при минимальном тепловложении.

Прихваточная сваркаВо время прихваточной сварки гидравлические ролики удерживают края соединения вместе. Для позиционирования дуги и радиальной центровки также используется система лазерного контроля от Uhrhan & Schwill. Так как в старой системе не было системы лазерного наведения, раньше оператору приходилось останавливать сварку и вручную корректировать положение токоподвода.

Несмотря на то, что многие конкуренты компании используют прерывистую приваточную сварку, специалисты Berg Steel Pipe считают, что у метода продолжительной сварки есть свои преимущества. «С техникой прерывистой прихваточной сварки во время сварки под флюсом нужно использовать подкладочный флюс или медную пластину-подкладку, а мы этого можем избежать, – отметил Фред Хафнер (Fred Hafner), производственный инженер, главный металлург/директор по качеству Berg Steel Pipe. – Это означает большую производительность, потому что подкладка в виде непрерывного прихваточного шва позволяет нам вести скоростную сварку по внутренней поверхности с большой глубиной проплавления.

Сварка под флюсом также позволяет избавиться от обычного при глобулярном переносе разбрызгивания, потому что дуга «погружена» в сварочную ванну. Для этого процесса нужен только CO2, что позволяет отказаться от дорогостоящего аргона.

Для прихваточной сварки труб с толщиной стенок 2 см мы на Berg Steel Pipe используем проволоку Lincoln L-50™ диаметром 4 мм при сварочном токе 1 500 ампер.


Прихваточная сварка трубС момента установки нового оборудования мы были очень довольны результатами. Оно оказалось очень надежно, и мы смогли забыть о старой проблеме угасания дуги. Также мы пользуемся ЧПУ, который может сохранять параметры сварки труб с определенной толщиной стенок, поэтому мы можем очень быстро менять настройки».

 

Сварка по внутренней поверхности
После завершения процесса прихваточной сварки на оба конца соединения вручную привариваются технологические планки. Благодаря этому системы сварки по внутренней и внешней поверхности начинают и заканчивают сварку на выводной планке, а не самой трубе. Таким образом скопление наплавленного металла, которое часто образуется в начале многодуговой сварки, оказывается не на самой трубе. После сварки эту планку удаляют, и на трубе остается только высококачественное соединение без скопления металла в начале и конце сварки.

Компания Berg имеет три четырехдуговых системы сварки по внутреннему диаметру с применением источников питания Lincoln AC 1200 и контроллеров NA-4. Этот процесс сварки под флюсом на сварочном токе до 1 000 ампер, позволяет выполнить сварку за один проход. Хотя для каждой дуги используется отдельный источник питания, все четыре сварочные проволоки поступают в общую сварочную ванну. Так как при многодуговой сварке одна дуга может оказаться отклонена остальными, нужно обеспечить, чтобы такие отклонения не нарушали профиля шва. В компании Berg сварка по внутренней поверхности проводится с помощью источников переменного тока, настроенных так, чтобы фаза переменного тока каждого последующего источника на 90 градусов отличалась от фазы предыдущего.

Во время внутренней сварки пермещается сама труба, а все сварочное оборудование остается зафиксировано на консоли. Сварочные дуги при этом погружены под слоем гранулированного флюса.


Четырехдуговая сварка по внутренней поверхностиПри сварке по внутренней поверхности по зазору движется V-образный направляющий ролик, который обеспечивает правильное положение сварочной головки. Во время внутренней сварки дуга достигает ранее созданного прихваточного шва, который теперь играет роль подкладки.

Процесс четырехдуговой сварки по внутренней поверхности отличается высокой скоростью – в случае проекта Гольфстрим она достигала 172 см/мин. – и, как следствие, более высокими механическими характеристиками из-за меньшего тепловложения каждой дуги.

 В зависимости от спецификаций заказчика на станции могут использоваться разные типы проволоки. На проекте Гольфстрим использовалась проволока Lincoln L-61 диаметром 3,2 мм и трубный флюс 761. Этот особый флюс 761 – специальная модификация стандартного флюса Lincoln 761 с гранулами разного размера, которая обеспечивает наилучшую жидкотекучесть наплавления и форму шва для заполнения зазора внутри трубы.

Внешняя поверхность
На последнем этапе процесса сварки Berg Steel использует две пятидуговые станции сварки под флюсом, достигая внутреннего шва и полностью расплавляя прихваточное соединение во время сварки по внешней поверхности трубы.

Готовые трубы

После этого готовые трубы погружаются для транспортировки на баржу для прокладки трубопровода.

Пятидуговой процесс имеет три основные преимущества: 1) высокая скорость сварки – процесс имеет в четыре раза более высокую скорость сварки по сравнению со стандартным двухдуговым процессом; 2) минимальное тепловложение, которое снижает затвердевание гранул флюса в зоне термического воздействия; и 3) у посторонних включений, например, шлака или пористости, есть время на рассеивание до затвердевания металла благодаря большой площади сварочной ванны.

Для сварки по внешней поверхности в Berg Steel используется ведущая дуга на постоянном токе, которая обеспечивает необходимое проплавление, и замыкающие дуги на переменном токе для эффективного заполнения зазора и увеличения производительности наплавки. На сварочной станции Berg расположены два аппарата DC-1000 с контроллерами NA-3 производства Lincoln Electric. На другой станции используются два аппарата DC-1500 с аналогичными контроллерами NA-3. Во обоих случаях замыкающие дуги на переменном токе образуются аппаратами AC-1200 с контроллерами NA-4.

При сварке по внешней поверхности правильное расположение дуги обеспечивается лазерной системой отслеживания положения шва. Так как она погружена под слоем флюса и ее положение нельзя проконтролировать визуально, такая система значительно упрощает позиционирование сварочной головки.

Для изготовления труб для проекта Гольфстрим с толщиной стенок 20.83 мм для ведущей дуги на постоянном токе 1550А использовалась проволока диаметром 4,7 мм со скоростью сварки 2,3 м/мин. В качестве расходных материалов были выбраны проволоки L-61 и L-70 с флюсом 995 (проволоки L-70 используются, когда необходима высокая ударная вязкость по Шарпи – она обеспечивается добавлением 0,5% молибдена, что приводит к повышенному содержанию игольчатого феррита в наплавлении).

На трубах с толщиной стенок меньше 14,3 мм используется 4-дуговой процесс сварки, большей толщиной – 5-дуговой.

Если по требованию клиентов Berg Steel Pipe нужно сменить проволоку или флюс, Lincoln Electric предоставляет предприятию полную поддержку – например, проводит пробные испытания в головном офисе Lincoln в Кливленде, где для этого установлена пятидуговая сварочная станция. Благодаря этому на тестирование не нужно тратить ценное рабочее время Berg Steel.

Завершающая обработка
После сварки операторы вручную срезают технологические планки. Вдоль продольного шва металлической щеткой удаляется шлак.

После этого Berg Pipe доводит до нужного размера концы труб с помощью роликов в форме песочных часов, чтобы обеспечить одинаковый диаметр и идеально круглую форму концов труб, которые абсолютно необходимы во время монтажных работ. Затем компания проводит одновременную обработку скосов кромок с обоих концов трубы для монтажной сварки кольцевым швом. Перед отправкой на место строительства трубопровода аппарат для маркировки наносит на каждую трубу ярлыки и штрих-коды с уникальным обозначением.

Инспекция
Так как для транспортировки природного газа под высоким давлением очень важно полное отсутствие дефектов, трубы проходят множество неразрушающих испытаний. Программа тестирования Berg Steel Pipe включает автоматические ультразвуковые проверки сварных швов и рентгенографию сварного соединения возле концов труб. По требованиям стандарта API 5L трубы из стали класса прочности X70 проходят гидростатическое тестирование в течение минимум 10 секунд под давлением, эквивалентном по крайней мере 90% указанному пределу текучести. Трубы для проекта Гольфстрим проходили тестирование при еще более строгих условиях – минимум 20 секунд воздействия давления, эквивалентному 100% указанного предела текучести. Кроме того, каждая труба проходила размерный контроль и визуальную проверку.

По словам Бертона, для эффективного производства необходима правильная сварка трубы с первой попытки. «На нашем заводе для исправления дефекта нужно потрать столько же времени, сколько нужно для изготовления новой трубы, – говорит Бертон. – Задержка производства для исправления проблем может привести к огромным убыткам».

Поддержка
«Мы остались очень довольны поддержкой, которую нам оказали Lincoln Electric и наш местный представитель Трой Гуркин, – рассказывает Хафнер. – Всякий раз, как у нас возникали вопросы, он был на связи. Также мы могли обратиться за помощью к специалистам-трубникам в головном офисе Lincoln. Еще одно преимущество Lincoln – это склад наличных запасов сварочных материалов в Атланте. Это значит, что у нас под рукой всегда есть запас расходных материалов».

 

Гидростатические испытания трубы

В конце производства каждая труба проходит гидростатическое испытание под высоким давлением, чтобы убедиться в высоком качестве сварки.

 

Berg Steel Pipe планирует и в дальнейшем продолжать сотрудничество с Lincoln. «Мы планируем продолжать развиваться и осваивать новые сферы производства. На всех этапах этого процесса мы будем по прежнему тесно сотрудничать с Lincoln. Сейчас мы работаем над разработкой новых процедур управления технологическим процессом и сварки труб из стали класса прочности X80. Мы считаем, что для полевой сварки такой стали будет очень эффективна технология переноса металла силами поверхностного натяжения (или STT®), которая сможет сделать ее более востребованной».

«Berg – это это одна из самых прогрессивных компаний, с которыми я когда-либо работал, – говорит Трой Гуркин, менеджер по продажам Lincoln Electric. – Они всегда стремятся быть в курсе последних разработок, чтобы повысить собственную эффективность».

Несколько сотрудников Berg даже посетили местный офис Lincoln в Бирмингеме.

Будущее
«В будущем мы планируем заменить сварку под флюсом инверторными системами сварки с компьютерным управлением, которые сделают возможным точный контроль формы волны сварочного тока и фазирования. Тогда мы сможем индивидуально регулировать форму волны для каждой дуги – говорит Хефнер. – Такие системы обеспечивают еще лучший контроль глубины проплавления и магнитного отклонения дуги и тем самым повышают производительность.

Многодуговая сварка труб под флюсом

Многодуговая сварка под флюсом по внутренней поверхности трубы.

 

 

Оригинал статьи опубликован 31.01.2002

ПОКАЗАТЬ ВСЕ