Гибридная лазерно-дуговая сварка трубопроводов

Гибридная лазерно-дуговая сварка трубопроводов

Согласно прогнозам, в течение ближайших двадцати лет благодаря росту во всем мире числа предприятий с комбинированным  циклом выработки электроэнергии с  использованием природного газа и топлива  быстрыми темпами будут прокладываться новые трубопроводы. С необходимостью строительства трубопроводов большого диаметра и на большие расстояния растет потребность в высокопроизводительной сварке кольцевых швов при стыковке труб в трубопроводах. Достаточные возможности для такой сварки предлагает гибридная лазерно-дуговая сварка с использованием стекловолоконного лазера...

Гибридная лазерно-дуговая  сварка трубопроводов

Дэвид Япп, Чанг-Джинг  Конг (Кренфилд, Великобритания)

Информация предоставлена  Исследовательским центром технологии сварки Кренфилдского университета (Великобритания)

Согласно прогнозам, в  течение ближайших двадцати лет  благодаря росту во всем мире числа  предприятий с комбинированным  циклом выработки электроэнергии с  использованием природного газа и топлива  быстрыми темпами будут прокладываться новые трубопроводы. С необходимостью строительства трубопроводов большого диаметра и на большие расстояния растет потребность в высокопроизводительной сварке кольцевых швов при стыковке труб в трубопроводах. Достаточные возможности для такой сварки предлагает гибридная лазерно-дуговая сварка с использованием стекловолоконного лазера. Эти новые лазеры имеют наряду с высоким общим КПД довольно небольшую рабочую площадь — от 20 до 30% и потому могут применяться в условиях эксплуатации. В представляемом исследовании рассматривалась гибридная лазерно-дуговая сварка корневого шва в процессе сооружения трубопровода и был сделан вывод о том, что для выполнения качественной сварки корневого шва необходимо соблюдение целого ряда условий. Качественные швы получались при мощности лазера 4 кВт и скорости сварки 4 м /мин. Корневые сварные швы, полученные лазерной сваркой, и заполняющие швы, полученные дуговой сваркой металлическим плавящимся электродом в среде инертного газа (GMAW), используемые в трубопроводах из стали марки X100, имели удовлетворительные механические свойства.

1. Введение

В мире повсеместно  наблюдается стойкая тенденция  к росту потребления природного газа, которая предполагает непрерывное  увеличение числа газопроводов. На последующие 25 лет прогнозируется более чем полуторазовое увеличение использования газа по всему миру — с 2,95 трлн. куб. м в 2005 г. до 4,48 трлн. куб. м в 2030 г. Быстрый рост ожидается в большинстве регионов мира1.

Росту способствует развитие промышленности и использование природного газа в качестве основного топлива для выработки электроэнергии на высокопроизводительных газотурбинных электростанциях комбинированного цикла. Большинство балансовых запасов газа размещается далеко от мест непосредственного потребления, что приводит к увеличению объемов транспортировки сжиженного природного газа, но также требует и постоянных инвестиций в сооружение магистральных трубопроводов.

В 2008 г. во всемирном масштабе планировалось завершение строительства 20 000 км трубопроводов общей стоимостью в 37 миллиардов долларов США. 56 процентов этих трубопроводов предназначены для транспортировки природного газа2. Наибольшие затраты приходятся на материалы и рабочую силу, задействованные при монтаже трубопроводов, причем 36% составляют затраты на материалы, а 38% — на оплату труда при сооружении наземных трубопроводов3.

Рис. 1. Сварка при  сооружении трубопровода.

Использование высокопрочных сталей в последние годы, а именно, широкое применение стали марок X70 и X80 существенно снизило стоимость материалов для трубопроводов. Планируемое применение стали марки X100 приведет к дальнейшему снижению необходимого тоннажа стальной продукции, так как для заданного рабочего давления требуется меньшая толщина стенки. Существенные технологические разработки в области сварки высокопрочных низколегированных сталей марки X100 сделали возможным их практическое применение4. Первая секция с X100 была смонтирована компанией TransCanada Pipelines в сентябре 2002 г.5, а сейчас планируется строительство протяженных трубопроводов с использованием сталей этой марки. Механизированная дуговая сварка металлическим плавящимся электродом в среде инертного газа (GMAW) успешно применялась при монтаже трубопроводов уже на протяжении более тридцати лет и способствовала существенному повышению производительности. Наиболее широко используемый метод механизированной сварки предполагает узкую разделку кромок под сварку и дуговую сварку металлическим электродом в среде инертного газа, как правило, с использованием источника питания постоянного тока. Обычно укладка первого прохода в корне шва определяет скорость продвижения трубопровода. Наращивание трубопровода осуществляется путем добавления стандартной секции трубы длиной 12 или 24 м. Таким образом, новый участок трубы длиной 12 (или 24 м) выравнивается относительно предыдущего, и первый проход в корне шва выполняется либо с внутренней стороны трубы с использованием машины для сварки изнутри, либо с внешней стороны трубы с помощью электросварочного аппарата на ремне, прикрепленного к трубе.

После выполнения первого  прохода в корне шва может  быть добавлена следующая секция. Оставшиеся проходы выполняются  затем несколькими сварочными постами. Обычно один пост выполняет один определенный проход, пока, наконец, шов не выполнен полностью, после чего он может быть подвергнут контролю. Скорость сварки корня шва определяет скорость наращивания трубопровода, а число заполняющих проходов определяет количество оборудования и работников, требуемых для выполнения работ. Исследования, проводившиеся в Кренфилдском университете в течение последних нескольких лет, привели к разработке системы CAPS (Cranfield Automated Pipe Welding System — Кренфилдская система автоматизированной сварки труб). В этой системе применяются две тандемные сварочные горелки, т.е., одновременно используются четыре сварочных электрода. Результатом является четырехкратное увеличение скорости наплавки и скорости перемещения головки до 1,5 м /мин. При стандартной протяженности трубопровода это позволяет уменьшить число используемых сварочных станций с 16 до 4 с соответствующей существенной экономией оборудования и рабочей силы6. В настоящее время система CAPS (представлена на рис. 2) используется несколькими подрядными организациями, занимающимися строительством трубопроводов. Кроме того, планируется ее дальнейшее применение при осуществлении коммерческих проектов.

Таким образом, экономические  факторы строительства трубопроводов определяются двумя аспектами метода сварки трубопроводов:

— скорость проварки корня  шва определяет общую скорость сооружения трубопровода;

— наплавка заполняющего прохода  определяет количество сварочных постов, необходимых для сохранения такой  же скорости, что и при проварке корня шва.

Рис. 2. Размещение сварочных горелок системы CAPS и  самой системы на механизированном электросварочном аппарате

Рис. 3. Экспериментальная установка для  сварки трубопроводной стали в нижнем положении.

В ходе разработок появилась возможность существенной экономии благодаря использованию высокопрочных сталей в сочетании с описанной высокоэффективной методикой заполняющих проходов. Кроме того, стало возможно усовершенствование сварки первого прохода в корне шва. Некоторое время считалось, что возможно использование лазеров для повышения эффективности сварки трубопроводов7, и раньше действительно проводились испытания сварки лазером на углекислом газе (CO2-лазером)8. На практике твердотельные лазеры с подачей импульса через волокно представляют собой системы, которые могут использоваться в полевых условиях, и недавние разработки в области волоконных лазеров дают возможность проварки корня шва лазерной или гибридной лазерно-дуговой сваркой при сборке трубопроводов. Сборка и совмещение новой секции трубы занимает от двух до трех минут. Следовательно, путем снижения времени выполнения корневого сварного шва до одной минуты можно получить определенные преимущества. Дальнейшее снижение этого времени вряд ли будет иметь существенное значение. Таким образом, в случае трубопровода диаметром 1,25 м приемлемая скорость сварки составляет 4 м /мин.

Целью настоящего проекта было достижение скорости лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки при проварке корня шва трубопроводов  в 4 м /мин. Применение лазерной сварки для выполнения корневых сварных швов трубопроводов в сочетании с высокоэффективным заполнением дуговой сваркой металлическим плавящимся электродом в среде инертного газа (GMAW) обеспечивает преимущества, с учетом которых могут достигаться большие скорости сварки и прокладки трубопровода, наряду с обеспечением контроля в зоне шва и зоне термического влияния, с формой сварного шва, опыт использования которой в промышленности уже существует.

2. Сварка волоконным  лазером сталей, входящих в состав  трубопроводов

На первом этапе  работы по лазерной сварке сталей, входящих в состав трубопроводов, были проведены три серии экспериментов:

— исходная характеристика проплавления и микроструктуры швов, выполненных лазерной сваркой стали  марки X100;  
— изучение качества и параметров проварки корня шва гибридной лазерно-дуговой сваркой при использовании углеродисто-марганцевых стальных элементов толщиной 6 мм;  
— оценка качества сварки и механических свойств корневых швов, выполненных лазерной сваркой / дуговой сваркой металлическим плавящимся электродом в среде инертного газа на поверхности стали марки X100 толщиной 19 мм.

Наплавление валика на лист лазерной сваркой выполнялось в нижнем положении на стальных трубах толщиной 19 мм марки X100 API 5L. Состав стали был следующим: углерод — 0,06%, марганец — 1,9%, никель — 0,49%, молибден — 0,26%, медь — 0,3%. Сталь подвергалась термомеханическому контролю (TMCP) для достижения минимального предела прочности на растяжение 690 мПа (100 тысяч фунтов на кв. дюйм). Использовался мощный волоконный лазер системы IPG YLR-8000 с максимальной номинальной выходной мощностью 8 кВт, длиной волны излучения 1,070 нм и качеством пучка (BPP) 16 мм. мрад. Фокусное расстояние линзы Precitec составляло 250 мм, а внутренний диаметр подающего волокна — 300 мкм. Экспериментальная установка показана на рис. 3. Комплект линз Precitec установлен на роботе Fanuc M-71 0iB /45T.

Серия экспериментов проводилась на стальных листах марки X100 с применением четырех уровней мощности лазерного излучения (от 2 000 Вт до 8 000 Вт) и скоростью перемещения до 8 м /мин. Фокус постоянно удерживался посередине поверхности образца. В качестве вспомогательного газа использовался аргон, расход газа составлял 11 л /мин. Все прочие параметры процесса также были постоянными. На рис. 4 показана глубина проплавления и скорости перемещения для четырех уровней мощности лазерного излучения. Гибридная лазерно-дуговая сварка применялась во второй серии экспериментов для изучения взаимосвязи между формой подготовки кромок под сварку и параметрами сварочного процесса. Блок питания Lincoln Power Wave 455M /STT использовался совместно с лазером IPG YLR-8000 laser. В процессе экспериментов по проварке корня шва применялась простая V-образная разделка кромок (см. рис. 5). Форма разделки кромок под сварку и параметры гибридной лазерно-дуговой сварки варьировались в следующих пределах:

— мощность лазера: от 4 до 6,75 кВт;  
— фокусная точка: нижняя часть листа: +0 /–2 мм;  
— скорость подачи проволоки: 10–15 м /мин;  
— мощность дуги: 5–7,5 кВт;  
— расстояние от наконечника до рабочей области (CTWD): 17–21 мм;  
— угол скоса кромки: 12°, 18°;  
— притупление кромки: 0, 1, 2, 6 мм;  
— длина лазерного луча /длина дуги: 2–5 мм;  
— угол наклона лазерного луча /горелки: 19°;  
— диаметр электродной проволоки: 1 мм;  
— толщина листа: 6 мм;  
— защитный газ: аргон, 10 л /мин;

Качественная  проварка корня шва была возможна при скорости в 4 м /мин при совокупности условий, определяющих приемлемую степень допустимых отклонений сварочных параметров.

Швы удовлетворительного  качества выполнялись при следующих  параметрах:

— мощность лазера: 5–6,25 кВт;  
— угол скоса кромки: 12°;  
— притупление кромки: 1 мм;  
— расстояние от наконечника до рабочей области: 19 мм;  
— длина лазерного луча /длина дуги: 2 мм;  
— скорость подачи проволоки: 10–12,5 м /мин.

Качественные  швы выполнялись также и с  мощностью лазера 4 кВт при притуплении  кромки 0 мм и углом скоса кромки 18°.

На рис. 6 показан  типичный пример корневого сварного шва, выполненного со скоростью 4 м /мин  при мощности лазера 6,25 кВт со скоростью  подачи проволоки 10м /мин. В третьей  серии экспериментов корневые швы  выполнялись лазерной сваркой с  увеличенным притуплением кромки и более низкой скоростью сварки — 1,5 м /мин с использованием листа из стали марки X100, упомянутой выше.

Разделка кромок показана на рис. 7.

В ходе этих экспериментов  использовались следующие сварочные  параметры:

— мощность лазера (проварка корня шва): 7,6 кВт;  
— предварительный нагрев листа: 100° C;  
— скорость выполнения корневого сварного шва: 1,5 м /мин;  
— защитный газ: аргон или тримикс, расход 20 л /мин, 4 заполняющих прохода, выполненные тандемной импульсно-дуговой сваркой металлическим плавящимся электродом в среде инертного газа;  
— скорость подачи основной проволоки: 14,5 м /мин;  
— скорость подачи вторичной проволоки: 14,5 м /мин;  
— среднее значение сварочного тока: 233 А;  
— среднее значение напряжения при сварке: 24 В;  
— скорость сварки: 1,5 м /мин;  
— расстояние от наконечника до рабочей области: 18,5 мм;  
— предварительный нагрев листов: 100° C;  
— защитный газ: тримикс;  
— присадочная проволока: Carbofil NiMol, диаметр 1 мм.

На готовых  швах отсутствовали дефекты и  прослеживался ровный профиль корня; на рис. 8 показан шов, выполнявшийся сваркой в среде защитного газа (аргона) в процессе лазерной проварки корня шва.