Сооружение магистрального трубопровода

Магистральные газо- и нефтепроводы (рис.112) прокладывают от районов добычи до крупных промыш­ленных зон на расстояния в несколько тысяч километров. В России такие трубопроводы сооружают в основном из труб диаметром 1020-1420мм.

 

 

Рис.112. Магистральный нефтепровод

 

Укладка трубопроводов может или осуществляться последовательным наращива­нием отдельных труб, или быть секционной. В первом слу­чае все стыки сваривают без вращения труб, во втором — отдельные трубы длиной 12м после выгрузки из вагонов (рис.113) доставляют на временные полевые базы, собирают в секции длиной 36м и затем перевозят непосредственно на трассу труботранспортными машинами (рис.114).

 

 

Рис.113. Разгрузка труб из вагонов

 

 

 

Рис.114 Схемы труботранспортных машин

 

При соединении секций в непрерывную нитку в основу организации сварочно-монтажных работ положен поточ­ный метод. Сооружаемый трубопровод является как бы неподвижным конвейером, вдоль которого движется ме­ханизированная колонна, ритмично выполняя все тех­нологические операции с производительностью примерно 1км в сутки (рис.115).

 

 

Рис.115 Схема выполнения работ на трассе при дуговой сварке

Секции труб, доставляемые на трассу труботранспорт­ными машинами (рис.114), укладывают вдоль трассы (рис.115) под углом 15-20° на раскладочные опоры трубоукладчиком. После зачистки кон­цов при сварке труб из низколегированных сталей выпол­няют подогрев концов труб (рис.115) перед свар­кой. Закончив сварку корневого шва, опускают свобод­ный конец секции на монтажную опору (рис.115). После завершения сварки (рис.115) трубопровод поднимают трубоукладчиками, убирают монтажную опору, а трубо­провод изолируют и укладывают в траншею. После засып­ки траншеи выполняют рекультивацию почвы.

Трубосварочная база

Полевые трубо­сварочные базы предназначены для соединения отдельных труб в секции с применением автоматической сварки и механизации сборочных и транспортных операций. Суще­ствует несколько конструкций передвижных или полуста­ционарных полевых баз. В качестве примера рассмотрим работу трубосварочной базы БТС-143.

Трубосварочная база БТС-143 состоит из ли­нии обработки кромок 1, линии сварки двухтрубных сек­ций 2 и линии сварки трехтрубных секций 3. Трубы из накопителя поступают на роликовый конвейер с привод­ными и неприводными транспортными роликами и по­даются к станкам подготовки кромок. После обработки кромок первая труба проходит в конец линии 1 и там передается на линию 2. Вторую тру­бу перемещают для обработки второго торца к станку и затем вслед за первой трубой — на линию 2. Третья труба после обработки кромок на станке поступает на линию 3.

На линии 2 собирают и сваривают стык между первой и второй трубой с помощью центратора наружной и внутренней сварочных головок. Сваренная из двух труб секция передается на линию 3, на которой она собирается и сваривается с третьей трубой так же, как и в предыду­щем случае.

Рассмотрим более детально работу механизмов трубо­сварочной базы в соответствии с технологическим процес­сом. После того как труба 1 роликами роликового конвейера пере­дана на другую позицию, поворот системы рычагов с по­мощью пневмоцилиндра приводит к выдаче очередной трубы 2 для укладки на роликовый конвейер и переме­щению на шаг всех труб накопителя. При обратном ходе пневмоцилиндра происходит плавное опускание трубы 2 (масса трубы около 10т) на роликовый конвейер и отсе­кание трубы 3.

Внутренний гидравлический центратор имеет механизм с радиальным приложением сил к кром­кам труб двумя рядами центрирующих элементов (башма­ков). Первая поданная на центратор труба закрепляется первым рядом центрирующих элементов. Вторая труба подается до упора в первую и закрепляется левым рядом центрирующих элементов, как показано. У стыкуемых труб устраняется возможная эллипсность торцов, и совмещаются кромки. Далее трубы поднимаются гидроподъемниками с роликами, вклю­чается привод вращения роликов роликового вращателя и выполняется сварка первого наруж­ного слоя шва. После окончания сварки этого слоя внутренний центратор освобождается и перемещается вправо так, чтобы закрепленная на нем головка для сварки внутреннего слоя совпала с плоскостью стыка. Снова включается привод вращения, и производится од­новременная сварка внутреннего и второго наружного слоя. Сваренная двухтрубная секция опускается на ролики привода продольного перемещения, по которым она поступает к перегружателю на линию сборки и сварки с третьей трубой, где операции выполняются по аналогичной технологии.

Центраторы

Сборка под сварку труб магистральных трубопроводов является ответственной операцией, во многом определяющей качество получаемого стыкового шва. Как на полевых трубосварочных базах, так и на трассе для сборки труб под сварку кольцевого шва применяют наружные или внутренние центраторы.

Наружные центраторы бывают многозвенные и жест­кие. Многозвенный центратор (рис.116) имеет звенья 2, шарнирно соединенные между собой в замкнутую цепь с помощью замкового устройства с винтовым упором 3.

 

 

 

Рис.116 Многозвенный центратор

 

Центровка труб производится роликами 1, располагаемы­ми симметрично относительно оси собираемого стыка. Жесткий центратор (рис.117) состоит из двух стальных полуколец 3 и 5, с выступами а, соединенных между со­бой шарниром 4. Центровку собираемых под сварку труб производят при замыкании полуколец вокруг стыка с помощью накидного замка 2 и гидравлического силового цилиндра 1.

 

 

Рис.117. Жесткий центратор

 

Достоинством наружных центраторов является воз­можность их использования на радиусных участках тру­бопровода, на которых применение внутренних центра­торов затруднено. Однако внутренние центраторы обес­печивают более точное совмещение кромок труб и воз­можность выполнения сварки снаружи без предваритель­ной прихватки. Внутренний центратор закрепляют на штанге или перемешают внутри трубы, используя для этого опорные, а иногда и приводные ролики.

 

Внутренние центраторы могут быть с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом центри­рующего механизма.

Гидравлические центраторы имеют два ряда центри­рующих элементов (башмаков). Каждый ряд разжима­ется отдельным коническим клином. В центраторе, схе­ма которого приведена на рис.118, последо­вательное разжатие правого и левого рядов башмаков достигается подачей масла под давлением в полости А и Б. Движение конусов 1 и 3 через ролики передается баш­макам 4 и 5, центрирующим кромки собираемых труб. Возвратное движение конусов 1 и 3 обеспечивается пру­жиной 2.

 

Рис.118. Схема гидравлического центратора

Конструкция центрирующего механизма центра­тора ЦВ-124, выполненного по такой схеме, показана на рис.119, а внешний вид этого центратора — на рис.120.

 

 

Рис.119. Центрирующий механизм центратора ЦВ-124

Центратор имеет электродвигатель 4 (рис.120) привода радиально-поршневого насоса 3. Масло из бака 1 через предохранительный клапан 2 подается в гидросистему центрирующего механизма 5 через гидрораспределитель 6. Перемещение центратора от стыка к стыку осущест­вляется при помощи штанги.

Рис.120. Внутренний центратор ЦВ-124

Ручная дуговая сварка

Ручную дуго­вую сварку неповоротных стыков магистральных трубо­проводов ведут поточным методом, выполняя, много­слойный шов. Такая организация работ обеспе­чивает высокую производительность, однако при этом ве­лика потребность в высококвалифицированных рабо­чих-сварщиках. Применительно к трубам диаметром 1420мм с толщиной стенки 17,5мм, изготовленным из стали с пределом прочности 550-750 МПа, используют следующую последовательность операций.

Секции труб предварительно раскладывают на опоры вдоль трассы под углом 15-20° к направлению линии трубопровода и производят зачистку внутренних и наруж­ных поверхностей вблизи кромок шлифовальными ма­шинками с абразивными кругами. Предваритель­ный подогрев кромок труб до температуры 150-200 °С производят или перед стыковкой труб, или после сты­ковки. Для подогрева применяют кольцевые газовые горелки.

Сборку стыка выполняют с помощью трубоукладчи­ка внутреннего самоходного центратора. Поточно-расчлененный метод предусматривает уклад­ку каждого слоя отдельными звеньями сварщиков, содержащими от двух до четырех человек в за­висимости от диаметра трубопровода. При этом каждый из сварщиков звена выполняет только свой определен­ный участок слоя на неизменном режиме. Два сварщика с лестниц-стремянок ведут сварку верхней полуокружности трубы, а два других сваривают нижнюю полуокружность трубы.

Корневой слой варит звено сварщиков, которое вы­полняет сборку стыка. Сварку ведут в направлении свер­ху вниз методом опирания электрода на кромки труб без колебательных движений. Применение здесь элект­родов с целлюлозным покрытием обеспечивает скорость сварки до 22 м/ч и гарантированное образование обрат­ного валика внутри трубы, что исключает необходимость подварки корня шва изнутри трубы. Однако для таких электродов при высокой производительности характер­но образование "карманов" со шлаком. Поэто­му после завершения сварки корневого шва сразу удаля­ют тонкими шлифовальными кругами примерно 1/4 часть сечения шва для вскрытия этих карманов.

Электроды с целлюлозным покрытием обеспечивают большее относительное удлинение и меньший предел прочности по сравнению с электродами с основным по­крытием. В результате корень шва менее склонен к хруп­ким разрушениям и образованию трещин, что является важным при выполнении монтажных операций на сек­ции, когда она присоединена к нитке трубопровода толь­ко корневым швом. Свободный конец секции опускают на монтажную опору из деревянных брусьев и пристыко­вывают к нему следующую секцию трубы.

Второй слой шва ("горячий проход") выполняет сразу после сварки корневого шва также звено из четы­рех сварщиков. Сварку производят электродами с цел­люлозным покрытием или с основным покрытием в на­правлении сверху вниз с поперечными колебаниями электрода. Последующие слои, заполняющие и облицо­вочные, выполняются электродами с основным покрыти­ем. После сварки каждого слоя поверхность шва очищают от шлака с помощью электрошлифовальных машинок. После завершения сварки стыка или при вынужденных перерывах в сварке стык укрывают теплоизоляционным поясом.

Сварочные источники питания размещены на четырех-постовой унифицированной сварочной установке, снабженной переносной палаткой, защищающей место расположения свариваемого стыка от ветра, дождя или снега. Палатка имеет застекленные окна, дополнительное освещение, вентилятор для отсоса газов.

Сварка в защитных газах

Сварка в защитных газах (С0₂ или СО₂ + Аr) вследствие меньшей вероятности стекания расплавленного металла широко применяется при монтаже трубопроводов. Более узкая раз­делка кромок, характерная для этого метода, обеспечивает увеличение производительности сварочных работ.

При сварке неповоротных стыков на трассе приме­няют механизированную или автоматическую сварку. Подготовка кромок под сварку выполняется двумя станками, подвешенными на стре­лах трубоукладчиков. Каждый станок закрепляют на внутренней поверхности трубы, после чего его шесть рез­цовых головок обрабатывают торец трубы, а стальные проволочные щетки зачищают кромки в зоне сварки. После зачистки кромок на некотором расстоя­нии от торца трубы устанавливают и закрепляют ленту-пояс, по кромкам которой будут перемещать­ся отжимной и неподвижный ролики сварочных голо­вок при сварке наружных слоев шва.

Стык труб под сварку собирают с помощью трубо­укладчика и внутреннего самоходного гидравлического центратора. Центратор оснащен шестью свароч­ными головками, размещенными между двумя ряда­ми центрирующих элементов. Эти головки выполня­ют корневой шов с внутренней стороны трубы, перемеща­ясь по направляющим неподвижного центратора. Каждая сварочная головка сваривает 1/6 часть окружности сты­ка. Защитный газ в зоны сварки подается из баллона. Сварку одновременно ведут три головки одной (правой или левой) половины стыка, начиная от зенита и пе­ремещаясь в направлении сверху вниз от своих исход­ных позиций. Затем три автомата другой поло­вины завершают сварку корня шва.

Еще до окончания сварки корневого слоя на участ­ках стыка с проваренным изнутри корнем шва начинают сварку двумя автоматами первого наружного слоя. Сварка производится в направлении сверху вниз без колебаний электродной проволоки. После сварки первого слоя наружные сварочные автоматы снимают и переносят к очередному стыку. Трубоукладчик опускает трубу на монтажную опору и переходит к месту сборки с ниткой трубопровода следующей трубы. Места соединения отдельных участков одного слоя шва (замки) зашлифовывают абразивными кругами, а весь слой зачи­щают металлическими щетками. Сварку последующих заполняющих и облицовочных слоев ведут аналогичным образом. На направляющий пояс поочередно устанавли­вают автоматы для сварки каждого наружного слоя, настроенные постоянно на определенный режим сварки.

Контактная сварка труб

При контактной сварке стыков труб оплавлением сварное соединение получается одновременно по всему периметру стыка, что создает лучшие условия для механизации и достижения высокой производительности сварочных работ.

Применяются два способа сварки стыков труб; базо­вый и трассовый. На полевых базах производят сварку труб в трехтрубные секции стационарными трубосвароч­ными контактными установками типа ТКУС (рис. 121).

 

 

Рис.121. Схема трубосварочной базы с использованием контактной сварки типа ТКУС

 

Тру­бы, укладываемые трубоукладчиками 2, с наклонного стел­лажа 1 подаются отсекателем 3 на место 4 зачистки по­верхности труб контактной кольцевой полосы. Зачищенная труба перегружателем подается на роликовый конвейер 5 (рис.121) и затем роликами продольного пере­мещения на роликовый конвейер 11, надеваясь при этом на штангу 10 с гратоснимателем 8. Конец трубы зажимает­ся в сварочной головке 16, соединенной с гидропневмосистемой 15. Место сварки укрыто палаткой 9. Управление процессом сварки осуществляют с пульта 13. На базе име­ется передвижная электростанция 14. Вторая труба после зачистки тоже подается в сварочную головку, и произво­дится сварка. В горячем состоянии удаляют внутренний грат при помощи гратоснимателя 8, включая механизм продольного хода 12. Затем секция перемещается к меха­низму 7 удаления наружного грата и в конец стенда. На роликовый конвейер 11 подается еще одна труба и при­варивается к двухтрубной секции. Готовая трехтрубная секция поступает на стеллаж 6 готовой продукции.

Сварочная головка обеспечивает зажим трубы, центровку труб, перемещение трубы в осевом направлении при оплавлении и осадку при сварке. Головки разделяются на: наружные, сварочный трансформатор и все механизмы ко­торых расположены снаружи свариваемых труб; комби­нированные, в которых силовые механизмы центровки и осадки располагаются внутри трубы, а сварочные транс­форматоры и токоподводящие механизмы — снаружи; внутритрубные, в которых все силовые механизмы и сва­рочный трансформатор располагаются внутри свариваемых труб. Наружные головки (машины) применяют для свар­ки труб относительно малых диаметров (от114 до 530мм). Для сварки труб большого диаметра наружные головки делаются громоздкими и тяжелыми. Доступ для осмотра свариваемого стыка становится затруднительным. Комби­нированные головки применяют для сварки труб средних диаметров (от 720 до 1020мм) в стационарных условиях. Внутритрубные машины применяют для сварки труб боль­ших диаметров (больше 1220мм) как в стационарных, так и в трассовых условиях, когда машина последователь­но передвигается от стыка к стыку.

Сварочный трансформатор наружных головок имеет кольцевой сердечник; первичную обмот­ку, равномерно или дискретно распре­деленную на сердечнике; вторичный виток, служащий также и для защиты первичной обмотки от брызг расплав­ленного металла. Концы вторичного витка прикреплены к медным контактным токоподводящим башмакам, при­жимающимся к наружной поверхности труб. Сварочный ток проходит по вторичному витку через металл труб и стык между ними.

Зачистку поверхности трубы для обеспечения надеж­ного электрического контакта между поверхностью транс­форматора и токоподводящими башмаками осуществля­ют абразивным инструментом зачистной маши­ны. Она имеет полый ротор, электродвигатель с редук­тором, рычаги с абразивным инструментом, повора­чивающиеся относительно оси, противовесы и пружи­ны. Противовесами регулируется сила прижатия абра­зивного инструмента. При остановке ротора абразивный инструмент под действием пружин отходит от поверхнос­ти трубы. Зачистные машины установок типа ТКУС обес­печивают зачистку до металлического блеска полосы шириной 60-80мм на расстоянии 100-200мм от кон­цов труб.

Образовавшийся при сварке грат снаружи и внутри трубы удаляют на установках типа ТКУС в горячем состоя­нии при температуре 800-1400 °С. Внутренний гратосниматель состоит из водила, на котором укреп­лены бойки, удерживающиеся пружинами. Грат сби­вается бойками, прижимающимися к поверхности грата центробежными силами при вращении вала. Удаление на­ружного грата осуществляется аналогичным устройством. Принцип действия устройства такой же, как и у машины для зачистки контактных полос.

Для сварки труб большого диаметра (1420мм и больше) целесообразно использование сварочных голо­вок, расположенных внутри трубы. Такие внутритрубные машины имеют кольцевой транс­форматор с магнитопроводом, вторичным витком и контактными башмаками. Передвижная установка "Север-1" (рис.122).

 

 

Рис.122. Внутритрубная установка “Север-1” для сборки и сварки стыков магистральных трубопроводов большого диаметра

 

Сконструированная по такому принци­пу, имеет механизм перемещения 1, внутренний гратосниматель 2 и электродвигатели 3 с насосной установкой 4, смонтированные в заднем блоке, соединенном с передней сварочной частью шарниром, закрытым кожухом 6. Хо­довая часть состоит из приводных роликов, расположен­ных по окружности и прижимаемых к внутренней поверх­ности трубы для создания тягового усилия. Поддержи­вающие ролики 5 расположены равномерно по длине. Внутритрубный центратор с распорными патронами 7 и 8 создает суммарное радиальное усилие 10-14 МН, что обеспечивает передачу усилия осадки при сварке до 4 МН.

Сварка труб осуществляется следующим образом. Ма­шина заводится в свариваемую трубу так, чтобы торец трубы располагался посередине зазора между токоподво­дящими вкладышами 6 (рис.123).

 

 

 

Рис.123. Сварочная головка внутритрубной машины

 

При срабатывании ци­линдров 12 корпус цилиндра перемещается вместе с тележ­кой 11 и распорным кольцом 9, поворачивает серьгами 8 рычаги 10 в радиальном направлении, и прижимные вкладыши 7 зажимают изнутри свариваемую трубу. Коль­цевой сварочный трансформатор 5 жестко установлен на штанге 3, в полости которой расположены токоподводя­щие силовые кабели трансформатора и кабели управле­ния. Вторичный виток трансформатора гибкими шинами соединен с токоподводящими вкладышами 6, которые в этот момент тоже прижимаются к трубе.

Вторая труба надвигается до упора в торец первой. Зажатие вторым зажимом происходит аналогично, только штоки цилиндров отталкиваются не от неподвижного бло­ка, а от фланца обоймы 2. Затем включается сварочный трансформатор, срабатывает цилиндр 1 осадки, и подвиж­ный зажим 4 подает трубу к трубе. Под воздействием сварочного тока торцы труб оплавляются и разогреваются. После достаточного разогрева, определяемого программой сварки, происходит осадка. После сварки механизмы воз­вращаются в исходное положение, и машина с помощью своего механизма перемещения передвигается к следую­щему стыку. Внутренний грат удаляется при подходе гратоснимателя 2 (см. рис.122) к стыку. Наружный грат удаляют навесным агрегатом, имеющим шесть фрезерных головок, каждая из которых очищает свой сектор трубы. Агрегат подвешивается на стреле трубоукладчика.

Зачистка контактных полос перед сваркой осущест­вляется отдельным агрегатом, подвешенным на стреле трубоукладчика и имеющим четыре рабочих головки с иглофрезами. Время очистки полосы 80 с. Производитель­ность внутритрубной машины 6 стыков в час.

При работе внутритрубной машины на трас­се участок оснащен тракторамис подъемной стрелой, трубоукладчиком, передвижной электростанцией, трактором с подвесной машиной для зачистки контакт­ной полосы на внутренней поверхности трубы и индукто­ромдля термообработки стыков. Для подключения внутритрубной машины к электростанции предусмотре­ны кабель, штепсельный разъем и кабель-удлини­тель.