Патент на изобретение №2218509

(54) СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ С ВНУТРЕННИМ АНТИКОРРОЗИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к строительству и используется при изготовлении трубопроводов с внутренним антикоррозионным покрытием. Концы внутренней поверхности труб облицовывают коррозионно-стойким металлическим материалом – к трубе приваривают коррозионно-стойкую вставку. Облицовку внутренней поверхности трубы между коррозионно-стойкой вставкой и торцом трубы осуществляют путем наплавки коррозионно-стойким материалом валиков. Внутреннюю поверхность труб, включая частично поверхность, облицованную коррозионно-стойким материалом, покрывают антикоррозионным полимерным материалом, производят сварку стыка по облицовке и выполняют сварку стыка по основному металлу. Цилиндрическую коррозионно-стойкую вставку выполняют из полосового материала с толщиной стенки 0,5…2 мм, а вставку устанавливают в трубу со смещением от торца на l=5…15 мм и сваривают продольным швом. Даны рекомендации по выполнению наплавки и удалении части наплавленного металла. Повышает надежность трубопровода. 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области сварки, в частности к способам сварки труб с внутренним антикоррозионным покрытием, и может найти применение при изготовлении трубопроводов для транспортирования различных агрессивных сред.

Известен способ сварки труб малого диаметра (Япония, заявка 63278677, МКИ В 23 К 9/228, опубл. 16.11.88), сущность которого заключается в том, что специальные гильзы из коррозионно-стойкого металла плотно вставляют в каждый конец трубы и приваривают к ней двумя угловыми швами изнутри и со стороны торца. Затем на зону первого шва наносят защитное покрытие. При установке гильзы ее конец должен выступать за торец примерно на 5 мм. При монтаже концы труб, подготовленных таким образом, центруют и сваривают по вставкам, а затем заплавляют стык.

Недостатки данного способа: допуски на внутренний диаметр и эллипсность трубы не позволяют плотно установить гильзу, что значительно увеличивает трудоемкость подготовительных работ; длина вставки не регламентируется: недостаточная ее длина может вызвать нарушение защитного полимерного покрытия при выполнении заварки стыка, а при большой длине вставки и малом диаметре трубы возникают трудности при сварке; при сварке корневого слоя (по аустенитной вставке) трудно обеспечить достаточную пластичность сварного (корневого) шва; при заполнении разделки наблюдается перемешивание аустенитного металла корневого слоя с заполняющими проходами, что резко снижает пластичность всего сварного шва.

Известен способ изготовления трубы с внутренним защитным покрытием (патент РФ 2130147, МПК 6 F 16 L 13/00, 9/00, опубл. 10.05.99). Способ заключается в формировании и закреплении цилиндрического вкладыша в конце трубы. Цилиндрический вкладыш выполнен из полосового коррозионно-стойкого металла с толщиной стенки 0,1…2,0 мм и закреплен с трубой продольным коррозионно-стойким сварным швом. Длину основания цилиндрического вкладыша определяют в зависимости от диаметра трубы, ее толщины и допусков на диаметр и толщину. При данном способе упрощается операция установки вставки в трубу, регламентируется длина вставки.

Недостатки данного способа: отсутствие кольцевого внутреннего шва при длительной эксплуатации трубопровода может привести к разрушению полимерного покрытия, частично перекрывающего вставку; длину цилиндрической вставки выбирают без учета температуры нагрева полимерного покрытия при заварке стыка и режимов сварки, возможный перегрев может привести к резкому снижению свойств покрытия; при сварке корневого слоя (по аустенитной вставке) трудно обеспечить достаточную пластичность сварного (корневого) шва; при заполнении разделки наблюдается перемешивание аустенитного металла корневого слоя с заполняющими проходами, что резко снижает пластичность всего сварного шва.

Также известен способ соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием, принятый за прототип (патент РФ 2103594, МПК 6 F 16 L 58/02, опубл. 27.01.98). Способ заключается в том, что при соединении труб с внутренним антикоррозионным покрытием концы внутренней поверхности труб предварительно облицовывают коррозионно-стойким металлическим материалом (запрессовывают на заданном расстоянии от торцов труб тонкостенные втулки из коррозионно-стойкого металла). Внутреннюю поверхность труб, включая частично поверхность, облицованную коррозионно-стойким металлом, покрывают антикоррозионным, например, полимерным материалом. Запрессованную втулку с двух сторон или только со стороны торца трубы приваривают кольцевым швом к телу трубы. На поверхность трубы между ее концом и втулкой наплавляют коррозионно-стойкий металл. Концы труб соединяют сваркой в два этапа: вначале сваривают материал наплавки (корневой шов), затем материал труб (заполнение разделки). Величину смещения втулки относительно торца трубы устанавливают в зависимости от катета углового сварного шва приварки втулки со стороны торца трубы, ширины кольцевого наплавляемого валика и количества наплавляемых валиков.

Недостатки данного способа: сложность установки (запрессовки) втулки в монтажных условиях; выбор длины коррозионно-стойкой вставки производится без учета возможного перегрева полимерного покрытия при заварке труб и режимов сварки, что может привести к снижению свойств покрытия; при сварке тонкостенных труб (с толщиной стенки трубы от 5 до 8 мм) осуществление операции сварки труб на втором этапе (сварка материала труб – заполнение разделки) электродами, соответствующими марке свариваемой стали, ведет к снижению пластичности металла шва из-за попадания легирующих элементов из корневого шва (сварка материала наплавки на первом этапе) в шов, заполняющий разделку; так как этот шов (заполняющий разделку) выполняется за один проход, то для того, чтобы выдержать заданную в технических условиях ширину шва значительно (на 25…50%) повышается погонная энергия сварки, а это ведет к снижению пластических свойств металла сварных соединений и к удлинению коррозионно-стойкой вставки (чтобы избежать перегрева полимерного покрытия).

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, – повышение качества сварных соединений за счет повышения коррозионной стойкости и повышения пластичности металла сварных соединений, сохранение свойств внутреннего антикоррозионного покрытия.

Сущность изобретения состоит в следующем. При соединении труб с внутренним антикоррозионным покрытием концы внутренней поверхности труб предварительно облицовывают коррозионно-стойким металлическим материалом – устанавливают на заданном расстоянии от торцов стыкуемых труб коррозионно-стойкую вставку. Вставку выполняют из полосового коррозионно-стойкого материала с толщиной стенки 0,5…2 мм, устанавливают в трубу со смещением от торца на l=5….15 мм, приваривают к трубе кольцевыми швами с одной или двух сторон и сваривают продольным швом. Длину коррозионно-стойкой вставки L определяют из соотношения:

где V – скорость сварки, мм/с; Т₀ – температура стыка перед наложением валика, ^oС; Т – допускаемая температура нагрева антикоррозионного полимерного материала, ^oС; q – мощность сварочной дуги, Вт; l – смещение антикоррозионной вставки от торца трубы, мм. Затем производят облицовку внутренней поверхности трубы между коррозионно-стойкой вставкой и торцом трубы путем наплавки коррозионно-стойким металлом (с общей толщиной 1,5…4 мм) валиками с частичным перекрытием катета кольцевого сварного шва и валиков между собой, после чего внутреннюю поверхность труб, включая частично поверхность, облицованную коррозионно-стойким материалом, покрывают антикоррозионным, например, полимерным материалом. После этого производят сварку стыка труб по облицовке (корневой шов), затем сварку стыка по основному металлу. При сварке тонкостенных труб с толщиной до 8 мм сварку по основному металлу выполняют в два слоя сварочными материалами, соответствующими основному металлу. При этом оба слоя выполняют не менее чем двумя валиками в каждом слое с перекрытием. При сварке труб с толщиной стенки более 8 мм первые первые два слоя также выполняют не менее чем двумя валиками в каждом слое с перекрытием, а в последующих слоях количество валиков может быть увеличено. После сварки корневого шва (по облицовке) коррозионно-стойкими материалами и первого слоя производят удаление части наплавленного металла шва соответственно до глубины (-h) мм и [-(h+1,52,5)] мм, где – толщина стенки трубы, h – толщина наплавленного слоя.

Отличие предлагаемого способа от способа по прототипу состоит в том, что цилиндрическую коррозионно-стойкую вставку выполняют из полосового материала с толщиной стенки 0,5…2 мм, которую устанавливают в трубу со смещением от торца на l= 5. …15 мм. После сварки кольцевых швов выполняют сварку продольного шва, а наплавку между торцом трубы и вставкой осуществляют коррозионно-стойкими материалами с общей толщиной h=1,5…4 мм. Сварку стыка по основному металлу выполняют не менее чем в два слоя и не менее чем двумя валиками в каждом слое с перекрытием. После сварки корневого шва коррозионно-стойкими материалами и первого слоя производят удаление части наплавленного металла шва до глубины (-h) мм и [-(h+1,52,5)] мм, где – толщина стенки трубы. Длину коррозионно-стойкой вставки L определяют по формуле:

V – скорость сварки, мм/с; Т₀ – температура стыка перед наложением валика, ^oС; Т – допускаемая температура нагрева антикоррозионного полимерного материала, ^oС; q – мощность сварочной дуги, Вт; l – смещение коррозионно-стойкой вставки от торца трубы, мм.

Как видно из формулы, длину вставки выбирают в зависимости от скорости сварки, мощности сварочной дуги, температуры стыка, толщины стенки трубы и допускаемой температуры нагрева антикоррозионного полимерного материала. Это позволяет использовать вставку с минимально возможной длиной, что особенно важно при сварке труб малого диаметра. Это связано с трудностями сварки продольного стыка вставки и приварки вставки по внутреннему кольцевому шву: чем длиннее вставка и меньше свариваемый диаметр трубы, тем сложнее обеспечить получение качественного сварного шва. Кроме того, выбор длины вставки по предлагаемой формуле позволяет при сварке кольцевого стыка труб не нарушить качество полимерного покрытия от воздействия теплового потока от сварочной ванны.

Выполнение первого и второго слоев (при сварке по основному металлу) не менее чем двумя валиками, удаление после сварки корневого и первого слоев части наплавленного металла шва до глубины (-h) мм и [-(h+1,52,5)] мм соответственно обеспечивает минимальное перемешивание металла при сварке и, как следствие этого, металл шва имеет минимальное легирование в первом и втором слоях, что предотвращает образование закалочных структур при сварке и повышает пластические свойства металла шва.

На чертеже представлено продольное сечение трубопровода при соединении труб предлагаемым способом.

Осуществление предлагаемого способа соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием можно показать на следующем конкретном примере.

При соединении труб, например, диаметром 159 мм с толщиной стенки 5 мм, выполняют следующие операции. Производят подготовку соединяемых труб 1 и 2 (см. чертеж). Сюда входят следующие операции: осмотр, зачистка до чистого металла, обезжиривание зачищенной поверхности, установка предварительно подготовленной вставки 3 длиной 60…64 мм из коррозионно-стойкой стали на очищенную поверхность на расстояние 8…10 мм от кромки трубы. После этого приваривают вставку 3 к трубе по внутреннему замкнутому контуру (шов 4) электродами ОЗЛ-6 или ЭА-981/15. Далее производят сварку продольного шва 5 втулки электродами ОЗЛ-6 или ЭА-981/15 и производят наплавку 6 на внутреннюю поверхность трубы от вставки 3 (первым проходом приваривают вставку к трубе) до торца трубы теми же электродами и производят визуальный контроль. На следующем этапе производят зачистку сварных швов и поверхности вставки из коррозионно-стойкой стали для создания шероховатости. По специальной технологии на зачищенную поверхность наносят эпоксидное покрытие 7 CONON KSIR-88 в два слоя на шов 4 и околошовную зону полосой перекрытия 10 мм на вставке 3 и антикоррозионном покрытии трубы, производят визуальный контроль качества покрытия, внутреннюю поверхность трубы покрывают защитным меловым покрытием (70% жидкого стекла и 30% мелового порошка) на ширину 150 мм. Перед сваркой стык просушивают путем нагрева до 50^oС, если температура окружающего воздуха ниже +5^oС. При сборке под сварку контролируют смещение внутренних кромок труб с вставками, которое не должно превышать 1 мм. Величина наружного смещения кромок труб не должна превышать 20% толщины стенки. После сборки выполняют не менее двух прихваток электродами ЭА-981/15. Сварку корневого слоя 8 выполняют электродами ОЗЛ-6 или ЭА-981/15 диаметром 3 мм, сварочный ток при этом не превышает 80 А. После сварки корневого шва производят его зачистку до глубины (-h) мм. Второй слой выполняют двумя валиками 9 и 10 электродами УОНИ-13/55 диаметром 3 мм, сварочный ток при этом выдерживают не более 85 А. Зачистку второго слоя производят до глубины [-(h+1,52,5)] мм. Облицовочный слой выполняют двумя валиками 11 и 12 электродами УОНИ-13/55 диаметром 3 мм. Для того, чтобы в процессе выполнения заполняющих 9, 10 и облицовочных 11, 12 валиков не перегреть эпоксидное покрытие (температура в зоне второго шва (валики 9, 10) не должна превышать 120^oС), строго выполняют следующие условия: сварку производят узкими валиками, для чего выдерживают заданную скорость сварки (в соответствии с приведенной формулой) и величину сварочного тока; температура стыка перед сваркой не должна превышать 60^oС (точнее для каждого конкретного случая все технологические параметры можно подобрать по предлагаемой формуле).

Предлагаемый способ обеспечивает высокую пластичность металла шва. Пластичность оценивалась углом изгиба образцов, испытания проводились по ГОСТ 6996-66. В таблице 1 приведены исследуемые варианты, в таблицах 2 и 3 представлены экспериментальные данные, полученные при сварке труб по различным вариантам: сравнивались механические свойства, структура, химический состав. Предлагаемый способ – вариант 4. Во всех случаях второй и третий слои выполнялись электродами УОНИ-13/55.

Таким образом, представленные экспериментальные данные показывают, что при сварке предлагаемым способом (вариант 4) сварной шов имеет наивысший угол изгиба из всех исследованных вариантов при испытаниях корнем внутрь и корнем наружу. Наивысший угол изгиба при испытаниях корнем внутрь обеспечивается за счет наименьшего легирования облицовочных слоев. Механические свойства сварных соединений во всех случаях удовлетворяет требованиям технических условий.

Формула изобретения

Способ соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием, при котором концы внутренней поверхности труб облицовывают коррозионно-стойким металлическим материалом – к телу трубы приваривают коррозионно-стойкую вставку кольцевыми швами с одной или двух сторон, облицовку внутренней поверхности трубы между коррозионно-стойкой вставкой и торцом трубы осуществляют путем наплавки коррозионно-стойким материалом валиками с частичным перекрытием катета кольцевого сварного шва и валиков между собой, после чего внутреннюю поверхность труб, включая частично поверхность, облицованную коррозионно-стойким материалом, покрывают антикоррозионным, например, полимерным материалом, производят сварку стыка по облицовке, а затем выполняют сварку стыка по основному металлу, отличающийся тем, что цилиндрическую коррозионно-стойкую вставку выполняют из полосового материала с толщиной стенки 0,5…2 мм, вставку устанавливают в трубу со смещением от торца на 1=5…15 мм и сваривают продольным швом, наплавку между торцом трубы и вставкой выполняют общей толщиной h=1,5…4 мм, сварку стыка по основному металлу выполняют не менее чем в два слоя и не менее чем двумя валиками в каждом слое с перекрытием валиков, после сварки стыка по облицовке коррозионно-стойкими материалами и выполнения первого слоя по основному металлу производят удаление части наплавленного металла шва до глубины соответственно (-h) мм и [-(h+1,52,5)] мм, где – толщина стенки трубы, при этом длину коррозионно-стойкой вставки L определяют из соотношения: L=530-30,5·V+1,45·Т₀+19,6·-6·Т+0,01·q-0,26·V²-1,42·10^-3·T²₀-1,8·²+0,015·Т+2,2·10^-6q-l, где V – скорость сварки, мм/с; Т₀ – температура стыка перед наложением валика, град. С; Т – допускаемая температура нагрева полимерного материала, град. С; q – мощность сварочной дуги, Вт; l – смещение коррозионно-стойкой вставки от торца трубы, мм.

РИСУНКИ