С самого появления технологии дуговой сварки вольфрамовым электродом (GTAW) или, как ее чаще называют, сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа (TIG), этот процесс считалься исключительно сложным. Необходимое оборудование было дорогим и требовало значительных капиталовложений, защитный газ достаточной чистоты было трудно получить, сложные сварочные работы могли выполнять только специально обученные работники, обладающие особыми навыками.
Сегодня, после нескольких десятилетий развития, на рынке доступны адаптированные к потребностям заказчиков механизированные и автоматизированные сварочные системы. В ответ на амбиционные потребности нефтегазовой отрасли подрядчики должны обеспечивать идеальное качество по привлекательным ценам и в максимально сжатые сроки, то есть обычханы постоянно повышать свою производительность.
На морских платформах для транспортировки сырых и переработанных нефти и газа применяются входные и выходные трубопроводы. Эти трубопроводы подвергаются воздействию значительных внешних сил во время прокладки и эксплуатации (высокое давление и/или температура, химическое воздействие перекачиваемой среды изнутри, давление воды и воздействие течений снаружи), и поэтому должны выдерживать сильные механические напряжения. Они должны поглощать высокие динамические нагрузки, обладать стойкостью к коррозии.
Соединение труб осуществляется вручную либо при помощи механизированных либо автоматизированных сварочных систем. Особенно важным этапом является сварка корневого слоя щва, поскольку отклонение от допустимого тепловложения может значительно уменьшить стойкость металла к коррозии. В любом случае, если оборудование для механизированной сварки недоступно, корневой и верхний слои шва могут быть выполнены ручной сваркой вольфрамовым электродом в среде защитного газа с добавлением заполняющего материала. Необходимо подчеркнуть, что данный процесс обладает теми же недостатками: низкая производительнось, значительная зависимость от опыта и навыков работы сварщика, недостаточноая воспроизводимость, ограниченный контроль качества и др. При помощи механизированного либо автоматизированного сварочного оборудования можно выполнить любое количество сварных швов, причем каждый из них будет соответствовать самым строгим требованиям по качеству (так называемый подход «нулевых рисков/нулевых дефектов». Результаты работы больше не зависят от навыков сварщика, которому поручена эксплуатация оборудования.
Механизированная либо автоматическая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа означает, что сам процесс, а также весь комплекс связанных с ним параметров оптимизируется и заранее утверждается. Результаты работы окончательно документируются посредством сварочных инструкций, соответствующие программы реализуются в сварочных аппаратах, применяемых на заводах и на объектах. Для работы с автоматизированным оборудованием больше не требуются навыки ручной сварки, поэтому профессиональные операторы заменяют ручных сварщиков.
Для проекта Shah Deniz 2 подряжчику потребовалось сварить большое количество 16-дюймовых труб CRA, а также фланцев и колен. Несущие трубы с толщиной стенок 41,9 мм были изготовлены из стали API 5L X65, имели внутреннюю плакирову ERNICrMo-3 толщиной 3,0 мм. На заводе-изготовителе трубы (длиной 12 м каждая) объединялись в секции по 24 м. Исходя из имевшегося в наличии оборудования (как это обычно бывает при необходимости выполнять кольцевые швы), для сварки корневого и верхнего слоев применялся ручной сварочный аппарат для сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа (в положении 5G), а для сварки заполняющих слоев – дуговая сварка под флюсом (SMAW). Тем не менее, в процессе утверждения обнаружилось, что заполняющие слои не соответствуют всем техническим требованиям. Проблемы были вызваны зонами начала и окончания сварочного прохода, а также недостаточным проплавлением и потребностью в ремонтных работах. Более того, высокое тепловложение, характерное для SMAW, помешало добиться требуемых свойств металла сварного шва, включая вязкость и предел прочности.
Нем не менее, чтобы не сорвать сроки поставки, руководитель проекта принял решение перейти на механизированную сварку вольфрамовым электродом в среде защитного газа с подачей горячей проволоки. Для этого была заказан соответствующий сварочный аппарат (с вращением трубы 1G). Поскольку трубы уже были разделаны под ручную сварку (угол 30°), корневой и верхний слои по-прежнему выполнялись вручную.
Благодаря особенностям оборудования для механизированной сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа при выполнении заполняющих проходов трубы располагались в положении 1G. Регулируемые опоры позволяют быстро и точно позиционировать и выравнивать трубы CRA. Поворот труб осуществляется передней бабкой, сварочный аппарат крепится в оптимальном положении на конце стрелы.
В начале сварочного цикла, перед включением дуги, горелка плаавно перемещается к заготовке. Когда электрод касается дна канавки, он отводится от заготовки на запрограммированное расстояние.
Связанное оборудование называется системой управления напряжением дуги (AVC). После включения дуги эта система используется для поддержания постоянной длины дуги, в результате чего многопроходная сварка выполняется без дополнительных регулировок между проходами.
Еще одной полезной особенностью установки является система управления колебательными движениями головки (OSC), которая позволяет перемещать горелку в направлении, поперенчом по отношению к сварному шву. Необходимая ширина сварочного прохода обеспечивается периодическими перемещениями горелки из стороны в сторону, которые выполняются по программе.
Заполняющая проволока поступает с барабана, установленного внутри моторизованного дозатора; подача проволоки может быть начата в любой момент, когда это будет необходимо. Скорости подачи проволоки, а также импульсный режим ее подачи программируются и управляются при помощи источника питания.
Перед началом механизированной либо автоматизированной сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа должен быть разработан и утвержден процесс варки. Все функции и перемещения сварочного аппарата задействующися и управляются источником питания. Программирование осуществляется при помощи сенсорной панели с интуитивно понятным графическим интерфейсом пользователя. Виртуальные органы упраления GUI выведены на сенсорную панель. Она позволяет не только управлять всеми параметрами сварки, но и воспользоваться множеством вспомогательных функций, при помощи которых можно разработать и закончить любой сварочный процесс. Основными особенностями системы являются:
• Полное документирование данных о заготовке.
• Создание цепочек сварочных циклов для выполнения многопроходных швов.
• Подробное описание непрограмируемых параметров (то есть механических регулировок устройств, типов и характеристик применяемых газов, электродов, заполняющей проволоки и др.), дополненное инструкциями и примечаниями.
• База данных с функцией поиска одновременно по 8 параметрам.
• Мастера разработки для компьютеризированной оптимизации параметров сварки.
• Одновременное программирование сварочного цикла и наблюдение за параметрами сварки и ходом ее выполнения в реальном времени.
Законченные и утвержденные процессы сварки, разработанные в соответствии с требованиями заказчика, могут быть сохранены и переданы на сварочное оборудование при помощи ПК либо USB-накопителя.
Прежде чем начать механизированную либо автоматизированную сварку вольфрамовым электродом в среде защитного газа, оператор должен правильно позиционировать заготовки. После запуска сварочного цикла работа оборудования полностью контролируется источником питания и протекает под его управлением. В отличие от дуговой сварки в среде защитного газа, сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа не требует никакой механической обработки или шлифовки ни в начале, ни по окончании сварки, ни перед промежуточными проходами.
По сравнению с альтернативными процессами скорость плавления холодной проволоки во время сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа может считаться достаточно низкой. Необходимая для плавления проволоки энергия поступает исключительно от дуги, что ограничивает скорость сварки и подачи проволоки.
Сварка с подачей горячей проволоки позволяет значительно повысить скорость плавления и сварки. Ток для нагрева проволоки поступает от отдельного источника питания и подается на проволоку через специальное сопло в составе дозатора. Между соплом и сварочной ванной проволока нагревается, и для ее окончательного плавления требуется меньше энергии. Как показано на рис. 5, применение горячей проволоки позволяет уменьшить время сварки труб из углеродистой стали по сравнению с подачей холодной проволоки. Кроме того, необходимо упомянуть такой важный факт, что подача горячей проволоки нисколько не снижает качество выполняемых сварных швов.
Механизированное оборудование для сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа с подачей горячей проволоки позволяет выполнить кольцевой шов трубы диаметром 16 дюймов за 7,5 часов. В результате образуется прочный, не содержащий дефектов сварной шов. Кроме того, влияние на производительность оказывает отсутствие затрат времени на ремонт сварного шва, который больше не требуется, а управление тепловложением во время сварки гарантирует получение необходимых механических свойств без каких-либо специальных действий.
Наконец, проект был завершен в указанное время, но стало ясно, что в будущем технические возможности механизированного оборудования для сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа будут использованы полностью: станут возможны более быстрые способы подготовки деталей к сварке и даже сварка в узкой канавке, в результате чего и корневой и верхний швы будут выполняться по этой технологии.
Опытный подрядчик, занятый на проекте Khazzan в Омане, использовал другой подход. Компания должна была выполнить около 19000 сварных швов на трубах диаметром 12 и 16 дюймов из 22% дуплексной нержавеющей стали. С самого начала работы была поставлена задача как можно больше использовать в возможности автоматизированной сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа. Повышенная производительность обеспечивалась специальной подготовкой кромок к орбитальной дуговой сварке вольфрамовым электродом в среде защитного газа при выполнении корневых и верхних слоев на трубах диаметром 12 дюймов. В качестве дополнительной меры при работе с трубами диаметром 16 дюймов применялась сварка в узкой канавке. Все сварные швы были выполнены успешно в установленные графиком сроки.
Эффективным вариантом повышения общей производительности соединения труб является сварка в узкой канавке. Для определения тонкого профиля сварного шва (угол сварочной канавки поддерживается на минимальном уровне) учитываются механические характеристики и свойства материала трубы в плане сужения при сварке. При такой подготовке с торцов труб удаляется меньше материала, а механическая обработка выполняется проще и быстрее. Поскольку удаляется меньше материала, требуется меньше заполняющего материала при сварке, то есть снижаются затраты времени и заполняющей проволоки.
Пример макрографического сечения шва между двумя заготовками с покрытием CRA показывает идеальную геометрию сварного шва, выполненного вольфрамовым электродом в среде защитного газа в узкой канавке. Трубы обычно имеют длину 6 или 12 м и часто свариваются в более длинные секции по 12 или 24 м. Поскольку во время этой операции трубы могут вращаться, может использоваться механизированное сварочное оборудование, показанное не рисунке. В процессе укладки труб в трубопровод, например с баржи либо наземной линии, трубы уже не могут вращаться. Поэтому необходимо использовать оборудование для орбитальной сварки.
Сварочные головки Polysoude с подачей горячей проволоки (например, типа MU 510 HW) отлично подойдут для сварки труб наружным диаметром до 20 дюймов (510 мм). При помощи креплений, рассчитанных на трубы определенного диапазона диаметров, сварочная головка устанавливается на трубу и позволяет воспользоваться полным набором передовых функций: AVC и OSC, 2 встроенных системы подачи проволоки, муфта для быстрого отвода назад, подача горячей проволоки и др.
Если диаметр трубопровода превышает 20 дюймов, могут использоваться сварочные головки Polysoude с открытой кареткой (типа POLYCAR). Направляющее кольцо, соответствующее диаметру трубопровода, устанавливается на трубу, что позволяет головке POLYCAR точно и безопасно перемещаться вокруг нее. Модульная конструкция POLYCAR позволяет осуществлять сварку вольфрамовым электродом в среде защитного газа с подачей холодной или горячей проволоки. Головка очень прочна и может выдерживать жесткие условия работы в цехе и даже не объекте.
Подводя итого, можно сказать что промышленное применение сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа позволяет получить сварные швы непревзойденного качества. Доступны различные возможности, позволяющие повысить производительность процесса, ускорить его по крайней мере до скорости наиболее распространенных альтернативных процессов, которые представляют собой модификации дуговой сварки в среде защитного газа (GMAW). Однако даже при сходных скоростях сварки механическая или автоматизированная сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа все еще незаслуженно не пользуется популярностью. С другой стороны, стремление к нулевым рискам и дефектам – серьезное основание для применение этой сварочной технологии.