Производственно-технический нефтегазовый журнал
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru

Изготовление промысловых трубопроводов с аустенитными наконечниками с применением ротационной сварки трением

Сварное соединение, получаемое в результате ротационной сварки трением, характеризуется высокой прочностью и отсутствием дефектов структуры. Аустенитные наконечники, применяемые при таком методе сварки, позволяют избежать проблем, возникающих при сварке труб дуговыми методами, а также значительно упростить процесс сопряжения трубы и арматуры при последующем монтаже труб.

Технология ротационной сварки трением уже реализована при приварке замков к бурильным трубам и предлагается для изготовления промысловых трубопроводов.

16.02.2018 Инженерная практика №12/2017
Бровко Виктор Васильевич Научный сотрудник ООО «КТИАМ»
Павлов Леонид Анатольевич Заместитель директора – начальник производства ООО «КТИАМ»
Кусый Андрей Геннадьевич Инженер ФГАУ «НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана»
Хоменко Владимир Иванович Старший научный сотрудник ФГАУ «НУЦСК при МГТУ имени Н.Э. Баумана»

Рис. 1. Типовая конструкция коррозионно-стойкой трубы, полученной ротационной сваркой трением
Рис. 1. Типовая конструкция коррозионно-стойкой трубы, полученной ротационной сваркой трением
Рис. 2. Вариант конструкции коррозионно-стойкой трубы, полученной ротационной сваркой трением
Рис. 2. Вариант конструкции коррозионно-стойкой трубы, полученной ротационной сваркой трением
Рис. 3. Вариант конструкции коррозионно-стойкой трубы, полученной ротационной сваркой трением
Рис. 3. Вариант конструкции коррозионно-стойкой трубы, полученной ротационной сваркой трением

ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ ТРУБ

Типовая конструкция коррозионно-стойкой трубы, полученная в результате ротационной сварки трением, содержит в себе аустенитные наконечники из стали типа 12Х18Н10Т и защитное антикоррозионное покрытие. Последнее наносится после приварки наконечников, что позволяет надежно защитить от коррозии как поверхность трубы, так и переходный сварной шов (рис. 1).

Другой вариант коррозионно-стойкой трубы, изготовленной ротационной сваркой трением, представляет собой стандартную трубу с эмалевым покрытием, к которой также приварены аустенитные наконечники и после этого нанесено дополнительное покрытие, защищающее сварной шов (рис. 2).

Третий вариант исполнения предполагает использование трубы из ферритно-мартенситных сталей типа 1Х13 с высоким содержанием хрома, но без содержания никеля (рис. 3).

Приварка наконечников из аустенитной стали позволяет избежать проблем, возникающих при сварке труб дуговыми методами. Поскольку качественная запорная арматура в настоящее время также изготавливается в основном из аустенитных сталей, при использовании таких труб значительно упрощается процесс сопряжения трубы и арматуры. Помимо аустенитных наконечников для стыковки длинных труб в отдельных случаях могут быть использованы катушки из аустенитной стали.

ОБОРУДОВАНИЕ И РЕЖИМ РОТАЦИОННОЙ СВАРКИ ТРЕНИЕМ

При ротационной сварке трением труб диаметром 159 мм и толщиной стенки 8 мм площадь свариваемого сечения составляет 3600 мм2. Режим сварки подбирается исходя из удельных давлений в свариваемом сечении: 6 кг/мм2 при нагреве и 12 кг/мм2 при проковке.

Рис. 4. Оборудование для ротационной сварки трением наконечника из аустенитной стали
Рис. 4. Оборудование для ротационной сварки трением наконечника из аустенитной стали
Рис. 5. Задание и регистрация режимов сварки
Рис. 5. Задание и регистрация режимов сварки

Оборудование для сварки трением напоминает токарный станок: слева расположена вращающаяся втулка, справа подается труба (рис. 4). За счет сил трения труба разогревается и уже через несколько секунд происходит торможение и осадка, в результате чего формируется сварное соединение. Ротационная сварка трением занимает на порядок меньше времени по сравнению не только с ручной сваркой, но и с автоматической сваркой дуговыми методами. Оснащение станка суппортом с резцом позволяет снимать излишнее усиление сварного шва.

Устройство для ротационной сварки трением оснащено контроллером, позволяющим осуществлять мониторинг режимов сварки и регистрировать все необходимые параметры (рис. 5).

Рис. 6. Результаты испытаний на растяжение: разрушение по основному металлу
Рис. 6. Результаты испытаний на растяжение: разрушение по основному металлу
Рис. 7. Результаты испытаний на изгиб
Рис. 7. Результаты испытаний на изгиб
Рис. 8. Результаты исследований структуры соединения
Рис. 8. Результаты исследований структуры соединения

СВОЙСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Свойства сварного соединения, полученного в результате сварки трением, оценивались по не менее жестким критериям, чем те, что применяются для оценки соединений, получаемых при использовании дуговых методов сварки.

В результате испытаний образцов на растяжение наблюдалось разрушение по основному металлу стали 20, обладающей наименьшей прочностью в использованной паре сплавов (рис. 6). При проведении испытаний на изгиб мы получили угол изгиба образцов больше 110° (рис. 7).

При исследовании структуры образцов было выявлено, что на линии соединения отсутствуют карбиды, характерные для переходных соединений, полученных при сварке плавлением (рис. 8). Появление карбидов при дуговой сварке обусловлено взаимодействием углерода низкоуглеродистой стали с легирующими элементами аустенитной стали, что не происходит при ротационной сварке трением.

Рис. 9. Результаты исследований структуры со стороны стали 20
Рис. 9. Результаты исследований структуры со стороны стали 20
Рис. 10. Результаты исследований структуры со стороны стали 08Х18Н10Т
Рис. 10. Результаты исследований структуры со стороны стали 08Х18Н10Т
Рис. 11. Результаты замеров твердости Hv10
Рис. 11. Результаты замеров твердости Hv10

В трубе из аустенитной стали выявлена строчечность проката, которая в сварном шве из-за осадки меняет ориентацию (рис. 10). Других значительных структурных изменений стали в области сварного соединения выявлено не было.

Результаты замеров твердости образцов (рис. 11) указывают, что ни на одном участке сварного соединения не произошло повышения твердости. Это обусловлено процессами рекристаллизации, измельчения структуры стали, в результате которых образуется новая, более равновесная структура металла по сравнению с металлом, который был подвергнут переделам в процессе изготовления трубы.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В соединениях, полученных в результате ротационной сварки трением, в отличие от соединений, возникающих при дуговой сварке, отсутствуют дефекты. Это объясняется высоким, до 9 кг/мм, уровнем применяемых усилий при осадке, в результате чего любой объемный дефект, который мог бы потенциально возникнуть из-за неоднородности основного металла трансформируется и практически перестает существовать.

Дефекты, которые могут появиться при сварке трением, не имеют видимых проявлений на поверхности сварного соединения и могут быть обнаружены только с помощью ультразвука. Ультразвуковой контроль сварных соединений проводился на дефектоскопе Isonic 2009 с использованием эхо-метода – секторного сканирования 16-элементной фазированной решеткой и дифракционного (TOFD) метода.

Результаты применения эхо-метода показали, что он не позволяет выявить дефекты соединения с высокой степенью точности, но при этом посылает большое количество сигналов о ложных дефектах. TOFD-метод, напротив, дает возможность достаточно четко идентифицировать дефекты соединений типа слипания, что делает его перспективным для контроля соединений, полученных при ротационной сварке трением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология ротационной сварки трением уже опробована для приварки замков к бурильным трубам и предлагается для промышленного внедрения в области изготовления промысловых трубопроводов из коррозионно-стойких труб. Разработчики этой технологии готовы поставить оборудование для сварки на завод по производству труб или выполнить сварку отдельных партий труб на производственной базе ООО «КТИАМ» в г. Челябинске.

Показать выдержки из обсуждения

ВЫДЕРЖКИ ИЗ ОБСУЖДЕНИЯ

Вопрос: Виктор Васильевич, можно ли применять ротационную сварку трением для соединения неметаллических труб?
Виктор Бровко: Да, этот метод сварки может использоваться для соединения труб из термопластичных полимеров типа полиэтилена и полипропилена и не применим для труб из реактопластов на основе формальдегидных или эпоксидных смол.
Вопрос: Можно ли данный вид сварки использовать при монтаже труб в полевых условиях?
В.Б.: Можно, хотя технологически это несколько сложнее, чем соединение труб в заводских условиях. Существует вариант применения технологии ротационной сварки трением в полевых условиях, который предполагает, что между двумя неподвижными трубами вращается катушка и одновременно с двух сторон соединяется с трубами.
Вопрос: Вы отметили, что в аустенитной стали в сварном шве была выявлена строчечность. Чем она обусловлена?
В.Б.: Строчечность обусловлена прослойками феррита в аустенитной стали.
Вопрос: Для промышленного внедрения метода ротационной сварки трением понадобится обновление соответствующей нормативной документации. Планируете ли вы участвовать в этом процессе?
В.Б.: Это будет зависеть от востребованности нашей технологии в промышленном масштабе. Как только появится реальный потребитель, мы сразу начнем делать под него нормативную базу.
Вопрос: Есть ли у вас опыт работы по нормативной базе?
В.Б.: Большой опыт такой работы есть у нашего партнера – научноучебного центра при МГТУ имени Н.Э.Баумана «Сварка и контроль». В частности, Центр занимался обновлением нормативной документации для применения технологии контактно-стыковой сварки оплавлением в ПАО «Газпром». В процессе были обоснованы возможные дефекты при применении данной технологии в виде матовых пятен и амплитудно-временной дифракционный метод, позволяющий их выявлять.
Вопрос: Для защиты труб, полученных методом ротационной сварки трением, предполагается использовать внутреннее покрытие. Но, учитывая разную адгезию со стороны черной и легированной стали, покрытия для тела трубы и для сварного соединения должны быть разными…
В.Б.: Это действительно так, и это пока для нас проблемный момент. Пока мы используем единое покрытие на основе эпоксидных смол, которое обладает хорошей адгезией со стороны как черного металла, так и аустенитной стали. Но для улучшения сцепления необходимо разработать технологию нанесения праймеров, различных промежуточных слоев и т.д. Мы готовы решить эту проблему в случае появления проекта по промышленному внедрению данной технологии.

Вопрос: В составе трубы, полученной в результате сварки трением, возникают анодная и катодная зоны и, соответственно, разница потенциалов, под влиянием которой происходит коррозия. Предусмотрена ли анодная защита при эксплуатации таких трубопроводов?
В.Б.: Да, применять анодную защиту можно: так, если у детали трубы, изготовленной из черной стали, отрицательный потенциал, а у детали из нержавеющей стали – положительный, можно добавить потенциал при электрической защите и получить разницу потенциалов с грунтом, что обеспечит соответствующую защиту от коррозии.
Вопрос: Но учитывая разнородность материалов сварного соединения, в процессе проектирования трубопроводов придется рассматривать две электрические цепи. Насколько эта задача решаема на практике?
В.Б.: Думаю, это вполне решаемая задача.
Вопрос: Черная труба намного прочнее, чем труба из нержавеющей стали. За счет чего это компенсируется при изготовлении соединения методом сварки трением?
В.Б.: Высокопрочная трубная сталь соответствует классу прочности К60 и выше, а аустенитная сталь примерно соответствует классу прочности стали К54. Если подобрать наконечник из аустенитной стали с соответствующей значительной степенью холодной деформации, то мы приблизим фактические пределы текучести этих двух материалов.
Вопрос: Температурный коэффициент расширения у этих двух металлов тоже разный, что по идее должно влиять на прочность сварного соединения. Производилась ли такая оценка?
В.Б.: Да, эта оценка делалась при расчетах для оборудования трубопроводов атомных энергетических установок.
Комментарии

Эту публикацию еще никто не прокомментировал. Станьте первым, поделитесь своим мнением.

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Применение металлических сборно-разборных трубопроводов
Подсистема интеллектуального контроля трубопроводов (ТСТ-ПИКЕТ)
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №04/2018

Инженерная практика

Выпуск №04/2018

Эксплуатация осложненного фонда скважин. Ремонт скважин. Подготовка и транспорт углеводородов
Осложненный фонд ПАО «НК «Роснефть», ПАО «ЛУКОЙЛ», ОАО «Сургутнефтегаз» и др.Оборудование, программное обеспечение и методики для добычи нефти в условиях выноса мехпримесейОпыт и технологии борьбы с АСПОВентильные приводы в составе УЭВН и СШНУОчистка ПЗП и забоя нагнетательных скважин и скважин с боковыми стволамиЗащита сварных соединений трубопроводов от коррозииХимические реагенты для подготовки и транспорта нефтиУтилизация и переработка ПНГ
Ближайшее совещание
Механизированная добыча, Трубопроводный транспорт
Коррозия 2018
Международная производственно-техническая конференция

КОРРОЗИЯ – 2018: Эффективные методы работы с фондом скважин, осложненным коррозией, эксплуатация промысловых нефтегазопроводов и водоводов в условиях высокой коррозионной активности

27-29 августа 2018 г., г. Казань, конференц-зал «Габдула Тукай»
Задачей Конференции является обмен опытом и определение наиболее экономически и технологически эффективных решений и технологий в области работы с фондом скважин, осложненных коррозионным фактором и анализ применения современных методов и технологий для сокращения аварийности промысловых трубопроводов различного назначения в условиях высокой коррозионной активности.
Ближайший тренинг
Капитальный ремонт скважин
Ловильный сервис – июль 2018
Тренинг-курс

Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах

23 – 27 июля 2018 г., г. Пермь
ООО «Инженерная практика» от имени журнала «Инженерная практика» проводит набор группы специалистов для прохождения производственно-технического тренинга по программе «Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах». Пятидневный тренинг - курс будет проводиться в г. Перми в рамках авторского курса С. Балянова.