Соединение стальных труб, имеющих полимерное покрытие на внутренней и наружной поверхностях
ART 53576
М.
В. КалачевБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Калачев
М.
В.,
Савин
И.
А.,
Емельянов
Д.
В. Соединение стальных труб, имеющих полимерное покрытие на внутренней и наружной поверхностях // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2013. – Т. 3. – С.
2856–2860. – URL:
http://e-koncept.ru/2013/53576.htm.
Аннотация. Статья относится к трубопроводному транспорту и способам защиты трубопроводов от коррозии, а также к изготовлению труб с внутренним и наружным покрытиями и сооружению из них трубопроводов. Основной задачей
данной статьи является получение надежного и долговечного в эксплуатации трубопровода имеющего внутреннее и наружное покрытия, а также сохранение
пропускной способности трубопровода и удобство его монтажа.
Текст статьи
Калачев Максим ВикторовичВыпускник кафедры «Конструирование и технологии машиностроительных производств» ФГОУ ВПО Набережночелнинскийфилиал Казанского Национального Исследовательского Технического Университета им. А.Н. ТуполеваКАИ, г.Набережные Челныbosch116@mail.ruСавин Игорь АлексеевичКандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Конструирование и технологии машиностроительных производств» ФГОУ ВПО Набережночелнинскийфилиал Казанского Национального Исследовательского Технического Университета им. А.Н. ТуполеваКАИ, г.Набережные Челны
savin.ia@kaichelny.ru
Соединение стальных труб, имеющихполимерное покрытие на внутренней и наружной поверхностях
Аннотация:Статьяотносится к трубопроводному транспорту и способам защиты трубопроводов от коррозии,а также кизготовлениютруб с внутренним и наружнымпокрытиямии сооружениюиз них трубопроводов.Основной задачей данной статьи является получение надежногои долговечного в эксплуатации трубопровода имеющего внутреннее и наружное покрытия, атакже сохранение пропускной способности трубопровода и удобство его монтажа.Ключевые слова:трубопровод, сварнойшов, соединениетруб, покрытие труб.Наиболее распространенным способом защиты поверхностейтруб от агрессивного воздействия транспортируемых сред является нанесение на внутреннюю и наружную поверхности труб слоя изоляционного антикоррозийного покрытия.Однако, при строительстве протяженных, промысловых и магистральных трубопроводов, где основным видом соединения является сварка, трубы с внутренним и наружным покрытиямидо настоящего времени применяются ограниченно. Это вызвано тем, что при монтаже трубопроводов во время сварки значительная зона покрытия в районе сварного швавыгорает. Особенноэто касается трубопроводов, вовнутрь которых не может попасть человек (диаметр менее 600 мм).Обнаженный металл сварного шва при длительном контакте с агрессивными средами подвергается коррозии, что может служить причинойаварии.Известенспособ соединения труб с внутренним покрытием. Данный способ заключается в закреплении на внутренней поверхности концевых участков труб полосок из стеклоэмалевой ткани. Полоски закрепляют таким образом, чтобы они выходили за края стыков. Затем трубы стыкуются. При этом выступающие за торцы труб участки эмалевой ткани перекрывают внахлест друг друга в месте стыка труб. Состыкованные трубы сваривают по периметру с наружной стороны. За счет тепла, выделяемого при сварке, стеклоэмалевая ткань в месте сварного шва частично расплавляется. Для полного оплавления эмалевой ткани и создания однородного, сплошного, коррозионностойкого слоя в зоне соединения труб участок стыковки подвергают дополнительному нагреву до температуры расплавления эмали, например, индуктором[1].К недостаткам данного способа можно отнести повышенную технологическую сложность и трудоемкость. Временные затраты на установку внутри стеклоэмалевой ленты приводят к значительному замедлению работ по монтажу трубопровода.При практическом внедрении этого способа, сплошного и однородного слоя у некоторого количества (до 40%) в зоне сварного стыка не получается.
Известен способ соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием, в котором соединение труб осуществляется посредством сочленения их с промежуточным элементом, в полость между промежуточным элементом, эластичными уплотнениями на его концах и внутренней поверхностью труб после сварки через штуцеры подают горячий воздух. Заполняют жидким твердеющим материалом. Продувают полость горячим воздухом до образования твердой защитой пленки. Затем полость заполняется нетвердеющим антикоррозионным материалом[2].Недостатком данного способа является технологическая сложностьи низкую эффективность защиты стыков труб от коррозии иззанедостаточно надежной герметизации зон сварных стыков от проникновения агрессивной транспортируемой среды, а также непостоянство формы поперечного сечения по длине полученного соединения труб. Это может привести к образованию турбулентных вихрей при транспортировке жидких сред и, как следствие, к динамическим нагрузкам и разрушению конструкции.Проведенный анализ показывает, что в настоящее время продолжается интенсивный поиск способов защиты зоны стыка сварного шва при соединении труб с внутренними наружным антикоррозионнымпокрытием, в которых бы сочетались приемлемые требования к эффективности защитысоединенияс производимыми затратами.Основной задачей предлагаемогометодаявляется получение надежного и долговечного в эксплуатации трубопровода имеющего внутреннее и наружное антикоррозионные покрытия, атакже сохранение пропускной способности трубопровода и удобство его монтажаПоставленная задача решается за счет того, чтодополнительно проводитсяпредварительнаяподготовкав заводских условиях наружной и внутренней поверхности труб, длявозможностиформирования геометрии покрытия трубы с сохранением величины адгезии (сцепление покрытия со стальной поверхностью) наносимого покрытия на стальную поверхность и на заводское покрытие, с последующей защитойв процессе сваркинаружного изоляционного слоя от воздействия брызг расплавленного металлас помощью конструкции наружных радиаторови внутреннего изоляционногослоя от расплавленного металлас помощью опор центраторрадиатораис последующим исключением появления прожогов и «металлических сосулек» в верхнем своде неповоротного трубного стыкас помощью подкладного материала (бронзовое кольцо, или кольцо из флюсовой подушки), формирующеговнутреннюю поверхность сварного шва.После сварки производят очистку зоны сварного стыка, при этом защитные раздвижные опоры очистного устройства внутренней поверхности не позволяют абразивному материалу или продуктам очистки создавать дефекты навнутреннем полимерном покрытии.Затем на наружную зону сварного стыка наносимтермоусаживающий изолирующий материал и устанавливаемкамеру с индукционным нагревом и устройство для нанесения внутреннего покрытия на внутреннюю поверхность зоны сварного стыка, создавая при этом герметичную камеру для формирования микроклимата (определенная температура, влажность),в котором полимеризуется наносимый материал. Далеенагреваемповерхность до заданной температурыиндуктором, после чего на внутреннюю поверхность зоны сварного стыка при той же заданной температуре поверхности наносимполимерное покрытие с помощью устройство для нанесения внутреннего покрытияи производим контроль покрытия на диэлектрическую сплошность и толщину, предварительно пропитав внутреннее полимерное покрытие токопроводящей жидкостью.
Для осуществления предложенного способаприменяется универсальное устройство, размещенноевнутритрубопровода и стыкуемой трубыи представляющее собой штангу, на которой последовательно размещены:1. Центраторрадиатор; 2. Подкладной материал (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки);3. Очистное устройство внутренней поверхности;4. Устройство для нанесения внутреннего покрытия;5. Устройство для контроля сплошности нанесённого внутреннего покрытия;6. Ролики для центровки стыкуемых труб;Все эти устройства располагаются в определённом порядке, разделены друг от друга упорными втулкамии затянуты гайками, находящимися на концах штанги.Штанга может управляться, либо вручную, либо автоматически.Перед сваркой производится зачистка и подготовка поверхностей под покрытие с применением устройства защиты заводского покрытия труб. Формирования геометрии и подготовка поверхности под покрытие осуществляется таким образом, чтобы обеспечить равную величину адгезии (сцепление покрытия со стальной поверхностью) наносимого покрытия на стальную поверхность и на заводское покрытие. На наружных поверхностях трубопровода и трубы устанавливаются радиаторы, служащие для отвода тепла, при этом предотвращающие структурные изменения наружной заводской изоляции, также препятствующие повреждению полимерного покрытия от брызг расплавленного металла, образующиеся во время сварки трубного стыка.Центраторрадиаторизготавливается из материала, имеющий высокий коэффициент теплопроводности (медь, латунь, бронза и т.д.). Их конструкция предусматривает процессразъема и прижатия с определенным усилием к стальным поверхностям стыкуемых труб. Некоторые конструкции снабжены каналами для охлаждения водой. Опоры центраторрадиатора не позволяют расплавленному металлу от сварочной дуги попасть на внутреннюю поверхность полимерного покрытия, исключая появления дефектов внутреннего покрытия.Эксперименты, проведенные в лабораторных условиях показывают, что тепловой поток уменьшается на 100110 градусов по Цельсию в зависимости от толщины стенок трубы и режимов сварки(Рис.1).
Рис.1Наружный радиаторизготавливается из материала, имеющий высокий коэффициент теплопроводности (медь, латунь, бронза и т.д.). Их конструкция
предусматривает процесс разъема и прижатия с определенным усилием к стальным поверхностям стыкуемых труб. Некоторые конструкции снабжены каналами для охлаждения водой. Конструкция наружного радиаторане позволяют брызгам расплавленного металла от сварочной дуги попасть на наружную поверхность полимерного покрытия, исключая появлениядефектов наружного покрытия.Подкладной материал (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки)имеет конструкцию, предусматривающую процесс разъема и прижатия с определенным усилием к стальным поверхностям стыкуемых труб. Подкладной материал (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки)участвует в процессе формирования внутреннего сварного шва, исключающее появление прожогов и «металлических сосулек» в верхнем своде неповоротного трубного стыка. Подкладной материал (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки)располагается междуопорами центраторрадиатора. Такая конструкция подкладного материала (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки) и опоры центраторрадиаторане позволяют расплавленному металлу попасть на внутреннюю поверхность полимерного покрытия, исключая появления дефектов внутреннего покрытия. Очистное устройствовнутренней поверхностиотличается от известного тем, что имеет защитные раздвижные опоры, не позволяющие абразивному материалу или продуктам очистки создавать дефекты на внутреннем полимерном покрытии.Устройство для нанесения внутреннего покрытия отличается от известного тем, что имеет защитные герметичные опоры, позволяющие создать необходимый микроклимат (температура, влажность) в зоне сварного стыка, которое не имеет полимерного внутреннего покрытия.Камера с индукционным нагревомотличается от известных тем, что конструкция предусматривает процесс разъема и прижатия с определенным усилием к стальным поверхностям стыкуемых труб, с обеспечением герметизации зоны сварного стыка, которое не имеет полимерного наружного покрытия, позволяет создать необходимый микроклимат (температура, влажность) в зоне сварного стыка, которое не имеет полимерного наружного покрытия. За счет нагрева стальной поверхности индуктором обеспечивается необходимая температура навнутреннейи наружной поверхностях зоны сварного стыка, за счет чего обеспечивается качественное внутреннее и наружное покрытия. Индуктор изготавливается из медных трубок, по которым проходит электрический ток повышенной частоты (10002400 Гц) и по медным трубкам проходит охлаждающая жидкость. Камера с индукционным нагревом выполнена из теплоизоляционных, токонепроводящих, температуростойких и немагнитных материалов.Устройство для контроля сплошности нанесённого внутреннего покрытия отличается от известных тем, что датчик контроля выполнен в форме воронки из медных кольцевых проволочек, обеспечивающий полный контакт с внутренней поверхностью покрытия. Перед воронкой устанавливается кольцо из губчатого материала пропитанного токопроводящей жидкостью, обеспечивающий определение мельчайших дефектов в покрытии.Штанга изготавливается из разъемных труб, внутри которых располагают энергетический и электрический подвод ко всем механизмам. Штанга отличается от известных конструкций тем, что она имеет возможность перемещения на мерные необходимые расстояния, которые обеспечивают выполнение отдельных операций (центровка стыкуемых труб, сварка, очистка, нанесение покрытия, контроль сплошности и толщины покрытия). Работа универсального устройства(рис.2)для соединениятруб с внутренним и наружным покрытиямиосуществляется следующим образом.Весь процесс можно разделить на несколько этапов:
Этап 1 –СваркаЭтап 2 –ОчисткаЭтап 3 –Нанесение полимерного покрытияЭтап 4 –Контроль сплошности покрытия
Рис.2Рассмотрим каждый этап в отдельности.Этап 1. Сварка.Центрируем трубы с помощью центраторрадиатора, затем производим сварку. Сварка производится традиционным способом, т.е. электродуговой сваркой.Во время этапа сварки центраторрадиатор осуществляет три задачи:1. Центрирует трубы перед сваркой;2. Отводит тепло, распространяющееся от сварочного шва, и защищает полимерное покрытие от перегрева;3. Препятствует повреждению полимерного покрытия от раскаленного металла.Подкладной материал (бронзовоекольцо, или кольцо из флюсовой подушки) исключает появление прожогов и устраняет, так называемые,«металлические сосульки», появляющиеся во время процесса сварки, формирует геометрию внутреннего стыка труб, а также отводит тепло от сварного соединения.Поокончании сварочного процесса извлекаются из зоны стыка штангой центраторрадиатор и подкладной материал (бронзовое кольцо, или кольцо из флюсовой подушки). С наружной поверхности труб снимаются наружные радиаторы. Этап сварки завершен.Этап 2. Очистка.После сварки трубного стыка производится очистка наружной и внутренней поверхностей. Устанавливаются специальные очистные устройства на наружную и внутреннюю поверхность стыка с помощью штанги.Многолетний опыт применения полимерных покрытий показывают, чтоих долговечность более чем на 70% определяется качеством подготовки поверхности перед покрытием. Некачественная подготовка поверхности металла перед нанесением покрытия вызывает ряд нежелательных последствий, приводящих к ухудшению защитных свойств покрытий:ухудшение адгезии покрытия к стальной поверхности,развитие под покрытием коррозионных процессов стали при эксплуатации,растрескивание и расслоение самого покрытия.Между долговечностью покрытий и степенью очистки поверхности существует четко проявляющаяся зависимость. В случае механических способов подготовки
поверхности, ориентировочные коэффициенты повышения сроков службы систем покрытий (К1), в зависимости от подготовки поверхности могут быть представлены следующим образом:покрытие на неподготовленную стальную поверхность К1= 1,0 покрытие на очищенную механическим способом стальную поверхность К1= 1,9 покрытие по обезжиренной и очищенной абразивным способом с удалением солей К1= 3,1. Очистка наружной поверхности может производитьсялюбым из известных способов, в том числе вручную. Очистка внутренней поверхности сварного стыка может производиться стальной дробью, абразивными порошками (купершлак, топочные шлаки, корунд и др.), сухим кварцевым песком, шлифовальной машинкой. При этом степень очистки поверхности должна быть не менее Sa 2,5 по ISO 85011, шероховатость поверхности (Rz) должна составлять от 40 до 60 мкм по ISO 85031, а степень запыленности не ниже эталонов 23 по ISO 85023. Через штангу осуществляется подвод энергоносителя очистного устройства и осуществляется отсос продуктов очистки. По окончанию процесса очистки извлекается из зоны стыка штангой очистное устройство внутренней поверхности. Производится контроль качества очистки поверхностей. Этап очистки завершен.Этап 3. Нанесение полимерного покрытия.
Рис.3После очистки зоны трубного стыка устанавливается устройство для нанесения внутреннего покрытия с помощью штанги.На наружную очищенную поверхность сварного стыка наносится термоусаживающийся изоляционный материал. Размещение материала
производится на подготовленную наружную стальную поверхность и на конусную поверхность подготовленной заводской изоляции.После чего снаружи устанавливается камера с индукционным нагревом. Нагрев незащищенной зоны трубного стыка осуществляется через нанесённый наружный полимерный материал токами высокой частоты (ТВЧ).На нагретую стальную поверхность наносится внутреннее покрытие одним из известных способов. Размещение материала для нанесения внутреннего покрытия производится на подготовленную и нагретую стальную поверхность, и на конусную поверхность заводской изоляции. Технология нанесения внутреннего полимерного покрытия состоит из нескольких последовательно проводимых операций: нанесения на очищенную поверхность изделий слоя эпоксидного праймера, с последующей сушкой праймера (для эпоксиднополиуретановых покрытий); нанесения методом "горячего" безвоздушного распыления наружного полиуретанового слоя; контроля качества защитного покрытия. Параметры технологического процесса зависятот выбранной системы изоляционных материалов, от используемого оборудования и температуры окружающей среды.Нанесение покрытия должно производиться на очищенную сухую поверхность изделий не позднее, чем через 1 ч после завершения процесса очистки. При этом температура окружающей среды и поверхности изделий должна быть не ниже плюс 510°С, а влажность воздуха не превышать 80%. Для нанесения покрытия на основе высоковязких, не содержащих органических растворителей изоляционных материалов, используются, как правило, установки безвоздушного распыления, обеспечивающие подогрев основного компонента до требуемой температуры (5070 °С). С целью получения защитного покрытия заданной толщины (не менее 0,4мм) нанесение быстро отверждающего покрытия должно производиться методом "мокрым по мокрому", без промежуточной сушки наносимых слоев. В случае нанесения на поверхность изделий слоя эпоксидного праймера используется дополнительный комплект технологического оборудования установки безвоздушного или пневматического распыления. При этом наружный полиуретановый слой покрытия должен наноситься по слою праймера только после завершения процесса его сушки (через 424 ч). Оптимальные режимы нанесения покрытия должны быть согласованы с поставщиками материалов. Поставщики материалов обязаны также предоставить необходимые данные по условиям и срокам хранения материалов и гарантировать высокое качество защитного покрытия при соблюдении технологии его нанесения. В настоящее время на рынок трубопроводного строительства предлагается целая серия отечественных и импортных материалов, предназначенных для изоляции зоны сварного стыка труб при сооружении трубопроводов. В соответствии с принятыми отраслевыми нормами и положениями до начала практического все внедряемые защитные антикоррозионные покрытия трубопроводов должны пройти обязательную проверку на соответствие предъявляемым техническим требованиям.Для примера покрытие «Scotchkote 226N»фирмы «3 М» (США) относится к типу быстро отверждающихся двухкомпонентных полиуретановых покрытий. Широко применяется при строительстве трубопроводов в США, Канаде. Рекомендуется также к применению для изоляции сварных стыков труб.
Обладает высокой механической, ударной прочностью, стойкостью к продавливанию, истиранию, повышенной стойкостью к катодному отслаиванию. Наносится методом «горячего» безвоздушного распыления при объемном соотношении компонентов основа /отвердитель 3:1. По данным поставщика материалов покрытие может наноситься при температурах окружающей среды до минус 10oC. Покрытие прошло испытания на соответствие требованиям ГОСТ Р5116498, требованиям РАО «Газпром». Опробовано нанесение покрытия
«Scotchkote 226N» в заводских условиях. Покрытие используется в настоящее время для изоляции фитингов и сварных стыков трубопроводов при обустройстве месторождения в России.Этап нанесения покрытий завершен.Этап 4. Контроль сплошности покрытия.После нанесения наружного термоусаживающегося изоляционного материала и внутреннего антикоррозионного покрытия производится контроль сплошности нанесённых покрытий с помощью специального устройства для контроля сплошности нанесённого внутреннего покрытия, отличающегося от известных тем, что датчик контроля выполнен в форме воронки из медных кольцевых проволочек, обеспечивающий полный контакт с внутренней поверхностью покрытия. Перед воронкой устанавливается кольцо из губчатого материала пропитанного токопроводящей жидкостью, обеспечивающий определение мельчайших дефектов в покрытии, или же устройства, типа «Корона1». Дефектоскопы такого типа предназначены для контроля трещин, пористости, недопустимых утонений и других нарушений сплошности защитных покрытий металлических изделий приложением импульсного высоковольтного напряжения и фиксацией электрического пробоя. Техническая характеристика данного устройства:1) диапазон регулировки напряжения на электроде, кВ, от 2 до 15;2) толщина контролируемых покрытий, мм, до 4;3) наименьший поперечный размер выявляемого дефекта, мм, 0,3;4) расстояние между двумя дефектами, фиксируемыми как раздельные, мм, 15;5) скорость перемещения электрода, м/с, не более 0,25;6) питание прибора встроенный аккумулятор;7) масса, кг:
блок контроля 2,0 (с аккумулятором);
высоковольтный трансформатордержатель 1,3;8) время непрерывной работы от заряженного аккумулятора, ч, 6;9) габаритные размеры дефектоскопа (без электрода), мм, 270х200х60Особенности: высокая безопасность работы за счет импульсного режима работы. Большой набор сменных электродов для контроля изделий различного назначения. Малые габариты. Через штангу осуществляется подвод энергоносителя очистного устройства.Если параметры не соответствуют нормам, то этапы повторяются заново.Предлагаемый способ соединения труб с внутренним и наружнымантикоррозионнымипокрытиями и устройство для его реализации по сравнениюс аналогами:1.Снижает трудоемкость и требования к технологии сварки, так как производится сварка однородного материала и варится один шов, т.е. производится традиционная сварка, которая освоена в организациях, занятых монтажом и прокладкой трубопроводов;2.Исключает применение дорогостоящих нержавеющих материалов (сталей, сплавов);3.Повышает коррозионостойкость зоны сварного стыка по наружной и внутренней поверхностям;4.Сохраняет проходное сечение трубопровода;По данному способу была отправлена заявка в Роспатент на изобретение. В феврале 2013 года был дан положительный результат.
Ссылки наисточники:1.А.С. СССР 1560873, заявка №4371764 от 01.02.88, Би№16, 1990г, F16 L13/02[Дата обращения 12.07.2012]
2.Патент РФ №2080509 от 27.05.97, заявка №94015756 от 27.04.94, Би№15, 1997г, F16 L13/00[Дата обращения 29.01.2013]
Kalachev Maxim The graduate of "Designing and Technologies of Machinebuilding Productions" chair of FGOU VPO the Naberezhnye Chelny branch of the Kazan National Research Technical University of A.N.TupolevKAI, Naberezhnye Chelnybosch116@mail.ruSavin IgorCandidate of Technical Sciences, the associate professor, the head of the department "Designing and technologies of machinebuilding productions" FGOU VPO the Naberezhnye Chelny branch of the Kazan National Research Technical University of A.N.TupolevKAI, Naberezhnye Chelny
savin.ia@kaichelny.ru
Connection of the steel pipes having a polymeric covering on internal and external surfaces
Summary:Article belongs to pipeline transport and ways of protection of pipelines from corrosion, and also to production of pipes with internal and external coverings and to a construction of pipelines from them. The main objective of this article is receiving the reliable and durable pipeline in operation having internal and external coverings, and also preservation of capacity of the pipeline and convenience of its installation.Keywords: pipeline, welded seam, connection of pipes, covering of pipes.
savin.ia@kaichelny.ru
Соединение стальных труб, имеющихполимерное покрытие на внутренней и наружной поверхностях
Аннотация:Статьяотносится к трубопроводному транспорту и способам защиты трубопроводов от коррозии,а также кизготовлениютруб с внутренним и наружнымпокрытиямии сооружениюиз них трубопроводов.Основной задачей данной статьи является получение надежногои долговечного в эксплуатации трубопровода имеющего внутреннее и наружное покрытия, атакже сохранение пропускной способности трубопровода и удобство его монтажа.Ключевые слова:трубопровод, сварнойшов, соединениетруб, покрытие труб.Наиболее распространенным способом защиты поверхностейтруб от агрессивного воздействия транспортируемых сред является нанесение на внутреннюю и наружную поверхности труб слоя изоляционного антикоррозийного покрытия.Однако, при строительстве протяженных, промысловых и магистральных трубопроводов, где основным видом соединения является сварка, трубы с внутренним и наружным покрытиямидо настоящего времени применяются ограниченно. Это вызвано тем, что при монтаже трубопроводов во время сварки значительная зона покрытия в районе сварного швавыгорает. Особенноэто касается трубопроводов, вовнутрь которых не может попасть человек (диаметр менее 600 мм).Обнаженный металл сварного шва при длительном контакте с агрессивными средами подвергается коррозии, что может служить причинойаварии.Известенспособ соединения труб с внутренним покрытием. Данный способ заключается в закреплении на внутренней поверхности концевых участков труб полосок из стеклоэмалевой ткани. Полоски закрепляют таким образом, чтобы они выходили за края стыков. Затем трубы стыкуются. При этом выступающие за торцы труб участки эмалевой ткани перекрывают внахлест друг друга в месте стыка труб. Состыкованные трубы сваривают по периметру с наружной стороны. За счет тепла, выделяемого при сварке, стеклоэмалевая ткань в месте сварного шва частично расплавляется. Для полного оплавления эмалевой ткани и создания однородного, сплошного, коррозионностойкого слоя в зоне соединения труб участок стыковки подвергают дополнительному нагреву до температуры расплавления эмали, например, индуктором[1].К недостаткам данного способа можно отнести повышенную технологическую сложность и трудоемкость. Временные затраты на установку внутри стеклоэмалевой ленты приводят к значительному замедлению работ по монтажу трубопровода.При практическом внедрении этого способа, сплошного и однородного слоя у некоторого количества (до 40%) в зоне сварного стыка не получается.
Известен способ соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием, в котором соединение труб осуществляется посредством сочленения их с промежуточным элементом, в полость между промежуточным элементом, эластичными уплотнениями на его концах и внутренней поверхностью труб после сварки через штуцеры подают горячий воздух. Заполняют жидким твердеющим материалом. Продувают полость горячим воздухом до образования твердой защитой пленки. Затем полость заполняется нетвердеющим антикоррозионным материалом[2].Недостатком данного способа является технологическая сложностьи низкую эффективность защиты стыков труб от коррозии иззанедостаточно надежной герметизации зон сварных стыков от проникновения агрессивной транспортируемой среды, а также непостоянство формы поперечного сечения по длине полученного соединения труб. Это может привести к образованию турбулентных вихрей при транспортировке жидких сред и, как следствие, к динамическим нагрузкам и разрушению конструкции.Проведенный анализ показывает, что в настоящее время продолжается интенсивный поиск способов защиты зоны стыка сварного шва при соединении труб с внутренними наружным антикоррозионнымпокрытием, в которых бы сочетались приемлемые требования к эффективности защитысоединенияс производимыми затратами.Основной задачей предлагаемогометодаявляется получение надежного и долговечного в эксплуатации трубопровода имеющего внутреннее и наружное антикоррозионные покрытия, атакже сохранение пропускной способности трубопровода и удобство его монтажаПоставленная задача решается за счет того, чтодополнительно проводитсяпредварительнаяподготовкав заводских условиях наружной и внутренней поверхности труб, длявозможностиформирования геометрии покрытия трубы с сохранением величины адгезии (сцепление покрытия со стальной поверхностью) наносимого покрытия на стальную поверхность и на заводское покрытие, с последующей защитойв процессе сваркинаружного изоляционного слоя от воздействия брызг расплавленного металлас помощью конструкции наружных радиаторови внутреннего изоляционногослоя от расплавленного металлас помощью опор центраторрадиатораис последующим исключением появления прожогов и «металлических сосулек» в верхнем своде неповоротного трубного стыкас помощью подкладного материала (бронзовое кольцо, или кольцо из флюсовой подушки), формирующеговнутреннюю поверхность сварного шва.После сварки производят очистку зоны сварного стыка, при этом защитные раздвижные опоры очистного устройства внутренней поверхности не позволяют абразивному материалу или продуктам очистки создавать дефекты навнутреннем полимерном покрытии.Затем на наружную зону сварного стыка наносимтермоусаживающий изолирующий материал и устанавливаемкамеру с индукционным нагревом и устройство для нанесения внутреннего покрытия на внутреннюю поверхность зоны сварного стыка, создавая при этом герметичную камеру для формирования микроклимата (определенная температура, влажность),в котором полимеризуется наносимый материал. Далеенагреваемповерхность до заданной температурыиндуктором, после чего на внутреннюю поверхность зоны сварного стыка при той же заданной температуре поверхности наносимполимерное покрытие с помощью устройство для нанесения внутреннего покрытияи производим контроль покрытия на диэлектрическую сплошность и толщину, предварительно пропитав внутреннее полимерное покрытие токопроводящей жидкостью.
Для осуществления предложенного способаприменяется универсальное устройство, размещенноевнутритрубопровода и стыкуемой трубыи представляющее собой штангу, на которой последовательно размещены:1. Центраторрадиатор; 2. Подкладной материал (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки);3. Очистное устройство внутренней поверхности;4. Устройство для нанесения внутреннего покрытия;5. Устройство для контроля сплошности нанесённого внутреннего покрытия;6. Ролики для центровки стыкуемых труб;Все эти устройства располагаются в определённом порядке, разделены друг от друга упорными втулкамии затянуты гайками, находящимися на концах штанги.Штанга может управляться, либо вручную, либо автоматически.Перед сваркой производится зачистка и подготовка поверхностей под покрытие с применением устройства защиты заводского покрытия труб. Формирования геометрии и подготовка поверхности под покрытие осуществляется таким образом, чтобы обеспечить равную величину адгезии (сцепление покрытия со стальной поверхностью) наносимого покрытия на стальную поверхность и на заводское покрытие. На наружных поверхностях трубопровода и трубы устанавливаются радиаторы, служащие для отвода тепла, при этом предотвращающие структурные изменения наружной заводской изоляции, также препятствующие повреждению полимерного покрытия от брызг расплавленного металла, образующиеся во время сварки трубного стыка.Центраторрадиаторизготавливается из материала, имеющий высокий коэффициент теплопроводности (медь, латунь, бронза и т.д.). Их конструкция предусматривает процессразъема и прижатия с определенным усилием к стальным поверхностям стыкуемых труб. Некоторые конструкции снабжены каналами для охлаждения водой. Опоры центраторрадиатора не позволяют расплавленному металлу от сварочной дуги попасть на внутреннюю поверхность полимерного покрытия, исключая появления дефектов внутреннего покрытия.Эксперименты, проведенные в лабораторных условиях показывают, что тепловой поток уменьшается на 100110 градусов по Цельсию в зависимости от толщины стенок трубы и режимов сварки(Рис.1).
Рис.1Наружный радиаторизготавливается из материала, имеющий высокий коэффициент теплопроводности (медь, латунь, бронза и т.д.). Их конструкция
предусматривает процесс разъема и прижатия с определенным усилием к стальным поверхностям стыкуемых труб. Некоторые конструкции снабжены каналами для охлаждения водой. Конструкция наружного радиаторане позволяют брызгам расплавленного металла от сварочной дуги попасть на наружную поверхность полимерного покрытия, исключая появлениядефектов наружного покрытия.Подкладной материал (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки)имеет конструкцию, предусматривающую процесс разъема и прижатия с определенным усилием к стальным поверхностям стыкуемых труб. Подкладной материал (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки)участвует в процессе формирования внутреннего сварного шва, исключающее появление прожогов и «металлических сосулек» в верхнем своде неповоротного трубного стыка. Подкладной материал (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки)располагается междуопорами центраторрадиатора. Такая конструкция подкладного материала (бронзовое кольцо, иликольцо из флюсовой подушки) и опоры центраторрадиаторане позволяют расплавленному металлу попасть на внутреннюю поверхность полимерного покрытия, исключая появления дефектов внутреннего покрытия. Очистное устройствовнутренней поверхностиотличается от известного тем, что имеет защитные раздвижные опоры, не позволяющие абразивному материалу или продуктам очистки создавать дефекты на внутреннем полимерном покрытии.Устройство для нанесения внутреннего покрытия отличается от известного тем, что имеет защитные герметичные опоры, позволяющие создать необходимый микроклимат (температура, влажность) в зоне сварного стыка, которое не имеет полимерного внутреннего покрытия.Камера с индукционным нагревомотличается от известных тем, что конструкция предусматривает процесс разъема и прижатия с определенным усилием к стальным поверхностям стыкуемых труб, с обеспечением герметизации зоны сварного стыка, которое не имеет полимерного наружного покрытия, позволяет создать необходимый микроклимат (температура, влажность) в зоне сварного стыка, которое не имеет полимерного наружного покрытия. За счет нагрева стальной поверхности индуктором обеспечивается необходимая температура навнутреннейи наружной поверхностях зоны сварного стыка, за счет чего обеспечивается качественное внутреннее и наружное покрытия. Индуктор изготавливается из медных трубок, по которым проходит электрический ток повышенной частоты (10002400 Гц) и по медным трубкам проходит охлаждающая жидкость. Камера с индукционным нагревом выполнена из теплоизоляционных, токонепроводящих, температуростойких и немагнитных материалов.Устройство для контроля сплошности нанесённого внутреннего покрытия отличается от известных тем, что датчик контроля выполнен в форме воронки из медных кольцевых проволочек, обеспечивающий полный контакт с внутренней поверхностью покрытия. Перед воронкой устанавливается кольцо из губчатого материала пропитанного токопроводящей жидкостью, обеспечивающий определение мельчайших дефектов в покрытии.Штанга изготавливается из разъемных труб, внутри которых располагают энергетический и электрический подвод ко всем механизмам. Штанга отличается от известных конструкций тем, что она имеет возможность перемещения на мерные необходимые расстояния, которые обеспечивают выполнение отдельных операций (центровка стыкуемых труб, сварка, очистка, нанесение покрытия, контроль сплошности и толщины покрытия). Работа универсального устройства(рис.2)для соединениятруб с внутренним и наружным покрытиямиосуществляется следующим образом.Весь процесс можно разделить на несколько этапов:
Этап 1 –СваркаЭтап 2 –ОчисткаЭтап 3 –Нанесение полимерного покрытияЭтап 4 –Контроль сплошности покрытия
Рис.2Рассмотрим каждый этап в отдельности.Этап 1. Сварка.Центрируем трубы с помощью центраторрадиатора, затем производим сварку. Сварка производится традиционным способом, т.е. электродуговой сваркой.Во время этапа сварки центраторрадиатор осуществляет три задачи:1. Центрирует трубы перед сваркой;2. Отводит тепло, распространяющееся от сварочного шва, и защищает полимерное покрытие от перегрева;3. Препятствует повреждению полимерного покрытия от раскаленного металла.Подкладной материал (бронзовоекольцо, или кольцо из флюсовой подушки) исключает появление прожогов и устраняет, так называемые,«металлические сосульки», появляющиеся во время процесса сварки, формирует геометрию внутреннего стыка труб, а также отводит тепло от сварного соединения.Поокончании сварочного процесса извлекаются из зоны стыка штангой центраторрадиатор и подкладной материал (бронзовое кольцо, или кольцо из флюсовой подушки). С наружной поверхности труб снимаются наружные радиаторы. Этап сварки завершен.Этап 2. Очистка.После сварки трубного стыка производится очистка наружной и внутренней поверхностей. Устанавливаются специальные очистные устройства на наружную и внутреннюю поверхность стыка с помощью штанги.Многолетний опыт применения полимерных покрытий показывают, чтоих долговечность более чем на 70% определяется качеством подготовки поверхности перед покрытием. Некачественная подготовка поверхности металла перед нанесением покрытия вызывает ряд нежелательных последствий, приводящих к ухудшению защитных свойств покрытий:ухудшение адгезии покрытия к стальной поверхности,развитие под покрытием коррозионных процессов стали при эксплуатации,растрескивание и расслоение самого покрытия.Между долговечностью покрытий и степенью очистки поверхности существует четко проявляющаяся зависимость. В случае механических способов подготовки
поверхности, ориентировочные коэффициенты повышения сроков службы систем покрытий (К1), в зависимости от подготовки поверхности могут быть представлены следующим образом:покрытие на неподготовленную стальную поверхность К1= 1,0 покрытие на очищенную механическим способом стальную поверхность К1= 1,9 покрытие по обезжиренной и очищенной абразивным способом с удалением солей К1= 3,1. Очистка наружной поверхности может производитьсялюбым из известных способов, в том числе вручную. Очистка внутренней поверхности сварного стыка может производиться стальной дробью, абразивными порошками (купершлак, топочные шлаки, корунд и др.), сухим кварцевым песком, шлифовальной машинкой. При этом степень очистки поверхности должна быть не менее Sa 2,5 по ISO 85011, шероховатость поверхности (Rz) должна составлять от 40 до 60 мкм по ISO 85031, а степень запыленности не ниже эталонов 23 по ISO 85023. Через штангу осуществляется подвод энергоносителя очистного устройства и осуществляется отсос продуктов очистки. По окончанию процесса очистки извлекается из зоны стыка штангой очистное устройство внутренней поверхности. Производится контроль качества очистки поверхностей. Этап очистки завершен.Этап 3. Нанесение полимерного покрытия.
Рис.3После очистки зоны трубного стыка устанавливается устройство для нанесения внутреннего покрытия с помощью штанги.На наружную очищенную поверхность сварного стыка наносится термоусаживающийся изоляционный материал. Размещение материала
производится на подготовленную наружную стальную поверхность и на конусную поверхность подготовленной заводской изоляции.После чего снаружи устанавливается камера с индукционным нагревом. Нагрев незащищенной зоны трубного стыка осуществляется через нанесённый наружный полимерный материал токами высокой частоты (ТВЧ).На нагретую стальную поверхность наносится внутреннее покрытие одним из известных способов. Размещение материала для нанесения внутреннего покрытия производится на подготовленную и нагретую стальную поверхность, и на конусную поверхность заводской изоляции. Технология нанесения внутреннего полимерного покрытия состоит из нескольких последовательно проводимых операций: нанесения на очищенную поверхность изделий слоя эпоксидного праймера, с последующей сушкой праймера (для эпоксиднополиуретановых покрытий); нанесения методом "горячего" безвоздушного распыления наружного полиуретанового слоя; контроля качества защитного покрытия. Параметры технологического процесса зависятот выбранной системы изоляционных материалов, от используемого оборудования и температуры окружающей среды.Нанесение покрытия должно производиться на очищенную сухую поверхность изделий не позднее, чем через 1 ч после завершения процесса очистки. При этом температура окружающей среды и поверхности изделий должна быть не ниже плюс 510°С, а влажность воздуха не превышать 80%. Для нанесения покрытия на основе высоковязких, не содержащих органических растворителей изоляционных материалов, используются, как правило, установки безвоздушного распыления, обеспечивающие подогрев основного компонента до требуемой температуры (5070 °С). С целью получения защитного покрытия заданной толщины (не менее 0,4мм) нанесение быстро отверждающего покрытия должно производиться методом "мокрым по мокрому", без промежуточной сушки наносимых слоев. В случае нанесения на поверхность изделий слоя эпоксидного праймера используется дополнительный комплект технологического оборудования установки безвоздушного или пневматического распыления. При этом наружный полиуретановый слой покрытия должен наноситься по слою праймера только после завершения процесса его сушки (через 424 ч). Оптимальные режимы нанесения покрытия должны быть согласованы с поставщиками материалов. Поставщики материалов обязаны также предоставить необходимые данные по условиям и срокам хранения материалов и гарантировать высокое качество защитного покрытия при соблюдении технологии его нанесения. В настоящее время на рынок трубопроводного строительства предлагается целая серия отечественных и импортных материалов, предназначенных для изоляции зоны сварного стыка труб при сооружении трубопроводов. В соответствии с принятыми отраслевыми нормами и положениями до начала практического все внедряемые защитные антикоррозионные покрытия трубопроводов должны пройти обязательную проверку на соответствие предъявляемым техническим требованиям.Для примера покрытие «Scotchkote 226N»фирмы «3 М» (США) относится к типу быстро отверждающихся двухкомпонентных полиуретановых покрытий. Широко применяется при строительстве трубопроводов в США, Канаде. Рекомендуется также к применению для изоляции сварных стыков труб.
Обладает высокой механической, ударной прочностью, стойкостью к продавливанию, истиранию, повышенной стойкостью к катодному отслаиванию. Наносится методом «горячего» безвоздушного распыления при объемном соотношении компонентов основа /отвердитель 3:1. По данным поставщика материалов покрытие может наноситься при температурах окружающей среды до минус 10oC. Покрытие прошло испытания на соответствие требованиям ГОСТ Р5116498, требованиям РАО «Газпром». Опробовано нанесение покрытия
«Scotchkote 226N» в заводских условиях. Покрытие используется в настоящее время для изоляции фитингов и сварных стыков трубопроводов при обустройстве месторождения в России.Этап нанесения покрытий завершен.Этап 4. Контроль сплошности покрытия.После нанесения наружного термоусаживающегося изоляционного материала и внутреннего антикоррозионного покрытия производится контроль сплошности нанесённых покрытий с помощью специального устройства для контроля сплошности нанесённого внутреннего покрытия, отличающегося от известных тем, что датчик контроля выполнен в форме воронки из медных кольцевых проволочек, обеспечивающий полный контакт с внутренней поверхностью покрытия. Перед воронкой устанавливается кольцо из губчатого материала пропитанного токопроводящей жидкостью, обеспечивающий определение мельчайших дефектов в покрытии, или же устройства, типа «Корона1». Дефектоскопы такого типа предназначены для контроля трещин, пористости, недопустимых утонений и других нарушений сплошности защитных покрытий металлических изделий приложением импульсного высоковольтного напряжения и фиксацией электрического пробоя. Техническая характеристика данного устройства:1) диапазон регулировки напряжения на электроде, кВ, от 2 до 15;2) толщина контролируемых покрытий, мм, до 4;3) наименьший поперечный размер выявляемого дефекта, мм, 0,3;4) расстояние между двумя дефектами, фиксируемыми как раздельные, мм, 15;5) скорость перемещения электрода, м/с, не более 0,25;6) питание прибора встроенный аккумулятор;7) масса, кг:
блок контроля 2,0 (с аккумулятором);
высоковольтный трансформатордержатель 1,3;8) время непрерывной работы от заряженного аккумулятора, ч, 6;9) габаритные размеры дефектоскопа (без электрода), мм, 270х200х60Особенности: высокая безопасность работы за счет импульсного режима работы. Большой набор сменных электродов для контроля изделий различного назначения. Малые габариты. Через штангу осуществляется подвод энергоносителя очистного устройства.Если параметры не соответствуют нормам, то этапы повторяются заново.Предлагаемый способ соединения труб с внутренним и наружнымантикоррозионнымипокрытиями и устройство для его реализации по сравнениюс аналогами:1.Снижает трудоемкость и требования к технологии сварки, так как производится сварка однородного материала и варится один шов, т.е. производится традиционная сварка, которая освоена в организациях, занятых монтажом и прокладкой трубопроводов;2.Исключает применение дорогостоящих нержавеющих материалов (сталей, сплавов);3.Повышает коррозионостойкость зоны сварного стыка по наружной и внутренней поверхностям;4.Сохраняет проходное сечение трубопровода;По данному способу была отправлена заявка в Роспатент на изобретение. В феврале 2013 года был дан положительный результат.
Ссылки наисточники:1.А.С. СССР 1560873, заявка №4371764 от 01.02.88, Би№16, 1990г, F16 L13/02[Дата обращения 12.07.2012]
2.Патент РФ №2080509 от 27.05.97, заявка №94015756 от 27.04.94, Би№15, 1997г, F16 L13/00[Дата обращения 29.01.2013]
Kalachev Maxim The graduate of "Designing and Technologies of Machinebuilding Productions" chair of FGOU VPO the Naberezhnye Chelny branch of the Kazan National Research Technical University of A.N.TupolevKAI, Naberezhnye Chelnybosch116@mail.ruSavin IgorCandidate of Technical Sciences, the associate professor, the head of the department "Designing and technologies of machinebuilding productions" FGOU VPO the Naberezhnye Chelny branch of the Kazan National Research Technical University of A.N.TupolevKAI, Naberezhnye Chelny
savin.ia@kaichelny.ru
Connection of the steel pipes having a polymeric covering on internal and external surfaces
Summary:Article belongs to pipeline transport and ways of protection of pipelines from corrosion, and also to production of pipes with internal and external coverings and to a construction of pipelines from them. The main objective of this article is receiving the reliable and durable pipeline in operation having internal and external coverings, and also preservation of capacity of the pipeline and convenience of its installation.Keywords: pipeline, welded seam, connection of pipes, covering of pipes.
