Способ соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием

Способ соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием

Реферат

 

Изобретение относится к области сварки, в частности к способам соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием и может найти применение при изготовлении трубопроводов для транспортирования различных агрессивных сред. Сущность изобретения состоит в том, что после монтажа и ремонта трубопровода в зоне сварного шва используют трубы с наконечниками. При этом сначала изготавливают наконечники из трубных заготовок. Покрывают поверхности этих наконечников коррозионностойким металлическим термостойким покрытием. Покрытие ведут с одного торца до заданной величины, оставляя непокрытым другой конец. Наконечники приваривают к каждой из соединяемых труб. Производят покрытие внутренней поверхности труб полимерным покрытием, частично перекрывая термостойкое металлическое покрытие. Соединение труб выполняют сваркой наконечников. 5 ил.

Изобретение относится к области предохранения труб от коррозии и может быть использовано при изготовлении, монтаже и ремонте трубопроводов, предназначенных для транспортирования нефти, нефтепродуктов, газа, различных агрессивных сред, воды и т.д.

В настоящее время, в связи с дефицитом металла и большой трудоемкостью монтажных работ, большое распространение получает использование трубопроводов, внутренняя поверхность которых имеет защиту от коррозии.

В качестве защитных покрытий широко применяют лакокрасочные материалы, преимущественно на полимерной основе или стеклоэмали. Применение таких покрытий позволяет довести срок службы трубопроводов до 15-20 лет вместо 2-3 лет при транспортировке по ним коррозионно-активных сред, содержащих сероводород, двуокись углерода, ионы хлора и т.д.

Однако до настоящего времени применение труб с внутренним антикоррозионным покрытием ограничивается в основном трубопроводами, в которых предусмотрено разъемные фланцевые соединения или резьбовые соединения с помощью муфт.

При строительстве же протяженных, промысловых и магистральных трубопроводов, где основным видом соединения является сварка, трубы с внутренним покрытием до настоящего времени применяются ограниченно. Это вызвано тем, что при монтаже трубопроводов во время сварки значительная зона покрытия в районе сварного шва выгорает.

Для решения проблемы обеспечения сплошности антикоррозионной защиты поверхности трубопроводов, сваренных из труб полимерным покрытием, используют различные способы.

Известен "Способ соединения двух металлических труб" с внутренним антикоррозионным покрытием" (1), предложенный французской фирмой "Батигнолез", при котором к каждой соединяемой трубе приваривают втулку из коррозионно-стойкого металла. Затем внутреннюю поверхность труб и частично внутреннюю поверхность втулок покрывают слоем полимерного защитного покрытия, затем свободные концы втулок приваривают друг к другу. Длину втулок выбирают такой, при которой зона термического влияния от сварки исключает разрушение полимерного покрытия.

Известно изобретение голландской фирмы "Труст Хойдстермотчаний" Способ соединения труб, имеющих внутреннюю защитную облицовку" (2). Это изобретение подобно описанному выше. Отличие состоит в том, что вместо втулок к концам труб приваривают соединительные кольца. Оба эти изобретения обеспечивают противокоррозионную защиту всей внутренней поверхности трубопровода, включая зону сварки. Однако высокая себестоимость, которая определяется использованием дорогостоящего противокоррозионного материала, (преимущественно это нержавеющие стали) для соединительных втулок и колец и специальных электродов для сварки, а также снижение прочности соединения, являющейся следствием образования мартенситной структуры в зоне сварки главные недостатки этих изобретений. Чтобы не допустить значительного снижения прочностных характеристик, необходимо выполнение повышенных требований к технологии сварки, и это приводит к дополнительным затратам.

Известно другое изобретение "Трубное соединение с внутренним покрытием и способ его осуществления." Это изобретение запатентовала французская фирма "Атохем" и получила патенты Франции, США и Европейского патентного ведомства (3, 4, 5). Это изобретение принято за прототип и предусматривает применение вместо соединительных втулок и колец нанесение на концевые части внутренней поверхности труб покрытия, например путем наплавки из нержавеющего материала толщиной 0,5-1,5 мм. Сварку выполняют в два этапа. На первом этапе выполняют корневой шов из неокисляемого нержавеющего металла, соответствующего материалу покрытия, на втором этапе выполняют шов, сваривая основной металл трубы. По сравнению с предыдущими этот вариант защиты сварного шва является более экономичным в плане расхода дорогостоящей нержавеющей стали, и позволяет уменьшить ее расход в 10-15 раз. Однако и этот вариант соединения имеет серьезные недостатки, к основным из которых можно отнести следующие: 1. Трудно обеспечить стабильность качества направляемого слоя. Что вызвано тем, что в процессе наплавки требуется выдерживать условия равномерности скоростей перемещения сварочной горелки и вращения трубы, а также расстояния сварочной горелки от поверхности, на которую производят наплавку.

Выполнить эти условия при осуществлении наплавки на концы длинномерной, тяжелой, имеющей значительные осевые и диаметральные отклонения трубы, вращающейся от приводных роликов на рольганге (где имеет место проскальзывание) без сложных механических или электронных систем управления не представляется возможным.

2. В связи с тем, что для наплавки используют более тугоплавкий материал, как правило это нержавеющие стали, то приходится применять также температурные режимы, при которых возникают структурные изменения в материале трубы и нежелательные напряжения в стенке, приводящие к снижению механических и эксплуатационных характеристик. Чтобы устранить эти нежелательные явления после наплавки, необходимо провести термическую обработку трубы в зоне наплавки. А т.к. осуществить такую обработку на габаритной трубе сложно, то как правило, такую обработку производят, а это неизбежно приводит к снижению надежности соединения.

3.Необходимо применение сложного металлоемкого оборудования в виде рольгангов, используемых в качестве привода для вращения трубы, для которых требуются и значительные энергозатраты.

4. Трудоемкость выполнения операции калибровки концов труб перед сваркой, без которой невозможно выполнить качественную сборку и последующую сварку, т.к. толщина свариваемых элементов в корне шва, т.е. толщина наплавленного слоя не превышает 1,5 мм, что соизмеримо и даже менее по сравнению с допусками на диаметральные отклонения на трубы, определяемые ГОСТом.

Естественно, выполнение операции калибровки на длинномерной тяжелой трубе требует специального крупногабаритного оборудования и значительных энергозатрат.

5. Необходимость использования сложных приспособлений и оснастки для осуществления наплавки на различные виды отводов, используемых при прокладке трубопроводов. Поэтому, как правило, для отводов используют кольца или втулки из нержавеющей стали.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение недостатков, присущих аналогам и прототипу.

Сущность изобретения заключается в том, что в нем, как и в известном способе, концы внутренней поверхности труб покрывают термостойким и коррозионно-стойким металлическим покрытием на длину, превышающую расстояние возможного термического вредного влияния на термочувствительное покрытие, затем внутреннюю поверхность труб, включая частично поверхность, покрытую термостойким металлическим покрытием, покрывают термочувствительным, например полимерным материалом, а соединение труб встык осуществляют сваркой в два этапа, на первом этапе выполняют сварку стыка по термостойкому покрытию, а на втором этапе выполняют сварку стыка по основному материалу трубы. Отличие состоит в том, что в предполагаемом способе сначала изготавливают наконечники, используя для них трубные заготовки, материал, и диаметральные размеры которых соответствуют материалу и диаметральным размерам соединяемых труб, покрывают поверхности трубных заготовок коррозионно-стойким металлическим открытием, при этом покрытие ведут с одного торца на заданную длину, оставляют не покрытой поверхность с другого торца, затем к каждой соединяемой трубе приваривают наконечники, используя торцы со стороны непокрытой внутренней поверхности, а соединение труб осуществляют сваркой наконечников.

На фиг.1, 2, 3, 4, 5 представлен один из вариантов технологии получения трубного соединения с внутренним покрытием. Фиг.1 исходные элементы для соединения труба и трубные заготовки для наконечников. Фиг.2 наконечники с нанесенными на них термостойким покрытием. Фиг.3 труба с приваренными наконечниками. Фиг.4 труба после нанесения термочувствительного покрытия. Фиг.5 общий вид трубного соединения с внутренним антикоррозионным покрытием.

Осуществление этого варианта можно показать на следующем конкретном примере.

Если необходимо произвести соединение труб из ст.20 диаметром 114 мм по ГОСТ 8732-70, то в этом случае необходимо выполнить следующие приемы и операции.

Для трубы 1, подготовить трубные заготовки 2 для наконечников из трубы того же сортамента длиной 150 мм. Произвести на внутреннюю поверхность заготовок наконечников наплавку антикоррозионного покрытия 3 из материала Х18Н10Т. Наплавку можно произвести на установках АСГВ-4, используя проволоку ЭП-367. Толщина наплавляемого слоя 1 мм, длина покрытия с одного торца 100 мм. После выполнения наплавки 3 производят термообработку, а затем калибровку в штампе в соответствии с РТМ (6). В результате получаем готовые наконечники 4. Затем производят приварку наконечников 4 к концам трубы 1, выполняя дуговой сваркой сварные швы 5. Внутреннюю поверхность трубы 6 с приваренными наконечниками подвергают дробеструйной обработке и продувке и затем наносят на нее термочувствительное, например полимерное покрытие 7 типа П-ЭП-534 или П-ЭП-177, частично перекрывая им термостойкое покрытие. Таким образом получаем трубу 8, внутренняя поверхность которой имеет антикоррозионное покрытие, при этом концы трубы покрыты металлическим термостойким покрытием 3 из нержавеющей стали, а остальная часть внутренней поверхности имеет термочувствительное полимерное покрытие 7. Такие трубы используют для соединения в трубопроводы. Конструкция соединения двух идентичных труб представлена на фиг. 5. Соединение осуществляют путем сварки, при этом сварной шов 9 выполняют как и в известном способе в два этапа: на первом этапе выполняют сварку стыка по термостойкому металлическому покрытию, а на втором сварку стыка выполняют по основному материалу трубы.

Таким образом, после сварки получаем трубы, соединенные в трубопровод, внутренняя поверхность которого имеет сплошное антикоррозионное покрытие.

Анализ предлагаемого способа показывает, что он позволяет получить значительный технический результат при его осуществлении. Этот результат проявляется в том, что данный способ либо полностью, либо в значительной степени устраняет недостатки, присущие аналогам.

По сравнению со способами, в которых в соединении используются наконечники в виде втулок или колец, выполненных из антикоррозионных сталей или сплавов, предложенный способ позволяет многократно сократить расход дорогостоящего материала.

Например, при прокладке трубопровода диаметром 114 мм и протяженность 1 км потребуется 100 труб и соответственно 200 наконечников к ним. При толщине стенки 7 мм и длине наконечника 100 мм потребуется около 20 м труб из нержавеющих материалов, а это составляет 370 кг. По предлагаемому способу расход антикоррозионного металла при толщине наплавленного слоя 0,5 мм в 14 раз меньше, т. е. всего 26 кг. Если учесть, что потребность в трубопроводах с антикоррозионным покрытием составляет сотни и тысячи км, то становится очевидным, какой значительный положительный эффект в народном хозяйстве может быть получен. Значительный эффект получается и от того, что при данном способе исключается сварка разнородных металлов, которая является менее производительной и более трудоемкой из-за необходимости регулирования тепловых и диффузионных процессов с целью получения сварных соединений с требуемыми эксплуатационными характеристиками (7).

Отступление от жестких требований технологии сварки разнородных материалов, как указывалось выше, неизбежно ведет к снижению прочностных характеристик.

По сравнению с прототипом, где для обеспечения сплошности антикоррозионной защиты внутренней поверхности трубопровода после сварки используют термостойкое антикоррозионное покрытие, например в виде наплавки из стали Х18Н10Т, предлагаемый способ также имеет преимущества. Эти преимущества обусловлены недостатками прототипа. Рассмотрим, в какой степени эти недостатки устраняются.

1. Относительно качества наплавки, которое сложно обеспечить на тяжелой длинномерной со значительными геометрическими отклонениями и неравномерно вращающейся на рольгангах от приводных роликов без жесткой фиксации трубе.

В предлагаемом способе вполне очевидно, что наплавку на легкие и короткие трубные заготовки можно производить на простых установках, которые обеспечивают жесткую фиксацию заготовок при закреплении, например в патроне, и постоянство скорости вращения. Естественно, что такая схема позволяет обеспечить высокое и стабильное качество без применения сложных механических или электронных синхронизирующих систем управления. В качестве установок для наплавки могут быть использованы обычные серийно выпускаемые сварочные манипуляторы типа МП-11-010 или вновь разработанные упрощенные установки.

2. Как уже отмечалось выше, для устранения нежелательных последствий, возникающих из-за структурных изменений после наплавки и приводящих к снижению прочностных характеристик, необходима последующая термическая обработка, которую осуществить на крупногабаритной трубе сложно. Еще более усложняется эта задача, когда речь идет не о единичном производстве, а о серийном производстве, включающем в свой замкнутый цикл большой комплекс операций, в т.ч. наплавку, дробеструйную обработку внутренней поверхности, нанесение полимерного покрытия на внутреннюю поверхность, термостатирование покрытия, сварку труб в плети и др. По сведению авторов в разработанных в настоящее время технологиях эта операция не предусматривается, что несомненно снижает прочностные характеристики соединения.

Согласно предлагаемого способа замкнутый цикл производства труб с покрытиями предусматривает приварку к трубам предварительно изготовленных в виде коротких трубных заготовок с наплавленным на внутреннюю поверхность антикоррозионным покрытием наконечников.

Такая организация работ позволяет, с одной стороны, без осложнений выполнить необходимую термообработку наконечников и получить заданные прочностные характеристики, а с другой упростить и сократить цикл производства труб с антикоррозионным покрытием.

3. Для выполнения наплавки на наконечники не требуется сложного металлоемкого, потребляющего большое количество энергии оборудования. Как уже отмечалось выше, для этого могут быть использованы упрощенные легкие установки, например сварочные манипуляторы типа МП-11-010 или другие, которые могут быть снабжены приспособлениями для многоместной обработки.

Следует отметить, что в рабочем проекте технологического комплекса нанесения покрытий и сварки труб в секции, разработанного институтом ВНИИТнефть для обеспечения сбалансированности замкнутого автоматизированного цикла, предусмотрены четыре установки для наплавки на внутренние поверхности концов труб, которые включают соответственно и четыре металлоемких рольганга для вращения труб с приводами, потребляющими значительное количество энергии.

Этот технологический комплекс демонстрировался на ряде выставок, в т.ч. на международной выставке "Нефтегаз-92", проходившей 19 27 мая в Москве в 1992 г. см. (8).

4. Относительно калибровки. Необходимость такой операции перед сваркой, которая предусматривает сначала сварку корневого шва, т.е. наплавленного слоя толщиной от 0,5 до 1,5 мм, сомнений не вызывает. Вполне очевидно, что осуществление точной калибровки концов длинномерных тяжелых труб связано с решением ряда сложных технических задач, среди которых применение сложного энергоемкого оборудования, а также сложность вписывания этой трудоемкой операции, как и операции термообработки в замкнутый автоматизированный цикл нанесения покрытий и сварки труб.

Согласно предлагаемого способа в технологическом процессе соединения труб с антикоррозионным покрытием, предусматривается использование готовых наконечников, прошедших и калибровку, и термообработку. Естественно, что при такой схеме устраняются трудности, связанные с выполнением как калибровки концов труб, так и с организацией замкнутого автоматизированного производственного цикла. Калибровку небольших наконечников можно осуществлять в штампах с применением нагрева и практически с любой заданной точностью.

5. Относительно наплавки на концы отводов. Как уже отмечалось в недостатках прототипа, осуществить наплавку на отводы не представляется возможным из-за необходимости использования для этого сложного оборудования и оснастки. Поэтому на практике используют приварные наконечники из антикоррозионного материала. Использование предлагаемого способа позволяет получить двойной эффект. С одной стороны, он позволяет заменить сварку разнородных металлов на обычную сварку, а с другой уменьшить расход дорогостоящего материала.

О недостатках предлагаемого технического решения. По сравнению с прототипом эти недостатки будут определяться наличием сварного шва, выполняемого для приварки наконечников. Наличие шва может, с одной стороны, привести потенциально к снижению прочности соединения, а с другой к снижению производительности, вызванной необходимостью дополнительного объема работ.

Однако практика подтверждает, что существуют технологии, регламентируемые нормативными документами (9), которые обеспечивают получение равнопрочного, по сравнению с основным материалом, сварного шва или сварки однородных материалов, тем более если сварка производится в условиях серийного производства. Здесь следует отметить, что трубы с антикоррозионным покрытием производятся серийно в цеховых условиях трубных баз. Мощность различна, от 200 км до 600 км в год.

При рассмотрении вопроса о производительности следует отметить, что его нужно рассматривать как весь комплекс работ, включающий наплавку, термообработку, калибровку, приварку наконечников и контроль качества выполненных операций. Проведенный авторами сравнительный анализ трудоемкости и производительности технологического процесса изготовления труб с антикоррозионным покрытием по варианту прототипа и предлагаемому показывает, что предлагаемый вариант по себестоимости в 2 раза ниже и по производительности в 1,5 раза выше, даже при условии применения дуговой сварки при приварке наконечников. Это достигается не только за счет сокращения вспомогательного и машинного времени при выполнении технологии операций по наплавке, калибровке, термообработке на наконечниках по сравнению с трубами, но и снижения стоимости энергозатрат и оборудования, приходящихся на единицу изготавливаемой продукции. Производительность может быть значительно повышена за счет использования прогрессивных методов сварки, например таких как контактная. Что же касается качества работ, то для его обеспечения по предлагаемому варианту затраты будут значительно меньше.

Рассмотрим соответствие предлагаемого технического решения критериям изобретения.

Анализ показывает, что из выявленных аналогов ни у одного из них совокупность существенных признаков не совпадает с совокупностью признаков, характеризующей предлагаемый способ. Исходя из этого можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Предлагаемое техническое решение не следует для специалиста явным образом из уровня техники. Подтверждением этого является наличие реально существующих аналогов (1 5), реализованных в рабочих проектах (8) по технологии, технический результат от которой значительно ниже, чем от предлагаемой, и отсутствие каких-либо правил или рекомендаций, регламентирующих выбор приемов и операций, определяющих совокупность существенных признаков предлагаемой технологии.

Относительно кажущейся простоты механизма достижения технического результата, то следует отметить, что она проявилась только после раскрытия способа в материалах заявки. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение не является очевидным и соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

Промышленная применимость предлагаемого технического решения очевидна. Оно может быть использовано как в промышленности, так и в любых отраслях народного хозяйства, например в коммуникациях коммунального хозяйства.

Учитывая, что предложенный способ может быть реализован с помощью известных в технике средств и обеспечивает достижение технического эффекта, проявляющегося в надежном обеспечении антикоррозионной защиты внутренней поверхности трубопровода после сварки с меньшими затратами, то можно сделать вывод о том, что предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "промышленно применимо".

Формула изобретения

Способ соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием, при котором к концам соединяемых труб приваривают наконечники, внутреннюю поверхность труб и частично наконечников покрывают термочувствительным, например, полимерным материалом, а соединение труб осуществляют сваркой стыка наконечников, отличающийся тем, что наконечники изготовляют из трубных заготовок, материал и диаметр которых соответствуют материалу и диаметру соединяемых труб, покрывают внутреннюю поверхность наконечников коррозионно-стойким металлическим термостойким покрытием, осуществляя покрытие с одного торца до заданной величины и оставляя непокрытой часть внутренней поверхности с другого торца наконечников, приварку наконечников к трубам выполняют со стороны непокрытой внутренней поверхности, а соединение труб осуществляют сваркой стыка наконечников в два этапа, сначала выполняют сварку стыка наконечников по термостойкому металлическому покрытию, затем выполняют сварку стыка по основному металлу наконечников.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5