СПОСОБ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 2023 года по МПК C21D9/50 C21D1/42 

Изобретение относится к способу местной низкотемпературной термической обработки сварных соединений труб магистрального газопровода в полевых условиях и при экстремально низкой температуре окружающей среды.

Из уровня техники известен ПРОЦЕСС ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗОНЫ СВАРКИ СЕРОСТОЙКОЙ БУРОВОЙ ШТАНГИ И БУРОВОЙ ШТАНГИ, ПОДГОТОВЛЕННОЙ В ПРОЦЕССЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ [CN113667815, опубл. 19.01.2021] при котором термическая обработка включает в себя следующие стадии:

первая стадия включает: направление зоны сварки бурильных труб на закалочный нагревательный змеевик; центральную часть закалочного нагревательного змеевика, совмещенного с линией сварки размещают на расстоянии 3-8 мм от края бурильной трубы; в течение 60-80 секунд температуру зоны сварки повышают до 840-880°С и поддерживают в течение 120-140 секунд; для закалки и охлаждения используют водорастворимую среду ПАГ с концентрация 12,5% - для наружного распыления, и сжатый воздух - для внутреннего распыления; время наружного и внутреннего распыления превышает 50 с.

вторая стадия включает: направление зоны сварки бурильной трубы в положение закалочного нагревательного змеевика, а центр закалочного нагревательного змеевика совмещают с линией сварного шва, отклоняют корпус бурильной трубы на 3-8 мм; в течение 50-70 с повышают температуру зоны сварки до 790-820°С и поддерживают в течение 80-100 с; используют водорастворимый PAG с концентрацией 12,5% для закалки и охлаждения, распыление сжатого воздуха внутри и снаружи осуществляют в течение более 50 с;

третья стадия включает: направление зоны сварки бурильной трубы в положение змеевика для отпуска, совмещают центр линии сварки со стороной стыка бурильной трубы до расстояния от 3 до 8 мм; повышают температуру зоны сварки до 650–680°С в течение 60–80 секунд и поддерживают ее в течение 180–200 секунд, далее используют охлаждение воздухом до комнатной температуры.

Основным недостатком аналога является технологическая сложность способа, из-за необходимости использования охлаждения воздухом околошовной зоны и наличия нескольких стадий реализации, включающих как охлаждение, так и нагрев зоны сварного соединения. Данные особенности не позволяют использовать решение аналога в полевых условиях при низких температурах окружающей среды.

Также из уровня техники известен МЕТОД ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТРУБ ИЗ СУПЕРДУПЛЕКСНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ [KR20200067694, опубл. 12.06.2020], в котором осуществляют охлаждение сваренной детали со средней скоростью охлаждения до 100°С/с или менее, в диапазоне температур свариваемой детали от 1100 до 500°С, средняя скорость охлаждения может оставлять от 10 до 100°С/с., среднюю скорость охлаждения регулируют путем термообработки свариваемой детали после лазерной сварки труб.

Основным недостатком аналога является технологическая сложность реализации способа из-за того, что нагреванию осуществляют до температуры от 1100 до 500°С что требует наличия специальной аппаратуры и труднореализуемо в полевых условиях.

Также из уровня техники известен СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ [RU2103382, опубл. 27.01.1998], содержащих никель, включающий нагрев, выдержку, охлаждение перед сваркой, нагрев, выдержку и охлаждение на воздухе после сварки, отличающийся тем, что перед сваркой осуществляют нагрев до 650-670°С температуры стабилизации аустенита, выдерживают в течение 3,5 4,5 ч, а после сварки нагревают до 1000 ± 15°С, выдерживают в течение 50-60 мин и охлаждают на воздухе.

Основным недостатком аналога является длительность процесса обработки и использование высоких температур, что ограничивает функциональные возможности решения аналога для использования в полевых условиях при низких температурах внешней окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ МЕСТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ [RU2729488, опубл. 07.08.2020], включающий нагрев зоны сварного соединения, выдержку при заданной температуре и охлаждение с регламентированной скоростью с последующим охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что нагрев зоны сварного соединения осуществляют от температуры 5-45°С до температуры 400-450°С со скоростью не более 15°С/ч, при этом выдержку при заданной температуре выполняют в течение 20-25 ч, осуществляют охлаждение с регламентированной скоростью не более 20°С/ч до температуры не более 250°С, а последующее охлаждение на воздухе - до температуры не более 45°С.

Основной технической проблемой прототипа является его ограниченные функциональные возможности, а именно большая длительность времени термообработки сварных соединений, что затрудняет использование в полевых условиях из-за технической сложности поддержания указанных в прототипе температурных режимов ввиду длительности процесса термообработки сварных соединений, также решение прототипа не учитывает возможность проведения процедуры термообработки сварных соединений при низкой температуре окружающей среды, где охлаждение на воздухе приведет к уменьшению их прочности.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей способов обработки сварных соединений благодаря возможности использования в полевых условиях при низких отрицательных температурах окружающей среды с сохранением высоких прочностных характеристик сварных соединений и уменьшенным времени термообработки сварных соединений.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ обработки сварных соединений, включающий нагрев зоны сварного соединения, выдержку зоны сварного соединения при заданных температурах и охлаждение, отличающийся тем, что перед нагревом осуществляют изолирование зоны сварного соединения от воздействия температуры внешней окружающей среды для обеспечения равномерного распределения тепла при нагреве и выдержке, причем нагрев зоны сварного соединения, выдержку и охлаждение зоны сварочного соединения при заданных температурах осуществляют посредством индукционного нагревателя, а выдержку зоны сварного соединения при заданной температуре осуществляют в несколько этапов: на первом этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 250-350°С в течение 8-12 минут; на втором этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 150-250°С в течение 8-12 минут; на третьем этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 50-150°С в течение 25-50 минут; на четвертом этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 25-50°С в течение 8-12 минут.

Осуществление изобретения.

Способ обработки сварных соединений, характеризующийся тем, что первоначально после завершения процесса сварки сварного шва поверх него размещают индукционное одеяло индукционного обогревателя, обеспечивая его плотное и герметичное прилегание к сварного соединению, а именно к сварному шву и околошовной зоне. Далее, посредством работы индукционного нагревателя через индукционное одеяло, осуществляют нагрев сварного соединения до температуры 250-350°С. При достижении температуры 250-350°С начинают отсчет времени выдержки.

Далее, посредством работы индукционного нагревателя через индукционное одеяло, осуществляют выдержку зоны сварочного соединения при температуре 250-350°С в течение 8-12 минут. Далее осуществляют процесс охлаждения, изменяя режим работы индукционного нагревателя, при достижении температуры 150-250°С начинают отсчет времени выдержки. Далее посредством работы индукционного нагревателя через индукционное одеяло, осуществляют выдержку зоны сварочного соединения при температуре 150-250°С в течение 8-12 минут. Далее осуществляют процесс охлаждения изменяя режим работы индукционного нагревателя, при достижении температуры 50-150°С начинают отсчет времени выдержки. Далее посредством работы индукционного нагревателя через индукционное одеяло, осуществляют выдержку зоны сварочного соединения при температуре 50-150°С в течение 25-50 минут. Далее осуществляют процесс охлаждения изменяя режим работы индукционного нагревателя, при достижении температуры 25-50°С начинают отсчет времени выдержки. Далее посредством работы индукционного нагревателя через индукционное одеяло, осуществляют выдержку зоны сварочного соединения при температуре при температуре 25-50°С в течение 8-12 минут. Таким образом, процесс охлаждения сварного соединения реализуется в четыре этапа, каждому из которых характеризуется своим температурным режимом и временем воздействия. При последовательной реализации всех четырех этапов, индукционное одеяло не снимают с зоны сварного соединения, обеспечивая его герметичное и плотное прилегание.

Заявленный способ реализуется для сварки стальных магистральных газовых труб, непосредственно в зоне их прокладке, при низких температурах окружающей внешней среды.

Заявленный технический результат изобретения расширение функциональных возможностей способов обработки сварных соединений благодаря возможности использования в полевых условиях при низких отрицательных температурах окружающей среды с сохранением высоких прочностных характеристик сварных соединений и уменьшенным времени термообработки сварных соединений, достигается за счет того, что: способ обработки сварных соединений реализуется в течение короткого промежутка времени (в частности, длительность процесса термообработки, с учетом этапов нагрева зоны сварного соединения, выдержкой зоны сварочного соединения при заданной температуре в четыре этапа и охлаждением - не превышает двух часов); во время реализации способа сварное соединение находиться изолировано от воздействия температуры внешней окружающей среды, благодаря наличию индукционного одеяла, обеспечивающего равномерное распределение тепла. Наличие указанных температурных режимов обеспечивает сбалансированное и плавное охлаждение сварного соединения, без воздействия резких перепадов температур, тем самым обеспечивая устойчивое формирование кристаллизационной решетки сварного шва и околошовной зоны, исключая влияние внешней окружающей температуры. Также наличие указанных температурных режимов обеспечивает максимальное приближение процесса термообработки к нормальным (летним)температурным условиям, при которых сварка происходит при температурах от 20 до 30°С.

Нагрев зоны сварного соединения до температуры 250-350°С был рассчитан экспериментальным путем и обосновывается тем, что нагрев до температуры более 350°С не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом существенно увеличивает технические требования к оборудованию для реализации нагрева, нагрев до температуры менее 250°С не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Также выбор диапазона нагрева зоны сварного соединения до температуры 250-350°С обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура нагрева близкая к максимальной границе диапазона (350°С), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура нагрева близкая к минимальной границе диапазона (250°С).

Температура выдержки зоны сварочного соединения на первом этапе 250-350°С была рассчитана экспериментальным путем и обосновывается тем, что выдержка при температуре более 350°С не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом существенно увеличивает технические требования к оборудованию для реализации нагрева, выдержка при температуре менее 250°С не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Также выбор температуры выдержки зоны сварного соединения на первом этапе 250-350°С обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура выдержки близкая к максимальной границе диапазона (350°С), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура выдержки близкая к минимальной границе диапазона (250°С).

Время выдержки зоны сварочного соединения 8-12 минут на первом этапе была рассчитана экспериментальным путем и обосновывается тем, что увеличение времени выдержки более 12 минут не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом увеличивается длительность процедуры термообработки; выдержка менее 8 минут не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за возникновения вероятности нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Также выбор время выдержки зоны сварного соединения на первом этапе 8-12 минут обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура выдержки близкая к максимальной границе диапазона (12 минут), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура выдержки близкая к минимальной границе диапазона (8 минут).

Температура выдержки зоны сварочного соединения на втором этапе 150-250°С была рассчитана экспериментальным путем и обосновывается тем, что выдержка при температуре более 250°С не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом существенно увеличивает технические требования к оборудованию для реализации нагрева, выдержка при температуре менее 150°С не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Диапазон в 150-250°С обеспечивает плавное изменение температуры при переходе с первого этапа. Также выбор температуры выдержки зоны сварного соединения на втором этапе 150-250°С обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура выдержки близкая к максимальной границе диапазона (250°С), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура выдержки близкая к минимальной границе диапазона (150°С).

Время выдержки зоны сварочного соединения 8-12 минут на втором этапе была рассчитана экспериментальным путем и обосновывается тем, что увеличение времени выдержки более 12 минут не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом увеличивается длительность процедуры термообработки; выдержка менее 8 минут не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за возникновения вероятности нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Также выбор время выдержки зоны сварного соединения на втором этапе 8-12 минут обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура выдержки близкая к максимальной границе диапазона (12 минут), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура выдержки близкая к минимальной границе диапазона (8 минут).

Температура выдержки зоны сварочного соединения на третьем этапе 50-150°С была рассчитана экспериментальным путем и обосновывается тем, что выдержка при температуре более 150°С не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом существенно увеличивает технические требования к оборудованию для реализации нагрева, выдержка при температуре менее 50°С не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Диапазон в 50-150°С обеспечивает плавное изменение температуры при переходе со второго этапа. Также выбор температуры выдержки зоны сварного соединения на третьем этапе 50-150°С обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура выдержки близкая к максимальной границе диапазона (150°С), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура выдержки близкая к минимальной границе диапазона (50°С).

Время выдержки зоны сварочного соединения 25-50 минут на третьем этапе была рассчитана экспериментальным путем и обосновывается тем, что увеличение времени выдержки более 50 минут не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом увеличивается длительность процедуры термообработки; выдержка менее 25 минут не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за возникновения вероятности нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Также выбор время выдержки зоны сварного соединения на третьем этапе 25-50 минут обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура выдержки близкая к максимальной границе диапазона (50 минут), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура выдержки близкая к минимальной границе диапазона (25 минут).

Температура выдержки зоны сварочного соединения на четвертом этапе 25-50°С была рассчитана экспериментальным путем и обосновывается тем, что выдержка при температуре более 50°С не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом существенно увеличивает технические требования к оборудованию для реализации нагрева, выдержка при температуре менее 25°С не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Диапазон в 25-50°С обеспечивает плавное изменение температуры при переходе с третьего этапа. Также выбор температуры выдержки зоны сварного соединения на четвертом этапе 50-150°С обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура выдержки близкая к максимальной границе диапазона (50°С), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура выдержки близкая к минимальной границе диапазона (25°С).

Время выдержки зоны сварочного соединения 8-12 минут на четвертом этапе была рассчитана экспериментальным путем и обосновывается тем, что увеличение времени выдержки более 12 минут не дает существенного увеличения прочностных характеристик сварных соединений, при этом увеличивается длительность процедуры термообработки; выдержка менее 8 минут не обеспечивает требуемых прочностных характеристик сварных соединений из-за возникновения вероятности нарушения структуры кристаллической решетки сварного соединения. Также выбор время выдержки зоны сварного соединения на четвертом этапе 8-12 минут обосновывается температурой внешней окружающей среды. Так при температуре окружающей среды -50°С выбирается температура выдержки близкая к максимальной границе диапазона (12 минут), при температуре окружающей среды -30°С выбирается температура выдержки близкая к минимальной границе диапазона (8 минут).

Заявителем в 2022 году был реализован заявленный способ при строительстве магистрального газопровода «Сила Сибири» в зимний период времени. В частности, заявленный способ смог хорошо себя зарекомендовать при сварке стальных труб магистрального газопровода в полевых условиях при внешней температуре воздуха от -30°С до -50°С.

Пример реализации заявленного способа.

Заявленный способ был реализован для сварки магистрального газопровода «Сила Сибири» в Якутской области. В частности, способ был апробирован на стальных трубах диаметром 1420 мм с толщиной стенки 30 мм. В качестве индукционного нагревателя использовался обогреватель фирмы Miller ProHeat 35 с индукционным одеялом в комплекте, обеспечивающее укрытие сварного шва в поперечном сечении на расстоянии 200 мм в одну строну от сварного стыка и 200 мм в другую сторону от сварного стыка. Способ был апробирован при температурах от -30°С до -50°С. Непосредственно ручная дуговая сварка осуществлялась при помощи сварочных аппаратов DС400 Lincoln в полевых условиях. Сварочные аппараты, индукционные нагреватели, источники электропитания и другое требуемое для реализации способа оборудование размещались на автотранспорте типа КАМАЗ 6x6.

При температуре внешней окружающей среды -50°С использовались следующей температурные режимы:

- нагрев зоны сварочного соединения до температуры 350°С в течение 5 минут;

- выдержка зоны сварочного соединения в течение 12 минут при температуре 350°С;

- охлаждение зоны сварочного соединения до температуры 250°С в течение 5 минут;

- выдержка зоны сварочного соединения в течение 12 минут при температуре 250°С;

- охлаждение зоны сварочного соединения до температуры 150°С в течение 5 минут;

- выдержка зоны сварочного соединения в течение 50 минут при температуре 150°С;

- охлаждение зоны сварочного соединения до температуры 50°С в течение 4 минут;

- выдержка зоны сварочного соединения в течение 12 минут при температуре 50°С.

При температуре внешней окружающей среды -30°С использовались следующей температурные режимы:

- нагрев зоны сварочного соединения до температуры 250°С в течение 4 минут;

- выдержка зоны сварочного соединения в течение 8 минут при температуре 250°С;

- охлаждение зоны сварочного соединения до температуры 150°С в течение 4 минут;

- выдержка зоны сварочного соединения в течение 8 минут при температуре 150°С;

- охлаждение зоны сварочного соединения до температуры 50°С в течение 3 минут;

- выдержка зоны сварочного соединения в течение 25 минут при температуре 50°С;

- охлаждение зоны сварочного соединения до температуры 25°С в течение 2 минут;

- выдержка зоны сварочного соединения в течение 8 минут при температуре 25°С.

Контроль состояния сварных соединения осуществлялся в несколько этапов, в течение трех месяцев. По итогам контроля (через неделю, две недели, месяц, два месяца, три месяца) сварных соединений не было выявлено механически деформаций, продольных и поперечных трещин в околошовной зоне. По сравнению со способами термообработки сварных соединений используемых ранее прочностные характеристики стыков повысились в среднем на 40-80%, уменьшение времени термообработки сварных соединений в среднем составило от 10 до 30%.

Дополнительные исследования выявили возможность использования заявленного способа для диаметров труб от 320 мм (за исключением труб, выполненных из нержавеющей стали), а также с индукционными нагревателями других производителей, обеспечивающих нагрев индукционного одеяла до температур в соответствии с указанными температурными диапазонами.

Изобретение относится к способу местной низкотемпературной термической обработки сварных соединений труб магистрального газопровода в полевых условиях и при экстремально низкой температуре окружающей среды. Способ обработки сварных соединений включает нагрев зоны сварного соединения, выдержку зоны сварного соединения при заданных температурах и охлаждение, причем перед нагревом осуществляют изолирование зоны сварного соединения от воздействия температуры внешней окружающей среды для обеспечения равномерного распределения тепла при нагреве и выдержке, причем нагрев зоны сварного соединения, выдержку и охлаждение зоны сварочного соединения при заданных температурах осуществляют посредством индукционного нагревателя, а выдержку зоны сварного соединения при заданной температуре осуществляют в несколько этапов: на первом этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 250-350°С в течение 8-12 минут; на втором этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 150-250°С в течение 8-12 минут; на третьем этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 50-150°С в течение 25-50 минут; на четвертом этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 25-50°С в течение 8-12 минут. Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей способов обработки сварных соединений благодаря возможности использования в полевых условиях при низких отрицательных температурах окружающей среды с сохранением высоких прочностных характеристик сварных соединений и уменьшенным времени термообработки сварных соединений.

Способ обработки сварных соединений, включающий нагрев зоны сварного соединения, выдержку зоны сварного соединения при заданных температурах и охлаждение, отличающийся тем, что перед нагревом осуществляют изолирование зоны сварного соединения от воздействия температуры внешней окружающей среды для обеспечения равномерного распределения тепла при нагреве и выдержке, причем нагрев зоны сварного соединения, выдержку и охлаждение зоны сварочного соединения при заданных температурах осуществляют посредством индукционного нагревателя, а выдержку зоны сварного соединения при заданной температуре осуществляют в несколько этапов: на первом этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 250-350°С в течение 8-12 минут; на втором этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 150-250°С в течение 8-12 минут; на третьем этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 50-150°С в течение 25-50 минут; на четвертом этапе выдержку зоны сварного соединения осуществляют при температуре 25-50°С в течение 8-12 минут.