Нефть, газ и продукты их переработки занимают ведущее мес­то в энергетике нашей страны, а в экономике составляют 40% валового национального продукта. В стране ежегодно добывают миллионы тонн нефти и миллиарды кубометров газа. Большая часть этих ресурсов расположена в труднодоступных районах. Весь до­бытый газ и почти всю нефть транспортируют по трубам. Един ай газоснабжающая система страны — самая крупная в мире. Только за последние 40 лет проложено 200 тыс. км магистральных трубо­проводов. Затраты на сооружение системы магистральных газо­проводов и ее эксплуатацию превосходят стоимость строитель­ства БАМа, КамАЗа, АВТОВАЗа и Атоммаша вместе взятых. Не­смотря на такие огромные затраты, трубопроводы — самый эко­номичный вид транспортировки, который в 10 раз дешевле же­лезнодорожных перевозок.

Одним из основных технологических процессов, определивших темп сооружения магистральных трубопроводов, является сварка. К настоящему времени уже сварено около 20 млн стыков труб диаметром 325... 1 420 мм, работающих под давлением 7,5 МПа. Наиболее совершенным способом сварки труб, как показала прак­тика изготовления трубопроводов, является контактная стыковая сварка методом оплавления. Дуговые способы сварки трубопрово­дов имеют три основных недостатка. Во-первых, в процессе сварки трубы необходимо поворачивать; во-вторых, стык необходимо про­гревать перед сваркой до 200 °С кольцевыми газовыми горелками;

в-трстьих, необходимо тщательно зачищать каждый предыдущий шов перед каждым последующим (сварка многопроходная, 5 — 7 проходов). Для широкого внедрения высокомеханизированного способа контактной стыковой сварки необходимо было обеспе­чить устойчивое непрерывное оплавление одновременно по всему периметру стыка трубы. На обычных стыкосварочных машинах до­стигнуть устойчивого оплавления было невозможно, и это стало большим препятствием при сварке труб диаметром свыше 600 мм. С энергетических позиций для решения проблемы устойчивого оплавления необходимо было выполнить три условия:

U2 max; coscp -» max; ZK 3 -> min.

Данные условия удалось выполнить путем параллельного под­ключения девяти трансформаторов, расположенных симметрич­но относительно свариваемых кромок. При этом трансформаторы или охватывают свариваемые трубы, или располагаются внутри трубы (см. рис. 5.10). Такие трансформаторы получили название контурных, так как их форма повторяет форму контура сваривае­мых деталей (трубы). Симметричное расположение вторичных об­моток относительно трубы обеспечивает совершенно одинаковые условия стабильного оплавления всего торца в стыке, как след­ствие, качественное соединение. Первые стыкосварочные маши­ны типа К-257 для сварки внутри труб диаметром 820 мм не мог­ли перемещаться внутри трубы и не могли зачищать внутренний грат. Для стыковки труб диаметром 1 420 мм с толщиной стенки 15... 19,5 мм был спроектирован и изготовлен комплекс «Север» с внутритрубной сварочной машиной типа К-700, способной само­стоятельно перемещаться в трубе и при этом зачищать внутрен­ний грат. Комплекс «Север» обеспечивал до 10 стыков в час в стационарных условиях на базе и 4 стыка в час — на трассе, что в 5—6 раз больше и в 10 раз качественнее, чем при ручной дуговой сварке. Контроль качества сварки производился не с помощью рентгена или гаммоскопии, как при ручной сварке, а по показа­телям параметров процесса, которые во время сварки записывает самописец. Такой простой метод контроля стал возможным бла­годаря тому, что сварочная машина К-700 снабжена самонастра­ивающейся кибернетической системой управления процессом свар­ки разработки Института электросварки им. Е. О.Патона. Работа системы основана на преодолении мерцательного характера из­менения параметров стыковой сварки оплавлением путем исполь­зования в качестве регулируемого параметра функциональной за­висимости между энергией, выделяемой в стыке, и потребляе­мым током (или зависимости между частотой пульсаций тока и скоростью оплавления). Зависимости имеют экстремум (максимум). Используя это обстоятельство, машину снабдили шаговым опти­мизатором, работающим по принципу проб и ошибок. Оптимиза­
тор быстро выводит режим сварки на оптимальный и удерживает его у точки экстремума в течение всего периода оплавления, не­смотря на внешние возмущения. Поэтому комплекс «Север» стал использоваться всепогодно и круглосуточно. Летом, когда тундра непроходима для тяжелой техники, с помощью «Севера» в стаци­онарных условиях на базе сваривают плети из трех двенадцати­метровых труб, которые затем транспортируют на трассу и свари­вают вручную. Значительным преимуществом стыковой контакт­ной сварки оплавлением перед дуговой (ручной и автоматической под слоем флюса) является меньшая зависимость качества свар­ного соединения от температуры и влажности среды, что особен­но важно для районов Крайнего Севера и Юга. При этом резко сокращается (до 4 000 чел.) необходимость в высококвалифици­рованных сварщиках-ручниках.

Рассмотрим более подробно особенности конструкторских решений комплекса «Север» и элементы его механизации и авто­матизации.

Комплекс включает в себя агрегат для зачистки внутренней поверхности трубы у ее концов под сварочные башмаки с авто­номной передвижной электростанцией мощностью 30 кВт; сва­рочную контактную машину типа К-700; передвижную дизель - электростанцию мощностью 1 000 кВт для сварки ЗСДА-1000; аг­регат типа АНГ-141 с передвижной дизель-электростанцией мощностью 30 кВт для удаления наружного грата.

Характеристика трубосварочного комплекса «Север»

Мощность сварочного трансформатора при ПВ = 30%, кВ - А.... 820

Внутритрубная стыкосварочная машина К - 700 (рис. 6.13) — круп­нейший в мире комплексный многофункциональный агрегат, спо­собный самостоятельно передвигаться внутри трубы, стягивать и центрировать стыки двух труб, соединять их стыковой сваркой оплавлением и удалять внутренний грат в горячем состоянии. Для выполнения этой сложной работы машина снабжена контурным трансформатором (см. рис. 5.10, б); центратором соосности соеди­няемых труб; механизмом зажатия и осадки труб; приводом пере­мещения машины внутри трубы; резцовыми головками для сня­тия грата внутри трубы; кабельной штангой длиной 12 и 24 м для подсоединения к полевой электростанции; гидроприводом с на­сосной станцией и гидроцилиндрами зажатия, оплавления и осадки.

Контурный трансформатор (рис. 6.14) сварочной машины об­ладает низким сопротивлением короткого замыкания (13,5 мкОм) и небольшой массой на единицу мощности (0,35 кг/кВ • А). Транс­форматор расположен в зоне свариваемого стыка на центральной трубе, состоит из девяти одинаковых секций шихтованного стерж­невого магнитопровода 2 со своей первичной 3 и вторичной 1 обмотками. Секция в сборе залита эпоксидным композитом и не забрызгивается выплесками металла из зоны сварки, так как ос-

новная масса выплеска направлена наружу. Первичные 3 обмотки секций соединены параллельно, вторичные 1 в сборе представля­ют собой тороид, замыкающийся через стык соединяемых труб. Для предотвращения перехода процесса оплавления в короткое замыкание машина снабжена автоматическим регулятором ско­рости оплавления. При внезапном уменьшении напряжения в ис­кровом промежутке сближение кромок и сварка прекращаются.

Механизм зажатия, оплавления и осадки. Несущим элементом механизма зажатия, оплавления и осадки (рис. 6.15) является цен­тральная труба 16, внутри которой проходят электрические и гид­равлические коммуникации. На трубе установлены тележки зажа­тия 9 и 20, сварочный трансформатор 19 и тележка оплавления и осадки 13. Все тележки снабжены роликами 11 и 14, с помощью которых тележки перемещаются вдоль оси трубы по направляю­щим 12, закрепленным на трубе. Тележки зажатия с помощью шарниров 8 и шатунов 7 связаны с рычагами 2 (по 18 шт.), на которых укреплены стальные рифленые башмаки 4 и токоподво­дящие медные пластины 6. Медные пластины гибкими медными шинами J подсоединены ко вторичному витку 18 сварочного транс­форматора 19.

При подаче жидкости в поршневые области цилиндров 1 и 17 рифленые стальные накладки и медные башмаки плотно прижи­маются к свариваемым трубам следующим образом. При подаче

жидкости б поршневые области цилиндров 1, 17 их штоки остают­ся неподвижными, а корпуса цилиндров, закрепленных на те­лежках 9 и 20, сближаются вместе с тележками. Это движение через опоры-синхронизаторьг 3 и шатуны 7 передается зажимным рычагам 2. Рычаги поворачиваются вокруг шарниров 10, прижи­мая рифленые накладки и медные башмаки к внутренней поверх­ности труб. Для разжатия башмаков, т. е. разведения тележек 9 и 20, жидкость подают в штоковые полости цилиндров 1 а 17.

Привод {блок) перемещения обеспечивает передвижение всей ма­шины внутри трубы, срезку внутреннего грата и установку мед­ных башмаков симметрично свариваемому стыку. Узлами привода (рис. 6.16) являются электродвигатель 6, раздаточная коробка 5, червячные редукторы 16, карданные валы 12. Привод обеспечива­ет движение машины со скоростью 0,05...0,5 м/с на подъемах до 15°. Червячный редуктор содержит червячный вал и две червяч­ных шестерни, на осях которых насажены приводные колеса 15. Корпуса червячных редукторов шарнирно соединены с корпусом центратора 9, который прикреплен к корпусу раздаточной короб­ки 4. Центратор имеет ползун 10, который взаимодействует с дву- плечными рычагами 14корпусов червячных редукторов, постоян­но прижимая приводные колеса 15 к поверхности труб. На дву­плечных рычагах 14 помимо приводных колес 15 установлены цен­трирующие ролики 13, которые прижимаются концевым гидро­цилиндром 11. Ползун 10 прижимается пружинами 8 с усилием 300 кН. Усилие зажатия пружин регулируется гайкой 7.

Внутренний гратосниматель (рис. 6.17). Гратосниматель состоит из 18 отдельных резцовых головок, расположенных по винтовой линии с углом 15°, и обеспечивает последовательное удаление внутреннего грата, которое производится в горячем состоянии через 15...20 с по окончании сварки во время движения машины внутри трубы со скоростью 5 мм/с. Каждая резцовая головка со­стоит из корпуса 3, рычага 4, правого и левого резцов 8, передне­го коп ирного ролика 1, двух задних роликов 5, шарнира 2, гидро­цилиндра 6, основания 7. В стальном корпусе 3 смонтированы на подшипниках и осях передний широкий ролик 1 и два задних ролика 5, а также два резца 8, расположенных друг к другу под углом 15°.

Агрегат для снятия наружного грата (рис. 6.18) состоит из на­ружного гратоснимателя 9, который подвешивают на стрелу тру­боукладчика и соединяют с автономной электростанцией 3. Кор­пус гратоснимателя разъемный, состоит из двух половин 10 и 12, соединенных осью 7. Каждая из половин шарнирно соединена со штоком гидроцилиндра, с помощью которого они раскрываются. В закрытом состоянии половинки фиксируются гидрозамком 11. На корпусе половинок по круговым направляющим и зубчатому венцу перемешаются две диаметрально расположенные тележки 8

и 13. Тележки оснащены механизмами перемещения вдоль стыка и вращения режущего инструмента.

Гратосниматель (рис. 6.19) имеет следующую конструкцию. На плите 8 установлены электродвигатель 11, редуктор 20 и вал 23, которые соединены муфтами 21 и 22. Вал 23 смонтирован на опо­рах качения в корпусе 25 и несет зубчатое колесо — шестерню 24, которая обеспечивает перемещение тележки вдоль стыка. С помо­щью кронштейнов 12, 13 и оси 19 на корпус навешивается фре­зерная рама 17, которая связана с плитой 8 дополнительными пружинами 3. На фрезерной раме //установлены шарнирная пли­та 16 с электродвигателем 15 и несущим шкивом 14 и копирное устройство 7 с роликом 6. В корпусе 2 смонтирован на двух опорах качения вал 5 с трехступенчатой торцовой фрезой 4. Режущий

механизм зачисти ых головок: I — упор; 2 — демпфер; 3,7— гидроцилиндры; ротор; 5 — электродвигатель; 6— зачистная головка; 8— мотор-редуктор; 9 — іьт; б — гидравлическая схема: 1,2— гидроцилиндры; 3 — реле давления; 4 — іссель; 5 — гидрораспределитель; 6 — переливной клапан; 7 — фильтр; <5 — :; 9 — муфтовый кран; 10 — насос; II — обратный клапан; 12 — манометр

и ютрумент представляет собой фрезерную головку, которая при - в дится во вращение от электродвигателя 15 клиноременной пе - р дачей. Фрезерную головку изготавливают из пластин марок Т5К10 и и ВК8. Такие фрезы работают при скорости резания 500 м/мин и глубине резания 15 мм. Электродвигатели тележек питаются от д :ельной электростанции мощностью 30 кВт. Управляет грато - с имателем с переносного пульта оператор.

Агрегат зачистки концов труб под медные башмаки состоит из

3 диетной машины, которую подвешивают на стреле трубоуклад-

4 :ка и автономной дизельной электростанции мощностью 30 кВт. В качестве зачистных инструментов используют иглофрезы — ме - т длические щетки, набранные в тугой кольцевой пакет из тон - к їй проволоки повышенной твердости. Чтобы иглы в процессе р боты не выпадали, концы их с противоположной стороны скреп - л ют сваркой. Зачистку от ржавчины и окалины производят до v таллического блеска поверхности трубы. Все механизмы зачист- н >й машины (рис. 6.20, а) смонтированы на специальном упоре 1 д мпфером 2, который ограничивает ее вхождение в трубу. С од - н >й стороны на упоре закреплен ротор 4, по окружности которо - г равномерно расположены четыре зачистные головки 6 с элек - т одвигателями 5. Гидропривод машины (насос, бак для жидко - с и, гидроаппаратура) и аппаратный шкаф смонтированы на упо-

ре-демпфере 1. Каждый из гидроцилиндров 7 одним концом зак­реплен на роторе, а вторым — на зачистной головке шарнирно, что обеспечивает введение ее в рабочее положение и возвращение в исходное. Ротор приводится во вращение от мотор-редуктора 8. Фиксируют зачистную машину в зачищаемой трубе гидроцилин­дром 3. На противоположной стороне упора-демпфера смонтиро­ван пульт 9. С пульта управляют электродвигателями вращения ротора и зачистных головок, а также гидроаппаратурой. Привод иглофрез включается нереверсивным пускателем, а двигатели привода — реверсивным. Для отключения агрегата в случае корот­кого замыкания установлены предохранители.

Принципиальная гидравлическая схема агрегата представлена на рис. 6.20,б. Фиксация машины на трубе осуществляется с помощью гидроцилиндров 1, а поджатие зачистных головок к трубе — гидро­цилиндрами 2. Дроссели Урегулируют скорость перемещения зачи­стных головок, а реле давления 3 обеспечивает усилие их прижатия. Управление работой гидроцилиндров 1, 2 осуществляется с по­мощью гидрораспределителя 5. Рабочую жидкость подает насос 10 из бака 8 через муфтовый кран 9. После достижения в гидравли­ческой системе заданного давления срабатывает переливной кла­пан 6 и рабочая жидкость поступает на слив в бак через фильтр 7.

Кабельная штанга представляет собой трубчатую конструкцию длиной 12... 24 м, внутри которой проходят электрические силовые кабели, провода для питания электродвигателя перемещения, про­вода питания цепей управления, шланги для гидропитания от ава­рийной насосной станции (при отказе гидронасоса самой машины).

Работа комплекса «Север» (рис. 6.21) происходит следующим образом. Трубы или секции труб в начале работы укладывают тру - [2]

на внутрен- лического шины. Тру - убопровода, нну 10. В ма - к рая трубной азъем с ком-

рки. Оператор включает двигатели самохода сваре ны, которая начинает передвигаться внутри трубопро шевой скоростью 500 мм/с к очередному стыку. В это тор-тягач 7 перемещает электростанцию весом ЗО т і стыку. Для обеспечения проезда агрегатов комплекса рельеф местности планируют бульдозеры 11. Комплф ваот бригада из 12 чел. и трех трубоукладчиков.