Рынок углеводородов не только играет важнейшую роль в экономике, но и определяет основные принципы мировой политики. Зачастую именно энергоносители дают толчок к развитию целых регионов и направлений бизнеса. В нашем проекте «ТЭК 360» мы рассмотрим ключевые тренды отрасли, перспективы ее развития, влияние на другие сферы экономик.

Российский и международный опыт сварки

Сегодня сварка — это основной способ соединения металлических деталей в любые изделия и любые конструкции. Безусловно, сварка — это часть работ в металлургической промышленности. Она применяется в комплексе с литьем, штамповкой, прокатом и т. д. При этом технологически процесс сварки продолжает совершенствоваться.

Международные успехи

Наиболее значимыми успехами в сварном деле, помимо России, могут похвастаться Германия, Япония, США и Франция.

В Японии, например, большая часть металлических конструкций сплавляется автоматической сваркой под слоем флюса и сваркой в защитных газах. На некоторых небольших предприятиях всё еще применяется ручная сварка, но в последние годы она активно вытесняется механизированной сваркой порошковыми проволоками диаметром около 2 миллиметров в смеси защитных газов. Такой способ сварки применяется для соединения стыков в вертикальном и потолочном положениях, а также для угловых швов внутри коробчатых элементов. Толстые металлы в Японии также сваривают многослойной сваркой. Реже используется механизированная сварка порошковыми проволоками малого диаметра без газовой защиты, эта технология в Японии считается несколько устаревшей. При этом из года в год совершенствуется сварное оборудование. Появились портативные малогабаритные и комплексные многоэлектродные крупногабаритные и автоматизированные аппараты, которые применяются практически на всех современных производствах.

В США используют следующие виды сварных работ: ручная дуговая сварка штучными электродами, автоматическая сварка под слоем флюса, электрошлаковая сварка, механизированная сварка проволокой сплошного сечения в защитных газах, механизированная сварка порошковой проволокой в защитных газах, механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой, электрогазовая сварка сплошной проволокой в защитном газе вертикальных соединений с принудительным формированием.
В Германии развивается технология компьютерного регулирования сварного процесса, роботизации сварки. По сути, всё можно вывести в один аппарат, оснащенный периферийными дополнительными устройствами и компьютерным управлением — электронным регулированием показателей электрического импульса и характера электрической дуги. Этот аппарат может управлять дугой. Также в компьютере можно варьировать частоту тока: увеличение частоты служит для сужения конуса электрической дуги, уменьшение частоты — для расширения конуса дуги. Также немецкие заводы используют метод пульсирующей дуги, который, как правило, служит для сварки стали, алюминия, нержавеющей стали, никелевых сплавов. По оценкам экспертов, его особенно эффективно и выгодно применять для соединения тонколистовых материалов.

Важные детали сварного процесса

Одной из ключевых деталей сварного процесса является оптимальная температура окружающего воздуха и металла. Она не должна быть ниже минус 18 градусов. При этом сварщик контролирует температуру металла у сварного шва: если та понижена, металл дополнительно подогревают примерно до 21 градуса и поддерживают эту температуру на протяжении всего периода сварки.

Температура подогрева достигает 230 градусов, при этом если сваривают стали разных марок, то устанавливают температуру подогрева для более высокопрочной стали.

Многое также зависит от типа сварного соединения. Классифицируют типы соединения по различным признакам, например по способу сварки, по условиям сварного процесса, по тому, как примыкают друг к другу соединяемые элементы, какова их толщина, марка стали и т. д.

В России при строительстве различных конструкций чаще всего используется электродуговая сварка. При этом типы сварных швов жестко регламентированы по ГОСТу, а именно:

ГОСТ 8713-79 и ГОСТ.11533-75 — швы, выполняемые автоматической и полуавтоматической сваркой под флюсом;
ГОСТ 14771-76 — швы, выполняемые сваркой в защитных газах;
ГОСТ 5264-80 и ГОСТ 11534-75 — швы, выполняемые ручной дуговой сваркой;
ГОСТ 15164-78 — швы, выполняемые электрошлаковой сваркой;
ГОСТ 15878-79 — швы, выполняемые контактной сваркой;
ГОСТ 14776-79 — швы, выполняемые дуговой точечной сваркой.

Наиболее часто встречающиеся случаи соединения элементов:
- стыковое соединение означает, что свариваемые детали находятся в одной плоскости;
- угловое соединение означает, что элементы соединяются под некоторым углом по отношению друг к другу;
- тавровое соединение означает, что элементы примыкают друг к другу торцевой поверхностью;
- нахлесточное соединение означает, что соединяемые детали как бы накладываются друг на друга.

Каждый из типов соединения имеет свои особенности сварки. К примеру, в угловом соединении, которое наиболее распространено в строительстве, применяются конструктивные решения с уменьшенным риском возникновения трещин. И очень важной задачей является правильный подбор режимов сварки, который позволит соблюсти равномерное заполнение шва и уменьшает остаточные напряжения. Также важно контролировать скорость сварки, скажем, при ручной сварке оптимальная скорость составляет 20 метров в час.

Сварные узлы в России делаются как монтажные стыки. К слову, сам монтажный стык и его конструкция были разработаны еще в прошлом веке, и изначально такие стыки применялись в пролетах автодорожных мостов. В частности, впервые его применили в 1953 году при строительстве моста через реку Днепр в Киеве. Конструкция стыка выглядит следующим образом: стык имеет один шов по нижнему поясу, вставку по стенкам балки и вставку по верхнему поясу. Такой вид позволяет монтажным стыкам успешно «переживать» автоматическую сварку под флюсом и автоматическую сварку вертикальных швов стенки порошковой проволокой с принудительным формированием.

Дефекты и деформации

По словам экспертов, опасными являются участки конструкций, отличающиеся жесткостью. Примеры жестких мест — приваренные элементы, накладки. Устранить или нивелировать риски по жестким местам может правильное оформление сварных узлов, и на российских предприятиях это давно поняли.

Скажем, появление трещин на свариваемых конструкциях происходит по причине старения металлов. Причем при обычных температурах сталь «стареет» годами, а при температурах 100 градусов и выше достаточно несколько минут.

В связи с этим выделяют три вида деформационного старения.

•    Динамическое. В этом случае пластические деформации и старение металла протекают одновременно при 100–500 градусах. Например, накаливание и охлаждение металла сварных конструкций вблизи различных концентраторов при сварке. Свободная усадка в процессе остывания затруднена при правке элементов конструкций в температурном интервале 100–500 градусов.
•    Искусственное. В этом случае пластические деформации протекают при обычных температурах, а старение — при последующем накаливании до 100–500 градусов. Например правка, резка на ножницах.
•    Естественное. В этом случае пластические деформации и последующее старение происходят при естественных температурах. Например пробивка отверстий без последующего нагрева.
Чтобы избегать старения металлов, следует правильно конструировать сварные узлы, тем не менее на практике довольно часто встречаются именно узлы, которые могут приводить к ускоренному появлению трещин и, как следствие, к несчастным случаям и серьезным авариям. Трещины и другие технологические дефекты при сварке могут стать критическим обстоятельством. Например, если металл вблизи дефекта подвергается накаливанию повторно. Особенно критическими дефекты могут быть, если они расположены:

•    на участке замыкания кольцевых швов при сварке встык труб;
•    на месте замыкания ступеней;
•    на пересекающихся швах;
•    на кромках;
•    в соединениях, выполняемых в жестком контуре. 

Прорыв сварного дела

Технологии сварного дела в России пошли так далеко, что сварка конструкций происходит с максимальной надежностью и минимальными рисками деформаций. Так, например, в России работает один  из самых больших в Европе цехов по производству труб большого диаметра «Высота 239» на Челябинском трубопрокатном заводе, на котором применяются самые современные технологии сварки. Трубы свариваются под слоем керамического флюса производства этого же челябинского предприятия. Новое оборудование цеха позволяет изготавливать одношовные сварные трубы разных диаметров, с наружным и внутренним покрытием. Технические характеристики труб очень высокие, по сути, трубы могут использоваться в суровых климатических условиях (например, Восточной Сибири, где увеличивается объем разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений), при повышенной сейсмоактивности и при прокладке трубопроводов по дну морей. Новый цех был запущен еще в 2010 году, располагает производственной мощностью более 900 тыс тонн труб большого диаметра в год. В совокупности группа ЧТПЗ производит более 1 млн тонн труб этого сортамента ежегодно.