книги / Производство сварных конструкций (Изготовление в заводских условиях)

Последовательность сварки: расчленение на сборочные единицы должно обеспечивать возможность выполнения сварки в требуемой последовательности, исключать образование боль­ ших по величине остаточных напряжений и деформаций после сварки узла или в период сборки и монтажа.

Конструктивные особенности: взаимное расположение де­ талей может затруднять доступность к сварным швам, поэтому некоторые детали целесообразно установить и приварить при окончательной сборке конструкции. Сборочные единицы долж­ ны иметь достаточную жесткость и прочность, чтобы предот­ вратить появление непредусмотренных проектом деформаций и разрушения в процессе кантовки и транспортировки.

На первом этапе в условиях цеха изготавливают узлы решет­ чатой опоры в сварном варианте или в виде стального литья, для того, чтобы исключить влияние сварки на прочность. В свароч­ ном варианте узел представляет собой (рис. 6.5) цилиндриче­ скую обечайку (стакан), являющуюся частью будущей опорной стойки, и патрубков, являющихся частью будущей раскосной решетки. Количество патрубков соответствует числу стержней, соединяющихся в узле. Рекомендуемые размеры этой сборочной единицы показаны на рис. 6.5.

Для того чтобы исключить смятие трубчатого элемента опор­ ной стойки в узле примыкания раскосов, стакан укрепляют реб­ рами жесткости или увеличивают толщину его стенки. На уча­ стке перехода утолщенной стенки стакана к более тонкостенной стенке опорной стойки производят утонение кромки с уклоном 1:4 для уменьшения концентрации напряжений в районе сварно­ го шва. Для того чтобы сварные кольцевые швы вывести из зо­ ны концентрации напряжений введены ограничения на допус­ тимое размещение кольцевых сварных швов по отношению к месту расположения швов, соединяющих детали узла между со­ бой (рис. 6.5). Ограничивают минимальное расстояние между швами, присоединяющими раскосы, с тем, чтобы избежать сни­ жения пластичности металла из-за деформационного старения.

Выделение узла решетчатой опоры в самостоятельную сбо­ рочную единицу позволяет решить ряд проблем, связанных с обеспечением прочности конструкции, точности сборки и каче­ ства сварки. В частности, появляется возможность повысить

181

точность сборки и сократить трудоемкость этой операции за счет применения универсальных сборных переналаживаемых приспособлений УСПС.

Рис. 6.5. Сборочная единица «Узелрешетчатой опоры» 1- опор­ ная стойка; 2 - стакан (утолщенная часть опорной стойки), 3 - раскос; 4 - патрубок (концевая часть раскоса, иногда с боль­ шей толщиной стенки).

Относительно небольшие размеры данной сборочной едини­ цы упрощают подготовку профиля кромок и сборку деталей под сварку, позволяют обеспечить большую точность изготовления. Кроме того, изготовление наружных концов соединяемых дета­ лей с припуском позволят путем последующей механической обработки торцов сборочной единицы устранить погрешности в размерах, возникшие в процессе сборки и сварки. Собранную на прихватках сборочную единицу можно кантовать в удобное для сварки положение. В процессе сварки детали могут свободно пе­ ремещаться под действием усадочных сил, что приводит к сниже­ нию уровня остаточных напряжений в сварных соединениях.

Возможны различные варианты сборки в зависимости от геометрии узла или предпочтений изготовителя. Некоторые предпочитают сборку с вертикальным расположением патруб-

182

ков, что позволяет произвести большее число патрубков одно­ временно без кантовки. Однако большинство изготовителей предпочитают сборку в горизонтальном положении. Последова­ тельные шаги в изготовлении типичного узла следующие:

Разметка мест соединения элементов в узлах; обрезка и под­ готовка профиля сочленения патрубков; подгонка кромок и разметка положения патрубков; зачистка мест сочленения; зачистка поверхности деталей под ультразвуковой контроль для опреде­ ления возможного расслоения металла в стенке труб. Особое внимание необходимо уделять тем участкам сварного соедине­ ния узла, где характер воздействия нагрузки может привести к расслоению металла стенки трубы. Это участки стенки стакана в районе примыкания патрубков.

Сборка и закрепление прихватками одного или нескольких смежных патрубков, расположенных в одной плоскости со ста­ каном.

Контроль размеров собранного узла и подготовки кромок под сварку по периметру вокруг патрубка. При необходимости производят подгонку кромок и корректировку размеров. В связи с тем, что взаимное расположение деталей в узле определяет точность изготовления всей конструкции, на данной стадии должны быть заданы достаточно жесткие требования к геомет­ рическим параметрам данной сборочной единицы. Например, в соответствии Норвежским стандартом DNV М - 101 отклонение от проектного положения патрубка по отношению к стакану не должно превышать по углу наклона ±0,2°, смещение оси ±6 мм.

Сварка осуществляется в соответствии с технологией, сер­ тифицированной согласно EN 288 часть 3. При сварке необхо­ димо соблюдать предписанную технологическим процессом по­ следовательность выполнения сварных соединений, чтобы пре­ дотвратить сварочные деформации. Основные рекомендации сводятся к обеспечению симметрии протекания поперечной усадки при выполнении кольцевых швов (глава 3, рис. 3.42). С этой целью прихватки размещают симметрично, а каждый про­ ход сварного шва начинают с диаметрально противоположного участка стыка. Рекомендуется использовать механизированную сварку сплошной или порошковой проволокой в защитных га­ зах, как наиболее маневренный и производительный способ, и применять сварочные материалы, обеспечивающие получение

183

металла шва с низким содержанием водорода.

При разработке технологии сварки внимание должно быть сфокусировано на обеспечении полного проплавления корня шва сварного соединения для исключения концентрации напря­ жений от непровара и, особенно, плавному очертанию облицо­ вочных швов.

Относительно небольшая высота патрубков во многих случа­ ях позволяет выполнять сварку швов с двух сторон, что способ­ ствует лучшему формированию профиля корня шва и повыше­ нию усталостной прочности. В случае двухсторонней разделке кромок после 3х или 4х проходов производят зачистку корня шва с внутренней стороны патрубка и магнитно-порошковый кон­ троль корня шва. Затем заполняют разделку шва и заваривают облицовочный шов. Его рекомендуется выполнять одиночными валиками без поперечного колебания электрода (рис. 6.6). Для уменьшения остаточных напряжений и вероятности образования закалочных структур рекомендуется выполнять отжигающие валики. Для устранения подрезов и обеспечения плавного про­ филя шва производят механическую обработку (зачистку) про­ филя перехода от шва к основному металлу абразивным инст­ рументом. При этом допустимая величина углубления в основ­ ной металл регламентирована в зависимости от толщины стенки (рис. 6.6). Необходимо особое внимание обращать на участки прерывания и повторного возбуждения дуги.

После выполнения сварки всех патрубков производят высо­ кий отпуск сваренного узла для снижения уровня остаточных напряжений и улучшения механических характеристик металла шва. Общую термическую обработку всего узла после сварки выполняют в тех случаях, когда иным способом технологиче­ ский процесс не обеспечивает требуемую величину ударной вяз­ кости металла сварных швов, либо когда при сварке свободное перемещение деталей ограничено и ожидается появление значи­ тельных по величине остаточных напряжений. Термообработку рекомендуется выполнять в печи. При проведении местной тер­ мообработки необходимо обеспечить равномерное распределе­ ние температуры в зоне шириной не менее трех толщин в каж­ дую сторону от шва.

184

Рис. 6.6. Выполнение облицовочного шва.

После термообработки проводят окончательный комплекс­ ный контроль всех швов, включающий следующие методы: ви­ зуальный и измерительный (ВИК), магнитно-порошковый для выявления подрезов, несплавлений и трещин, выходящих на по­ верхность, и ультразвуковой контроль внутренних дефектов швов и расслоений в основном металле.

Если требуется, то производят подгонку торцов узла и окон­ чательный контроль размеров сборочной единицы. Особое вни­ мание должно быть уделено проверке тех размеров, которые имеют существенное значение для конструкции, например, пря­ молинейность элементов, овальность труб, эксцентриситет осей элементов в узле, и т.д.

Сборочные единицы можно рассматривать как промежуточ­ ный этап между деталями, изготавливаемыми в заводских усло­ виях, общей сборкой укрупненных блоков и монтажом.

185

На втором этапе в условиях монтажной площадки заводаизготовителя производится изготовление вначале укрупненных сборочных единиц, затем монтажного блока опоры морской бу­ ровой платформы методом последовательного наращивания.

Последовательность сборки и сварки показана на рис. 6.7. Последовательность выполнения сварных швов должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить свободное протека­ ние деформаций поперечной усадки при сварке кольцевых швов, соединяющих узлы с раскосами. Рекомендуемая последо­ вательность должна быть указана в картах технологического процесса.

Не допускается при сборке создавать в элементах конструк­ ции натяжение или изгиб с целью совмещения свариваемых кромок, так как это может привести к появлению трещин в свар­ ных швах. Все погрешности позиционирования деталей должны быть устранены до сварки. Временное закрепление деталей пе­ ред сваркой рекомендуется выполнять с помощью прихваток. Необходимо свести к минимуму использование привариваемых планок, скоб и других монтажных элементов для временного закрепления деталей.

В тех случаях, когда такой способ закрепления используется после сварки, монтажные элементы должны быть удалены, а места их крепления зашлифованы абразивным инструментом без повреждения поверхности деталей.

Зоны сборки элементов, в особенности те, в которых прово­ дится сварка, должны быть защищены специальными укрытия­ ми от влияния неблагоприятных погодных условий (дождя, вет­ ра и др.). Сварку при низких температурах окружающего возду­ ха необходимо проводить с предварительным подогревом.

В случае, когда производится сварка в среде защитного газа, особое внимание должно быть уделено обеспечению соответст­ вующей защиты от сквозняка. При проведении работ на откры­ том воздухе при неблагоприятных погодных условиях необхо­ димо перед сваркой просушить свариваемые кромки, подвергая их предварительному нагреву до температуры около 50°С.

По завершению работ на монтажной площадке предприятия - изготовителя производят контроль качества сварных соединений и контроль геометрических параметров монтажного блока.

186

На третьем этапе монтажный блок (решетчатую опору плат­ формы) транспортируют на барже к месту эксплуатации и про­ изводят монтаж платформы.

Рассмотренный пример относится к технологии изготовления уникальных конструкций. Несмотря на большие перспективы использования морских буровых платформ, трудно предполо­ жить, что объем производства таких конструкций будет превы­ шать несколько десятков в год. Тем не менее, технологические приемы, рассмотренные в данном разделе, полезно использовать при изготовлении других решетчатых конструкций из трубча­ тых элементов.

6.2. Изготовление решетчатых конструкций в условиях массового производства

В рассмотренных выше примерах снижение трудоемкости изготовления достигалось, главным образом, за счет уменьше­ ния затрат времени на фиксирование взаимного расположения отдельных деталей решетчатых конструкций путем применения специальной технологии сборки (метод копирования) или уни­ версальной переналаживаемой и специализированной сбороч­ ной оснастки. Причем, в зависимости от сложности конструк­ ции, операция разметки устраняется полностью (например, сборка плоских ферм в кондукторе) или частично (сборка опоры буровой платформы). Операции сборки деталей и сварки в усло­ виях индивидуального и серийного производства остаются ма­ ломеханизированными и трудоемкими.

Существенное повышение производительности может быть достигнуто в условиях массового производства, когда экономи­ чески оправданной становится комплексная механизация всего цикла изготовления решетчатой конструкции.

Максимальный эффект можно получить за счет создания сис­ тем машин, целиком охватывающих весь технологический про­ цесс, т.е. создания автоматических линий, выполняющих не только сборочно-сварочные операции, но и заготовительные, вспомогательные и др.

В качестве примера рассмотрим автоматическую линию фирмы «ESAB» по производству решетчатого настила. Настил (рис. 6.8) состоит из набора вертикально расположенных полос сечением 25x2 мм и поперечных стержней диаметром 5 мм с

188

шагом 50 мм. Линия выпускает настилы с максимальным разме­ ром 1200x1200 мм. Возможны три ступени регулирования, как по ширине, так и по длине. Настил используют для покрытия площадок, лестничных ступенек, полов и др.

Рис. 6.8. Решетчатый настил (диаметр прутка 5мм)

Линия (рис. 6.9) работает следующим образом. На разматыватель 1 подают в рулоне стальную ленту шириной 1250 и тол­ щина 2 мм. Лента проходит через агрегат 2 для резки полос, ко­ торый распускает ее на полосы 25 ±0,3 мм. Крайние полосы, имеющие непостоянную ширину, удаляют в отход, наматывая для компактности на кассету 3. Остальные полосы проходят да­ лее до специального устройства 6, осуществляющего поворот каждой полосы на 90° из горизонтальной в вертикальную плос­ кость. Дальнейшее перемещение полос осуществляется по раз­ дельным каналам, фиксирующим заданный шаг полос в машине для контактной сварки 7.

Поперечные стержни подают в контактную машину из пита­ теля 8, которые с помощью ориентирующего устройства фикси­ руются под электродами машины перпендикулярно продольны­ ми полосами настила. На каждом цикле питатель подает два стержня, фиксируемых с шагом 50 мм. При включении свароч­

189

ной машины электроды прижимают стержни к торцам полос и осуществляют рельефную сварку. При этом в каждой паре свар­ ных соединений ток проходит от одного электрода к другому через стержень, полосу, медную подкладку и второй стержень. Мощность сварочной машины 900 кВа. После сварки решетка перемещается с помощью шагового механизма 9 на 100 мм, цикл сборки и сварки повторяется. Ножницы 10 разрезают ре­ шетки на отрезки заданной длины. Далее пластины по рольгангу поступают на штабелёр 11 и затем на промежуточное складоч­ ное место.

Рис. 6.9. Схема автоматической линии изготовления решетча­ того настила.

Длина настила регулируется соответствующей установкой контактного датчика, включающего ножницы 10. Ширина на­ стила регулируется ограничением количества полос, проходя­ щих через поточную линию. При использовании ленты шириной 1250 мм лишние полосы временно наматывают на барабан 4, либо на барабаны 4 и 4’ и хранят в кассетах. В дальнейшем кас­ сеты устанавливают на барабан разматывателя 1 и используют для производства настилов. Для синхронизации работы свароч­ ной машины и дисковых ножниц служит накопитель 5, выпол­ ненный в виде колодца, куда путем периодического включения дисковых ножниц подают некоторый запас полос в виде петли.

Обычно линию настраивают на выпуск настилов максималь­ ной ширины, а для получения узких настилов (например, шири­ ной 250 мм, используемых для ступенек) применяют станки для продольной резки абразивными кругами.

Следует обратить внимание на следующие удачные техноло­ гические решения:

190