сварОЧные теХнОлОГИИ

www.obo-rt.ru

В последние годы спрос на спиральные трубы для нефтяной промышленности увеличился, и закономерно возникла потребность в производственных системах, которые могут обеспечить более короткое время цикла сварки, более высокую производительность и снижение расхода материала. Стандартно изготовители спиральных труб используют многоканальную сварку под флюсом (SAW), которая обеспечивает высокие скорости осаждения, приспосабливает толстые стенки труб и производит высококачественные сварные швы. Однако для успешной конкурентной борьбы производителям необходимо высокое качество и скорость сварочного процесса. Автоматизация помогла обеспечить оба.

основы спиральных труб

Трубные заводы могут производить продольно сварные трубы с наружным диаметром до 1 метра. Большие диаметры требуют более широких пластин, что делает традиционные трубные заводы менее рентабельными. Поэтому такую трубу обычно изготавливают на спиральных трубных мельницах, где диаметр трубы уже не зависит от ширины плиты. Это не означает, что спиральные трубопрокатные заводы не могут производить трубы с наружным диаметром менее 1 метра. Наоборот, современные более быстрые и гибкие спиральные трубопрокатные заводы могут производить трубы меньшего диаметра и с более толстым сечением, например, те, которые имеют наружный диаметр 38 см и толщину стенки — 1 см. Существует два типа спиральных трубных мельниц: одно- и двухступенчатый (см. рис. 1). У них есть свои плюсы и минусы, связанные с первоначальными капиталовложениями, производственными

Рис. 1. В этом двухступенчатом спиральном трубопрокатном станке используется несколько автоматизированных систем дуговой сварки под флюсом. В ней процесс формирования трубы отделен от окончательной сварки, что позволяет формировать трубу и сваривать ее на очень высоких скоростях

требованиями, размером промышленного объекта, эксплуатационными расходами и другими факторами. Независимо от этого, оба в большей степени использовали автоматизацию для улучшения качества и производительности. Как следует из названия, одностадийный процесс спиральной мельницы одновременно формирует и сваривает трубу. Поступающая стальная катушка, называемая штрипсом, разматывается, раскатывается и обрезается, после чего соединяется в соответствии со своим профилем. Затем стальной прокат с предварительно подготовленной кромкой подают в мельницу под регулируемым углом, который определяет конечный диаметр трубы.

Рис. 2. Головка SAW сваривает наружную поверхность вверху трубы (видно на фото), в то время как вторая сваривает внутреннюю поверхность (внизу, внутри трубы)

Рис. 3. Эти четыре блока питания интегрированы с ведущей головкой с тремя горелками. Два источника питания подключены параллельно, чтобы обеспечить подачу тока до 2000 ампер

Фреза изгибает поступающую полосу, кромки под флюсом соединяются сварочной головкой внутреннего диаметра, расположенной «на 6 часов». Труба продолжает вращаться и проходить через мельницу, а в положении «на 12 часов» головка наружного диаметра выполняет внешнюю сварку (см. рис. 2). Один конец штрипса при непрерывной подаче сваривается плавлением с другим. Хотя мельница может формировать трубу на высоких скоростях, производительность мельницы зависит от скорости процесса SAW. Двухступенчатая спиральная трубная мельница отделяет формирование трубы от окончательной сварки, что позволяет формировать трубу и прихватывать ее при очень высоких скоростях. Начальный процесс, по сути, такой же, как и одностадийный метод, за исключением того, что пластина формируется в непрерывную спиральную трубу. Отдельная операция сварки — обычно автоматическая газо-дуговая сварка (GMAW) — выполняет прихватку, которая поддерживает целостность размеров трубы при передаче на конечную станцию спиральной сварки. Как и в одношаговой операции, двухступенчатый процесс использует SAW для ведущей головки в позиции «на 6 часов». Этот проход переплавляет сварные соединения после GMAW, а затем последующий проход SAW на внешнем диаметре в позиции «на 12 часов» переплавляет корень прохода по внутреннему диаметру и завершает соединение. Чтобы увеличить наплавку и скорость производства, можно использовать несколько горелок SAW, которые подают в одну и ту же ванну. В стандарте такие системы имеют две горелки для наружного диаметра и три горелки — для внутреннего. Однако на ведущую дугу может потребоваться столько энергии, что для ее питания могут понадобиться дополнительные источники питания (см. рис. 3). Процесс сварки существенно зависит от различных функций мельницы. Одноступенчатый процесс имеет функции для контроля скорости подачи (скорости хода сварки), а также получаемого в результате зазора и определения дефектов соединения. Автономная сварочная станция в двухступенчатом процессе также обеспечивает необходимую подачу и вращение для скорости создания сварного шва. Однако автоматизация его нетривиальна. Ее качество зависит от интеграции различных компонентов с лазерными датчиками, передающими информацию. Они обеспечивают контроль сварочных головок, лазерных датчиков, источников сварочного тока, а также осуществляют мониторинг и интеграцию процессов.

сварочные головки

Современные сварочные головки, с подбора которых, по сути, и начинается качественный сварочный процесс, представляют собой компактные, жесткие конструкции, которые включают в себя направляющие скольжения, в том числе для тяжелых условий работы, устройства подачи проволоки с выпрямителями, видеокамеры, лазерные датчики и системы подачи и восстановления потока (см. рис. 4). Ведущая головка должна быть не только компактной, чтобы соотОборудование Разработки Технологии N 0 3 (145) июль 2020

Рис. 4. Этот узел сварки спиральных труб позволяет использовать сверхпрочные направляющие, устройства подачи проволоки с выпрямителями, видеокамеры, лазерные датчики, а также системы подачи и восстановления потока

www.thefabricator.com Фото с ветствовать минимальному внутреннему диаметру трубы, но также жесткой, чтобы поддерживать стабильность размеров при высоких температурах в течение длительных периодов времени. Ее рама предназначена для обеспечения жесткости крепления, передачи тока и рассеивания тепла. Материалы и компоненты ведущих головок также обеспечивают структурную целостность, термическую стабильность и электропроводность, а также защиту от изоляции и загрязнения от процесса SAW и внешней среды трубного завода. Головки включают несколько устройств подачи проволоки в компактных конфигурациях для размещения небольших идентификаторов. Важная особенность ведущей головки — агрегат для подачи проволоки должен надежно поставлять несколько проводов во время поворота на 90 градусов в ограниченном пространстве. Качество сварки и стабильность процесса в значительной степени зависят от того, насколько эффективно и плавно проволока подается в сварную ванну. В старых системах сварочные головки перемещались с использованием пневматики или основных механических или моторизованных устройств. Однако сегодня системы на основе серводвигателей и энкодеров перемещают головки много точнее и в оптимальное положение. Все это в сочетании с герметичными и точными направляющими и регулировкой скорости движения головки обеспечивает качественный сварочный процесс.

лазерное зондирование

Прецизионные сварочные головки способны наносить сварочный металл точно в нужное место и в нужное время, но они не будут «знать», куда и как двигаться, «не понимая» точное направление. Эту задачу способен решить лазерный датчик, интегрированный с системами управления сварочной головкой и мельницей. Именно он позволяет автоматически адаптивно контролировать положение головки и соединение во время

сварки и схватывания металла.

Рис. 5. В этой одноступенчатой линии, расположенной прямо перед сварочной горелкой внутреннего диаметра, лазерный датчик проецирует три горизонтальные полосы, пересекающие соединение

Эти бесконтактные лазерные датчики постоянно передают информацию об изменениях характеристик соединения. Находясь перед сварочными горелками, лазер проецирует горизонтальные полосы поперек стыка, а камера «считывает» характеристики этих полос, чтобы получить информацию о положении и высоте поперечного шва, а также другие данные о профиле соединения (см. рис. 5). Затем датчик использует эту информацию для изменения аспектов управления процессами сварки или формовки. Поскольку для одношаговых и двухступенчатых установок требуется различная информация, то и к лазерному зондированию нужен свой подход. В одностадийном процессе оно происходит, когда поступающий материал соединяется для формирования сварного соединения. В двухэтапной операции лазерное зондирование начинается, когда материал на первом этапе собирается вместе для прикрепления. В этот момент важно знать не только, где соединение находится относительно сварочной головки, но также адекватно ли контролируется зазор и соответствие требуемым параметрам. На втором этапе двухступенчатой операции лазерные датчики могут предоставлять информацию о положении, высоте и характеристиках соединения. Эту информацию можно использовать для перемещения трубы в исходное положение, определения местоположения соединения и сварочных головок, запуска подачи флюса и процесса сварки, а также для остановки процесса. Это эффективно автоматизирует всю операцию подачи и сварки, от доставки сварной трубы к сварочной станции до конца формирования сварного шва (см. рис. 6). Если же внутренняя среда не способствует лазерному зондированию или диаметр трубы слишком мал, датчик может работать отдельно от сварочной головки. В этих случаях датчик может быть установлен снаружи на отдельных направляющих с сервоприводом прямо напротив узла горелки внутреннего диаметра. Затем направляющие этой головки электронно подчиняются направляющим внешнего датчика, отражая движения, так что и датчик, и сварочная головка следуют за соединением и поддержи

Рис. 6. лазерный датчик перед сварочной головкой наружного диаметра обнаруживает край трубы и автоматически отправляет в систему команду прекратить сварку

вают запрограммированную высоту.

источники питания

Все эти усилия по управлению процессом были бы напрасны без постоянной и надежной подачи энергии на контактные наконечники проводов в течение длительного времени. В этих приложениях SAW может потребовать более 700 ампер на один источник питания в течение нескольких часов. Более того, процесс требует как точного выхода постоянного и переменного тока, так и способности переключаться между режимами для различных труб. Инверторные источники питания с цифровым управлением открыли для промышленников возможности автоматизации в сложных сварочных ситуациях. Эти блоки питания стали неотъемлемой частью систем, доступ к которым осуществляется с одного контроллера. С него оператор может включать или отключать источники питания, переключать режимы между постоянным и переменным током, а также изменять ток, напряжение и фазирование переменного тока в зависимости от типа детали или даже положения горелки. Это помогает значительно сократить время настройки и время производственного цикла, повысить надежность.

интегрированный контроль и мониторинг процессов

Такая сложная автоматизированная система — в комплекте с сервоуправляемыми сварочными головками, несколькими механизмами подачи проволоки, передовыми лазерными датчиками и многим другим — может удивить самых опытных инженеров и операторов. В традиционных подходах запуск или изменение любого компонента связаны вместе с другими компонентами. Например, процесс может начинаться с того, что оператор нажимает кнопку запуска на подаче трубного стана, что активирует управление подачей флюса, а затем через несколько секунд активирует управление для источников питания, начиная сварку.

www.thefabricator.com Фото с

Рис. 7. Дисплей и контроллер транслируют изображения с камеры лазерного датчика и информацию с узла сварочной головки наружного диаметра

Изменение толщины детали, скорее всего, потребует набора новых настроек на нескольких или на всех контроллерах. Однако если кто‑то устанавливает некорректную настройку для одного компонента, нет никакой возможности автоматически передать эту информацию другим элементам в системе. Автоматический процесс будет продолжаться вслепую, что, конечно, приведет к проблемам. Современные интегрированные средства управления и мониторинга процессов преодолели эти сложности. И сегодня выделенные процессоры отслеживают и контролируют каждую задачу и обмениваются информацией по сети, чтобы другие системные компоненты могли реагировать на нее. Распределенное управление процессором имеет много преимуществ для сложных систем, которые требуют программирования, контроля и мониторинга многих задач. Все параметры для каждого типа сварки или детали могут быть запрограммированы, сохранены, перенесены и отображены с помощью одного контроллера в сети. Это значительно сокращает время настройки и снижает вероятность ошибок в работе. Такие контроллеры или модули используют цифровые сигнальные процессоры (DSP) — ту же платформу, которая используется мобильными телефонами и другой электроникой, которую мы используем каждый день. DSP позволяют одному системному компоненту отправлять информацию, а другим компонентам системы реагировать на нее. Именно это позволяет автоматизированному процессу расширяться в новых областях. Именно использование DSP позволило элементам автоматической сварки спиральных труб реагировать на обратную связь не только от лазерного датчика, но и от положения сервопривода головки, подачи мельницы, вращения сварочной станции и т.д. Сбор и обмен данными со всех этих точек позволяют автоматизации поддерживать требуемое положение центральной линии соединения и высоту головки. Также в систему могут быть интегрированы другие датчики, например, сенсоры для измерения температуры. Автоматизация может изменять параметры процесса в соответствии с положением горелки или детали, непрерывно контролировать каждый компонент системы, предоставлять данные процесса и предупреждать оператора об условиях, выходящих за пределы допуска. Кроме того, контроллер может автоматически программировать начало подачи флюса, а также положение сварочной головки, подачу и движение детали и другие требуемые функции или действия до или после сварочного процесса. Подключенный к сети, контроллер отправляет данные о производительности на центральную станцию завода, где технические специалисты могут контролировать несколько сварочных систем, передавать программы и данные между этими системами, а также собирать информацию для общей производительности завода и показателей качества. Современные системы позволяют операторам и инженерам выбирать и вводить нужные значения даже без знания языков программирования, ведь контроллеры включают в себя не только дисплеи, но и джойстики, ручки и кнопки с обратной связью после нажатия. Это позволяет операторам сосредоточиться не на программировании, а на производственном процессе (см. рис 7).

спрос на автоматизацию

Так что как бы сварочное сообщество ни боролось против внедрения новых технологий, особенно в сложных условиях со множеством переменных, отраслевой спрос, включая последний нефтяной бум, подталкнул‑таки производство спиральных труб к сложной автоматизации. И, в конечном счете, достижения в области электроники, обработки, лазерных датчиков, управления током и сетевых коммуникаций привели к значительным изменениям даже в самых сложных процессах.

По материалам портала The Fabricator