Статьи

Ремонт гидротехнических сооружений в СНГ с применением технологии подводной сварки

В СНГ транспортировка нефти и газа в регионы потребления осуществляется по трубопроводам, имеющим большое количество подводных переходов через водоемы. Для добычи нефти со дна морей используются стационарные основания. Причальные сооружения имеют большое количество металлических элементов, находящихся в воде. Строятся и эксплуатируются значительное количество кораблей и судов. В подводной части всех этих сооружений возникают дефекты вследствие монтажных работ, волнового воздействия, коррозии, из-за возможных ошибок при проектировании и строительстве. Практика показывает, что для восстановления этих металлоконструкций требуется применение высококачественной сварки и резки. В настоящее время существуют два основных способа выполнения сварочных работ под водой:

Преимущества сухой сварки в обитаемых камерах общеизвестны. Однако ее использование применительно к ремонту трубных элементов стационарных оснований, корпусов судов, причалов и других гидротехнических сооружений с развитой поверхностью связано со значительными материальными затратами. Существенные неудобства возникают и при использовании сухой сварки в обитаемых камерах при ремонте подводных переходов трубопроводов через малые водные преграды. В этом случае невозможно использовать специализированные глубокосидящие суда, имеющие на борту необходимое оборудование и грузоподъемные механизмы. Камеру, как правило, изготавливают поблизости от ремонтируемой конструкции по упрощенной схеме. Стоимость установки и обслуживания такой камеры значительно возрастает. Ухудшаются условия работы водолаза-сварщика.

При мокрой сварке сварщик и свариваемый объект находятся в водной среде. Процесс происходит без каких-либо дополнительных сооружений и устройств. Благодаря этому сварщик имеет большую свободу перемещений, что делает мокрую сварку наиболее эффективной и самой экономичной из существующих способов сварки под водой, в первую очередь при восстановлении металлоконструкций с развитой поверхностью на глубине до 20 м.

Технология мокрой механизированной сварки под водой самозащитными порошковыми проволоками широко применяется в СНГ с 1969 г. [1]. При ее использовании в 3…6 раз по сравнению со сваркой покрытыми электродами повышается производительность труда водолаза-сварщика. При сварке низкоуглеродистых и ряда низколегированных корпусных сталей во всех пространственных положениях обеспечивается получение равнопрочных соединений [2 - 4]. Механические свойства сварных соединений, выполненных мокрым способом с использованием покрытых электродов и самозащитных порошковых проволок приведены в табл. 1.

Таблица 1. Механические свойства соединений, выполняемых мокрой сваркой под водой

Марка электродного материалаПредел прочности σв, МПаПредел текучести σт, МПаОтносительное удлинение δ5, %Ударная вязкость KCV, -20°С Дж/см²Угол загиба, α по классу B AWS D3.6M
Покрытые электроды
ЭПС-52390...420не нормирован6-20не определяласьне нормирован
ЭПС-АН1≥ 420не нормирован≥ 14не определяласьне нормирован
Э38-ЛКИ-1П410не нормирован≤ 8не определяласьне нормирован
Самозащитные порошковые проволоки
ППС-АН1400...430300...32014...16≥ 10180
ППС-АН2400...440300...34013...18≥ 25180
ППС-АН5420...460320...36013...17≥ 25180
ППС-ЭК1400...460300...36014...18≥ 25180

К недостаткам всех способов мокрой сварки можно отнести резкое охлаждение металла сварного соединения в воде и значительное насыщение его водородом и кислородом [4]. Это может привести к появлению подваликовых трещин в сварных соединениях, выполненных на некоторых трубных сталях повышенной прочности с углеродным эквивалентом Сэ ≥ 0,39 [4].

Для реализации технологии мокрой механизированной сварки, а также сварки покрытыми электродами разработаны комплекты оборудования, технологическая документация и методика обучения водолазов-сварщиков.

С помощью технологии мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками с 1969 г. в СССР были выполнены практически все работы под водой, направленные на восстановление целостности подводных переходов водоводов, а также газо- и нефтепроводов через водные преграды [5]. Основные работы и технологические особенности их выполнения представлены в табл. 2.

Таблица 2. Основные работы, выполненные при восстановлении подводных переходов трубопроводов через водные преграды

Место выполнения работыХарактер поврежденияТехнология ремонта
1969 г. р. Днепр, глубина 10 м. Водовод Ø1020 × 12 мм из стали 09Г2Две трещины: 1 - L × 1,5 м с раскрытием в верхней части трубы до 30 мм, 2 - L × 250 мм по сварному швуВнутрь ремонтируемого участка трубы заведены технологические подкладки и дополнительные вставки. С трубой их соединили многослойными стыковыми швами.
1970 г. р. Бейсуг, глубина 5 м. Нефтепровод Ø1020 мм из стали 14ХГСТрещина по монтажному стыку, из-за непровара корня шваМеханическая разделка с фиксацией концов трещины сверлением. Разделка заполнена многослойным стыковым швом.
1971 г. р. Волга, глубина 12 м (р-н г. Волгограда). Две трубы водовода Ø1020×12 мм из стали ВСт3сп. Ремонт выполнен за 2 месяцаДевять участков с трещинами L × 2500 мм и разрывами L × 1500 мм с раскрытием до 200 ммПосле механической разделки в окна завели вставки которые соединяли с трубой многопроходными стыковыми швами L × 38 м. Большинство швов располагалось в вертикальном и потолочном положениях.
1972 г. р. Казанка, глубина 6 м. (г. Казань). Водовод Ø820 мм из стали ВСт3спЧастичный разрыв трубы, образовавшийся в результате нарушения технологии прокладки.После механической разделки в образовавшееся окно установили заплату, которую соединили с трубой многослойным стыковым швом.
1973 г. р. Днепр, глубина 6 м. (р-н г. Херсон). Водовод Ø720 мм из стали ВСт3спПовреждение - разрыв по монтажному стыку на 1/2 диаметра.Монтаж на дефектном участке двух полумуфт, имевших специальную внутреннюю разделку. С трубой полумуфты соединяли угловыми многопроходными швами.
1974 г. р. Москва, глубина 8 м. Подводный переход газопровода Ø720 мм из стали 09Г2Под воздействием динамических нагрузок образовалась трещина в ЗТВ монтажного стыка.После механической разделки и фиксации концов трещины, путем сверления, образовавшуюся разделку заполняли многопроходным стыковым швом.
1975 г. р. Ухта, глубина 10 м. Переход газопровода Ø820 мм из стали 14ХГСТрещина в результате непровара корня монтажного стыка.Та же.
1976 г. р. Обь, глубина 6 м. (р-н п. Перегребное). Переход газопровода Ø1020 мм из стали 09Г2Трещин, образовавшейся в процессе эксплуатации из-за непровара монтажного стыкаТа же.
В 1977 г. о. Донузлав (Крым), глубина 4 м при отсутствии видимости. Переход газопровода Ø720 мм из стали 09Г2Свищи, образовавшиеся в результате коррозионного разрушения.Механическая разделка дефектных участков. Сварка проволокой Ø1,4 мм, так как толщина металла в зоне сварки не превышала 4 мм.
1978 г. р. Даугава, глубина 18 м. (р-н г. Рига). Водовод Ø720 мм из стали 09Г2Полный разрыв трубы.Электрокислородной резкой удален дефектный участок трубы. После механической обработки внутри трубы смонтирована вставка длиной 0,5 м с зазором не превышавшим 10 мм. С трубой вставку соединили угловыми многопроходными швами.
1980 - 1981 гг. р. Обь, глубина 7 м. Переход нефтепровода Александровское - Анжеро-Судженск трубой Ø1020×18 мм из стали 18Г2САФНепровар корня двух монтажных стыков. Трещины при укладке дюкераУдалены дефектные участки трубы с трещинами. После механической обработки образовавшихся кромок в трубу установили заплаты с подкладными элементами, используя винтовой домкрат. Из-за высокого углеродного эквивалента стали, ремонтировали комбинированным методом. Первых три прохода выполняли мокрым способом, используя специальную самозащитную порошковую проволоку. Дальнейшее заполнение разделки выполняли ручной сваркой покрытыми электродами в кессоне с предварительным подогревом трубы.
В 1982 г. р. Волга, глубина 5 м. (р-н г. Казань). Две соединительные муфты на городском водозаборе Ø1420 мм. Работа была выполнена за 30 дней Зазоры между трубой и соединительными полумуфтами по периметру трубыНа расстоянии 3 м от ремонтируемых муфт вырезали операционные люки, через которые внутрь трубы заходил водолаз, и подавали полуавтомат. Трубы с полумуфтами соединяли многопроходными угловыми швами катетом 8 - 20 мм. Общая протяженность швов - 28 м. Применяли накладные элементы, так как зазоры между трубой и полумуфтами достигали 160 мм.
1982 г. р. Обь, глубина 12 м (р-н г. Нефтеюганск). Переход продуктопровода трубой Ø820 мм из стали 17Г1СРазрушение монтажного стыка на 1/3 длиныЭлектрокислородной резкой удален дефектный участок. После механической обработки в образовавшуюся полость установили вставку с подкладными элементами и соединили ее с трубой по периметру многопроходным стыковым швом.
1987 г. р. Днепр, глубина 12 м (р-н г. Кременчуг). Газопровод Елец - Кременчуг - Кривой Рог. Труба Ø1420×18,7 мм из стали типа Х70Свищ в монтажном стыке.После механической разделки с углом раскрытия кромок 90° на глубину 16 мм полученная разделка была заполнена многопроходным стыковым швом. Использовали порошковую проволоку, обеспечивающую аустенитную структуру металла шва.
1990 г. р. Кама, глубина 12 м (район г. Пермь). Переход газопровода. Материал трубы - сталь 17Г1СТрещина монтажного стыка длиной 100 мм.Та же.

Приведенные выше примеры применения мокрой механизированной сварки порошковой проволокой при ремонте подводных переходов трубопроводов через водные преграды свидетельствуют о ее высокой эффективности. Как правило, ремонтные работы выполняются в местах интенсивного судоходства и при больших скоростях течения воды. В этих условиях важно обеспечить сокращение длительности восстановительных работ. В большинстве случаев сварочные работы выполняются за 4 - 10 рабочих дней, включая вырезку дефектного участка, обработку кромок, подгонку заплаты, сварку и контроль качества соединений. В настоящее время с помощью этой технологии отремонтировано более 60 подводных переходов газопроводов через реки.

Существенный объем работ с применением технологии мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками выполнен при ремонте кораблей и судов на плаву, а также при судоподъеме (таблицы 3 и 4). Все эти работы, как правило, характеризуются выполнением сварки в вертикальном и потолочном положениях. Для этого необходима высокая профессиональная подготовка водолазов-сварщиков и стабильная работа оборудования. При выполнении этих работ водолазу приходилось уходить от места спуска на расстояние до 50 - 100 м, транспортируя беседку, полуавтомат и зачистную машинку. Определенные проблемы возникали из-за большой длины сварочной цепи (200 м). Дополнительные активное и индуктивное сопротивления в сварочном контуре снижает стабильность дугового процесса и способность источника питания отрабатывать возмущения, связанные с неравномерностью подачи в зону сварки порошковой проволоки при волнении [6].

Таблица 3. Характерные работы, выполненные при подъеме и ремонте судов

Объект, место выполнения работыХарактер поврежденияТехнология ремонта
1974 г. р-н г. Одессы. Подъем теплохода "Моздок". Глубина выполнения работы от 12 до 24 мОтверстие в борту 6 × 9 м. Герметизация крышек второго и третьего трюмов с помощью крепящих книц (32 шт.) и прерывистого стыкового шваПриварен пластырь размером 9 × 12 м и прижимные лапы угловыми швами катетом от 6 до 35 мм. Угловые швы катетом 8 - 15 мм использованы при сварке крепящих книц. Протяженность всех швов - 137 м. Длительность работ - 45 суток
Теплоход «Комсомолец Латвии»Трещина на пере руля длиной 1 мПосле механической разделки и фиксации концов трещины, путем сверления, образовавшуюся разделку заполняли многопроходным стыковым швом
Крейсер «Киров»Наращивание бортаПрименены стыковые и угловые швы длиной 50 м
Теплоход «Перекат»Ликвидация пробоиныУгловыми швами приварен бортовой пластырь 0,2×0,2 м из стали ВСт3сп толщиной 8 мм
Теплоход «Нарвская Застава»Трещины длиной 1,8 мПосле механической обработки и фиксации концов трещины, путем сверления, образовавшуюся разделку заполняли многопроходным стыковым швом
Теплоход «Миронич»Фиксация стопорного кольца с гайкой трубы дейдвудаВыполнен стыковой шов длиной 2,7 м
Теплоход «Пролив Волкицкого»Трещина в корпусе длиной 3,0 мПосле механической обработки и фиксации концов трещины, путем сверления, разделку заполняли многопроходным стыковым швом
Теплоход «В. Фаворский»Трещины в корпусе длиной 2,5 мТо же
Теплоход «Кильдинский пролив»Трещина пера руля протяженностью 1,7 мТо же
Теплоход «Волго-Дон-102»Трещина в борту судна длиной 3 мТо же
Теплоход «Волго-Дон-103»Трещина в борту судна длиной 2 мТо же

Таблица 4. Основные работы, выполненные при ремонте судов в районе города Мурманска

Название суднаХарактер выполненных работПротяженность швов, м
Ремонт корпуса
БПК "Исаков"Четыре трещины в корпусе толщиной 16 мм, образовавшиеся под воздействием вибрации. Отремонтирован за 10 ч4,3
Плавучая мастерскаяПробоина диаметром 420 мм. Заплата толщиной 10 мм из стали ВСт3сп1,5
Танкер «Дубны»Шесть пробоин в результате работы у берега. Заплаты толщиной 10 мм27
Танкер "Вязьма"Восемь пробоин в результате работы у берега. Заплаты толщиной 10 мм38
Эсминец "Окрыленный"Коррозионное разрушение корпуса. Дублирующий лист толщиной 10 мм2
Танкер "Терек"Шесть пробоин. Восстановлена герметичность трех танков дублирующими листами толщиной 6 мм; 0,64 × 0,68 м6,4
Два больших десантных корабляТрещины, возникшие от вибрации и коррозии13
Сторожевой корабльВосстановлены три листа корпуса толщиной 8 мм, поврежденные коррозией3,2
Плавучий докПробоины в результате волнового воздействия. Толщина листов 10 мм. На листах смонтирован силовой набор85
Четыре рейдовых буксираТрещины, пробоины, коррозионное разрушение корпуса26
СКР "Смышленый"Трещина в корпусе длиной 1,0 м. Дублирующий лист2,5
СКР "Доблестный"Трещина в корпусе 1,5 м. Дублирующий лист на место коррозионного разрушения.5,5
ГГС "Семен Дежнев"Трещина в корпусе длиной 2,5 м. Накладная заплата с длиной шва по периметру 3,5 м6
Конвертовка кораблей
Крейсер «Александр Невский"Герметизация 206 отверстий размером до 3,6 × 1,8 м329
БПК "Юмашев"Герметизация 164 забортных отверстий217
БПК «Макаров»То же217
БМРТ "Орбита"Герметизация забортных отверстий72
СС "Лира"Герметизация забортных отверстий заплатами толщиной 10 мм в три прохода220
Герметизация и ремонт водозаборной арматуры
Эсминец "Современный"Двенадцать водозаборных отверстий размером до 0,52 × 0,86 м толщиной 12 мм34
Авианесущий крейсер "Киев"Шесть водозаборных отверстий размером 0,48 × 0,88 м18

Для выполнения работ используются полуавтоматы для подводной сварки А1450, А1660 и ПШ141 [2 - 3] и порошковые проволоки ППС-АН2 и ППС-ЭК1 [2 - 4]. Большой объем работ выполнен при ремонте причальных сооружений и стационарных оснований для добычи нефти в различных регионах СНГ (табл. 5). Все эти работы, как и в случае ремонта корпусов судов, характеризуются выполнением швов в вертикальном и потолочном положениях.

Таблица 5. Характерные примеры восстановления причальных сооружений и нефтедобывающих оснований

РегионТехнология выполнения работ
Ремонт причальных сооружений
1982 - 1987 г., порт Дудинка. Нарушение целостности шпунтовой стенки. Расходились замки между шпунтинами.Ремонт проводили зимой, после прекращения судоходства. Угловыми швами катетом 6 - 10 мм приваривали дублирующие листы толщиной 6 - 8 мм. Глубина выполнения работ от 1 до 14 м. Отремонтировано более 5 км причальной стенки.
1982 - 1983 г., Клайпедский порт. Шпунтовая причальная стенка.Технология та же. Глубина 2 - 12 м. Протяженность угловых швов катетом 6 - 8 мм - 287 м.
1996 г. Санкт-Петербургский морской порт. АП БАСУ «Балтийские Буксиры».Технология та же. Глубина 2 - 12 м. Общая длина угловых швов катетом 8 - 10 мм - 360 м.
Ремонт стационарных нефтедобывающих оснований
1991 г. Глубоководная платформа №12 на морском нефтяном месторождении им. 26 Бакинских комиссаров в Каспийском море.Восстановление несущей способности трубного элемента вертикальной опоры 820×10 мм из стали 17ГС. Опора была полностью смята на глубине 4 м. Дефектный участок был удален. С помощью стыковых швов новый участок вертикальной опоры был соединен с основанием.
2000 г. Реконструкция подводной части опорного блока МПС LАМ-22.Обустройство подводных конструкций анодами ПАКМ-75. За 12 дней на глубине до 20 м было смонтировано и приварено 115 анодов. Общая длина сварочных швов, выполненных во всех пространственных положениях - 55,2 м. Производство работ контролировал представитель Германского Ллойда.

Развитие технологии мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками продолжается. Разработана новая порошковая проволока, позволившая под надзором Российского Морского Регистра судоходства, приступить к выполнению уникальной работы, связанной с участием в строительстве на ФГУП "ПО "Севмашпредприятии" морской ледостойкой стационарной платформы (МЛСП) "Приразломная". Нижняя часть МЛСП - кессон, представляющий собой сварную конструкцию из хладостойких сталей размерами 126 × 126 × 24,3 м и весом около 70 тысяч тонн, обеспечивающий хранение 700 тысяч баррелей нефти. Собрать такую конструкцию на стапелях завода «Севмашпредприятие» в настоящее время не представляется возможным. Для соединения секций (суперблоков) применена известная технология поэтапной их сборки на плаву с использованием сухого кессона. Она заключается в том, что на стапеле при изготовлении каждой секции размером 126 × 31,5 × 24,2 м в ее нижней части монтируется половина, удаляемого в последствии, сухого кессона. На территории СНГ эта технология до настоящего времени не использовалась. Соединение двух половин сухого кессона осуществляется под водой на глубине 8 м с использованием технологии мокрой механизированной сварки самозащитной порошковой проволокой. Работа характеризуются выполнением сварки в потолочном (126 м на секцию) и вертикальном (16 м на секцию) положениях.

После более чем двухлетней работы, направленной на отработку технологии, подготовку оборудования, документации и специалистов, в ноябре-декабре 2004 г. осуществлена сборка и сварка сухого кессона между вторым и третьим суперблоками. Скорость сварки трехслойного углового шва катетом 12 - 18 мм в потолочном положении, без учета подготовительно-заключительного времени, составила в среднем 2,37 м/ч.

После осушения собранного сухого кессона специалисты завода «Севмашпредприятие» приступили к сборке и сварке этих секций с использованием стандартных методов сварки, принятых на предприятии. Толщина соединяемого металла на днище и бортах ? 36 мм. Окончание сварки 2-го и 3-го суперблоков намечено на середину марта 2005 г. После выполнения сварочных работ и контроля полученных соединений в сухом кессоне он будет удален с применением технологии резки под водой экзотермическими электродами.

Соединение 1-го и 2-го суперблоков кессона платформы «Приразломная» с применением вышеописанной технологии намечено на май, а 3-го и 4-го на август 2005 г.

Приведенные примеры использования технологии мокрой механизированной сварки под водой самозащитной порошковой проволокой показывают ее высокую эффективность при ремонте большинства гидротехнических сооружений, находящихся на территории СНГ. Она обеспечивает выполнение строительных и ремонтных работ в сжатые сроки с достаточным качеством даже при наличии волнового воздействия и течения на глубине до 20 м.

Литература
1. Савич И. М. Подводная сварка порошковой проволокой / Автоматическая сварка / 1969. - N 10. С. 70.
2. Kononenko V. Ya., Savich I. M., Maksimov S. Yu. The wet mechanized welding of underwater pipelines with self-shielding flux-cored wires. OMAE - 91 Stavanger, Norvegy - 1991. - Pp. 81 - 86.
3. Кононенко В. Я. Современное состояние подводной сварки и резки / Сварочное производство / 1999. - N 5. - С. 37 - 40.
4. Кононенко В. Я. Технологии подводной сварки и резки. Киев. - Экотехнология. - 2004. - 135 с.
5. Кононенко В. Я., Рыбченков А. Г. Опыт мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками при ремонте под водой газо- и нефтепроводов / Автоматическая сварка / 1994. - N 9-10. - С. 29 - 32.
6. Лебедев В. К., Узилевский Ю. А., Савич И. М., Кононенко В. Я. Анализ возможности отработкой системой саморегулирования характерных возмущений по длине дуги при подводной механизированной сварке / Под ред. А. Е. Асниса // Подводная сварка и резка металлов. - Киев: ИЭС им. Е. О. Патона. - 1980. - С. 10 - 23.