Wykonanie wysokojakościowych spoin czołowych obwodowych rur jest jednym z trudniejszych tematów do realizacji dla spawaczy ręcznych. Wytwarzanie rurociągów wiąże się potrzebą transportu z ich wykorzystaniem różnorodnych mediów. Rurociągi wykorzystywane są różnych gałęziach przemysłu głównie do transportu różnych produktów. Wyróżniamy rurociągi przesyłowe transportujące takie media jak woda, gaz, paliwa płynne. Konstrukcje rurowe wykorzystywane są również w przemyśle spożywczym.

Dzięki unijnym dotacjom, w całej Europie i także w Polsce dokonuje się licznych modernizacji infrastruktury w tym drogowej czy kolejowej. Ważnym elementem konstrukcji i instalacji są rurociągi, są one obecne w wielu gałęziach przemysłu, przykładowo w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, spożywczym, farmaceutycznym, w których są stosowane głównie stale nierdzewne, a także w elektrowniach konwencjonalnych i jądrowych, gdzie stosuje się nisko- lub wysokostopowe stale do pracy w przemyśle energetycznym. W ostatnich latach szczególnie dynamicznie zmieniał się rynek gazu, dzięki planom rozbudowy gazociągowych połączeń transgranicznych. Z analiz ekonomicznych wynika, że nie ma tańszej metody transportu takich mediów jak gaz ziemny, ropa naftowa czy płynne paliwa. Szacuje się iż w kolejnych latach segment wytwarzania energii elektrycznej będzie głównym czynnikiem wzrostu popytu na gaz [1]. Popyt w coraz większym stopniu będzie zaspokajany importem. Ponadto wdrożenie programów mających na celu redukcję zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery takich jak program „Czyste powietrze” sprzyja większemu zastosowaniu gazu ziemnego czego efektem ma być redukcja emisji gazów cieplarnianych

z produkowanej energii. Do dnia 21.05.2021 kwota z dofinansowania z programu „Czyste powietrze” wyniosła 4 431 330 885 zł. Ponad 60% elektrowni węglowych w Europie jest w 2 fazie cyklu życia, podobna sytuacja dotyczy rynku polskiego. Struktura wiekowa elektrowni, a także informacje dotyczące planowanych inwestycji jednoznacznie wskazują, że gaz ziemny będzie zajmował ważne miejsce w nowych inwestycjach na kolejne lata. W związku z rosnącym zapotrzebowaniem na surowce przesyłane za pomocą rurociągów, niezbędne jest zastosowanie spawalniczych technologii łączenia, w tym spawania orbitalnego. Ważnym zagadnieniem w przypadku łączenia rurociągów jest również zachowanie odpowiednich parametrów użytkowych transportowanego medium, takich jak temperatura, ciśnienie, czy strumień objętości.

Dobrze zaprojektowany rurociąg powinien spełniać następujące wymagania:

• odpowiednia szczelność w zakresie ciśnienia przewidzianego w procesie technologicznym;
• niewielkie opory ruchu transportowanego medium;
• zapewnienie kontroli parametrów transportowanego produktu;
• umożliwienie zamknięcia dowolnej sekcji rurociągu w celu likwidacji ewentualnych uszkodzeń;
• nie dopuścić do skażenia transportowanych mediów;
• zapewnienie pełnego bezpieczeństwa obsługi w instalacjach
  wysokociśnieniowych transportujących substancje szkodliwe lub gorące ;
• zachowanie pełnej zdolności eksploatacyjnej przez odpowiednio długi czas.

Powyższe wymagania pokazują złożoność problemów, jakie muszą być rozwiązane przy projektowaniu i wykonywaniu instalacji rurociągów.

Rurociągi technologiczne muszą spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące specyfikacji technicznej. W zależności od materiałów transportowanych, konstrukcje te możemy podzielić na:

• rurociągi technologiczne przeznaczone do pracy pod ciśnieniem wyższym niż 0,5 bar, którymi transportowane są materiały niebezpieczne cechujące się trującym, żrącym lub palnym wpływem na środowisko. Do mediów tych zaliczyć można gazy sprężone, skroplone i rozpuszczone pod ciśnieniem oraz różne ciecze;
• rurociągi pary łączące kocioł z turbogeneratorem. Należą do nich układy transportujące parę i dzielimy je na rurociągi w bloku energetycznym i rurociągi w układzie kolektorowym;
• rurociągi przemysłowe do transportowania płynów na lądzie i w wodzie;
• rurociągi i kolektory stosowane w przemyśle wydobywczym nafty i gazu;
• rurociągi na morskich platformach wiertniczych;
• rurociągi do przesyłania materiałów radioaktywnych [2].

Przy projektowaniu rurociągu szczególną uwagę należy zwrócić na bezpieczeństwo ich użytkowania. Należy także uwzględnić jakim obciążeniom będzie poddawana konstrukcja w trakcie użytkowania. Szczególną uwagę należy skupić na:

• ciśnieniu zewnętrznym i wewnętrznym;
• temperaturze transportowanego medium;
• obciążeniach występujących w trakcie eksploatacji, spowodowanych siłami natury;
• korozję;
• zmęczenie;
• pełzanie;
• erozję.

Etap projektowania konstrukcji rurociągu musi wyeliminować ryzyko powstania nadmiernie wysokich naprężeń. Należy uwzględnić potencjalne uszkodzenia, ryzyko zmęczenia materiału. Rurociągi narażone są na zużycie erozyjne czyli cykliczne oddziaływanie na powierzchnię przedmiotu strugi cieczy lub gazu pod ciśnieniem. Ścianki konstrukcji powinny być wykonane z materiałów zapewniających ochronę przed korozją, a także szkodliwym działaniem związków chemicznych. Konstrukcje te powinny być tak zaprojektowane, aby zminimalizować ryzyko ścierania ścianek, a jeżeli już do tego dojdzie, należy zapewnić szybką wymianę uszkodzonej sekcji [2].

Wytwarzający konstrukcję rurociągową powinien zapewnić kompetentną realizację etapu projektowania układu, stosując technologie i procedury określone na etapie projektowania. Przycinanie, ukosowanie i obróbka plastyczna na zimno nie powinny być przyczyną pęknięć, uszkodzeń lub zmniejszenia własności wytrzymałościowej konstrukcji. Złącza spawane, a także strefy bezpośrednio do nich przylegające nie mogą posiadać żadnych wad, niezgodności, zarówno powierzchniowych, jak i wewnętrznych. Ponadto złącze powinno się cechować własnościami mechanicznymi co najmniej takimi, jak materiał łączony, o ile projektant nie przewidział inaczej. Spoiny poddane działaniu wysokiego ciśnienia mogą zostać wykonane jedynie przez wykwalifikowany personel, zgodnie z instrukcjami technologicznymi. Złącza rurowe można wykonywać jako złącza obwodowe bądź wzdłużne [3]. Konstrukcje rurowe, w tym rurociągi, są spawane przy wykorzystaniu różnych metod, wśród których należy wymienić:

• spawanie elektrodą otuloną (MMA);
• spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu ( MIG/MAG);
• spawanie drutem proszkowym w osłonie gazu lub samoosłonowym (FCAW);
• spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazu obojętnego (TIG).

Zazwyczaj warstwę przetopową wykonuje się z zastosowaniem metody TIG, natomiast warstwy wypełniające metodami MMA, FCAW lub MIG/MAG. Dobre efekty przy spawaniu konstrukcji rurowych daje zastosowaniu podwójnego łuku pulsującego przy spawaniu metodą MAG. Zastosowanie łuku pulsującego umożliwia:

• ograniczenie odkształceń spawalniczych;
• monitorowanie ilości ciepła, wprowadzonego do złącza;
• uzyskanie poprawnego przetopu;
• kontrolę jeziorka spawalniczego;
• ograniczenie emisji dymów i pyłów spawalniczych [4].

Wykonywanie połączeń z zastosowaniem kombinacji metod TIG+MMA oraz TIG+MAG pozwala uzyskać wysoką ich jakość, szczególnie w przypadku stali energetycznych. Problem stanowi jednak wydajność procesu ze względu na ręczny charakter prowadzonych prac, szczególnie metodami TIG i MMA. Jednym
z czynników, powodujących wydłużenie czasu trwania operacji spawalniczych jest także proces usuwania żużla i odprysków.

Odmianą spawania łukowego rurociągów stalowych z podwyższoną wydajnością jest spawanie orbitalne. Zmechanizowane spawanie orbitalne rur znane jest od 1960 roku. Proces ten polega na spawaniu elementów cylindrycznych. Najczęściej głowica, w której zamocowana jest elektroda wolframowa porusza się po obwodzie elementu. Łuk jarzy się między elektrodą a spawanym detalem tworząc spoinę. Początkowo technologia ta była stosowana w branży lotniczej i kosmicznej. W latach 80 ubiegłego wieku spawanie orbitalne znalazło szersze zastosowanie w innych gałęziach przemysłu. Proces jest zautomatyzowany, parametry technologiczne są regulowane przez sterownik w trakcie trwania całego procesu. Dostępne na rynku nowoczesne źródła spawalnicze zapewniają kontrolę parametrów spawania oraz ich archiwizowanie w celu ponownego wykorzystania bądź sprawdzenia. Spawanie orbitalne jest procesem, w którym stosowane są dwie metody spawania: TIG i MIG/MAG. Metoda MIG/MAG stosowana jest przy spawaniu orbitalnym w wariancie z wahadłowym ruchem końca elektrody. Metoda TIG wykorzystywana jest zazwyczaj do łączenia konstrukcji o niewielkich przekrojach, a także do wytworzenia warstwy przetopowej w złączu.

Literatura

1. Materiały PGNIG, 2011.
2. Warunki Urzędu Dozoru Technicznego. Urządzenia ciśnieniowe. Rurociągi technologiczne. Urząd Dozoru Technicznego, 2003.
3. Welded Steel Pipe, Design Manual, materiały American Iron and Steel Institute, 2007.
4. Urzynicok M., Kwieciński K., Jachym R.: Doświadczenia przy wykonywaniu doczołowych połączeń spawanych rur ze stali P92 (X10CrWMoVNb9-2) przy użyciu metody MAG 91350. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2011, nr 2, s 31-34.

Źródło: TÜV Thüringen Polska Sp. z o.o.