Трубчатые конструкции

Скорость проходки скважин для нефтяной и газовой промышленности зависит от времени демонтажа буровой установки после окончания проходки скважины, транспортировки узлов и монтажа буровой установки на новом месте. В 60-х годах Уралмашзавод начал поставлять нефтяной промышленности страны буровые установки глубиной бурения 3000—4000 м комплектно с основаниями и буровыми вышками.

Вышка ВА 41x125 А-образного типа буровой установки состоит из двух ног и двух подкосов. Каждая нога вышки представляет собой трехгранную ферму, которая состоит из четырех цельносварных секций. Поперечное сечение фермы — равносторонний треугольник со стороной длиной 1800 мм. Стойка фермы выполнена из труб диаметром 140 мм, которые являются несущими элементами вышки. По граням стойки связаны раскосами из труб диаметром 76 мм. Соединения секций фланцевого типа. Оси ветвей нижних секций центрируются в одну точку (шарнир ноги вышки). К верхним секциям вышки шарниром крепится подкрон — блочная рама, выполненная под универсальный кронблок. Для обеспечения жесткости вышки в боковом направлении секции ее ног соединены двумя поясами и двумя парами регулируемых тяг. Для устойчивости вышки в плоскости вращения опорных шарниров предусмотрены два подкоса. Длина каждой секции 10,5—11,1 м. Масса одной секции 1640—2100 кг. Масса вышки с подкронблочной рамой, лестницами и балконами 26 400 кг. Грузоподъемность вышки номинальная 125 т, максимальная 160 т.

Высокие требования к точности и форме изделия, необходимость совпадения монтажных стыков делают невозможным сборку и сварку вышки вне жесткого стенда. При изготовлении должна быть обеспечена прямолинейность ноги вышки — отклонение оси трубы от прямой допускается не более 10 мм на длине 43 мм.

Для изготовления вышки был спроектирован специальный стенд для сборки-сварки и зачистки каждой ноги вышки в отдельности. Стенд состоит из монолитной железобетонной рамы размерами 500 X 2000 X 4300 мм и ряда стоек, установленных на ней.

В железобетонной раме предварительно выведены и залиты металлические закладные части с заранее обработанными платиками и резьбовыми отверстиями в них. На платики закладных частей установлено 18 сварных стоек, которые крепятся к раме болтами и штифтами. На 13 стойках установлены призмы для базирования труб вышки в строго определенном положении.

Трубы вышки фиксируются на 39 призмах и прижимаются клинорычажными механизмами с помощью пневмоцилиндров с поршнем диаметром 200 мм. Усилие на штоке пневмоцилиндра —1200 кгс при давлении в сети сжатого воздуха 4 кгс/см2. Клиновой механизм увеличивает это усилие до 3000 кгс. Механизм обеспечивает принудительный возврат рычага в нерабочее положение. На каждую трубу вышки действует зажимное усилие 10—12 тс. Этих усилий достаточно для удержания труб от смещения под действием сварочных напряжений.

Литая пята вышки центрируется по расточенному отверстию пневматической оправки, кулачки которой разжимаются клином. Оправка имеет два пневмоцилиндра диаметром 180 мм для разжима кулачков и для перемещения оправки. Такая конструкция оправки облегчает съем готового изделия. Шарниры ноги вышки центрируются и зажимаются четырьмя конусными оправками под действием пневмопривода с цилиндром диаметром 200 мм.

На трех стойках для базирования стыков секций вышки и для установки спаренных фланцев предусмотрены откидные консоли-шаблоны, поворачивающиеся в горизонтальной плоскости. Консоли-шаблоны соединяются шарнирами и закрепляются в рабочем положении пружинными фиксаторами, положение отверстия фланцев фиксируется фиксатором. После установки труб и фланцев шаблоны отводятся в стороны и освобождается место для сварщика.

Для удобства и безопасной работы по всему периметру стенда сделаны площадки с ограждениями. Для приварки фланцев нижней трубы в основании стенда предусмотрены специальные приямки.

Управление пневмоцилиндрами осуществляется двухходовыми кранами с трех пультов управления. Каждый кран включает одновременно группу пневмоцилиндров. Сжатый воздух из сети при давлении 4—6 кгс/см2 проходит через влагоотделитель, этим предохраняются рабочие поверхности пневмоцилиндров от коррозии. Воздух к пневмоцилиндрам подводится по трубам, а в труднодоступных местах — по шлангам. Все части пневмо- системы (трубы, шланги, цилиндры) находятся внутри стоек или закрыты площадками, что предохраняет пневмосистему от повреждений и улучшает внешний вид стенда.

Габаритные размеры стенда: ширина 3700 мм, длина 44 200 мм, высота 2775 мм.

Качество деталей, поступающих на сборку в стенде, тщательно проверяют. Превышение допусков, особенно плюсовых, не допускается, так как это может вызвать поломку зажимных устройств стенда. В первую очередь устанавливают все несущие трубы диаметром 140 мм на призмы, выверяют положение в местах соединения основных труб и подгоняют фланцы при помощи консолей-шаблонов. Эту операцию проводят с особой точностью, так как секции вышки должны быть взаимозаменяемы.

Параллельно с этим изготовляют площадки и лестницы, которые устанавливают внутри секции. Только после установки всех лестниц и площадок набирают раскосы из труб диаметром 76 мм по граням секции. После окончания сборки секций перед началом сварки соединения осматривают. Сварка секций ноги вышки ведется полностью в стенде в зажатом состоянии во всех пространственных положениях.

По окончании сварки секций их освобождают от всех гидро-прижимов и производят контроль прямолинейности оси и геометрических размеров каждой секции в отдельности. Затем секции вышки мостовыми кранами снимают со стенда, зачищают и отправляют на покраску.

Применение механизированного стенда для сборки вышек позволило резко повысить производительность сборщиков. Использование пневматики для зажима деталей вместо винтовых или клиновых прижимов значительно сократило продолжительность сборки и облегчило труд работающих. Впервые в практике проектирования сборочных стендов на заводе применена не сплошная металлическая рама, а железобетонная, что дало возможность ускорить монтаж стенда и снизить его стоимость, а также сэкономить большое количество металла.

Предъявляемые к конструкции требования на прямолинейность оси ноги вышки выполняются благодаря сборке и сварке всей ноги вышки в одном стенде. Сварка же секций в жестком состоянии исключает возможность коробления.

Аналогичным способом изготовляют четырехгранные вышки новых буровых установок Уралмашзавода. Унификация секций вышки позволила отказаться от стенда для всей ноги вышки и ограничиться стендом для сборки секций. Стабильность качества изготовления отдельных секций обеспечивает их взаимозаменяемость.

Рассмотренный принцип изготовления вышек буровых установок применяют при изготовлении других изделий тяжелого машиностроения подобного типа: стрел шагающих экскаваторов, перегружателей и отвалообразователей горных машин и др.

В БЦСМК Уралмашзавода специализированный участок для цилиндрических изделий имеет площадь — 4 тыс. м . На участке производится разнообразная продукция. Здесь изготовляют сосуды, подведомственные Госгортехнадзору, с рабочим давлением 64 кгс/см2 и выше, барабаны шаровых и трубчатых мельниц, стрелы шагающих экскаваторов, питатели к шаровым мельницам, цилиндрические изделия к агломерационному, прокатному, прессовому и другому оборудованию.

При изготовлении цилиндрических изделий одной из основных операций является гибка обечаек на листогибочных трех- и четырехвалковых машинах. На трехвалковых машинах невозможно получить изгиб листа до самой кромки, поэтому у завальцованной обечайки в месте стыка кромок получается резкий перегиб. Для его устранения у листа, подлежащего вальцовке, кромки предварительно подгибают на прессе. Подгибка кромок может быть сделана и на этой же машине с применением подкладного листа. Подкладной лист изготовляют из листа толщиной 25—40 мм, согнутого по радиусу на 10—17% меньше заданного. На четырех- валковых машинах по сравнению с трехвалковыми можно значительно уменьшить величину незавальцованной части.

При гибке металла в холодном состоянии отношение радиуса изгиба к толщине металла должно быть 20, при меньшем отношении гибку металла рекомендуется вести в горячем состоянии. На заводах тяжелого машиностроения применяют трех- и четырехвалковые листогибочные машины.

Для гибки обечаек стальной лист пропускают в валках попеременным вращением их в противоположных направлениях до полного сведения концов листа и получения обечайки. Этот процесс можно ускорить, если концы листа соединить после первых пропусков через вальцы прихватками электросваркой. Во избежание поломки валков прихватки нужно срубать заподлицо с основным металлом. Обечайку с прихватками можно быстро завальцевать непрерывным вращением валков в одну сторону, при этом исключается ее перегиб на стыке.

На четырехвалковых машинах возможна гибка конических обечаек. Для этого валки разводятся на размер, больший чем толщина листа. Лист заводится так, чтобы образующая конуса совпадала с осями верхнего и нижнего валков, а больший радиус заготовки обечайки располагался в сторону откидной головки листогибочной машины. После этого лист прижимается нижним валком к верхнему валку. Боковой левый валок при подаче заготовки справа устанавливается под углом для подгибки меньшего радиуса обечайки. Гибка листа производится от кромки до кромки. После остановки машины делается подгибка второй кромки другим боковым валком с соответствующей установкой его под углом, как и первого. Для хорошей обкатки конической обечайки ее малый диаметр должен быть примерно в 2 раза больше диаметра верхнего валка и конусность меньше 60°.

Гибку заготовок с криволинейным очертанием следует производить до окончательной вырезки их из листа. Кислородную резку таких деталей после разметки нужно выполнять участками длиной до 600—700 мм, между которыми оставлять перемычки длиной 50—70 мм. Эти перемычки разрезают только после окончательной гибки детали.

При стыковке обечаек перекос продольного шва относительно оси цилиндрической части обечайки допускается с 2 мм на 1 м длины.

При сборке обечаек в корпус, а также при сборке днищ с корпусом продольные швы смежных обечаек должны быть смещены по отношению друг к другу на величину трехкратной толщины наиболее толстого элемента, но не менее 100 мм между осями швов. Сборка отдельных обечаек под сварку корпуса и сборка днищ с корпусом должны выполняться особенно тщательно.

Для участка цилиндрических изделий разработаны и изготовлены установки автоматической сварки прямолинейных и круговых швов. 

Установка для автоматической сварки прямолинейных продольных внутренних и наружных швов обечаек в углекислом газе состоит из тележки с роликовыми опорами, площадки сварщика и подъемной консоли с приводом. Тележка с роликовыми опорами перемещается по рельсовому пути от собственного привода.

Механизм передвижения тележки, состоящий из электродвигателя, коробки скоростей, цилиндрического редуктора, колодочного тормоза и цилиндрической передачи, позволяет дистанционно переключать скорости.

Роликовые опоры — приводные и неприводные — закреплены на раме тележки и имеют по два ряда роликов. Внутренние ряды роликов служат для установки обечаек диаметром <1200 мм, а наружные — для обечаек большого диаметра. Роликовые опоры имеют маршевую и установочную скорости.

Между роликовыми опорами по всей их длине установлена флюсовая подушка, представляющая собой желоб с уложенным в нем рукавом из прорезиненной ткани. Рукав защищается чехлом из парусины и асбеста, на который насыпается флюс. При сварке флюс поджимается к изделию сжатым воздухом, подаваемым в рукав.

Площадка сварщика служит для подъема, опускания сварщика и сварочной аппаратуры при наружной сварке продольных швов. Она подвешена на двух втулочно-роликовых цепях (с противовесом) и перемещается от отдельного привода. Механизм подъема площадки состоит из электродвигателя, червячного и цилиндрического редукторов и тормоза.

Назначение подъемной консоли — подъем и опускание сварочного аппарата к шву свариваемой обечайки. Консоль имеет собственный привод и уравновешена противовесом. При сварке консоль входит внутрь обечайки. Наружные швы обечаек свариваются полуавтоматом А-537, установленным на площадке сварщика, а внутренние швы — автоматом АДПГ-500, установленным на подъемной консоли.

Оба аппарата модернизированы. Модернизация автомата АДПГ-500 заключается в том, что сняты привод, двигатель и редуктор и установлена газоэлектрическая горелка машинного типа для сварки в углекислом газе; барабан с электродной проволокой перенесен на противоположный конец консоли.

Автомат установлен неподвижно на консоли. Под консолью имеется специальная пружина, обеспечивающая равномерное прижатие сварочной горелки к обечайке. Консоль также имеет специальное устройство, с помощью которого автомат поворачивается в пределах ±20° вертикальной плоскости.

Модернизация полуавтомата А-537 заключается в том, что ручная горелка заменена газоэлектрической горелкой машинного типа, установлен штатив, благодаря которому горелка получила возможность перемещаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях на 180° С.

Установка управляется с трех пультов, расположенных на тележке и площадке сварщика.

Сварка обечаек на установке производится следующим образом. На роликоопоры тележки, отведенной в крайнее правое положение, краном устанавливается предварительно свальцованная обечайка, имеющая необходимое число прихваток по стыку. Первоначально в обечайке сваривается внутренний шов на флюсовой подушке. Максимальное усилие, с которым флюсовая подушка поджимается к обечайке, равно 700 кгс. Чтобы избежать поднятия обечайки флюсовой подушкой с роликовых опор тележки, обечайка небольшой массы крепится к тележке цепями со специальным прижимным приспособлением. После сварки флюсовая подушка отводится от обечайки, а тележка — от подъемной консоли. С помощью привода роликоопор обечайка поворачивается в удобное положение для зачистки шва, шлака и брызг с наружной стороны.

При сварке наружного шва обечайки ее поворачивают стыком вверх под мундштук полуавтомата А-537. Площадка для сварщика устанавливается по высоте над обечайкой так, чтобы расстояние между нею и электродом было 15—25 мм.

Сварка наружного шва выполняется так же, как и внутреннего. При сварке больших толщин, когда за один проход автомата невозможно заполнить всю разделку, применяют многопроходные швы. При выполнении первого слоя шва стремятся к максимально возможной глубине проплавления притупления. Последующими слоями заполняется вся разделка. После окончания сварки площадка сварщика поднимается в крайнее верхнее положение, обечайка снимается с роликоопор краном.

Вторая установка спроектирована для выполнения круговых и продольных швов в изделиях цилиндрической формы диаметром 500—5000 мм. Установка состоит из портала и роликового стенда для укладки обечаек и вращения их при сварке круговых швов.

Портал состоит из сварного корпуса с электроприводом, подвижной площадки с электроприводом и направляющей балкой, сварочной головки и пультов управления. Портал перемещается по рельсовому пути над роликовым стендом с обечайками.

Сварочную головку устанавливают в зону сварки подъемом или опусканием подвижной площадки или перемещением направляющей балки в вертикальном или горизонтальном направлениях с помощью винтового механизма. При сварке наружных продольных швов сварочная головка перемещается по направляющей балке, а при сварке круговых швов обечайка поворачивается на роликовом стенде.

Процессом электросварки управляют с пульта, установленного на подвижной площадке, или с пульта сварочной головки. Сварщик во время работы находится на подвижной площадке.

Роликовый стенд установки состоит из двух опорных рам, холостых и приводных роликовых опор, тележки с подъемным столом и флюсовой подушки. Каждая опорная рама собрана из отдельных секций. Для крепления роликовых опор на рамах имеются овальные отверстия с шагом 260 мм. При таком расположении отверстий роликовые опоры можно быстро перестроить ближе друг к другу или раздвинуть в зависимости от длины укладываемых обечаек. Холостые роликовые опоры служат для поддерживания и центрирования обечаек и их вращения. На расстоянии 495 мм от основания стойки роликовой опоры на оси шарниром соединено коромысло с роликами, покрытыми резиной.

Коромысло можно закрепить горизонтально специальным фиксатором. Без фиксатора ролики сами устанавливаются под действием обечайки диаметром 500—1300 мм, а на свободно устанавливающиеся — обечайки диаметром 1300—5000 мм. При такой конструкции роликовые опоры не требуется переставлять по ширине стенда для установки обечаек различных диаметров.

На стенде предусмотрено применение холостых роликовых опор двух типов с постоянной и регулируемой высотой оси коромысла роликов. Приведенные роликовые опоры 5 служат для вращения обечаек при сварке.

Управление электродвигателями приводных роликовых опор на каждом участке — от своей кнопочной станции. Управление роликовыми опорами можно переключать на любую кнопочную станцию и работать сразу на всем стенде при изготовлении изделий длиной до 24 м. Для работы на установке опорные ролики настраиваются на диаметр обечайки.

Установленные на роликоопоры обечайки стыкуют и прихватывают электросваркой. Затем сваривают наружные продольные швы обечаек, для чего обечайку повертывают приводными роликами разделкой вверх. Портал с поднятым над изделием балконом располагается над швом. С помощью направляющей балки портала мундштук сварочного аппарата устанавливается над швом. После выполнения всех настроечных операций производят сварку под флюсом при движении сварочного аппарата АБС со сварочной скоростью по направляющей балке.

Наружные круговые соединения сваривают при неподвижном сварочном аппарате и вращении изделия со сварочной скоростью на роликовом стенде.