ITTO990258A1 - Procedimento perfezionato di esecuzione della prima passata, opassata di radice, nella saldatura orbitale di tubi di piccolo, medio - Google Patents
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Description
Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo:
"Procedimento perfezionato di esecuzione della prima passata, o passata di radice, nella saldatura orbitale di tubi di piccolo, medio e grande diametro"
La presente invenzione si riferisce ai procedimenti di saldatura orbitale di tubi di piccolo, medio e grande diametro, in particolare tubi per oleodotti, gasdotti e condotte pressurizzate in genere.
Più precisamente l'invenzione si riferisce all'esecuzione perfezionata della prima passata, o passata di radice, nei suddetti procedimenti di saldatura orbitale.
Come è ben noto ai tecnici del ramo la posa di condotte formate da tubi di piccolo, medio e grande diametro avviene realizzando la condotta mediante saldatura in campo di successivi spezzoni di tubo via via giustapposti, reciprocamente saldati, nastrati ed eventualmente interrati o affondati. La saldatura è eseguita in passate successive da carrelli recanti una o più torce di saldatura, i quali orbitano intorno al tubo guidati da una rotaia fissa che circonda l'estremità dello spezzone terminale di tubo al quale è resa di volta in volta solidale e che reca una cremagliera laterale con la quale ingrana un pignone motore per muovere il carrello con una volocità Vx di avanzamento, coincidente con la velocità di saldatura.
Le testate degli spezzoni di tubo da collegare vengono preventivamente sottoposte a lavorazione meccanica per ricavare su esse profili o biselli che, dopo l'accostamento dei tubi, formano un cianfrino dalla cui forma dipendono molto criticamente diversi parametri di saldatura nonché le modalità della saldatura stessa.
Tipicamente tali parametri di saldatura sono costituiti dalla suddetta velocità Vx di scorrimento del carrello orbitante sulla rispettiva rotaia di guida, dalla velocità Vf di alimentazione del filo di saldatura alla rispettiva torcia di saldatura e dalla tensione elettrica V di saldatura. Essi variano durante il processo di saldatura - come meglio risulterà nel seguito - in particolare al variare della posizione angolare del carrello in rapporto al tubo, a causa dell'azione che la gravità esercita sul bagno di saldatura, e conseguentemente al variare della penetrazione sul fondo del cianfrino.
Inoltre, la corretta esecuzione della saldatura cosidetta di prima passata, o di radice, dipende, oltreché dalla regolazione dei parametri di saldatura, dalla natura e dalla configurazione del fondo del cianfrino.
Allo scopo di ottenere con un procedimento automatico orbitale, cordoni di saldatura di prima passata sostanzialmente privi di discontinuità sia verso l'esterno che verso l'interno del tubo e con velocità di saldatura medio alte e produttivamente convenienti, è noto di realizzare cianfrini a fondo chiuso o a fondo aperto - lasciando nel secondo caso una luce di circa 1,5 mm tra le testate dei tubi giustapposti - e di sostenere in ogni caso il bagno di saldatura di prima passata dal lato opposto a quello di esecuzione con pattini espandibili, portati da un organo accoppiatore, i quali vengono accostati alla superficie interna dei tubi, per intercettare e sostenere il bagno di saldatura.
E' anche noto di eseguire una cosidetta passata di sostegno all'interno dei detti tubi con l'impiego di speciali mezzi accoppiatori saldanti.
Più precisamente le tecniche note per l'esecuzione della saldatura di prima passata sono sostanzialmente le seguenti: prima tecnica nota: esecuzione della prima passata dall'esterno con predisposizione di cianfrini aperti o chiusi e con l'impiego di mezzi di sostegno interno del bagno di saldatura; seconda tecnica nota: esecuzione della prima passata dall'esterno con predisposizione di cianfrini aperti ma senza sostegno alcuno del bagno di saldatura; terza tecnica nota: esecuzione di una passata interna cosidetta di sostegno.
La prima tecnica si avvale sostanzialmente di pattini di due diversi tipi: quelli metallici e quelli di materiale inerte. I primi, tipicamente di rame, contribuiscono con la loro elevata conducibilità termica a disperdere rapidamente il calore e quindi alla rapida solidificazione del bagno di saldatura consentendo corrispendenti elevate velocità di passata, tìpicamente comprese tra 60 e 95 cm/minuto primo. Presentano però l'inconveniente di inquinare, spesso in modo inaccettabile, il bagno di saldatura con percentuali di rame che l'arco di saldatura stacca dalla superficie del pattino sottostante coinvolgendolo nel processo di saldatura. Tali percentuali, anche se modeste, generano con il metallo del bagno di saldatura, leghe diverse a struttura microcristallina discontìnua, caratterizzata dalla presenza di un'inclusione microcapillare e intergranulare del rame, e di microfratture originate dal ritiro del metallo non omogeneo in fase di raffreddamento .
Di conseguenza il cordone di saldatura di prima passata non risulta del tutto soddisfacente, sia sotto il profilo della resistenza meccanica, che sotto quelli della continuità superficiale, della uniformità di distribuzione e della resistenza ad eventuali elementi e agenti corrosivi.
I pattini di materiale inerte, tìpicamente ceramico, eliminano l'inconveniente dell'inquinamento del bagno di saldatura, ma a prezzo di una drastica riduzione della velocità della prima passata che scende a valori di circa 35-45 cm/minuto primo. Ciò a causa della ridotta conducibilità termica del materiale ceramico che non è in grado di smaltire rapidamente il calore del bagno di saldatura accelerandone la solidificazione. Inoltre nei casi in cui manca la continuità del processo, l'arco di saldatura ha la tendenza a colpire direttamente la superficie dei pattini ed a formare piccoli crateri superficiali sugli stessi i quali sono perciò soggetti a rapida usura e richiedono frequenti interventi di manutenzione e sostituzione.
La seconda tecnica nota di esecuzione di prima passata di saldatura , impiegante cianfrini a fondo aperto con luce di circa 1,5 mm ma in totale assenza di mezzi di sostegno del bagno di saldatura, presenta elevati rischi di discontinuità e irregolarità della passata eseguita, con vistosi difetti dovuti ad eccesso di penetrazione, fori, oppure incompleta penetrazione ed altri rilevanti difetti tipici non completamente eliminabili ed assolutamente inaccettabili. Inoltre tale tecnica nota comporta una velocità di esecuzione della passata molto limitata, non superiore a 25-35 cm/minuto primo con una conseguente bassissima produttività di lavoro .
Secondo questa tecnica nota inoltre, la luce tra le testate dei tubi giustapposti, stabilita in fase di messa a punto dei parametri del procedimento di saldatura, risulta in assoluto il fattore di maggior rilevanza per la corretta esecuzione della saldatura di prima passata. La tolleranza di questo parametro è molto limitata in quanto su di esso si basa la corretta penetrazione dell’arco e del bagno di saldatura. Ciò rappresenta un altro svantaggio ed un vistoso limite di questa tecnica nota in quanto qualunque sia il mezzo accoppiatore utilizzato per il sostegno de tubi in relazione di mutua giustapposizione , vi è una estrema difficoltà, durante le operazioni di saldatura, a contenere l detta luce nelle tolleranze prestabilite, sia a causa dei facili movimenti reciproci dei tubi accoppiati, sia per effetto del ritiro termico dei tubi stessi durante la stessa operazione di saldatura. Tale tecnica non ha perciò avuto il successo sperato e manifesta in particolare i suoi limiti nell'arco di giunzione compreso fra zero e 45° dove si osserva frequentemente l'eccesso di penetrazione con buchi, crateri e gocce; mentre nelle successive posizioni angolari comprese fra 45 e 135° sono più frequenti fenomeni di mancanza di penetrazione e nella zona compresa fra 135 e 180° sono sempre presenti vistosi insellamenti dovuti all'azione della gravità sul materiale fuso oltre ai buchi dovuti ad eccesso di penetrazione.
La terza tecnica nota è stata sviluppata nell'intento di ovviare agli inconvenienti tipici di entrambi i suddetti tipi di pattini impiegati per il sostegno del bagno di saldatura nella tecnica nota del primo tipo e al tempo stesso con lo scopo di mantenere elevate velocità di esecuzione della saldatura di prima passata. A tale scopo, come si è più sopra accennato, si procede, secondo tale terza tecnica nota, all'esecuzione di una leggera passata di sostegno del bagno di saldatura all'intemo del tubo mediante torce di saldatura applicate all'organo accoppiatore.
Con questa modalità di esecuzione si raggiungono effettivamente velocità di saldatura elevate comprese tra 90-120 cm/minuto primo, ma il procedimento non ha avuto i risultati sperati sia in termini economici che tecnici dato che richiede l'impiego dì organi accoppiatori estremamente complessi e costosi provvisti di torce saldanti con porta torce mobili dotate di tutti i mezzi atti a renderle idonee ad orbitare, comandate dall’esterno, sulla superficie interna del tubo. Inoltre con tale sistema, data l'impossibilità di operare nei pressi della zona di saldatura e controllare quindi le operazioni di saldatura durante l'esecuzione della stessa, è assolutamente necessaria, prima di ogni passata, una perfetta messa a punto ed una minuziosa manutenzione degli organi di saldatura allo scopo di evitare errori di funzionamento e conseguenti difetti di saldatura. Inoltre nel caso di mancato funzionamento è assolutamente necessario rimuovere l'accoppiatore dalla posizione operativa ed intervenire all'interno del tubo con un processo manuale di saldatura per riparare o ripristinare, prima dell'esecuzione delle successive passate, il cordone di prima passata interna incompleto o difettoso. Tali operazioni, tutt'altro che infrequenti, rallentano la produttività in percentuale rilevante vanificando così il vantaggio derivante dalla velocità di esecuzione della prima passata.
La presente invenzione, partendo dalla nozione degli inconvenienti sopra lamentati è diretta ad eliminarli e, nell'ambito di questa finalità generale, ha l'importante e particolare scopo di realizzare un procedimento di saldatura orbitale perfezionato nel quale la saldatura di prima passata viene eseguita dall'esterno del tubo con un cianfrino chiuso ma senza alcun, sostegno del bagno di saldatura e ad una velocità sostanziale, comunque superiore a 45 cm/minuto primo.
Vengono così eliminati i suddetti pattini di sostegno sia metallici che ceramici e, da un lato, la velocità di passata viene mantenuta elevata ma in totale assenza di tracce metalliche inquinanti nel bagno di saldatura, da un altro lato vengono a potersi utilizzare accoppiatori interni standard, funzionalmente e strutturalmente conosciuti, di semplice ed economica costruzione privi non solo dei suddetti pattini e dei relativi organi di movimento, ma ugualmente privi di mezzi mobili di sostegno per torce di saldatura orbitanti all'interno del tubo con i relativi organi di controllo.
Un altro importante scopo della presente invenzione è quello di provvedere un procedimento di saldatura orbitale di prima passata senza sostegno nel quale venga facilitato sensibilmente il posizionamento reciproco degli spezzoni di tubo grazie all'eliminazione della luce di fondo del cianfrino e quindi alla possibilità di disporre detti spezzoni l'uno in battuta sull'altro.
Secondo la presente invenzione si conseguono i suddetti importanti scopi ed altri che risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue, con un procedimento perfezionato di saldatura orbitale avente le caratteristiche specifiche di cui alle rivendicazioni che seguono.
Sostanzialmente, l'invenzione si basa sul concetto di predisporre profili di semi-cianfrino simmetrici alle estremità giustapposte degli spezzoni di tubo da saldare, aventi rispettive superfici piane di battuta atte ad essere portate in reciproco impegno di contatto frontale per formare un cianfrino a fondo cieco quando detti spezzoni di tubo sono reciprocamente accostati.
Secondo l'invenzione inoltre il fondo cieco del cianfrino è delimitato da due smussi rettilinei inclinati, definenti una svasatura di fondo a profilo sostanzialmente triangolare avente il vertice in corrispondenza del piano di battuta delle dette superfici e raccordantisi con archi di cerchio alle rispettive pareti frontali del cianfrino. In siffatto cianfrino la saldatura di prima passata è eseguita dall'esterno ed in assenza di mezzi di sostegno del bagno di saldatura mediante un filo di saldatura avente un diametro inferiore del 25-5% alla corda massima della detta svasatura di fondo e con un arco di saldatura regolato in modo che la sua lunghezza risulti del 300-1000% maggiore di detta corda massima di svasatura.
Operando come sopra specificato si ottiene - come meglio risulterà dalla descrizione che segue - la saldatura micro- strutturale per fusione delle dette superfici piane in reciproco contatto di battuta con una profondità di saldatura, su ciascuno spezzone di tubo, sostanzialmente pari al 3504450% della corda massima della svasatura di fondo; detta saldatura per fusione essendo integrata dalla formazione di un cordone di riporto di prima passata avente sostanzialmente, in sezione trasversale, il profilo delia detta svasatura di fondo del cianfrino e di parte degli archi di raccordo alle due pareti frontali.
Le caratteristiche, le finalità ed i vantaggi del procedimento di saldatura perfezionato secondo la presente invenzione, risulteranno chiaramente dalla descrizione dettagliata che segue e con riferimento agli allegati disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, nei quali:
- la fig. 1 è la sezione assiale e parziale delle testate di due spezzoni di tubo con i rispettivi profili di semicianfrino secondo l'invenzione,
- la fig. 2 è una sezione assiale parziale simile a fig. 1 mostrante gli spezzoni di tubo giustapposti, il profilo del cianfrino risultante e le modalità di saldatura di prima passata,
- la fig. 3 è un diagramma mostrante l'andamento della temperatura, prodotta dall'arco di saldatura nel metallo degli spezzoni di tubo, in corrispondenza delle superfici di battuta delimitanti il fondo cieco del cianfrino di fig . 2 ,
Con riferimento alla fig. 1, con T e T' sono indicati due spezzoni di tubo di acciaio aventi uguali diametri interno ed esterno e perciò il medesimo spessore S del mantello M, disposti l'uno sul prolungamento dell'altro ed atti ad essere reciprocamente saldati per formare la condotta in costruzione.
Le testate giustapposte di ciascuno spezzone di tubo T-T* sono lavorate secondo profili p-p' di semi- cianfrino, simmetrici rispetto al piano di battuta e giunzione di traccia G ed atti a formare, quando detti spezzoni di tubo sono accostati come mostrato in figura, un cianfrino C di accoglimento delle successive passate di saldatura.
Secondo l'invenzione i profili di semi- cianfrino ρ-ρ' presentano rispettive superfici anulari piane di battuta sp-sp' atte ad essere portate in reciproco impegno di contatto frontale per formare un fondo cieco per il cianfrino C. Tale fondo cieco è delimitato da due smussi rettilinei inclinati SR-SR' definenti una svasatura di fondo SV, a profilo sostanzialmente triangolare, avente il vertice in corrispondenza del detto piano G di battuta ed una corda massima di ampiezza H estendentesi tra le due estremità divergenti degli smussi rettilinei SR-SR'.
Questi ultimi si raccordano alle pareti frontali P-P' del cianfrino C mediante archi di cerchio di raggio r ( f ig .1 ) .
11 procedimento secondo la presente invenzione prevede, per l'esecuzione della saldatura di prima passata, le seguenti fasi operative :
- predisposizione del cianfrino C a fondo cieco mediante l'accostamento di due spezzoni T-T' con semi-profili p-p' simmetrici giustapposti in reciproco impegno di contatto in corrispondenza delle rispettive superfici anulari di battuta sp-sp' le quali presentano uno spessore s=s' maggiore del 25 j-35% della corda massima H della svasatura di fondo SV, essendo:
s = s' = 1,25 7 130 H, -impiego di una o più torce di saldatura alimentate con filo di saldatura Fs avente un diametro "d" inferiore del 25^-5% alla lunghezza della corda massima H della svasatura di fondo SV; essendo d = 0,75 ÷ 0,95 H,
- formazione di un arco di saldatura di lunghezza controllata limitando la distanza h tra l'estremità del filo di saldatura Fs ed il vertice della detta svasatura di fondo SV ad un valore compreso tra il 300 ed il 1000% della lunghezza di detta corda massima; essendo h = 3 7 10 H .
Operando con le modalità sopra specificate, la distribuzione della temperatura prodotta dall'arco di saldatura nel materiale delle testate dei tubi T-T' giustapposti presenta l'andamento indicato nel diagramma di fig. 3 dove "tf" rappresenta la temperatura di fusione del metallo dei tubi e "x" la penetrazione della temperatura nella direzione parallela all'asse dei tubi stessi.
Tale diagramma mostra che la penetrazione delle saldature si estende nella zona adiacente alle superfici giustapposte sp-sp' ed in entrambi gli spezzoni T-T' per un tratto x; - x ognuno sostanzialmente pari al 350% - 450% dell'ampiezza della corda H della svasatura di fondo. Si ottiene conseguentemente la saldatura microstrutturale per fusione delle superfici giustapposte sp ed sp' degli spezzoni di tubo interessato al processo di saldatura con penetrazione x = 3,5 τ 4,5 H.
Per un corretto controllo della penetrazione di saldatura è vantaggioso se la, o le torce di saldatura, vengono raffreddate mediante liquido refrigerante, tipicamente acqua.
La saldatura microstrutturale per fusione sopra specificata è poi completata dal riporto di un cordone di saldatura di prima passata avente, sostanzialmente, il profilo della intera svasatura di fondo SV del cianfrino e di parte dei profili ad arco di cerchio che raccordano detta svasatura alle pareti frontali p-p' del cianfrino C; detto cordone essendo rappresentato a tratteggio in fig. 2 e indicato con CS.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di esecuzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato a titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1) - Procedimento di saldatura orbitale di tubi di grande diametro, comprendente una saldatura di prima passata eseguita dall'esterno in assenza di mezzi di sostegno del bagno di saldatura, caratterizzato dal fatto che detta saldatura di prima passata è ottenuta con la seguente successione di fasi operative: - predisporre un cianfrino (C) a fondo cieco mediante accostamento di due spezzoni di tubo (Τ-Ί") aventi semiprofili (ρ-ρ') simmetrici di cianfrino con rispettive superfici anulari di battuta (sp-sp') destinate a formare, per reciproco accostamento in impegno di contatto frontale, il fondo cieco del cianfrino (C); detto fondo cieco essendo delimitato da una svasatura (SV) avente una corda massima di predeterminata ampiezza (H) , - procedere alla prima passata di saldatura con una o più torce di saldatura alimentate con filo di saldatura avente un diametro "d" rapportato alla detta corda massima (H) della svasatura di fondo (SV) del cianfrino (C) , - mantenere, durante detta prima passata di saldatura, l'arco di saldatura ad una lunghezza controllata rapportando la distanza (h) tra l'estremità del filo di saldatura ed il vertice della svasatura di fondo ( SV ) , alla detta corda massima ( H ) della svasatura per limitare corrispondentemente ad un valore prefissato la penetrazione (x) della temperatura di fusione prodotto dall'arco di saldatura nella zona adiacente alle dette superfici anulari piane contrapposte (sp-sp'); detta penetrazione della temperatura producendo una corrispondente saldatura microstrutturale per fusione del mantello di detti spezzoni. 2) - Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le dette superfici anulari di battuta (sp-sp') presentano uno spessore (s) maggiore del 25 -j 35% della detta corda massima (H) della svasatura (SV) del fondo cieco del cianfrino (C). 3) - Procedimento secnodo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il diametro "d" del filo (Fs) alimentato dalla torcia di saldatura è inferiore del 5-^25% della lunghezza della corda massima (H) della svasatura di fondo (SV); essendo d = 095,-; 0,75H. 4) - Procedimento secondo le rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che la lunghezza dell'arco di saldatura è tale per cui la detta distanza (h) tra l'estremità del filo di saldatura ed il vertice della svasatura di fondo (SV) è scelta pari al 300-1000% della lunghezza di detta corda massima (H) della svasatura di fondo; essendo h = 3 τ 10H. 5) - Procedimento secondo le rivendicazioni precedenti, in cui la svasatura (SV) di fondo del cianfrino (C) è formata dalla giustapposizione di tratti rettilinei ed inclinati (SR-SR') provvisti su detti semiprofili (ρ-ρ') simmetrici di cianfrino. 6) - Procedimento secondo le rivendicazioni 1 a 5, caratterizzato dal fatto che detta penetrazione ( x) della temperatura di fusione (tf) è scelta, per entrambi gli spezzoni di tubo giustapposti, pari al 350^450% della lunghezza di detta corda massima (H) della svasatura di fondo. 7) - Procedimento secondo le rivendicazioni precedenti, in cui detta saldatura microstrutturale degli spezzoni di tubo (T-T'J ottenuta per fusione della zona adiacente a dette superfici anulari di battuta (sp-sp') è completata dal riporto di un cordone di saldatura di prima passata (CS) avente sostanzialmente il profilo dell'intera svasatura di fondo (SV) e di parte dei profili ad arco di cerchio che raccordano detta svasatura alle pareti frontali (P-P1) del cianfrino (C) . 8) - Procedimento perfezionato di esecuzione della prima passata, o passata di radice, nella saldatura orbitale di tubi di piccolo, medio e grande diametro, secondo le rivendicazioni precedenti e, sostanzialmente, come descritto ed illustrato
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