Сварка высокопрочных труб


Краткое содержание
Сегодня существует множество методов сварки высокопрочных труб в полевых условиях, и лишь полное понимание всех этих процессов позволит выполнить все требования по качеству и производительности сварки. В этой статье мы обсудим несколько процессов и уделим особое внимание процессам сварки электродами с покрытием целлюлозного типа в защитном газе (SMAW) и самозащитной порошковой проволокой.

Введение
Сегодня при строительстве магистральных трубопроводов инженерам приходится преодолевать множество проблем: более высокое рабочее давление, кислые среды, тяжелые условия окружающей среды, все более строгие нормативные кодексы, вопросы защиты окружающей среды и особенности новых высокопрочных марок стали. Все эти требования нужно балансировать с необходимостью придерживаться бюджета и сроков проекта и при этом выполнить все применимые требования к качеству. Хорошее знание процессов сварки поможет подрядчику выполнить все эти задачи. Также это знание поможет инженеру по спецификациям понять, что конструкторские и нормативные требования можно выполнить сразу несколькими способами, которые не обязательно связаны с большими затратами.

Сегодня для сварки магистральных трубопроводов используется несколько процессов и их сочетаний. Сюда входит ручная дуговая сварка покрытым электродом (процесс SMAW), сварка самозащитной порошковой проволокой (FCAW-S) и сварка стальным электродом в газовой среде (GMAW). В случае GMAW также нужно учитывать метод переноса металла – короткой дугой, контролируемой короткой дугой (как в случае режима металла силами поверхностного натяжения, Surface Tension Transfer®), струйным и крупнокапельным методом. В этой статье мы уделим особое внимание тем процессам, которые обеспечивают наиболее высокое качество и производительность сварки в полевых условиях при минимальных затратах.


Обзор сталей для трубопроводов

Современные трубные стали имеют более высокую прочность, чем когда-либо до этого. Они разрабатываются специально с учетом потребностей сварки. Две самые распространенные марки стали для нефтегазовых магистральных трубопроводов соответствуют API 5LX или иным подобным стандартам.

 

                 Таблица 1. Классы прочности по стандарту API 5L

 

X42

X46

X52

X56

 X60

 X65

 X70

 X80

 Прочность на разрыв (килофунтов/кв. дюйм)

 60

63

 66

71

75

77

82

90-120

 Предел текучести (килофунтов/кв. дюйм)

 42

46

52

56

60

65

70

80

 


Прочность стали можно повысить несколькими способами – в том числе добавлением дополнительных химических элементов, микролегированием и холодным вытягиванием труб при изготовлении на трубном заводе. В случае высокопрочных марок стали часто используется холодное вытягивание и микролегирование, которые позволяют сохранить низкое содержание углерода и марганца и тем самым снизить твердость материала в зоне теплового воздействия и сократить – хотя и не устранить полностью – проблемы, связанные с диффузионным водородом в металле наплавления. Например, современные стали классов прочности X70 и X80 имеют содержание углерода менее 0,05%. Некоторые марки стали класса X80 при этом имеют значение Pcm менее 0,20.


Процессы сварки
Очевидно, что первым этапом сварки труб является коревой проход. По нескольким причинам его можно назвать и самым важным. Во-первых, этот проход – самый сложный в исполнении. Он требует от оператора большого опыта работы с ручной сваркой, точного контроля процесса сварки и положения горелки. Автоматические процессы требуют от сварщиков высоких технических навыков и применения совершенных вспомогательных и позиционирующих систем. На сегодняшний день предпочтительным процессом автоматической сварки является сварка металлическим электродом в среде защитного газа (GMAW), которая обычно используется с применением внутреннего медного опорного кольца или, в случае достаточно большого диаметра трубы, внутренней системы сварки. Оба этих метода еще больше усложняют процесс сварки и накладывают определенные ограничения на применение традиционных методов переноса металла в режиме GMAW.

В случае опорных колец возникает риск чрезмерного накопления меди в корневом валике. В случае внутренних систем сварки труба должна иметь определенный минимальный диаметр, ниже которого использование системы будет непрактичным. В идеале процесс сварки должен допускать сварку корневых швов без опорных колец и внутренних систем сварки, образовывать корневой шов из достаточно прочного материала и наплавление достаточного объема для создания шва нужной толщины. Также этот шов должен быть лишен внутреннего подрезания и пористости, иметь достаточное сплавление и высокие механические свойства.

Говоря о корневой сварке, также нужно помнить о скорости сварки. Скорость прокладки трубопроводов в немалой степени зависит от того, как быстро можно сделать корневой проход. Сварку можно несколько ускорить, если ее будет вести сразу несколько операторов, однако такой метод часто оказывается слишком непрактичным. Поэтому скорость сварки имеет критически важное значение – высокая скорость позволит в срок завершить проект и тем самым сократить стоимость аренды оборудования.

Сегодня большинство трубопроводов прокладывается в развивающихся странах, часто в незаселенных регионах с негостеприимным климатом, а сварщиков обычно приходится нанимать из местного населения. Это означает, что процесс должен быть пригоден для применения в неблагоприятных погодных условиях, в том числе при сильном ветре, экстремальной температуре и влажности. При этом местные сварщики уже должны обладать всеми необходимыми навыками или быть способны быстро ими овладеть. Все необходимое сварочное оборудование должно быть прочным, надежным и долговечным.

При анализе всех этих факторов становится ясно, что для этих задач лучше всего подходят сварка металлическим электродом в среде защитных газов и сварка самозащитной порошковой проволокой. Сварка в защитном газе (см. Рисунок 1) даже в случае высокопрочных сталей позволяет вести сварку на спуск электродами с покрытием целлюлозного типа вместо низководородистых электродов. Так как электроды с покрытием целлюлозного типа во время сварки выделяют достаточный объем защитных газов и имеют сфокусированную мощную дугу, они обычно лучше подходят для корневой сварки и обеспечивают более точный контроль. Высокое давление дуги удерживает сварочную ванну и шлак при сварке на спуск, и при этом имеет высокую скорость сварки. В случае электродов с низким содержанием диффузионного водорода для защиты сварочной ванны обычно используется шлак, который может привести к загрязнению сварочной ванны с задней стороны шва, снижению механических характеристик наплавления и увеличению риска порообразования. Относительно небольшая глубина проплавления низководородистых электродов по сравнению с целлюлозными также означает необходимость использовать более широкие зазоры, что приводит к увеличению времени сварки и замедлению строительства. Электроды с покрытием целлюлозного типа пригодны для корневой сварки на скорости больше 356 мм/мин и при этом образуют ровное наплавление толщиной не более 1,6 мм.

При использовании электродов с покрытием целлюлозного типа растрескивания можно избежать соблюдением должной температуры предварительного подогрева и температуры перед наложением последующего слоя, а также с помощью процедур, которые позволяют создать необходимую перемычку корневого шва. Температура предварительного подогрева и температура перед наложением последующего слоя зависят от химического состава металла. Создание необходимой перемычки также можно упростить применением подходящего размера электрода в средней или нижней части диапазона этого электрода. Вероятность растрескивания корневого валика можно свести к минимуму, если центрирующий зажим не сдвигать до завершения второго прохода.

Сварка самозащитными порошковыми проволоками (см. Рисунок 2) обладает всеми преимуществами сварки целлюлозным электродом в защитных газах: высоким давлением дуги, большой глубиной проплавления и отличным контролем над сварочной ванной при сварке на спуск. Кроме того, данный процесс обладает преимуществами автоматических процессов – высокой производительностью наплавки и скоростью сварки, большой продолжительностью работы дуги и низким содержанием диффузионного водорода. Самозащитная проволока часто больше подходит для корневой сварки, чем сварка в защитных газах. В частности, такой процесс используется для сварки стали класса X80, для которой водородное растрескивание основного металла характерно не для корневой сварки, а для последующих проходов.

 

Процессы сварки высокопрочных труб 

 

 

Процессы сварки высокопрочных труб 

 

При сварке GMAW защита наплавления обеспечивается за счет разложения флюса в дуге. В случае самозащитной порошковой проволоки проволока состоит из основного материала и стабилизаторов, которые выделяют защитный газ в момент попадания в дугу. Оба процесса пригодны для использования под открытым небом в тяжелых погодных условиях – в том числе при экстремальной температуре и на сильном ветру. Как сварка целлюлозными электродами в защитных газах, так и сварка самозащитной проволокой могут быть быстро изучены любым оператором, уже имеющим опыт работы с другими типами сварки в защитных газах. Например, недавно один инструктор смог обучить больше 90 сварщиков, абсолютно незнакомых со сваркой самозащитной проволокой, которые затем успешно сдали сертификацию API 1104.

 

                 Таблица 2. Электроды для сварки труб на спуск

КЛАСС AWS

       Классы прочности по API 5L        

 

 X42

X46

X52

X56

X60

X65

X70

X80

 КОРНЕВЫЕ ПРОХОДЫ 

 E6010

 X

X

X

 

 

 

 

 

 E7010G

 

 

X

X

 

 

E8010G 

 

 

 

 X

X

X

X

X

E71T-13H8 

 X

X

X

X

X

X

X

X

 ГОРЯЧИЕ, ЗАПОЛНЯЮЩИЕ И ОБЛИЦОВОЧНЫЕ ПРОХОДЫ

 E6010

 X

X

X

 

 

 

 

 

 E7010G

 

 

 X

X

X

X

 

 

 E7010G

 

 

 X

X

X

X

 X

 

 E71T8-K6

 X

 X

X

X

X

X

X

 

E91T8-G 

 

 

 

 

 

 

 

 X

 

 

Обратите внимание, что в таблице выше для сварки стали класса X80 после завершения корневого и горячего прохода рекомендуется только сварка самозащитной проволокой.


 

Обзор процессов сварки высокопрочных труб 

 

Оба процесса могут обеспечить механические характеристики, которые соответствовали или превышали бы минимальные требования большинства нормативных кодексов. Ниже приведены результаты тестирования труб разной толщины при использовании типичного сварного соединения, изображенного на Рисунке 3.

 

 

 

     Таблица 3. Сталь марки 5LX70, толщина 18 мм

Характеристики

Предел прочности на разрыв (МПа)

Предел текучести (МПа)

Заявленный

 82

70

Фактический

113

90 

Наплавление (E8010-G)

 

 

Фактический

 83

77

Ударная вязкость по Шарпи с V-образным надрезом (50 Дж при -46°C)

 

 

 

 

 

     Таблица 4. Сталь марки 5LX80, толщина 18 мм

Характеристики

Предел прочности на разрыв (МПа)

Предел текучести (МПа)

Заявленный

90-120

80

Фактический

 

 

Наплавление (E91T-8-G)

 

 

Прочность на разрыв с уменьшенным сечением

96

 

Ударная вязкость по Шарпи с V-образным надрезом
(103 Дж при -40°C)

 

 

 

 

Рентабельность сварки
Мы не затронули еще один важный аспект – рентабельность сварки. На нее влияет множество факторов – стоимость расходных материалов, оборудования, труб и многие иные расходы, которые не входят в тему этой статьи. В качестве относительного индикатора стоимости мы использовали время, необходимое на выполнение одного сварного соединения. При этом мы исходим из того, что при аналогичной стоимости оборудования и труда наиболее подходящим индикатором стоимости будет время изготовления каждого соединения. Меньшая продолжительность сварки означает меньшие затраты и большую производительность. Для большей простоты все данные для сравнения приведены для изображенного выше стандартного сварного соединения. В реальности для упрощения сварки труб со стенками большой толщины можно использовать более сложную разделку кромок. Сравнение приведено для труб со стенками толщиной 19 мм и диаметром 1219 мм.

 

 

     Таблица 5. Типичные процедуры сварки на спуск, положение 5G

 Тип электрода

Сила тока (ампер)

Скорость сварки (см/мин)

 Корневые проходы 

 5/32 EXX10

135 DC+

28

 .068E71T-13H8

190 DC-

19

 Горячие проходы 

 5/32 EXX10

170 DC+

38

 5/64 E71T-8-K6

245 DC-

38

 Заполняющие и облицовочные проходы 

 3/16 EXX10

200-240 DC+

по необходимости

 5/64 E71T-8-K6

300 DC-

по необходимости

 

  

     Таблица 6. Продолжительность сварки

 Тип прохода

Продолжительность прохода (мин)

Общая продолжительность (мин)

 Любые EXX10

13.7

241

Корневые EXX10, самозащитная проволока
Заполняющие и облицовочные

13.7

184

Любые, самозащитная проволока

20.2

164

 

 

Эти цифры означают человеко-часы сварки. На сварку самозащитной порошковой проволокой уходит меньше всего времени, однако сочетание сварки в защитных газах и сварки самозащитной проволокой позволит проложить в каждый отдельно взятый день наибольшую длину трубопровода благодаря сэкономленному времени при корневой сварке. Такое сочетание приведет к наиболее оптимальному балансу между общими временными затратами и длиной проложенного трубопровода за определенное время.


Заключение
Как Вы можете убедиться, сварка в защитных газах и сварка самозащитной порошковой проволокой – это самые затратоэффективные процессы высококачественной сварки в полевых условиях. Наиболее оптимальным решением для полевой сварки магистральных трубопроводов часто является сочетание этих двух процессов сварки.

 

Литература
Welding Handbook, 8th Edition, (1991) American Welding Society, Miami

The Procedure Handbook of Arc Welding, 13th Edition, (1994), Lincoln Electric Company, Cleveland