Оптимизация сварки высокопрочных труб


Использование высокопрочной стали в трубной промышленности имеет многие преимущества. Например, она позволяет повысить рабочее давление при меньшей толщине стенок труб, при этом сократив себестоимость производства. Тем не менее, считается, что изготовление и сварка такой стали связаны с известными трудностями. Еще больше дело осложняется тем, что высокопрочные стали имеют более высокое сопротивление на излом и стойкость к водородному растрескиванию по сравнению с обычным наплавленным металлом.

Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield PipeПоследней на данный момент ступенью развития высокопрочных трубных сталей является класс X-80 с минимальным пределом текучести 551 МПа. Учитывая, что в скорейшем будущем предвидится появление еще более прочных сталей, перед сварочной отраслью стоит задача предложить новые сварочные материалы и процессы, пригодные для сварки стали таких классов. Самое важное в отрасли сварки — это качество. Каждому трубному производителю важно обеспечить стабильно высокое качество сварки — причем с первого раза.

Так как ручная дуговая сварка зарекомендовала себя как очень надежный и экономичный метод сварки трубопроводов, эта отрасль очень медленно реагировала на появление более современных альтернатив. Ручная дуговая сварка, в частности, электродами с целлюлозным типом покрытия, до сих пор остается самым распространенным способом сварки трубопроводов. Этот процесс лучше остальных подходит для работ в неблагоприятных условиях, например, при некачественной подгонке сегментов или сложном рельефе. Однако по мере увеличения прочности стали при использовании РДС возрастает риск брака из-за водородного растрескивания или падения прочности металла. Именно опасность водородного растрескивания является главным недостатком электродов с целлюлозным типом покрытия при сварке высокопрочной стали.
Во время сварки в расплавленной сварочной ванне растворяется водород. По мере охлаждения и застывания диффузионный (в отличие от химически связанного) водород может привести к порообразованию и растрескиванию в наплавленном металле. Его основными источниками являются влага и органические компоненты. Поэтому во всех случаях ручной сварки стали класса X-80 требуется особый контроль качества. Чтобы повышенная прочность трубы имела смысл, наплавленный металл должен иметь такую же прочность или превосходить ее. Более того, чтобы сократить риск хрупкого излома и водородного растрескивания наплавленного металла во время прокладки трубопровода, нужно обеспечить строгий контроль процесса сварки и сварочных материалов/

     
Введение

В последние годы появились процессы ручной дуговой сварки, способные обеспечить низкое содержание диффузионного водорода в металле наплавления. Тем не менее, несмотря на все свои преимущества в отношении устойчивости к трещинообразованию, они используются достаточно редко.

С пришествием высокопрочных классов стали, например, X-80, об их использовании стало задумываться каждое производственное предприятие, и как следствие, подрядчикам и инженерам пришлось перейти на новые процессы сварки.

Использование высокопрочной стали в трубной промышленности имеет многие преимущества. Например, она позволяет повысить рабочее давление при меньшей толщине стенок труб, при этом сократив себестоимость производства. Тем не менее, считается, что изготовление и сварка такой стали связаны с известными трудностями. Еще больше дело осложняется тем, что высокопрочные стали имеют более высокое сопротивление на излом и стойкость к водородному растрескиванию по сравнению с обычным наплавленным металлом.

Подобная сталь изготавливается сочетанием тепловой и механической обработки, которые позволяют обеспечить высокую прочность металла без увеличения доли легирующих элементов. Такие достижения термомеханической обработки позволили достигнуть баланса между прочностью и упругим сопротивлением, обеспечивая при этом большую стойкость к растрескиванию в зоне теплового воздействия.

Без сомнения, высокопрочная сталь имеет много преимуществ, но главная особенность ее применения — это сварка. Трубная сталь больше не является ограничивающим металлургическим фактором. Например, сталь теперь не так сильно подвержена водородному растрескиванию, как традиционные сварочные материалы. Поэтому водородное растрескивание и способы его устранения важнее рассматривать в применении к наплавленному металлу.

 

Водородное растрескивание
Это главная сложность при использовании электродов с целлюлозным типом покрытия для сварки высокопрочной стали. Основным источником диффузионного водорода является сгорающее покрытие электрода, которое содержит влагу и органические компоненты. По мере охлаждения и застывания диффузионный, в отличие от химически связанного, водород может вызвать порообразование и растрескивание в наплавленном металле. Поэтому для обеспечения высокого качества шва крайне важно свести содержание диффузионного водорода к минимуму.


Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe 


В отношении водорода главная задача — сократить риск растрескивания наплавленного металла за счет нескольких факторов:

1. Сокращение содержания водорода с помощью особых сварочных материалов и/или процессов.

2. Сокращение напряжений, остаточных и приложенных.

3. Снижение прочности наплавленного металла, что позволяет лучше контролировать восприимчивость его микроструктуры. Такой метод  («undermatching») уже успешно применялся в нескольких проектах, однако он возможен только при выполнении некоторых конструкторских требований.

Нужно отметить, что в отношении водорода риск растрескивания можно снизить, но невозможно устранить полностью. Так как растрескиванию в той или иной степени подвержены все микроструктуры стали, необходимо одновременно контролировать содержание водорода и уровень напряжений.

В опубликованном в 1996 году отчете Института сварки под названием «Оценка процессов строительства трубопроводов из высокопрочной стали с низким содержанием водорода» (PR-164-9330) проведен анализ методов сварки труб из стали класса прочности X80:

          «Лучшие результаты сварки корневого прохода были получены с применением  источника питания STT® и сварочной проволоки LA90 от Lincoln Electric. Источник STT позволил очень точно контролировать перенос металла короткими замыканиями, что привело к упрощению сварки, хорошему проплавлению, минимальному разбрызгиванию и выделению дыма. Привлеченный для испытаний сварщик TWI смог обеспечить удовлетворительное качество сварки через два часа после начала работы с аппаратом. Скорость корневой сварки была сопоставима с электродами с целлюлозным типом покрытия».

Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe 

Как правильно сваривать трубы?
Это зависит от многих переменных, в том числе качества подгонки, доступности, топографии, вида соединения труб, уровня навыков сварщика и других факторов.

Каждый существующий процесс сварки имеет свои достоинства, и для каждой конкретной задачи нет однозначного решения. Поэтому к выбору процесса сварки стоит подойти максимально тщательно. Кроме того, всегда следует учитывать требования относительно производительности и качества сварки.


Сварка корневых проходов

Традиционно сварка корневых и горячих проходов велась электродами с покрытием целлюлозного типа и с высоким содержанием диффузионного водорода.
Однако для стали класса X-80 действуют особые требования. Сварка на высокой скорости возможна только при условии достаточного предварительного подогрева.

Предварительный подогрев необходим для замедления скорости остывания наплавленного металла, что дает водороду больше времени на рассеивание. Кроме того, предварительный подогрев позволяет лучше контролировать остаточное напряжение в зоне сварки.

Хотя предварительный подогрев не сказывается на производительности наплавки напрямую, необходимость в потенциально длительном нагревании может ограничивать общую производительность работы.

На данный момент электродами с покрытием целлюлозного типа не рекомендуется вести сварку стали класса X-80 толщиной более 10 мм.

«Низководородные» электроды с покрытием основного типа для корневых проходов имеют меньшую производительность. Хотя они способны производить наплавленный металл с содержанием диффузионного водорода в 10 раз меньше по сравнению с электродами с покрытием целлюлозного типа, их главным недостатком является меньшая скорость по сравнению со всеми остальными процессами сварки, кроме аргонодуговой.

Хотя РДС вполне возможно успешно использовать для качественной сварки высокопрочных сталей, малая производительность делает РДС менее привлекательным выбором, чем сварка проволокой. Из-за связанного с диффузионным водородом прочностного потолка целлюлозных электродов и низкой производительности основных электродов требуются альтернативные процессы сварки.


Производительность сварки

При полевой сварке трубопроводов основным показателем производительности является время на снятие трубного хомута. Это время зависит от множества факторов, в том числе прочности наплавленного металла, размеров отрезка трубы и содержания диффузионного водорода.


 

Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe 


Скорость сварки корневого прохода — это очень важный фактор сроков строительства трубопровода, поэтому ее можно считать ключевым аспектом, для которого очень важно использовать последние технологические достижения. Например, при условии должной подготовки и подгонки соединений механизированные системы способны вести сварку намного быстрее, чем ручные или полуавтоматические.


Подготовка и презентация

В случае ручной или полуавтоматической сварки рабочие или трубоукладчики имеют определенный допуск, в пределах которого сварщик способен компенсировать расхождения в подгонке труб. При автоматической сварке этот допуск намного меньше, поэтому для обеспечения правильной геометрии скосов кромок, выравнивания и зазоров необходимо использовать механические средства.


Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe     


Подготовка — аппараты для подготовки кромок труб (PFM). Для автоматической сварки важны округлость и однородность соединений. Поэтому для качественной сварки в поле настоятельно рекомендуется использовать  аппараты для подготовки кромок труб независимо от того, используется ли для сварки внешняя или внутренняя сварка корневых проходов.

Презентация — после подготовки кромок можно прибегнуть к двум подходам. Первый — провести сварку корневого прохода внутри трубы несколькими токоподводами в режиме короткой дуги. Так можно добиться высокой производительности, но этот процесс требует тщательной подгонки и подготовки кромок. При любой погрешности возникает большая вероятность некачественных соединений.

Второй вариант — корневая сварка с внешней стороны трубы  с применением внутреннего хомута-проставки, показанного выше. В таком случае рабочая процедура несколько отличается от традиционного применения внутренних хомутов — сначала в трубу вводят хомут-проставку, после чего из него выдвигаются поперечные ребра, которые выравнивают проставку по внутреннему диаметру трубы и устраняют овальность стенок.

Второй этап — подвести в непосредственную в близость следующий отрезок трубы. Тогда выдвигается второй подвижный набор поперечных ребер, которые захватывают следующий отрезок. После этого хомут сдвигается и стягивает отрезки вместе.

После этого второй набор ребер жестко фиксируется и опять устраняет овальность трубы. Последний этап —  раздвижение хомута, что позволяет рабочим/укладчику образовать нужный зазор между трубами.

Полуавтоматическая/автоматическая сварка в защитных газах позволяет увеличить производительность за счет меньшего числа остановок. Однако режим сварки короткими замыканиями традиционно связывают с высоким риском недостаточного сплавления.

Обычная сварка короткой дугой считается процессом с низким тепловложением. Однако пропорциональный скорости подачи проволоки сварочный ток  может возрастать, чтобы увеличить глубину проплавления. Из-за этого добиться точного баланса становится достаточно сложно, и для предотвращения дефектов наподобие внутренних «усиков» от сварщика требуется большое мастерство. Необходимо достаточно тепла, чтобы расплавить внутренние кромки, по не настолько, чтобы привести к прожиганию. Сварщику нужно очень точно контролировать сварочную ванну, чтобы обеспечить правильную глубину проплавления.

Такие дефекты можно легко выявить общепринятыми методами неразрушающего тестирования, например, радиографией или ультразвуковым исследованием. С другой стороны, сварка в защитном газе имеет свои преимущества. Характерное для нее низкое содержание диффузионного водорода в наплавленном металле  снижает требования относительно предварительного подогрева и сокращает вероятность растрескивания.


Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe 

 

Перенос металла контролируемыми короткими замыканиями (STT)
Одной из последних инноваций в области сварки высокопрочных труб стала  внешняя сварка по открытому зазору с применением метода переноса металла контролируемыми короткими замыканиями.

Метод переноса металла контролируемыми короткими замыканиями отличается от обычной сварки на жесткой ВАХ несколькими особенностями. Источник питания STT не работает ни в режиме жесткой, ни в режиме падающей ВАХ — в данном случае мощность дуги зависит от конкретных требований в данный момент.

Проще говоря, это источник питания, способный в течение миллисекунд изменять сварочный ток.


 

Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe 

 

 

Как это работает?
Вырабатываемый аппаратом STT сварочный ток зависит от напряжения дуги и имеет несколько фаз:

  • Базовый ток (T0 – T1). Это сила тока дуги до замыкания на сварочную ванну. Имеет постоянную силу от 50 до 100А.
  • Период образования капли (T1 – T2). После первого замыкания электрода датчик «напряжения дуги» подает сигнал о замыкании дуги. После этого приблизительно на 0,75 мс базовый ток снижается на 10А.
  • Пинч-эффект (T2 - T3). После периода образования капли на замкнутый электрод подается высокий ток с возрастающим графиком силы тока. Это ускоряет перенос расплавленного металла  с электрода в сварочную ванну за счет т. н. пинч-эффекта.
  • Вычисление dv/dt (T2- T3). Проводится одновременно с периодом пинч-эффекта, чтобы оценить скорость изменения напряжения замкнутого электрода на протяжении времени. Помогает определить момент достижения момента dv/dt, когда вот-вот произойдет размыкание шейки капли. В этот момент сила тока за миллисекунды снижается до 50А. Обратите внимание, что это происходит до отделения замкнутого электрода. T4 означает момент отделения капли на низком токе.
  • Наращивание плазмы (T5 – T6). Эта фаза позволяет мгновенно разделить  электрод и сварочную ванну. Это период высокой силы тока, когда быстро расплавляется проволока.
  • Плазма (T6 – T7). На этой фазе цикла сила тока дуги снижается до базового уровня.


Этот процесс может использоваться при автоматической и полуавтоматической сварке. Совместим с различными смесями защитного газа, в том числе 100% CO2 для углеродистой стали, а также различными смесями аргона/кислорода, аргона/CO2 и аргона/гелия для нержавеющей стали.


Заполняющие и облицовочные проходы
Электроды с покрытием целлюлозного типа можно использовать для сварки стали класса X-80 до 10 мм при условии соблюдения температуры предварительного подогрева и температуры перед наложением следующего слоя. На данный момент толщина материала ограничена 10 мм, так как высокое напряжение и скорость остывания увеличивают риск водородного растрескивания наплавленного металла.
Из-за низкой производительности на строительстве магистральных трубопроводов обычно не используются низководородные электроды для вертикальной сварки на подъем.

Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe    Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe


Теперь для сварки труб из высокопрочной стали более принято использовать низководородные электроды для вертикальной сварки на спуск. Они специально предназначены для сварки на спуск в условиях, когда необходимо обеспечить низкое содержание диффузионного водорода, в частности, при сварке труб из высокопрочной стали. Хотя в первую очередь они предназначены для сварки трубных соединений, такие электроды подходят для любых задач сварки на спуск, когда необходимо обеспечить низкое содержание диффузионного водорода.

Характеристики ударной вязкости при низких температурах таких электродов превосходят характеристики электродов с покрытием целлюлозного типа при аналогичном уровне прочности наплавленного металла. Как и все электроды для сварки на спуск, они имеют намного большую производительность наплавки, чем электроды для сварки на подъем или электроды с покрытием целлюлозного типа равного диаметра. Это означает возможность увеличить производительность работы, в то же время выполнив все требования по прочности.

Полуавтоматическая сварка
Сварочные процессы можно разделить на газозащитные и самозащитные.

Газозащитная MIG-сварка обычно бывает полностью механизированной, так как рабочую область нужно защитить от воздействия окружающей среды. Если подрядчик может обеспечить защиту область сварки,  более практичным представляется полностью автоматическая система.

Таким образом самозащитные материалы (FCAW-S) являются единственным эффективным выбором для полуавтоматической сварки благодаря меньшему числу остановок и отсутствию потребности в дополнительной газовой защите.


 

Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe     

Механизированные процессыProcesses
Процессы сварки в защитном газе и газозащитной порошковой проволокой (FCAW-G) являются самыми распространенными способами  механизированной сварки заполняющих и облицовочных проходов труб. Режимы тока зависят от выбора между сваркой короткой дугой или импульсным переносом металла.

Последние достижения в области проектирования сварочных источников питания и параллельное совершенствование сплошных и порошковых сварочных материалов позволяют значительно увеличить производительность и качество сварки.

Механизированная MIG-сварка имеет огромный потенциал в будущем, потому что ее изучение требует меньше времени и при этом она обеспечивает меньшее содержание диффузионного водорода, большую производительность и более высокое качество.


 

Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield Pipe 

 

Заключение
Отрасль сварки может следовать двум путям:

   1. Развитие существующих процессов сварки: посредством совершенствования материалов для ручной и полуавтоматической сварки, чтобы лучше контролировать содержание диффузионного водорода, прочность и ударную вязкость материала. Хотя эта стратегия может подойти для сварки стали класса X-80, растущий спрос на материалы с большей прочностью и меньшим содержанием диффузионного водорода скорее всего вынудит отрасль перейти на новые сварочные процессы и материалы.

   2. Инновационные сварочные материалы и источники питания. Подрядчики и производители труб могут от этого многое выиграть:

Развитие метода переноса металла контролируемыми короткими замыканиями  позволит достигнуть невозможного ранее уровня контроля над несколькими параметрами сварки.

Развитие оборудования для позиционирования, фиксации, орбитальной и многодуговой сварки позволит сэкономить время, повысить качество сварки и сократить затраты на строительство трубопроводов.

Совершенствование сплошных и порошковых проволок  позволит ограничить содержание диффузионного водорода и сделать производство более универсальным.

Компания Линкольн Электрик уже долгое время является лидером развития процессов сварки труб и постоянно ведет исследовательские работы в области сварки высокопрочной стали.

 

Литература

TWI: Evaluation of Low Hydrogen Processes for pipeline Construction in High Strength Steel – PR-164-9330

Elliot K. Stava: 1993 The Surface Tension Transfer® power source, A New, Low –Spatter Arc Welding Machine. Welding Journal 72(1): 25-29