Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений


 

Сокращение рисков при дуговой сварке под флюсом в области офшорных сооружений
Увеличение скорости наплавки при сварке под флюсом требует правильного выбора расходных материалов, которые позволили бы обеспечить необходимую прочность и низкое содержание диффузионного водорода в металле наплавления

Бен Шаффер (Ben Schaeffer) и Тереза Мелфи (Teresa Melfi), компания Lincoln Electric

 

Производительность и низкая стоимость сварки не всегда требуют экономить на надежности, качестве и стабильности сварных швов. Воздействие диффузионного водорода, выбор сплавов и методов сварки – все это обязательно нужно учитывать, чтобы обеспечить должное качество сварки офшорных конструкций. 

В эту эпоху строжайшего контроля со стороны государственных нормативных органов, представителей заказчиков и классификационных агентств сварщики и сварочные инженеры столкнулись со множеством новых проблем. Зачастую заказчики отказываются заключить новый контракт, если подрядчик не может обеспечить уровень брака менее одного процента. Для этого фирмы, занимающиеся дизайном, проектированием, производством и строительством, должны заново переосмыслить допустимые отклонения в своих процессах сварки. Для глубоководной добычи нефти или газа все чаще используются высокопрочные материалы и самые производительные методы сварки, даже такие автоматические процессы, как сварка под флюсом (SAW). Однако такие масштабные изменения параметров сварки могут привести к увеличению содержания диффузионного водорода в металле наплавления и высокому риску задержанного трещинообразования. Вероятность водородного растрескивания зависит от содержания диффузионного водорода, уязвимости микроструктуры сплава и остаточного напряжения в металле. Процедурами и методами сварки, которые позволяют регулировать содержание диффузионного водорода, часто пренебрегают.  Повышение производительности сварки почти всегда приводит к увеличению толщины каждого отдельно взятого слоя и количества накладываемых слоев за час (за счет меньшего времени ожидания между наложением слоев). В результате увеличивается диффузионное расстояние, уменьшается время рассеивания водорода и возрастает риск водородного растрескивания. Эти характерные для сварки офшорных конструкций факторы, особенно в сочетании с особенностями микроструктуры высокопрочной стали, требуют полного пересмотра методов контроля содержания диффузионного водорода на каждом этапе сварки.

Помимо увеличения риска водородного растрескивания при создании крупных сварных швов традиционными сварочными материалами и методами также могут пострадать и механические свойства шва, например, прочность при испытании смещением края раскрытия трещины (CTOD). В этой статье мы перечислим несколько факторов риска, выходящих за рамки стандартного тестирования на содержание диффузионного водорода и смещение края раскрытия трещины, развеем некоторые распространенные мифы и предложим новые идеи. На основе этого будут предложены возможные способы решения этих проблем в обстановке реального производства тяжелых офшорных конструкций. Для морских строительных фирм важно постоянно повышать свои технические требования к сварке и искать новые технологии и стратегии поддержания высокого качества сварки и в то же время не забывать о производительности. В случае сварки под флюсом этого можно достигнуть за счет использования более совершенных методов сварки и правильного выбора сварочных материалов.

 

Повышение производительности с помощью технологии переменного тока
Изготовление офшорных конструкций и компонентов требует не только постоянного контроля качества сварки, но и точного планирования затрат и сроков производства. Самые последние модели источников питания для сварки под флюсом поддерживают новую технологию контроля формы волны переменного тока (AC Waveform Control). Как показано на Рисунке 1, контроль формы волны позволяет значительно повысить производительность наплавки и, соответственно, эффективность сварки при том же среднем тепловложении.

 

 Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений  Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений

Рисунок 1: увеличение производительности наплавки с помощью аппарата Power Wave® AC/DC 1000 SD

В результате получается сократить сварочные и операционные затраты и повысить производительность одно- или многодуговой сварки. Кроме этого, последние инвертерные системы сварки под флюсом, которым требуется в два раза меньшая сила входного тока, позволили многим пользователям значительно снизить расход электроэнергии по сравнению с обычным оборудованием для сварки под флюсом. Однако за повышение производительности наплавки приходится платить – в результате может возрасти риск, в частности, водородного растрескивания и падения механических характеристик (прочности).

 

Прочность при испытании смещением края раскрытия трещины и выбор сварочных материалов
Эффективность технологии контроля формы волны обусловлена более высокой производительностью наплавки. Для такого режима сварки характерна большая толщина каждого прохода. Многие системы сплавов проявляют необходимые механические характеристики только после того, как наплавление подвергается повторному нагреву и рафинированию в ходе последующих сварочных проходов (см. Рисунок 2). Характерные для высокопроизводительной сварки более широкие сварные швы могут сказаться на механических характеристиках из-за более высокой доли нерафинированного металла в состоянии «после сварки». Микроструктура нерафинированного металла наплавления имеет более крупные зерна, более зернистый граничный феррит и меньшую прочность в системах сплавов Mn-Si (углеродистая сталь) и Mn-Si-Ni.

Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений

Рисунок 2: Зернистость металла шва при сварке под флюсом

Размер и размещение сварных швов оказывают на прочность наплавления особенно большое значение, когда такие добавки не используются. Меньший размер сварных швов при большем числе проходов обеспечивает более высокую долю рафинированного металла, но ограничивает производительность сварки. Технологические достижения в области производства флюсов позволили повысить прочностные характеристики нерафинированного металла в системах углеродистой и низколегированной стали, не допуская при этом повышения содержания диффузионного водорода и усложнения процесса сварки. В Таблице 1 показано, что при использовании подходящего сварочного флюса прочность при испытании смещением края раскрытия трещины при -10°C преимущественно нерафинированного металла (ось шва + 5 мм, см. Рисунок 2) почти достигает прочности рафинированного металла (ось шва (WCL), см. Рисунок 2) как в случае углеродистой, так и низколегированной стали. Эти результаты демонстрируют высокое качество сварки по всей длине шва даже в случае высокой концентрации нерафинированного металла и означают меньший риск связанных с недостаточной прочностью поломок при модификации конструкций соединений и процедур сварки с целью повышения производительности.

 

Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений

Таблица 1: значения сквозной прочности при испытании смещением края раскрытия трещины при -10°C в случае наплавления из углеродистой стали. Ось шва (WCL) большей частью состоит из рафинированного металла, а линия оси + 5 мм – нерафинированного металла. См. точку проведения испытания на Рисунке 2.

Постоянные результаты испытания смещением края раскрытия трещины сами по себе могут повысить производительность. Это испытание дает количественное представление о сопротивляемости шва распространению вязких трещин.  При многопроходной сварке изделий большой толщины в них скапливается остаточное напряжение, которое ухудшает способность шва противостоять распространению вязких трещин (и снижает результаты теста CTOD). Часто для устранения остаточного напряжения производители прибегают к послесварочной термической обработке (PWHT). Стандарт офшорных конструкций DNV-OS-F101 гласит:

Послесварочная термическая обработка должна проводиться для всех сварных соединений C-Mn и низколегированных сталей с номинальной толщиной стенок больше 50 мм за исключением случаев, когда испытания изломостойкости показывают приемлемые значения в состоянии после сварки.

Стабильные значения испытания смещением края раскрытия трещины в состоянии после сварки позволяют избавиться от необходимости в послесварочной термической обработки и тем самым значительно снизить стоимость и повысить производительность сварки.

 

Диффузионный водород и выбор сварочных материалов
Для сварки с высокой производительностью наплавки правильный выбор сварочных материалов также позволяет бороться с другим частым дефектом – замедленным водородным растрескиванием в сварных швах большой толщины.

Для квалификации материалов и процедур сварки конструкций для строительства офшорных платформ и трубопроводов часто проводится экстенсивная сварка и тестирование в условиях производства, которые позволяют подтвердить многие механические характеристики, включая прочность испытания смещением края раскрытия трещины. Но это не касается контроля содержания диффузионного водорода, так как его количественную оценку крайне сложно провести вне лаборатории. Еще больше ситуацию осложняет то, что большинство заводов по производству офшорных конструкций расположено на морском побережье, то есть в зонах повышенной влажности. Из-за этих факторов способность выбранного сочетания проволоки и флюса образовывать наплавление с низким содержанием диффузионного водорода – будь то в состоянии сразу после извлечения из упаковки или после хранения в условиях высокой влажности – становится еще более важной.

При оценке степени риска в ходе анализа поломок учитываются частота, тяжесть и выявляемость дефектов. Даже добросовестные производители могут счесть частоту случаев водородного растрескивания пренебрежимо низкой. Однако растрескивание швов любого подводного трубопровода или конструкции – это серьезный дефект с высоким риском поломки в ходе эксплуатации из-за сложности выявления водородных трещин. Водородные трещины могут появиться сразу или через несколько дней после сварки. На Рисунке 3 показано, что, хотя общее содержание водорода увеличивается с каждым проходом сварки, самая высокая концентрация водорода в металле наплавления (т. е. содержание водорода на 100 грамм наплавления) наблюдается в первом проходе многослойного соединения. В таком случае водородные трещины могут оказаться глубоко в сварном соединении (обычно подводные сварные швы имеют глубину 7,6-10,2 см), поэтому для их обнаружения могут потребоваться высокотехнологичные методы и технологии неразрушающего тестирования и большие расходы на ремонт.

 

Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений

 Рисунок 3: содержание диффузионного водорода при многопроходной сварке

Поперечное сечение водородной трещины (Рисунок 4a) в высокопрочном сварном шве показывает, что такие трещины могут образоваться сразу же после сварки. На фотографии видно, что эта трещина образовалась в первом слое многослойного шва. Анализ поверхности трещины (Рисунок 4b) подтвердил незамедлительное трещинообразование, так как в месте первого прохода был обнаружен участок цвета побежалости. Тяжесть последствий и сложность выявления отражают большую опасность водородного растрескивания при сварке оффшорных конструкций.

 

Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений

 Рисунок 4: пример водородного растрескивания в многослойном сварном шве

Как показано на Рисунке 5, увеличение времени между проходами (особенно при соблюдении правильной температуры между наложением швов) эффективно позволяет снизить содержание диффузионного водорода. Хотя увеличение температуры предварительного подогрева и температуры между наложением швов помогают сократить риск водородного растрескивания, такие методы также могут привести к падению прочности металла. Другие методы снижения содержания диффузионного водорода (ожидание между наложением следующего слоя и дегидрирование) приводят к падению производительности. В случаях, когда такие практики не используются, выбор и обращение с расходными материалами становятся особенно важными.

 

Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений

 Рисунок 5: снижение содержания диффузионного водорода на протяжении времени при однослойной сварке. На то, чтобы содержание диффузионного водорода в образце сократилось вдвое (при температуре 121°C), требуется более часа.

Каждый сварочный флюс (как агломерированный, так и плавленый) имеет собственную корреляцию между содержанием влаги и диффузионного водорода. Поэтому для сокращения риска водородного растрескивания крайне важен контроль содержания влаги во флюсе. Эта взаимосвязь ограничивает минимальное достижимое содержание водорода для каждого конкретного флюса – даже после проведения подготовительного обжига или сушки флюса. На Рисунке 6 показана разница между диффузионным водородом при использовании флюса, который считается промышленным стандартом для сварки офшорных конструкций в Европе и Азии, по сравнению с флюсом, разработанным и произведенным с применением самых последних технологий.  Этот новый флюс для применения в области морской сварки – Lincolnweld® 842-H™ – обладает рядом уникальных свойств. Он предназначается для создания наплавления с ультранизким содержанием водорода, которое обычно составляет менее 3 мл на 100 гр. наплавленного металла как при постоянном, так и переменном токе. В результате становится возможно значительно сократить вероятность водородного растрескивания наплавленного металла. Это качество особенно ценится в области сварки офшорных конструкций, где крайне важны стабильность эксплуатационных характеристик, ударной вязкости и содержания диффузионного водорода.

 

Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений

Рисунок 6: диффузионный водород в двух образцах. Сварка и тестирование образцов проводились с применением одинаковых процедур; величина диффузионного водорода соответствует состоянию «из упаковки» («As-Received») на Рисунке 7

Возможность использовать флюс без предварительной обработки позволяет снизить затраты и упростить сварку и в то же время сократить вероятность ошибок. Новые технологии проектирования, производства и упаковки сварочного флюса позволяют использовать Lincolnweld® 842-H™ непосредственно после извлечения из упаковки. На следующем графике этот флюс сравнивается со «стандартным», и на нем сразу бросается в глаза разница в уровне диффузионного водорода после обработки. Показатель 5 мл на 100 гр. наплавления удовлетворил бы большинство производителей и инспекторов, но 15 мл на 100 гр. заслуженно вызвал бы у них беспокойство.

 

Сокращение рисков при сварке под флюсом в области офшорных сооружений

Рисунок 7: содержание диффузионного водорода при использовании влажного флюса. Для сокращения риска водородного растрескивания потенциальное содержание водорода при использовании флюса непосредственно после извлечения из упаковки и флюса, хранившегося в условиях высокой влажности, должно быть минимальным.

 

Заключение
Выбор сварочных материалов для сварки изделий для применения на большой и сверхбольшой глубине требует тщательного анализа. Только в таком случае можно будет производить надежные соединения, которые не только смогут выдержать тяжелые условия окружающей среды, но и будут соответствовать постоянно совершенствующимся промышленным стандартам качества и тестирования, например, результатов испытания смещением края раскрытия трещины.

Сварка с применением режима контролируемой формы волны переменного тока современных источников питания потенциально может значительно повысить производительность сварки. В сочетании с подходящим флюсом, который позволит создавать наплавление с высокой прочностью и низким содержанием водорода, это приведет к снижению затрат и рисков. Все это стало возможностью благодаря новым технологиям сварочных источников питания и флюсов.

 

Оригинал статьи напечатан в журнале Американского общества сварки Welding Journal за март 2013 года.