Технические новинки Vol.1

1 Предисловие

Рост населения в развивающихся странах порождает все больший спрос на электроэнергию, поэтому инвестиции в добычу, транспортировку и складирование энергоисточников и соответствующего оборудования, как ожидается, будут увеличиваться. Большие и малые трубопроводы, которые позволяют производить стабильную и непрерывную транспортировку сырой нефти и природного газа, играют ключевую роль в энергетической инфраструктуре во всем мире.

Существует два основных типа трубопроводов: наземные, такие, как показанный на Рис. 1, и подводные. Прокладка подводных трубопроводов ведется одним из двух способов. Первый из них называется S-Lay или J-Lay, при нем кольцевая сварка труб производится на борту судна, а затем секции труб укладываются на дно. Другой способ - наматывание трубопровода на барабан, при котором с помощью кольцевой сварки секций труб получают одну длинную трубу (в несколько километров). Она наматывается на барабан и доставляется на судно для прокладки на морском дне.

Сварочные процессы SMAW, GTAW, GMAW и SAW наиболее часто задействуются для сварки труб в трубопроводах. Однако применение сварки SAW зачастую ограничивается продольными швами труб, тогда как другие процессы используются для сварки кольцевым швом. В этой статье подробно рассказывается о новейших сварочных материалах для кольцевой сварки труб на месте монтажа.

2 Кольцевая сварка труб и требования к сварочным материалам

Технические требования, предъявляемые к трубопроводам, бывают разными, в зависимости от материалов (прочность), размеров (диаметр трубы), условий окружающей среды в месте прокладки (температуры, наземный или подводный), а также условий обслуживания (давление). В большинстве стран также имеются собственные особые нормы и требования, которые влияют на технические характеристики трубопроводов. Это может порождать проблемы, если трубопровод пересекает границы стран.

С самого начала строительства трубопроводов отдавалось предпочтение электродам с целлюлозным покрытием, которые применяются при сварке в вертикальном положении сверху вниз (из позиции 12 часов до 6 часов), благодаря их высокой скорости сварки. Однако применение этих электродов ограничено районами с теплым климатом из-за их низкой устойчивости к растрескиванию, а также в связи с тем, что для работы с ними требуется определенный уровень сварочных навыков. В последнее время на смену этим электродам приходят самозащитные порошковые сварочные проволоки (SS-FCW). Эти два вида сварочных материалов составляют до 70-80% всех материалов, применяемых для кольцевой сварки труб.

Строительство, транспортировка и прокладка трубопроводов требуют значительных затрат времени и средств, поэтому существует высокий спрос на самые эффективные процессы кольцевой сварки труб. Как показано на Рис.2, применение специального оборудования для кольцевой сварки с автоматическим сварочным процессом GMAW постепенно получает все более широкое распространение, вытесняя сварку с покрытыми электродами и SS-FCW. Растет также использование сплошной проволоки и порошковой проволоки металлического типа, что позволяет вести вертикальную сварку в направлении сверху вниз.

Трубы для монтажа методом наматывания на барабан наматываются после сварки, поэтому при разработке сварочного металла и процесса сварки очень важно принимать во внимание такие механические свойства, как пластичность и прочность, а также методы инспекции сварочного металла. Например, при сварке в вертикальном направлении сверху вниз традиционным способом GMAW с применением сплошной проволоки часто сталкиваются с низким проплавлением, что может увеличить потребность в ремонтных работах в будущем. Поэтому предпочтительнее использовать порошковую сварочную проволоку для сварки в любом положении, позволяющие вести вертикальную сварку в направлении снизу вверх с глубоким и стабильным проплавлением. Более того, поскольку сейчас изучается возможность применения в трубопроводах труб с высокой прочностью, таких, как трубы марки API 5L X80, разработка порошковой проволоки, качеством и эффективностью соответствующей более прочным трубам, является важной инженерной задачей.

Марки углеродистой стали, подходящей для труб трубопроводов, варьируются от API 5L X52 до X100, как показано в Таблицах 1 и 2. Используются также устойчивые к коррозии плакированые трубы (на никелевой основе).

3 Сварочные материалы из углеродистой стали для кольцевой сварки труб

Kobe Steel десятилетиями занимается маркетингом сварочных материалов для кольцевой сварки труб. В Таблице 1 показаны типичные покрытые электроды для сварки кольцевых стыковых соединений, а в Таблице 2 - проволоки TIG и MAG для стали определенных марок.

4 Новейшие сварочные материалы для кольцевой сварки труб

4.1. LB-52NSU

Если корневой проход при сварке труб требуется выполнить с наружной, а не с внутренней стороны, чтобы подварочный шов сформировался внутри трубы, как правило, предпочитают применять сварочные процессы GTAW или SMAW. Kobe Steel уже давно поставляет для этой цели сварочные электроды LB-52U и LB-62U, которые неизменно считаются самыми надежными и не имеющими аналогов в мире продуктами компании.

Стремясь следовать постоянно изменяющимся и разнообразным характеристикам трубопроводов, мы разработали электрод LB-52NSU специально для выполнения корневого прохода при сварке труб в трубопроводах, работающих в услових низкой температуры. Это покрытый низководородный электрод, эквивалентный AWS A5.5 E7016-G. Он дает великолепную ударную вязкость при температуре - 60℃, и отличается очень низким содержанием диффузного водорода - около 3.0мл/100г. Химический состав и механические свойства наплавленного металла, а также содержание диффузного водорода в электродах LB-52NSU показаны в Таблицах 3, 4 и 5 соответственно.

Таблица 1: Покрытые электроды для кольцевой сварки стыков труб

Марка стали труб API 5L	Сварной проход	Низководородный тип		С высоким содержанием целлюлозы
		Вертикальная сварка снизу вверх	Вертикальная сварки сверху вниз
X42-X52	Коренной проход	LB-52U LB-52NSU	LB-78VS	KOBE-6010
	Горячий проход	LB-52-18 LB-52NS
	Заполняющие проходы и облицовочный проход
X56-X60	Коренной проход	LB-52U LB-52NSU		KOBE-6010 KOBE-7010S
	Горячий проход	LB-52-18 LB-52NS		KOBE-7010S
	Заполняющие проходы и облицовочный проход
X65	Коренной проход	LB-52U	LB-88VS	KOBE-7010S KOBE-8010S
	Горячий проход	LB-62 LB-62D
	Заполняющие проходы и облицовочный проход			KOBE-8010S
X70	Коренной проход	LB-62U		KOBE-7010S KOBE-8010S
	Горячий проход	LB-62 LB-62D
	Заполняющие проходы и облицовочный проход			KOBE-8010S
X80	Коренной проход	LB-62U	LB-98VS LB-108VS	——
	Горячий проход	LB-65D LB-106
	Заполняющие проходы и облицовочный проход
X100	Коренной проход	——	LB-118VS	——
	Горячий проход	LB-80L LB-116
	Заполняющие проходы и облицовочный проход

Таблица 2: Проволоки TIG и MAG для кольцевой сварки труб

Марка стали труб API 5L	Сварной проход	Температура
		-20	-40	-60
X42-X56	Коренной и горячий проходы	TG-S50 MX-100T	TG-S1N MX-A55T
	Заполняющие проходы и облицовочный проход	DW-A50 DW-A50SR	DW-A55E DW-A55ESR	DW-A55L DW-A55LSR DW-A81Ni1
X60	Коренной и горячий проходы	TG-S62	TG-S60A
	Заполняющие проходы и облицовочный проход	DW-A55E DW-A55ESR		DW-A55L DW-A55LSR DW-A81Ni1
X65	Коренной и горячий проходы	TG-S62	TG-S60A
	Заполняющие проходы и облицовочный проход	DW-A55E DW-A55ESR		DW-A55L DW-A55LSR DW-A81Ni1
X70	Коренной и горячий проходы	TG-S62	TG-S60A
	Заполняющие проходы и облицовочный проход	DW-A70L		DW-A55L DW-A81Ni1
X80	Коренной и горячий проходы	TG-S80AM
	Заполняющие проходы и облицовочный проход	DW-A70L		——
X100	Коренной и горячий проходы	TG-S80AM
	Заполняющие проходы и облицовочный проход	DW-A80L	——	——

Таблица 3: Химический состав наплавленного металла LB-52NSU (%масса)

C	Si	Mn	P	S	Ni	Ti	B
0.06	0.62	1.25	0.016	0.004	0.50	0.014	0.0027

Таблица 4: Механические свойства наплавленного металла LB-52NSU

Разрывная прочность				Ударная вязкость
0.2% PS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	RA (%)	Поглощенная энергия (Дж) Хрупкое разрушение (%)			FATT (°C)
				-80°C	-60°C	-40°C
511	598	32	78	43(60) 55(60) 41(60) Av.46(60)	44(55) 72(55) 58(52) Av.58(54)	70(50) 137(35) 144(35) Av.117(40)	-53

Таблица 5: Содержание диффузного водорода в LB-52NSU (мл/100г)

Диаметр электрода (мм)	1	2	3	4	Среднее
3.2	2.8	3.3	3.5	3.0	3.2

Примечание: Протестированный метод: согласно AWS A4.3 (газовая хроматография)
Сварочный ток: 120 A (DCEP)
Атмосфера сварки: 21℃ x RH10%

При сварке встык пластин толщиной 25 мм был применен электрод LB-52NSU диаметром 3,2 мм для коренного прохода при постоянном токе DC 95 А, электрод LB-52NS диаметром 3,2 мм для второго и последующих проходов при постоянном токе DC 110 А, в вертикальном положении снизу вверх. Температура предварительного прогрева и межваликовые температуры поддерживались в промежутке от 115 до 135℃. На Рис.3 показана форма кромки и последовательность проходов, а на Рис.4 - макроструктура наплавленного металла. Химический состав и пластичность представлены в Таблицах 6 и 7 соответственно, ударная вязкость - в Таблице 8, а кривая изменения показана на Рис.5. (Примечание: и LB-52NSU, и LB-52NS указаны как AWS A5.5 E7016-G).

Таблица 6: Химический состав сварочного металла стыкового шва (%масса)

Расположение	C	Si	Mn	P	S	Ni	Ti	B
Лицевая сторона	0.07	0.31	1.40	0.008	0.003	0.50	0.013	0.0022
Обратная сторона	0.08	0.30	1.36	0.009	0.003	0.43	0.014	0.0023

Таблица 7: Пластичность металла стыкового шва

Расположение	Разрывная прочность
Центр	0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)	RA (%)
	506	577	25	81

Таблица 8: Ударная вязкость металла стыкового шва

Расположение	Ударная вязкость
	Поглощенная энергия (Дж) Хрупкое разрушение (%)			FATT (°C)
	-80°C	-60°C	-40°C
Лицевая сторона	47(56) 73(64) 71(55) Av. 64(58)	169(26) 145(30) 167(26) Av. 160(27)	162(22) 172(16) 160(26) Av. 165(21)	-75
Обратная сторона	17(79) 108(56) 49(73) Av. 58(69)	93(53) 92(56) 82(50) Av. 89(53)	167(26) 114(40) 169(26) Av. 150(31)	-58

4.2. DW-A70L

TRUSTARC™ Компания Kobe Steel разработала сварочную проволоку DW-A70L, чтобы удовлетворить потребности строителей трубопроводов в высоком качестве и эффективности при сварке высокопрочных труб. Эта порошковая сварочная проволока рутилового типа для сварки во всех позициях, была специально разработана для кольцевой сварки стыков труб. DW-A70L отлично подходит для сварки прочных труб и отвечает требованиям NACE MR0175, согласно которым, общее содержание никеля в сварочном металле не должно превышать 1%. Содержание диффузного водорода в наплавленном металле DW-A70L не превышает 4 мл/100 г.

В Таблице 9 показаны технические характеристики наплавленного металла проволоки DW-A70L, а в таблицах 10, 11 и 12 - его химический состав, механические свойства и содержание диффузного водорода соответственно.

Таблица 9: Технические характеристики DW-A70L

Диаметр проволоки	Диаметр 1,2 мм
Защитный газ	80%Ar-20%CO2
Позиция сварки	Все позиции
Технические характеристики	AWS A5.29 E101T1-GM ISO 18276 -A- T 62 5 Mn1NiMo P M 2 H5

Таблица 10: Химический состав наплавленного металла DW-A70L (%масса)

C	Si	Mn	P	S	Ni	Mo
0.05	0.36	1.90	0.008	0.011	0.97	0.46

Таблица 11: Механические свойства наплавленного металла DW-A70L

Разрывная прочность				Ударная вязкость
0.2% PS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	RA (%)	Поглощенная энергия (Дж) Хрупкое разрушение (%)			FATT (°C)
				-50°C	-40°C	-30°C
663	739	21	63	75(23) 76(23) 66(30) Av.72(25)	88(23) 89(18) 84(18) Av.87(20)	95( 8 ) 92(13) 92(13) Av.93(11)	<-50

Таблица 12: Содержание диффузного водорода в наплавленном металле DW-A70L (мл/100г)

Диаметр проволоки (мм)	1	2	3	4	Ave.
1.2	3.5	3.7	3.9	3.6	3.7

Примечание: Протестированный метод:
по AWS A4.3 (газовая хроматография)
Сварочный ток: 200A-24V-300 мм/мин
Подача проволоки: 25 мм

Кольцевая сварка труб из стали марки API 5L X65 с использованием порошковой сварочной проволоки DW-A70L, с помощью сварочного аппарата CRC Evans M300-C (Рис.6) дала хорошие результаты. В Таблице 13 представлены протестированные условия сварки. Макроструктура и внешний вид шва показаны на Рис.7 и 8 соответственно, а химический состав наплавленного металла - в Таблице 14. Механические свойства и кривая изменения сварочного металла показаны в Таблице 15 и на Рис. 9 соответственно.

Таблица 13: Протестированные условия сварки

Основной металл	API 5L X65-PSL1 Диаметр 273.1 мм× Толщина стенки 21.4 мм
Позиция сварки	5G (Труба зафиксирована в горизонтальном положении)
Сварочное об орудование	Аппарат для наружной сварки труб M-300-C (CRC-EVANS)
Форма кромки
Коренной и горячий проходы	TG-S60A (2 слоя) Параметры сварки: 150 A-10 V-70 мм/мин
Полярность	DCEP
Параметры сварки	200A-23.5V
Погонная энергия	1.7 kJ/mm
Последовательность проходов (с порошковой сварочной проволокой)	8 проходов / 5 слоев
Температура предварительного прогрева и межваликовая температура	100 -130 °C
Защитный газ	80%Ar-20%CO2 , 25 L/min.
PWHT	Нет (после сварки)

Таблица 14: Химический состав сварочного металла (%масса)

C	Si	Mn	P	S	Ni	Mo
0.05	0.30	1.77	0.008	0.006	0.89	0.42

Таблица 15: Механические свойства сварочного металла

Разрывная прочность				Ударная вязкость
0.2% PS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	RA (%)	Поглощенная энергия (Дж) Хрупкое разрушение (%)			FATT (°C)
				-60°C	-50°C	-40°C
627	691	29	66	57(37) 63(44) 54(48) Av.58(43)	63(38) 70(37) 49(45) Av.61(40)	82(22) 86(23) 82(34) Av.83(26)	<-60

Как видно из таблицы 14, содержание никеля в 0,89% в наплавленном металле соответствует требованиям NACE. Механические свойства, такие как прочность (0.2%PS и TS) и ударная вязкость на уровне -60°C также удовлетворительны, благодаря оптимизации легирующих элементов, в том числе второстепенных компонентов во флюсе DW-A70L. Наконец, количество и состав шлака в DW-A70L является оптимальным и дает хорошую свариваемость при работе во всех пространственных положениях. На Рис. 7 и 8 показана макроструктура сварочного металла в положении 3 часов и внешний вид сварного шва.

4.3. DW-N625P

В зависимости от места добычи, сырая нефть и природный газ могут содержать субстанции, вызывающие коррозию труб. В таких случаях труба внутри должна быть устойчивой к коррозии, поэтому обычно применяются плакированные трубы, внутренняя поверхность которых сварена с наплавкой. Для кольцевой сварки стыков труб, устойчивых к коррозии, а также плакированных труб из нержавеющих сталей, как правило, применяется никелево-хромово-молибденовый сплав Ni-Cr-Mo 625, который обладает отличной устойчивостью к коррозии. Его прочность обычно такая же или выше прочности свариваемых труб.

До недавнего времени на рынке отсутствовала порошковая проволока с хорошей свариваемостью, устойчивостью к коррозии и требуемыми механическими свойствами для кольцевой сварки труб. Однако недавно разработанная компанией Kobe Steel порошковая сварочная проволока DW-N625P отвечает всем вышеперечисленным требованиям. В Таблице 16 показана классификация проволоки DW-N625P, а в Таблицх 17 и 18 - химический состав и механические свойства наплавленного металла DW-N625P, соответственно.

Таблица 16: Классификация сварочной проволоки DW-N625P

Диаметр проволоки	1,2 мм
Защитный газ	75-80%Ar+Bal.%CO2
Позиция сварки	Все позиции
Классификация	AWS A5.34/A5.34M: ENiCrMo3T1-4 ISO 12153 T Ni 6625 P M21 2

Таблица 17: Химический состав наплавленного металла DW-N625P (%масса)

Элементы	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni
DW-N625P	0.031	0.21	0.02	0.007	0.004	0.01	65.2
ENiCrMo3Tx-y	≤0.10	≤0.50	≤0.50	≤0.02	≤0.015	≤0.05	≥58.0
Элементы	Cr	Mo	Ti	Fe	Nb+Ta		Другие
DW-N625P	21.3	8.8	0.17	2.0	3.23		——
ENiCrMo3Tx-y	20.0 -23.0	8.0 -10.0	≤0.40	≤5.0	3.15-4.15		≤5.0

Таблица 19: Условия кольцевой сварки труб

Позиция сварки	5G (6 →12 o’clock)	Последовательность проходов
Тип стали	Carbon steel*
Размер трубы	Толщина стенки 30 мм Внешний диаметр 267 мм
Сварочный процесс	1-3 прохода: GTAW 4-10 прохода: FCAW
Проволока	1-3 прохода: TG-SN625 2.4 mm dia. (AWS A5.14 ERNiCrMo3) 4-10прохода: DW-N625P 1.2 mm dia.
Защитный газ	1-3 прохода: 100%Ar (Обратная продувка: 100%Ar) 4 -10прохода: 80%Ar- 20%CO2 (25 l/min)
Подача сварочной проволоки	4 -10 прохода: 15 mm (160A)
Угол наклона сварочной горелки	Сварка обратным способом под углом 10°
Межваликовая температура	Максимум 150℃
*Только для проверки DW-N625P на пригодность к использованию

Таблица 18: Механические свойства наплавленного металла DW-N625P

	Разрывная прочность			Ударная вязкость
	0.2% PS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	Поглощенная энергия (Дж)
				-196°C	-100°C	0°C
DW-N625P	479	765	45	Av.70	Av.78	Av.84
ENiCrMo3Tx-y	Not required	≥690	≥25	Не требуется

На Рис.10 показан процесс кольцевой сварки труб аппаратом Magnatech с применением проволоки DW-N625P в позиции 5G. Для проведения сварки в соответствии с требованиями к условиям, указанным в таблице 19, были применены процессы GTAW и FCAW. Для трех проходов - корневого, горячего и третьего была применена сварка GTAW с проволокой TG-SN625, а с четвертого до облицовочного прохода (десятого) - сварка FCAW с DW-N625Р.

На Рис. 11 и 12 представлены внешний вид валика шва четвертого прохода в направлении от 6 часов до 3 часов и облицовочного прохода, соответственно. Макроструктура металла в позициях 6, 4 и 3 часов показаны на Рис.13,14 и 15 соответственно. В таблице 20 показаны результаты испытаний в позиции 3 часов при разных температурах до -196 ℃.

Таблица 20: Результаты тестирования ударной вязкости швов при кольцевой сварке труб.g

Позиция	Протестированные температуры (℃）	Поглощенная энергия (Дж)
Позиция 3 часов	0	Av. 96
	-30	Av. 93
	-100	Av. 87
	-196	Av. 82

Как показывают эти тесты, при кольцевой сварке труб удалось получить отличный внешний вид шва в позициях 6, 4 и 3 часов, которые являются наиболее сложными для выполнения сварных швов без дефектов.

5 Послесловие

В то время как большинство морских сооружений строится в соответствии с одними и теми же техническими требованиями, а значит, в строительстве используются одинаковые сварочные процессы и материалы, при прокладке трубопроводов часто придерживаются технических условий, установленных конкретным заказчиком. По этой причине подобные проекты могут значительно отличаться друг от друга в том, что касается сварки. Однако не вызывает сомнений то, что в будущем при прокладке трубопроводов будут стоять еще более жесткие требования к качеству.

Спрос на более надежные и эффективные сварочные материалы и процессы будет только расти, и компания Kobe Steel всегда готова работать над расширением возможностей существующих технологий.

Особая благодарность за фотоснимки Pipeline Service S.r.I.,
производителю Proteus FAP Magnatech International B.V

Верх страницы