Технические новинки Vol.4

Мы выполняем требования, предъявляемым к морским сооружениям, эксплуатируемым во все более глубоких и холодных водах.

Meeting the requirements of offshore structures that operate in ever deeper and colder water

1 Тенденции мирового спроса на морские сооружения

Figure 1: World oil production Figure 2: World gas production

Иллюстрация 1:  Мировое производство нефти
Иллюстрация 2:  Мировое производство газа

По оценкам, общемировое потребление энергии в 2035 году в 1,8 раза превысит показатель 2010 года, тогда как мировой ВВП в период с 2010 по 2035 год будет расти в среднем на 2,8% ежегодно. Ожидается, что потребление сырой нефти в это период увеличится чуть более, чем на 30%, главным образом за счет растущего спроса на автомобили в развивающихся странах. Потребление природного газа, который считается единственным энергоисточником, спрос на который будет продолжать расти, к 2035 году увеличится значительно - более, чем на 50% по сравнению с 2010 годом.

Figure 3: Estimated investment in offshore structures

Иллюстрация 3:  Предполагаемые объемы инвестиций в морские сооружения

По мере увеличения спроса на нефть и природный газ ускоряется истощение эксплуатируемых ныне месторождений; соответственно, существует необходимость поиска и разработки новых буровых точек в море, чтобы обеспечить резервы нефти и газа. Предполагается, что инвестиции в морские сооружения и соответствующее оборудование в период между 2010 и 2020 годом вырастут в 3 раза. На Иллюстрациях 1 и 2 показаны тенденции мирового производства нефти и газа, а на Иллюстрации 3 - предполагаемый объем инвестиций в морские сооружения.

Около 50% нефтяных месторождений, обнаруженных в последние пять лет, расположены, главным образом, в глубоководных районах у берегов Бразилии и Африки. Поскольку цены на нефть и газ остаются на высоком уровне, даже глубоководное бурение стало прибыльным, и, по всей вероятности, оно получит дальнейшее развитие. Будет расти спрос на такие морские плавучие сооружения, как полупогружные плавучие конструкции (SSR), платформы с натяжными опорами (TLP), плавучие системы нефтедобычи, хранения и выгрузки, системы хранения и разгрузки (FPSOs) и платформы типа SPAR. Как ожидается, вырастет даже спрос на буровые суда, которые наиболее часто используются для бурения новых глубоководных нефтяных и газовых скважин в научных и исследовательских целях. На Иллюстрации 4 представлен наиболее распространенные морские сооружения. Помимо глубоководного бурения, в ближайшее время, по всей вероятности, начнется разведка недр в условиях крайнего холода, в частности, в приполярных районах, где до сих пор разработка не велась из-за ее высокой стоимости.

Новые морские газовые месторождения, в основном малые и средние, истощатся через 10 - 20 лет. Разработка и добыча на таких месторождениях до сих пор была ограничена из-за слишком низкой прибыли, которая не покрывала высокую стоимость инвестиций в наземные хранилища и подводные трубопроводы. Однако в настоящее время разрабатывается новая концепция - плавучих заводов СПГ (F-LNG), которые помогут решить проблему отдаленных газовых месторождений, где невозможно построить предприятие по сжижению в силу географических или политических причин. Плавучий завод СПГ (F-LNG) - это судно, на котором можно совершать все операции производственного процесса по получению сжиженного природного газа (СПГ), в том числе сжижение, хранение и разгрузку на суда-газовозы. Первые в мире подобные разработки начаты в Малайзии и Австралии.

2 Требования к сварочным металлам

В то время, как морское бурение продолжает перемещаться в более холодные и глубоководные районы, стали и сварочные металлы должны быть все более прочными, чтобы выдерживать суровые условия. В верхней части конструкции (находящейся над уровнем моря), такой, как опорные блоки, требуется ударная вязкость в vE -40°C ≥42J, и сварочные соединения высоколегированной стали класса YP420MPa (НТ) должны обладать изломостойкостью в δc-20°C ≥0.25 мм.

С другой стороны, в нижней части самоподъемной буровой установки, которая должна выдерживать напор морских волн и приливов, требуется использовать стали класса YP690MPa, чтобы снизить общий вес установки и при этом повысить ее грузоподъемность. Кроме того, необходимы надежные сварочные материалы и процедуры для того, чтобы обеспечить требуемую ударную вязкость и устойчивость к холодному растрескиванию.

Сварочные материалы для сварки во всех пространственных положениях особенно незаменимы в опорных блоках, в которых имеется множество труб большого диаметра с соединениями ТKY, показанных на Иллюстрации 5.

Figure 5: TKY joints

Иллюстрация 5: Cоединения TKY

Плавучие заводы СПГ - F-LNG больше по размеру по сравнению с плавучими нефтепромысловыми платформами - FPSO, следовательно, их корпус и резервуары должны быть исключительно прочными. Еще одно требование, предъявляемое к плавучим заводам СПГ - способность выдерживать волнообразные колебания СПГ в частично заполненных резервуарах, который оказывает большое давление на стенки корпуса и резервуаров. Исключительно толстые листы стали (около 50 мм толщиной) дают требуемую прочность, при этом ударная прочность сварных соединений требуется при температурах от -40°C или -50°C, а изломостойкость при -10°C.

Figure 4: Typical offshore structures

Иллюстрация 4: Типичные морские сооружения


Сварочные материалы для морских сооружений

В Таблице 1 (стр.5) показаны типичные сварочные материалы для морских сооружений, работающих в условиях низких температур. Морские сооружения все чаще строятся в районах с суровыми условиями, поэтому в данной статье речь идет о специально разработанных сварочных материалах, в частности, для сталей марок HT780MPa и HT520/HT550M.

3-1. Сварочные материалы для сталей марок HT780MPa или YP690MPa.

Для морских сооружений, в которых используются стали марок HT780MPa или YP690MPa уже разработаны и представлены на рынке сварочные материалы для процессов SMAW, FCAW and SAW.

3-1-1. TRUSTARC™ LB-80L

Figure 6: Example of welding processes for a rack portion of a jack-up-rig

Иллюстрация 6: Пример сварочных процессов для эстакад самоподъемных буровых установок

При сварке сталей марки YP690MPa, требующей высокой ударной вязкости и устойчивости к растрескиванию при низких температурах, большую роль играют ультра-низководородные электроды (также с низким содержанием кислорода). Электроды LB-80L (AWS A5.5 E11018-G H4), разработанные для сварки при постоянном токе, удовлетворяют всем этим требованиям, как проиллюстрировано ниже. На Иллюстрации 6 приведен пример сварочных процессов для эстакад самоподъемных буровых установок, в которых используются главным образом стали марки YP690MPa. На Иллюстрации 6 приведен пример сварочных процессов для эстакад самоподъемных буровых установок, в которых используются главным образом стали марки YP690MPa.

Таблица 2: Содержание диффузного водорода (мл/100г)
N=1 N=2 N=3 N=4 Среднее
1.9 1.5 1.3 1.7 1.6
Примечание: Метод тестирования: согласно AWS A4.3
(газовая хроматография)
Сварочный ток: 150 A (4,0 мм в диаметре; DCEP)

В Таблице 2 показано, что по результатам тестирования LB-80L, содержание диффузного водорода составило всего 2,0 мл/100г, и он находится в стабильном состоянии. Таким образом, это самый надежный сварочный материал с точки зрения сопротивления холодному растрескиванию.

Таблица 3: Условия тестирования стыкового соединения (LB-80L: 4,0 мм диаметром)
Испытательная пластина Сталь марки HT780MPa,
50 мм толщиной
Разделка кромок Двойное V (50°и70°)
Позиция сварки Вертикальная
снизу вверх (3G)
Параметры сварки 120 A-22 В (DCEP)
Погонная энергия 2,0 кДж/мм
Температура предварительного
подогрева и межваликовая
температура
150°C

В Таблицах 3 и 4 показаны условия тестирования и свойства при растяжении стыковых швов стали марки HT780MPa, сваренной с LB-80L, а на Иллюстрациях 7 и 8 соответсвенно - макроструктура и кривая перехода ударной вязкости.


Таблица 1: Типичные сварочные материалы для морских сооружений, эксплуатируемых при низких температурах.
Сварочный
процесс
Сварочные
материалы
Минимальная
предусмотренная
прочность*1(мПа)
Предусмотренная
температураsup>*1(°C)
Химический состав
сварочных металлов (% массы)
Полярность
защитного газа
vE CTOD (δ)
0,2%YP
(мПа)
TS
(мПа)
≥47J ≥0.25мм или
≥0.10мм*4
C Si Mn Ni Mo Ti B
SMAW LB-7018-1 400/390*2 520/490*2 -40 0 0.06 0.4 1.5 - - 0.03 0.004 Положительный
электрод AC/DC
*3
LB-52NS 400/390*2 520/490*2 -60 -30 0.08 0.4 1.4 0.5 - 0.02 0.002
NB-1SJ 460/400*2 550/520*2 -60 -40 0.08 0.3 1.3 1.3 - 0.02 0.002
LB-55NS 470/460*2 570/550*2 -60 - 0.06 0.3 1.5 0.9 0.1 0.01 0.003
LB-62L 530/460*2 620/550*2 -60 -10 0.07 0.3 1.0 2.1 0.1 0.02 0.002
LB-67L 530 620 -60 -20 0.06 0.3 1.1 2.6 - 0.01 0.002 Положительный
электрод
постоянного
тока DC
LB-67LJ 530 620 -60 -40*4 0.07 0.4 1.1 2.6 - 0.02 0.002
LB-88LT 690 770 -60 - 0.04 0.6 1.8 2.6 0.7 - - Переменный
ток АС
LB-80L 690 770 -60 - 0.04 0.5 1.4 3.0 0.8 - - Положительный
электрод
постоянного
тока DC
SAW PF-H55LT/US-36 400 520 -60 -50 0.08 0.2 1.4 - - 0.02 0.004 Переменный
ток АС
PF-H55LT/US-36J 465 550 -60 -20 0.09 0.3 1.7 - - 0.02 0.004
PF-H55S/US-2N 530 620 -60 -20 0.08 0.3 1.3 2.3 0.2 - -
PF-H80AK/US-80LT 690 770 -60 - 0.08 0.3 1.7 2.5 0.7 - -
PF-H55AS/US-36J 400 520 -60 -20 0.07 0.2 1.4 - - 0.02 0.004 Положительный
электрод
постоянного
тока DC
PF-H62AS/US-2N 530 620 -60 -20 0.05 0.3 1.3 2.5 0.2 0.01 -
PF-H80AS/US-80LT 690 770 -60 - 0.06 0.5 1.6 2.4 0.7 - -
GMAW
(сплошная)
MG-S50LT 400 520 -60 -30 0.09 0.4 1.9 - - 0.08 0.006 80%Ar-
20%CO2
MG-S88A 690 770 -60 - 0.06 0.5 1.6 3.6 0.8 - -
GMAW
(FCW)
DW-55L 400 520 -60 0 0.04 0.4 1.3 1.4 - 0.05 0.003 CO2
DW-55SH 400 520 -60 -10 0.05 0.3 1.4 1.6 - 0.04 0.003
DW-55LSR 420 550 -60 -10 0.06 0.3 1.2 1.5 - 0.05 0.004
DW-62L 500 610 -60 -40*4 0.06 0.3 1.2 2.5 - 0.06 0.004
DW-A81Ni1 420 550 -60 -10 0.05 0.3 1.3 0.9 - 0.04 0.005 80%Ar-
20%CO2
DW-A55L 460 550 -60 -20 0.06 0.3 1.2 1.4 - 0.06 0.003
DW-A55LSR 420 550 -60 -20 0.05 0.3 1.3 0.9 - 0.04 0.003
DW-A62L 500 610 -60 -40*4 0.07 0.3 1.3 2.1 - 0.04 0.003
DW-A80L 690 770 -40 - 0.07 0.3 1.9 2.5 0.2 0.07 -
Примечание:
*1: В состоянии после сварки, но не с послесварочной термообработкой.
*2: Величина слева относится к сварке при переменном токе (АС), а величина слева - к сварке с положительным электродом при постоянном токе (DCEP).
*3: Химический состав сварочных металлов LB-52NS, NB-1SJ и LB-62L указан при сварке при переменном токе АС, а других металлов - при сварке DCEP.
*4: Величина CTOD при 0.10mm.
Таблица 4: Свойства при растяжении сварочного металла стыковых соединений.
Расположение Свойства при растяжении
0.2%PS (мПа) TS (мПа) El (%)
Окончательное 773 865 19
Центр 807 864 17
Сзади 753 832 17
Figure 7: Macrostructure of butt joint weld metal Figure 8: Notch toughness transition curves

3-1-2. TRUSTARC™ DW-A80L

Так как сварочный процесс SMAW малопродуктивен и требует довольно высоких навыков, выражались пожелания разработки флюсовых сварочных проволок (FCW) рутилового типа для сварки во всех пространственных положениях. Однако наплавной металл рутиловых проволок с более высоким содержанием кислорода и оксидных включений, обладает низкой ударной вязкостью по сравнению с другими проволоками при сварке SMAW. Проволока DW-A80L (AWS A5.29 E111T1-GM-H4) позволяет решить эту проблему, контролируя содержание кислорода во флюсе, в то же время поддерживая высокую ударную вязкость. Содержание диффузного водорода с DW-A80L составляет около 2,5 мл/100г, как показано в Таблице 5 - это крайне низкий уровень для флюсовой проволоки рутилового типа.

Таблица 5: Содержание диффузного водорода (мл / 100г)
N=1 N=2 N=3 N=4 Среднее
2.5 2.3 2.3 2.7 2.4
Примечание: Метод тестирования: Согласно AWS A4.3
(Газовая хроматография)
Параметры сварки: 265A‒28В‒300 мм/мин Скорость подачи
проволоки: 20 мм; /мин
Защитный газ: 80%Ar-20%CO2
Таблица 6: Условия тестирования стыкового сварочного соединения (DW-A80L:1,2 мм в диаметре)
Испытательная
пластина
HT780MPa class steel;
50mm thick
Позиция сварки Vertical
upward (3G)
Горизонтальная
(2G)
Разделка кромок Двойное V
(40° & 60°)
Двойной
угол (50° и 60 °)
Параметры сварки 180-200A, 23-24В 220-260A, 25-28В
Погонная энергия 1,7 кДж/мм 1.0 kJ/mm
Защитный газ 80%Ar-20%CO2, 25 л/мин
Температура
предварительного
подогрева
100 °C
Межваликовая
температура
100-150 °C
PWHT После сварки

Сварка стыковых соединений с использованием DW-A80L на стали марки HT780MPa была произведена в вертикальном положении в направлении снизу вверх (3G) и в горизонтальном положении (2G). В Таблицах 6 и 7 показаны условия тестирования и прочность при иастяжение; на Иллюстрациях 9 и 11 - макроструктуры металла швов, а на Иллюстрациях 10 и 12 - кривая перехода ударной вязкости при сварке в позициях 3G и 2G соответственно.

Таблица 7: Прочность при растяжении сварочного металла стыковых соединений
Welding
position
Расположение Свойства при
растяжении
0.2%PS
(MPa)
TS
(MPa)
El (%)
3G Окончательное 736 811 23
Центр 807 856 23
Сзади 738 817 24
2G Окончательное 776 814 19
Центр 833 863 18
Сзади 808 843 20

3-1-3. TRUSTARC™ PF-H80AS/TRUSTARC™ US-80LT

Таблица 8: Содержание диффузного водорода (мл / 100г)
N=1 N=2 N=3 N=4 Среднее
1.2 1.3 1.6 1.4 1.4
Примечание: Метод тестирования: Согласно AWS A4.3
(Газовая хроматография)
Параметры сварки: 500A‒30 В‒300 мм/мин; DCEP
Таблица 9: Условия испытаний стыковых сварочных соединений с PF-H80AS/US-80LT
Испытательная
пластина
HT780MPa class steel;
50mm thick
Позиция сварки В нижнем положении (1G)
Условия
закрепления
Welding parameters 600A-30V-300mm/min
Погонная энергия 3.6 kJ/mm
Preheating
temperature
75 °C 100 °C
Interpass
temperature

Разработанный компанией Kobe Steel флюс PF-H80AS - это керамический флюс для SAW, обладающий высокой основностью, что дает очень низкое содержание кислорода в сварочном металле. В сочетании с флюсом PF-H80AS и проволокой US-80LT (AWS A5.23 F11A10-EG-G), он дает великолепную ударную прочность даже при низких температурах. Благодаря воздействию флюса на сварочную дугу, содержание диффузного водорода в сварочных металлах значительно снижено - до 1,5 мл/100 г (Таблица 8). В Таблицах 9, 10 и 11 соответственно также представлены условия испытаний, результаты тестирования на многослойное растрескивание и механические свойства металла шва. Это сочетание дает сварочные металлы очень высокого качества.

Таблица 10: Результаты тестирования сварного шва на многослойное растрескивание
Температура предварительного
подогрева и межваликовая
температура (°C)
Результаты
ультразвукового
тестирования
75 Без дефектов
100 Без дефектов
Таблица 11: Механические свойства сварочного металла
0.2%PS
(MPa)
TS
(MPa)
El
(%)
Поглощенная энергия (Дж)
-80 °C -60 °C -40 °C
768 895 23 88, 88, 90
Avg 88
101, 93, 93
Avg 96
101, 105, 106
Avg 104

Figure 9: Macrostructure of butt joint weld metals in 3G position Figure 10: Notch toughness transition curve in 3G position
Figure 11: Macrostructure of butt joint weld metals in 2G position Figure 12: Notch toughness transition curve in 2G position

3-2. Флюсовая сварочная проволока для стали марокHT520MPa и HT550MPa

На мировых рынках имеется целый ряд флюсовых сварочных проволок для стали марок HT520MPa и HT550MPa, а также флюсовых проволок рутилового типа, которые просты в использовании и обеспечивают ударную прочность при температуре -60 °C, а также CTOD при -10 ° C. Однако флюсовых проволок рутилового типа с подобной прочностью после термообработки не существует. Однако флюсовые проволоки DW-55SH (не для PWHT), DW-55LSR и DW-A55LSR (обе для PWHT) отвечают этим требованиям.

3-2-1. TRUSTARC™ DW-55SH

В Южной Корее начато строительство крупнейшего в мире плавучего завода СПГ (проект Shell Prelude). Его длина превышает 450 м, высота - 70 м, а вместимость составляет более 200.000 кубометров СПГ. Сварка столь огромного плавучего сооружения требует строгого контроля, а также высокой эффективности сварочных процессов. Проволока DW-55SH (AWS A5.29 E81T1-K2C) была разработана в ответ на запросы клиентов. Эта флюсовая проволока рутильного типа для сварки во всех пространственных положениях дает великолепную ударную прочность при низких температурах до -60 °C и CTOD при -10 °C.

В Таблицах 12 и 13 представлены соотвествующие условия испытаний и механические свойства, в том числе CTOD при -10 °C. На Иллюстрациях 13 и 14 показаны соответственно макроструктуры швов и кривые перехода ударной прочности сварного металла стыковых сварных соединений с проволокой DW-55SH.

Таблица 12: Условия тестирования стыкового соединения (DW-55SH: 1.2мм диаметром)
Испытательная пластина JIS G3106 SM400B;
толщина 40 мм
Разделка кромок Двойное V ( 45° & 60° )
Позиция сварки Vertical upward ( 3G )
Параметры сварки 200A - 26V
Защитный газ 100%CO2, 25 l/min
Preheating and interpass temp. 130 -150 °C
Таблица 13: результаты тестирования на прочность и смещение раскрытия вершины трещины (CTOD)
Расположение Свойства при растяжении Критическая
величина CTOD
(мм при -10 °C)
0.2%PS
(MPa)
TS (MPa) El (%)
Окончательное 536 613 29 0.95; 0.91; 0.88
Сзади 541 621 30

3-2-2. TRUSTARC™ DW-55LSR &TRUSTARC™ DW-A55LSR

Проволоки DW-55LSR и DW-A55LSR (серия SR флюсовой проволоки, снимающей напряжение)(AWS A5.29 E81T1-K2C, -Ni1M) были разработаны для послесварочной термообработки в середине 1990-х и применяются с тех пор для морских сооружений. Это флюсовые проволоки рутилового типа для сварки во всех пространственных положениях, которые очень широко применяются и дают исключительно низкий уровень таких примесей, как ниобий Nb и ванадий V. На Иллюстрации 15 показано, что снижение примесей ниобия и ванадия может повысить ударную вязкость при -60°C после сварки, а также свести к минимуму потерю ударной вязкости после термообработки.

Серия флюсовой проволоки SR получила высокую оценку при сооружении многих морских конструкций, за ее надежность, высокую ударную вязкость и великолепные качества CTOD. Объем продаж этой проволоки FCW - уникальной продукции, выпускаемой только компанией Kobe Steel, превышает 300 тонн в год.

Иллюстрация 15: Cоотношение между Nb, V и ударной вязкостью

Были проведены испытания наплавленного металла DW-A55LSR в стыковых соединениях. В Таблицах 14 и 15 представлены условия испытаний и величина CTOD после сварки и после термообработки. На Иллюстрации 16 показаны макроструктуры швов в позициях 3G и 2G, а на Иллюстрациях 17 и 18 - кривые перехода ударной вязкости в состоянии после сварки и после термообработки в позициях 3G и 2G соответствено.

Таблица 14: Условия тестирования стыкового соединения (DW-A55LSR: 1.2мм диаметром)
Испытательная пластина NK KF36; 50mm thick
Разделка
кромок
Double bevel (50° & 60 °)
Позиция сварки Vertical upward (3G) Horizontal (2G)
Welding parameters 220A - 24V 260A - 28V
Защитный газ 80%Ar-20%CO2, 25 l/min
Погонная энергия 1.9 kJ/mm 0.8 kJ/mm
Температура
предварительного
подогрева
100 °C
Межваликовая
температура
100 -150 °C
PWHT После сварки и послесварочной
термообработки (623 °C x 2h)

Иллюстрация 16: Макроструктуры швов стыковых сварных соединений


Таблица 15: Результаты тестирования на CTOD
PWHT Позиция
сварки
Test temp.
(°C)
Critical CTOD
(mm)
As welded 3G -35 0.75, 0.75
2G 0.62, 0.63
623°C x 2h 3G -20 0.89, 0.98
2G 0.86, 0.85

4 Послесловие

Несмотря на то, что добыча сланцевого газа в США оказывает воздействие на энергетический спрос и предложение во всем мире, зависимость от сырой нефти и природного газа будет сохраняться в условиях роста мирового спроса на энергию. Бурение и далее будет проводиться в растущем удалении от берега, в более глубоких и холодных водах. При том, что морские сооружения эксплуатируются во все более экстремальных условиях, стандарты и требования, предъявляемые в особенности к сварочным металам, будут и далее ужесточаться. В частности, по некоторым данным, ныне планируемый проект бурения в районе Арктики потребует CTOD при -60°C. Мы готовы разработать комплексные сварочные решения для любых нужд.

Хотя технические характеристики и требования к сварочным материалам для морских сооружений будут изменяться в зависимости от потребностей клиента, организаций, занимающихся классификацтией судов, а также измерений конкретного сооружения, условий его эксплуатации и погоды, необходимо поддерживать высокий уровень строгого контроля сварочных процедур. Подробно о приобретении и использовании наших товаров Вы можете узнать, связавшись с ближайшим дилером Kobelco или с торговыми представителями компании.

Источники
【1】 Министерство национальных земель, инфраструктуры, транспорта и туризма Японии. Доклад морского бюро
【2】 Фотоснимки Japan Drilling Co., Ltd.


Верх страницы

ТОВАРЫ

Cварка руководство Технические новинки промышленность видео Paisaje Japonés KOBELCO ARC over the last decade (2008~)