Технические новинки Vol.5

Непревзойденные наплавные металлы компании Kobelco отвечают последним усовершенстованиям в водоводах гидроэнергоблоков

Водовод - это система стальных труб, которая используется для подачи воды на рабочее колесо гидротурбины. Водовод забирает воду из водоприемника или резервуара и подает ее на гидрогенератор, установленный на гидроэлектростанции (Иллюстрация 1). Мощность гидроэлектростанций продолжает увеличиваться, чтобы удовлетворить растущий спрос на электроэнергию. Соответственно, используемая для производства водоводов сталь должна обладать более высокой разрывной прочностью и толщиной, чтобы выдерживать более сильный напор воды. В этой статье речь идет о сталях и наплавных металлах с высокой разрывной прочностью, используемых для сварки водоводов.

Более масштабные и прочные водоводы

Размер водовода обычно определяется по напору воды и внутреннему диаметру труб ([H] x [D]), предусмотренных проектом водовода. Как показано на Иллюстрации 2, размеры водоводов в Японии продолжают расти с 1955 года в результате увеличения масштабов гидроаккумулирующих электростанций. Соответственно, разрывная прочность сталей, которые используются в водоводах, растет, чтобы сократить стоимость и сроки строительных работ. В 1970-е годы в Японии для водоводов широко использовалась высокопрочная сталь марки 780 MPa (HT780), но к 2001 году при строительстве электростанции Канагава компании Токио Дэнрёку была задействована высокопрочная сталь марки 950 MPa (HT950).

Помимо упомянутых выше сталей HT780 и HT950, используются также высокопрочные стали марок 490 и 570 MPa (HT490 и HT570) там, где ниже напор воды, а также в верхней части водовода. Требования Японского промышленного стандарта (JIS) к химическим и механическим свойствам пластин стали марок HT490, HT570 и HT780 представлены в Таблице 1. Спецификация стали HT950 дана Японской комиссией электротехнических стандартов и кодов (JESC) как в JESC H0001: Техническое руководство по применению высокопрочных сталей 950 MPa в водоводах, принятый Японской ассоциацией гидрозатворов и водоводов. Типичный химический состав и механические свойства стальных пластин HT950, а также требования к ним, представлены в Таблице 2.

Таблица 1: Химический состав и механические свойства стальных пластин T490, HT570 и HT780

Марка	HT490	HT570	HT780
JIS	G3106		G3128
Сорт	SM490B	SM570	SHY685NS
Толщина (мм)	t ≤ 200	t ≤ 100	t ≤ 100
C% макс.	0.18-0.20 as per t	0.18	0.14
Si% макс.	0.55	0.55	0.55
Mn% макс.	1.65	1.70	1.50
P% макс.	0.035	0.035	0.015
S% макс.	0.035	0.035	0.015
Ni%	-	-	0.30-1.50
Другие % макс.	-	-	Cu:0.50, Cr:0.80, Mo:0.60, V:0.05, B: 0.005
Ceq*1 % макс.	-	0.44-0.47 На тонну (QT)	0.53-0.57 На тонну*2
YS, мин. (MPa)	275-325 На тонну	420-460 На тонну	665-685 На тонну
TS (MPa)	490-610	570-720	780-930, 760-910 На тонну
IV, сред. мин. (J)	27 при 0°C	47 при –5°C	47 (each 27) при –40°C
*1: Ceq = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 *2: Поставщик и покупатель соглашаются на 75 < т ≤ 100 мм.

Таблица 2: Типичные химические и механические свойства стальных пластин HT950 и требования согласно JESC H0001

	Типичные [Справка 3]	Требование
Толщина (мм)	50	≤ 50	50 < t ≤ 75
C%	0.10	0.14 макс.	0.14 макс.
Si%	0.25	-	-
Mn%	0.92	-	-
P%	0.003	0.010 макс.	0.010 макс.
S%	0.004	0.005 макс.	0.005 макс.
Cu%	0.17	-	-
Cr%	0.53	-	-
Ni%	1.39	-	-
Mo%	0.48	-	-
V%	0.040	-	-
B%	0.0011	-	-
Ceq	0.52	0.59 макс.	0.62 макс.
Pcm *1	0.25	0.29 макс.	0.33 макс.
YS (MPa)	994	885 мин.	885 мин.
TS (MPa)	1,033	950-1130	950-1130
IV (Дж)	219 при –50°C	47 мин. при –55°C	47 мин. при –60°C
*1: Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

Наплавные металлы для сталей HT490, HT570 и HT780

Kobe Steel поставляет высокопрочные наплавные металлы для сварки SMAW, FCAW, GMAW, GTAW и SAW, как показано в Таблицах 3 - 5 для соответствующего уровня разрывной прочности в 490, 570 и 780 Mpa,

Таблица 3: Типичный химический состав и механические свойства наплавных металлов KOBELCO для сталей HT490.

Процесс	SMAW		FCAW	GMAW	SAW
Торговая марка	LB-52	LB-52A	DW-100	MG-S50	MF-38/ US-36	PF- H55AS/ US-36J
AWS	A5.1 E7016	A5.1 E7016	A5.20 E71T- 1C	A5.18 ER70S- G	A5.17 F7A6- EH14	A5.17 F7A8- EH14
Поляр- ность	AC*1, DCEP	AC*1, DCEP	DCEP	DCEP	AC	DCEP
C%	0.08	0.08	0.05	0.08	0.09	0.07
Si%	0.60	0.57	0.45	0.62	0.23	0.23
Mn%	0.94	1.12	1.35	1.12	1.62	1.42
P%	0.011	0.012	0.013	0.010	0.014	0.009
S%	0.006	0.005	0.009	0.008	0.007	0.004
Ti%	-	-	-	-	-	0.021
B%	-	-	-	-	-	0.004
YS (MPa)	500	500	510	450	470	485
TS (MPa)	570	580	570	570	570	555
El (%)	32	31	30	28	30	33
IV, сред. (Дж)	210 при 0°C	230 при 0°C	110 при 0°C	180 при –20°C	125 при 0°C	180 при –45°C
*1: Здесь представлены химические и механические свойства для AC.

Таблица 4: Типичный химический состав и механические свойства наплавных металлов KOBELCO для сталей HT570

Процесс	SMAW	GMAW	Auto GTAW	SAW
Торговая марка	LB-62UL	MG-S63B	TG-S60A	MF-38/ US-49	PF- H80AK/ US-56B
AWS	A5.5 E9016-G	A5.28 ER90S-G	A5.28 ER80S-G	A5.23 F8A4- EG-A4	A5.23 F9A6- EG-G
Поляр- ность	AC, DCEP*1	DCEP	DCEP	AC	AC, DCEP*1
C%	0.05	0.08	0.06	0.07	0.06
Si%	0.59	0.50	0.04	0.27	0.36
Mn%	1.20	1.09	1.23	1.35	1.36
P%	0.009	0.007	0.007	0.015	0.010
S%	0.005	0.008	0.009	0.010	0.006
Ni%	0.59	-	0.92	-	0.81
Cr%	-	0.42	-	-	-
Mo%	0.26	0.29	0.62	0.42	0.45
YS (MPa)	551	601	590	530	611
TS (MPa)	645	662	670	630	668
El (%)	28	28	27	25	25
IV, сред. (Дж)	188 при –20°C	161 при –20°C	270 при –60°C	97 при –5°C	123 при –40°C
*1: Здесь представлены химические и механические свойства для DCEP.

Таблица 5: Типичный химимческий состав и механические свойства наплавных металлов KOBELCO для сталей HT780

Процесс	SMAW		GMAW	Auto GTAW	SAW
Торговая марка	LB-80UL	LB-80L	MG-S80	TG- S80AM	PF- H80AK/ US-80LT	PF- H80AS/ US-80LT
AWS	A5.5 E11016- G	A5.5 E11018- G H4	A5.28 E110S- G	A5.28 E110S -G	A5.23 F12A10- EG-G	A5.23 F11A10- EG-G
Поляр- ность	AC	DCEP	DCEP	DCEP	AC	DCEP
C%	0.08	0.04	0.06	0.08	0.08	0.07
Si%	0.52	0.60	0.40	0.09	0.28	0.44
Mn%	1.50	1.39	1.15	1.12	1.65	1.60
P%	0.009	0.009	0.010	0.006	0.009	0.011
S%	0.006	0.006	0.001	0.003	0.004	0.004
Ni%	1.90	2.88	2.67	2.85	2.45	2.43
Cr%	0.28	-	0.19	0.36	0.07	0.08
Mo	0.43	0.70	0.51	0.68	0.74	0.73
YS (MPa)	710	770	764	760	836	773
TS (MPa)	820	830	827	880	908	871
El (%)	25	24	22	23	20	21
IV, сред. (Дж)	99 при –20°C	100 при –60°C	109 при –20°C	240 при –60°C	103 при –60°C	79 при –60°C

Прочные и твердые наплавные металлы для стали HT950

Таблица 6: Требования к механическим свойствам для сварочных соединений в водоводах из стали HT950

Толщина основного металла (мм)	t ≤ 100	100 < t ≤ 200
Разрывная прочность соединения (MPa)	950 мин.	930 мин.
Температура перехода, vTrs (°C)	–10 или ниже	–15 или ниже
Поглощенная энергия, мин. vE (Дж)	47 при –10°C	47 при –15°C

TТаблица 7: Свойства сварочного металла и стыкового сварного соединения для наплавных металлов из стали HT950 (l^*1) Kobe Steel

Сварочный металл и процесс	Покрытый электрод для SMAW		Сплошная проволока для GMAW*2	Сплошная проволока для автоматической GTAW	Флюс и проволока для SAW
C%	0.05		0.06	0.06	0.09
Si%	0.39		0.34	0.30	0.53
Mn%	1.35		1.34	1.43	1.79
P%	0.004		0.005	0.004	0.011
S%	0.003		0.003	0.006	0.002
Ni%	3.37		2.60	3.18	2.60
Cr%	0.58		0.46	0.81	0.07
Mo%	0.46		0.75	0.96	0.75
O%	0.016		0.016	0.001	0.019
TS(MPa)	965	960	1019	1002	959	962
IV, сред. (J) при –20°C	137	138	111	224	120	152
vTrs (°C)	< –60	< –60	< –60	< –60	< –60	< –60
CTOD, δm*3(мм) при 0°C	0.26 0.27	0.22 0.23	0.17 0.18	0.66 0.64	0.26 0.25	0.27 0.26
Сварочная позиция	Нижняя	Верти- кальная	Нижняя	Нижняя	Нижняя	Нижняя
Погонная энергия (кДж/мм)	2.5	3.5	1.3	5.0	3.3	4.5
*1: Разрывная прочность приведена для стыковых соединений SMAW и SAW; другие свойства - для сварочных металлов. *2: Использован защитный газ состава 95%Ar-5%CO2. *3: Испытания проведены согласно WES 1108-1995, с образцом B=W=50 мм.

Водоводы из стали HT950 сооружаются в соответствии с Техническим руководством JESC H0001, в котором указаны следующие требования для предотвращения разлома водовода при работе в условиях минимальной температуры в 0°C: (1) основной металл должен останавливать распространение хрупкой трещины; (2) сварные швы (сварочный металл и зона термического влияния основного металла), не подверженные хрупкому разлому. В связи с тем, что изначально сложно обеспечить уровень прочности сварочного металла, эквивалентный уровню основного металла, Технический справочник ставит целью, прежде всего, остановку распространения хрупких трещин основным металлом.

Механические свойства, требуемые Техническим руководством для сварных соединений, указаны в Таблице 6. Разрывная прочность, указанная в Таблице, представляет собой минимальную разрывную прочность поперечного испытательного образца - пластины, взятого со стыкового сварочного соединения (согласно JIS Z 3121-1993), но не для образца, полностью состоящего из сварочного металла. Таким образом, разрывная прочность сварочного металла может быть ниже, чем разрывная прочность основного металла. Цель так называемго низкопрочного сварочного соединения - свести к минимуму подверженность сварных швов холодному растрескиванию, в то же время обеспечивая достаточную прочность соединения, чтобы оно могло выдерживать разрывную нагрузку, возникающую при эксплуатации.

С повышением разрывной прочности, ударная прочность высокопрочных сварочных металлов, как правило, снижается. Чтобы разрешить эту проблему, компания Kobe Stee разработала прочные наплавочные металлы для стали HT950 путем снижения содержания кислорода в сварочном металле (Иллюстрация 3) для улучшения микроструктуры и повышения сопротивляемости пластичному растрескиванию, а также путем добавления никеля в сварочный металл для усиления матрицы микроструктуры, и изменением химического состава сварочного металла для создания тонкой игольчатой ферритной структуры.

По мере повышения разрывной прочности сварочного металла этот металл также становится более подверженным образованию диффузного водорода, что может приводить к образованию холодных трещин. Чтобы повысить сопротивляемость холодному растрескиванию, компания Kobe Steel разработала методы сокращения источников водорода в наплавных металлах, которые сохраняют хорошие сварочные качества. Чтобы повысить сопротивляемость холодному растрескиванию, компания Kobe Steel разработала методы сокращения источников водорода в наплавных металлах, которые сохраняют хорошие сварочные качества. Процесс производства покрытия электродов SMAW и флюса SAW был модернизирован, и состав сырья был определен таким образом, чтобы снизить содержание воды и парциальное давление водорода в атмосфере дуги. Для проволок GMAW и SMAW был усовершенствован смазочный материал.

Эти новшества позволили компании Kobe Steel разработать великолепные наплавные металлы для водоводов из стали HT950. В Таблице 7 представлены химические и механические свойства наплавных металлов Kobe Steel. Сварочные процедуры для этих наплавных металлов сравнимы с процедурами для традиционных наплавных металлов HT780. Обладая непревзойденными качествами, которые отражены в Таблице, эти наплавные металлы были успешно применены для строительства водоводов на двух ГЭС в Японии.

При строительстве водоводов необходимы высокотехничные сварочные процедуры.

Во многих случаях водовод гидроэлектростанции сначала монтируется в цехе, временно возведенном неподалеку от места строительства. В этом цехе две или три секции стального проката свариваются роликовым швом, обычно методом SAW, чтобы получить одну трубу длиной около 3-х метров. Затем три или четыре отдельных трубы свариваются стыковым швом, обычно методом SAW, чтобы получить одну трубную секцию длиной 9 - 12 метров. Трубные секции доставляются на место строительства - в наклонный туннель, где будет смонитирован водовод. Затем трубные секции свариваются между собой методом SMAW, автоматичекой GMAW или автоматической GTAW, чтобы составить водовод. На Иллюстрации 4 показана доставка трубной секции к наклонному туннелю. На Иллюстрации 5 показана установка для ведения автоматической односторонней сварки GMAW внутри трубной секции для стыкового соединения двух трубных секций.

Как показано на Иллюстрации 1, когда один водовод подает воду на несколько гидрогенераторов с водой под давлением, ответвления водовода разделяют поток воды. Ответвления водовода, разделяющего воду на два потока, обычно называют бифуркацией. На Иллюстрации 6 показана установка бифуркации на предприятии. Как правило, бифуркация размещается в самой нижней части водовода, где напор воды самый высокий. Чтобы выдержать мощность напора воды, бифуркация представляет собой мощное сооружение из стальных труб HT780 или HT950, с тяжелыми и прочными уплотнителями.

В подземном туннеле трубные секции помещаются в среду с температурой воздуха около 15°C и почти насыщенной влажностью. Во время сварки должны соблюдаться требуемые температуры предварительного нагревания и межваликовые температуры (100-125°C или выше для труб из стали HT780 в 50 или толще), чтобы предотвратить холодное ратрескивание сварного шва. Таким образом, сварка должна выполняться в условиях высокой температуры и влажности.

Ручная сварка в условиях высокой температуры и влажности представляет большую сложность для сварщиков. Диаметр туннеля также должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить достаточно места для работы. Из соображений техники безопасности и экономичности, сварочный процесс был автоматизирован путем применения методов односторонней автоматической сварки GMAW и GTAW.

Так как высокая влажность (источник воды, а значит, и водорода) может способствовать холодному растрескиванию и замедленному трещинообразованию в сварочном соединении. Для предотвращения этого очень важен контроль температуры предварительного подогрева, межваликовой температуры и термообработки после сварки, а также поддержание сухости наплавного металла. Кроме того, необходимо контролировать погонную энергию, чтобы обеспечить достаточную разрывную прочность и ударную вязкость сварного шва. Конкретные требования к параметрам контроля этих процессов зависят от типа стали, толщины стального листа и типа наплавного металла.

Источники:
[1] Квартальный Журнал Японского общества сварки, Том 21 (2003) No 1.
[2] Журнал Японского общества сварки, Том 78 (2009) No 6.
[3] Инженерные судостроительные отчеты Hitachi, Том 58 (1998) No. 4.
[4] Kobe Steel, Технический справочник по сварке, (1997) No. 331.

Верх страницы