Технические новинки Vol.5

Непревзойденные наплавные металлы компании Kobelco отвечают последним усовершенстованиям в водоводах гидроэнергоблоков

Unrivaled Kobelco Filler Metals Match New Developments in Hydropower Penstocks

Figure 1: A cutaway view of hydropower penstock.

Иллюстрация 1: Вид водовода гидроэлектростанции в разрезе

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

Figure 2: Transition of the scale of penstock in Japan.

Иллюстрация 2: Переход в масштабах водоводов в Японии

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
Figure 3: Effect of oxygen content in SMAW weld
metal of HT950 on Charpy impact absorbed energy.

Иллюстрация 3: Влияние содержания кислорода в сварочном металле SMAW стали HT950 на поглощенную энергию при ударных испытаниях по Шарпи.

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.

Figure 4: A unit pipe is joined to another unit pipe one by one in the inclined tunnel to construct the penstock (Courtesy of Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Japan).

Иллюстрация 4: Трубные секции соединяются одна с другой в наклонном туннеле при монтаже водовода (предоставлена компанией Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Япония) .

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.

Figure 5: An automatic one-sided GMAW process
setup on the butt joint of two unit pipes inside the inclined tunnel (Courtesy of Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Japan).

Иллюстрация 5: Установка для ведения автоматической
односторонней сварки GMAW внутри трубной секции
для стыкового соединения двух трубных секций
(предоставлена компанией Mitsubishi Heavy Industries,
Ltd., Япония).

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.

Figure 6: A penstock bifurcation under production at a fabrication plant (Courtesy of Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Japan).

Иллюстрация 6: Бифуркация водотока в процессе производства на предприятии (предоставлена компанией Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Япония)

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

ТОВАРЫ

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