автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологий сварки трубопроводов с внутренним и наружным эмалированным покрытием

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

ОД

о Ц \\0fl ^

На правах рукописи

Сюн Шиго

УДК 621.791.11:621.643

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ СВАРКИ ТРУБОПРОВОДОВ С ВНУТРЕННИМ И НАРУЖНЫМ ЭМАЛИРОВАННЫМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

------АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997 г.

РаГкла выполнена в Государственной академии нефти и газа

имени И.М. Губкина. Научный руководитель - Заслуженный деятель наук» «техники РФ,

д.т.н., профессор Стеклов О. И. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

IКармазинов Н.П. I ' Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ефремов А.П.

кандидат технических наук, Ученый секретарь Российского научно-технического сварочного общества, Шмелева И.А.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов, г. Москва.

Защита диссертации состоится "ff) " 1997 г.

в )>?: Су часов в ауд. KQä- на заседании диссертационного совета Д. 053.27.13 в Государственной академии нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 117917, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан * " H&AöföSl 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета-доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокие требования, предъявляемые к долговечности н надежности эксплуатации трубопроводных систем, определяют необходимость обеспечения высокоэффективного антикоррозионного неорганичного покрытия труб. В настоящее время, в зависимости от природно-климатических условий, до 40% аварий на трубопроводах связано с коррозионными разрушениями.

Эмалированные трубы с дешевизной материалов, необходимых для изготовления эмалированных изделий, быстротой и экономичностью процесса эмалирования, высокими эксплуатационными и декоративными качествами эмалированного металла, особенно высокой коррозионной стойкостью, в последнее время нашли применение в строительстве нефтегазовых магистральных трубопроводов.

Изготовление стальных эмалированных труб не решает, однако, задачи сооружения эмалированного трубопровода необходимой длины и конфигурации, при этом необходимо надежно и прочно соединять трубы между собой и с аппаратами. Применение сварки обычными методами было исключено в связи с возникновением серьезных дефектов эмалевого покрытия. Наиболее эффективный метод — это соединение при помощи фланца. Но для получения равнопрочного соединения необходимо, чтобы толщина фланца несколько превышала толщину труб.

При изготозленин фланца не только затрачивается много металлического материала и снижается производительность, но также с точки зрения механики нп фланцевом соединении часто возникает высокая концентрация напряжений, так как нефтегазовые магистральные трубопроводы обычно работают под высоким давлением, фланец ие достаточно обеспечивает плотпость соединения.

Таким образом, разработка технологии сварки эмалированных труб, удовлетворяющей требованиям промышленного производства и

применения, яшмется сложной и актуальной задачей.

Цс.'и. работы: разработка технологии односторонней сварки эмалированных труб для возможных вариантов нефтегазопромысловы.х сред, а также для бытовой области, отвечающей требованиям промышленного производства.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: "

1. Исследование реакции на термический цикл саарки эмалированных труб при различных тепловложениях сварки и коррозионной стойкости эмали в ЗТВ.

2. Разработка методики выбора сварочных материалов и условия формирования сварных соединений, обеспечивающих защиту корневого шва от коррозии.

3. Формулирование принципов обеспечения достаточной коррозионной стойкости внутренней стороны сварного соединения с эмалированным покрытием.

4. Разработка технологии сварки эмалированных труб с повышенной коррозионной стойкостью корневого шва.

Объекты и методы исследования. Объект исследования — эмалированные трубы, изготовленные из Ст20 с эмалью МК-5. Для исследования сварных соединений моделировались пластины из Ст20 и СтЗ, близкие по химическому составу и основным свойствам. Применялись электроды следующих марок: УОНИ-13/55, ОЗЛ-б, В-56.

Основные методы испытаний: химический и металлографический анализы, стандартное испытание имитации сварочного термического цикла, стандартные механические испытания, измерения твердости и микротвердости, измерения электрического потенциала и термоэлектрического потенциала, коррозионные испытания в различных средах.

Научная новизна.

1) Сформулированы принципы обеспечения достаточной коррозионной стойкости' внутренней стороны сварного соединения с эмалированным покрытием:

— Химико-металлургический, заключающиеся: 1). в обратном сочетании основности и кислотности эмали с покрытием электрод я, 2). в обосновании выбора химического состава электрода, обеспечивающего его катодность по отношению к основному металлу и сопротивляемость образованию технологических трещин.

— Физико-механический и технологический, заключающийся в обеспечении заданного равновесия сил (давления дуги, веса расплавляемых металла и покрытая и сил их поверхностного натяжения) при формировании корня шва и технологических факторов (диаметр электрода, режим сварки, техника сварки), реализующие эти условия.

2). Исследована реакция эмали на термический цикл сварки в зоне термического влияния. Установлено, что при сварке эмалированных труб в зоне термического влияния эмалевого покрытия происходят структурные изменения, снижающие коррозионную сопротивляемость покрытия в зависимости от тепловложения и рН среды; при "сварке эмалированных труб со сниженной погонной энергией обеспечивается высокая коррозионная стойкость.

3). Определена допустимая доля участия основного металла при ... сварке эмалированных трубопроводов высоколегированными электродами.

— Выявлено, что при сварке корневых швов соединения эмалированных труб высоколегированными электродами со значительным запасом аустенитности (В-56, ОЗЛ-б) с допустимой долей участия основного металла корневые швы имеют достаточно высокую коррозионную стойкость.

г

Г! рактическая' ценность.

— Разработан ряд новых технологий получения коррозношюстой-ких сварных соединений эмалированных труб: а), сварных соединений со шлак-эмалевым покрытием; б), сварных соединений с повышенной коррозионной стойкостью корневого шва при использовании электродов с заданным запасом аустенитности; в), сварных соединений с внутренней коррозионностойкой "манжетой. Эти технологии расширяют возможность применения эмалированных труб в строительстве объектов нефтегазового комплекса.

— новизна разработок подтверждена одним патентом РФ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции "Новые технологии в газовой промышленности", Москва: 1995 г.; Международном конгрессе "Защита — 95", Москва: 1995 г.; Конференции "Проблемы и перспективы развития нефтегазового строительства", Москва, 1996 г.; Второй всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России, Москва, 1997 г..

"Основное содержание

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 70 наименований и приложений. Основной материал изложен на 140 страницах, включая 67 рисунков и 25 таблиц, приложения на 4 страницах.

Глава 1. посвяшена обзорному анализу состояния вопроса свариваемости труб с двухсторонним эмалированием, химической агрессивности сред нефтяных и газовых месторождений и поставке задач исследования.

Известно, что нефтегазопромысловое оборудование эксплуатируется в весьма сложных условиях. Воздействие возникающих в металле рас-

тягизающих циклических, знакопеременных напряжений, сил трения, кавитации абразивного износа и др. В контакте с коррозионно-агрессивной средой это приводит к специфическим видам коррозионного разрушения оборудования, таким, как коррозионное растрекивание, водородное охрупчивание, питтингиг и другие, снижающих в значительной мере долговечность оборудования.

В процессе эксплуатации оборудование контактирует с разнообразными средами, обладающими коррозионно-агрессивными свойствами, однако в большинстве случаев инициатор коррозионных процессов — водные растворы, и коррозия протекает по электрохимическому механизму. Агрессивность водной фазы зависит главным образом от её химического состава и физического состояния. Основные факторы, определяющие физико-химическое состояние воды — это состав и содержание

I

растворенных солей, наличие кислорода и кислых газов (углекислого газа, серозодорода), их парациальное давление, температура, скорость движения и характер потока.

Таблица I

Результаты химического анализа сточных вод АО "Юганскнефтегаз"

Мало отбора пробы (дата от бора) рн Содержание нонов н газов, ыг/л Общая мннграли заши. г/л

Са> М8> (К*Ыа*1 С1- НСО> 504 СО: Н.-О

РВСОСНГДУ Правлюакфтъ (08/1995) 7.6 196.4 26,5 4668.1 6714.8 1537.2 10,8 43.3 0.9 0,4 13.2

РВСОСНГДУ МаПскнефтъ (09/1995) 6.0 240.0 34.0 7204.0 11183.0 1098,0 11.9 23.7 0,6 2.9 19.8

РВСОСНГДУ Юп»ноа1ет|)тъ (09/1995) 7.9 176.4 26.8 4745.9 7317.4 671.0 10.5 6.2 1,3 0.2 ¡2.9

РВСОСНГДУ Маыомтоыю(гт ь (05/1995) 8.2 240.5 31.6 5492.2 8520.0 829.6 16.5 13.3 0.78 15.1

В настоящее время в России (»коло 90"," нефти добывается из месторождений разрабатываемых с поддержанием пластоного да »л синя, н

КНР eme больше, основным методом которого являегся закачка полы и продуктивные горизонты. Объем закачиваемых вод постоянно возрастает, большую их часть составляют сточные воды. Эти воды и пластовая вода имеют очень высокую коррозионную агрессивность, (табл. I)

В нефтегазовой промышленности применяют металлические и неметаллические покрытия для защиты трубопроводов, но несмотря на это 40% аварий трубопроводов связано с коррозией.

Касается сварки труб с эмалевым покрытием, высокое значение имеет проблема свариваемости.

Понятие свариваемости эмалевого покрытия включает реакцию на термический цикл сварки по показателям: нарушение сплошности эмали в околошовном участке; её отслаивание; нарушение её коррозионной стойкости.

При сварке эмаль подвергается воздействию дуги с температурой - '5000-7000°С, что вызывает ее выгорания и испарения. В околошовном участке изменение свойств эмали зависит от максимальной температуры ванны (1300-1500°С). После сварки структура металла зоны термического влияния (ЗТВ) неоднородна. Эта неоднородность изменяет условия протекания взаимодействия между металлом и расплавленной эмалью в процессе эмалирования, а также условия создания прочной связи эмали с металлом после затвердения покрытая и является участком потенциальной возможности возникновения дефектов эмалированных изделий.

В ЗТВ ухудшение сплошности эмали в той или иной мере снижает коррозионную стойкость. Однако использование приемлемых режимов сварки, а именно сварка на пониженных значениях сварочного тока позволяет свести к минимум}' отрицательную реакцию эмали на термический цикл сварки. Кроме того, использование эмали в общем случае зависит от рН технологических сред трубопроводов.

Применение специальной технологии позволяет сварным соединениям эмалированных труб работать даже в очень агрессивной среде.

Во втором главе, описаны объекты и методы исследования реакции на термический цикл сварки эмалированной стали марки Ст20 с эмалью МК-5, особенности строения сталь-эмали в состоянии поставки, реакции эмали в ЗТВ г~и сварке, структурные изменения в эмали, изменение коррозионной стойкости ЗТВ эмали.

Реакцию ЗТВ эмали на термический цикл сварки изучали с использованием метода торцевой пробы. Зону термического влияния сварки создавали нзгревом торцевой поверхности образцов до оплавления под плоским индуктором генератора тока высокой частоты марки ВЧИ-бЗ с различными тепловложениями. Максимальная температура различных

точек ЗТВ показана на рис. 1. Изменение

ООО

14С0 Г 1000 800 600 400 200 О

m

-ц/уаЗООО кал/см q/v=6000 x'an/cu -q/v = 9000 хал/см

0 4 8 12 16 20 24 28 22 36 40 Растоание от линия сплавлении, ым

Рис. 1. Максимальная температура ЗТВ

il3

0.2 0.15 0.1 0.05

толщины эмалевого покрытия по ЗТВ показано на рис. 2. , Твердость в ЗТВ эмали показаны на рис. 3.

Изложенные результаты показали,

■•N& что в процессе сварки

0.5 i t J 7 z.s 5 1.5 4 о 1 5.5 « (.5 7 7.5 s 8.5 9 * S

ЗТВ эмали происхо-^Л дит ряд физико-

Растояиче от пинки сппавления, мм

~q/v=>000хлЫхм —ta—д/удбООЭ хал/см -

Рис. 2. Изменение толщины эмали ЗТВ химических реакций.

При этом чем больше

hv Jr-t -"" тепловлаженне, тгм

больше разрушается тмаль.

Изменение кор-ро U И) 11 ной сто ¡i кос п i

-qív*JOOU • va л/см

-q/vsftoiltl -Д-= VU"!'

«ид/см KO.lfcM

Рис. 3. Твердость эмали ЧТП но ппкк'С]

эмали при нагреве связано с образованием дефектов: типа "рыбья чешуя", трещины, пузыри и поры.

Для качественного определения коррозионной стойкости образцы помещали в следующие среды: кислую (0,Ш НС1); нейтральную (ЗУ.. КаС1); щелочную (0,01 N ЫаОН). Испытуемые образцы имели различные тепловложения при сварке. При я/у^3000 кал/см коррозионная стойкость эмали в ЗТВ обеспечивается, с повышением погонной энергии коррозионная стойкость существенно снижается. Коррозионная стойкость эмали зависит и от рН среды: понижаясь от нейтральной к кислой, и далее к щелочной.

Исследование строения сталь-эмали в состоянии поставки показало, что микроструктурой Ст20 является однородный феррит с 5% перлита, эмаль МК-5 имеет сплошную исходную структуру.

Глава 3. с целью получения высококачественных сварных соединений, корневые швы которых обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью, было проведено исследование процессов перемешивания основного металла низкоуглеродистых сталей с металлом высоколегированных штучных электродов повышенной аустенитности.

Таблица 2.

Химический состав сплава монеля (ГОСТ 492-52)

Компоненты Си 5! Ре Мп С эь Р

Содержание, % основа 27-29 0,05 2,0-3,0 1.2-1.8 0,2 0.01 0.002 0,005

В первой части нсследовано образование металла шва при применении электродов из монель-металла типа 70% N1 и 28% Си. В хлорсо-держащих средах нержавеющие стали имеют низкую коррозионную стойкость. Для оборудования, изготовленного из таких сталей целесообразно использовать коррозионно-стойкий сплав монель-металл. химический состав показан в табл. 2. В процессе сварки неизбежно разГшнлснис

шва железом. Для определения допустимого содержания железа в швах было исследовано его влияние на коррозионную стойкость монель-металла, получаемого из сварных швов с различным содержанием железа.

Получение зон термического влияния при сварке на малых и средних погонных энергиях (1400-6000 кал/см) достигалось путем оплавления торца пластины из монель-металла сварочной головкой с вольфрамовым

Табли а 3 электРодом в Ч3^ арго-

_ на на постоянном токе

Состав металла шва монель-металла с

прямой полярности.

По графику максимальной температуры ЗТВ определяли сечения образцов, где максимальная температура составляла выше 600 — 650°С. Последующим коррозионным испытаниям подвергались образцы из металла ЗТВ в интервале Тмах = 650 —1370 "С.

Образцы испытывали в следующих вариантах физических условий:

1. 0,1N HCl, 100 часов в спокойном состоянии:

2. 0,1N HCl, 100 часов с перемешиванием;

3. 0, IN HCl + H:S, 70°С, два цикла по 50 часов со сменой раствора с перемешиванием.

Влияние содержания Fe на скорость коррозии показано на рис. 4.

Формула для расчета скорости коррозии:

Vk — AP/F't где: АР — потеря массы, г: F — площадь образца, м3; / — время цикла, час.

различным содержанием Fe

/й сплава Си Fe Мп Ni

1 32,0 2,9 1,44 осн.

2 гт,г 9,0 1,56 осн.

3 26,0 14,3 1,50 осн.

4 25,6 16,5 1,57 осн.

5 21,8 21,5 1,56 осн.

0 I 2 3 4.1 53 6 7 8 9 10,4 12 13 14 15.3 17 15 19 20 21.2 Содержание Е-е,'/»

—ф—о.шна —О—о,1мна+1Ш 4 о.шна с -X— 0,ШНС1+Н25с

пер'эйаиивание* перемешивание»

Рис. 4. Влияние содержания Ре на скорость коррозии при разных условиях

Как видно из рис. 4, скорость коррозии сплавов, содержащих до 15,3% Ре, будет изменяться по штриховой кривой, а после этой точки с увеличением количества железа скорость коррозии повышается. Такое влияние железа на коррозионную стойкость монель-металла в работе ИЭС им. Е.О. Патона объясняется с образованием пленки ионов сульфида НБ- и марганца. С точки зрения металлографии считается, что это связано с дисперностью и шаробразностью железа в монеяь-металле.

Проверка на коррозионную стойкость ЗТВ проводили так: образцы выдерживались в течении 190 часов при 70°С в средал 0,Ш; 0,0Ш; 0,00!Н НС1. Результаты приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Коррозионная стойкость металлов ЗТВ и основного металла

Испытуемый металл 0.1 N НСЫм'час 0.01N HCl г/м-чле 0.1N HCl г/м;час

Основной металл 0,381 0,2505 0,05202

Металл ЗТВ Ч/у=1400 кал/см 0,394 0,261 0,05523

Металл ЗТВ q/v=8000 кал/см 0,419 0.28 0,0666

Металл ЗТВ 1000 кал/см 0,431 0,29 0.0688

Как видно из этой таблицы, с увеличением погонной энергии сварки (8000-11000 кал/см) скорость коррозии возрастает до 9-10% по сравнению с потерями основного металла. Это имеет место как в 0,1N и 0.01N растворе HCl. Для 0,001N HCl превышение скорости коррозии ЗТВ доходит до 24%.

В средах с рзз-ичными концентрациями HCl, при 70 °С, скорость коррозии металла ЗТВ больше скорости коррозии основного металла. Кроме того при высоких погонных энергиях сварки в ЗТВ имеются очаги ускоренной коррозии.

Металлографическое исследование показало, что в ЗТВ образцы с различными телловложениями характеризуются разными скоростями роста зерна и дифференциацией меди. Основной металл представляет собой типичную структуру с отдельными включениями обогащенными медью вытянутыми вдоль направления прокатки. Чем выше погонная энергия, тем интенсивнее рост зерна и тем больше степень обогащения границ зерен медью.

При сварке на малых погонных энергиях (например 1450-2180 кал/см — ручная сварка, сварка п среде аргона), могут быть получены сварные соединения с наиболее высокой коррозионной стойкостью.

Во к горой часги исследовало образование металла ища при применении хромоиикелепых электродов аустенитного класса типа Х25Н13.

Применение хромникелевого присадочного металла для сварки низкоуглеродистых сталей позволяет создать коррозионностойкий металл шва и одновременно обеспечит его пластические свойства без сопутствующей и последующей термических обработок. Из возможных структур на основе Ре-Сг-ЬН приведенным требованиям удовлетворяют аусте-нитно-ферритная или аустенитная структуры.

В получении указанных структур металла шва решающее значение имеет химический состав, в частности, содержание таких элементов как никель и хром. Для того, чтобы в условиях неизбежного разбавления присадочного металла сохранялась аустенитная, аустенитно-ферритная структура металла шва, необходимо компенсировать разбавление повышенным содержанием никеля и хрома в электроде или электродной проволоке. Выбор присадочных материалов осуществляли по диаграмме Шеффлера. Эквивалентные значения по хрому и никелю рассчитывали:

2Сг% = 1%Сг + 1.5%5*1 + 1%Мо + 1%П

2№% = 1%№ + 30%С + Ж/М + 0.5%Мп

Таблица 5.

Химические составы СтЗ, Св-Х25Н 13 и Св-Х18Н8, в %

Химический состаЕ С Мп Б! Сг N1 Р 5

МСт-3 0.11 0,43 0,20 0,31 0.15 0,080 0,021

Св-Х25Н13 0,13 1,5« 0,46 24,48 13,54 0,011 0,084

Св-Х18Н8 0,098 1.71 0,70 18,71 9,28 0,025 0,016

Для сварки эмалированных труб был выбран электрод аустенитного класса типа Х25Н13. С целью проверки правильности выбора и определения допустимой доли участия основного металла, провели специаль-

ный эксперимент. Для сравнения выбрали электрод типа Х18Н8. Химические составы электродов Х25Н13, Х18Н8 и основного металла приведены в табл. 5. а в табл. 6 приведено эквивалентное содержание хрома и никеля в них, на рис. 5 показаны их структуры на диаграмме Шеффлера.

Таблица б.

Значения расчетных эквивалентов, в %

Расчетные элементы по хрому по никелю

МСт-3 0,61 3.67

Св-Х25Н13 25,17 18,22

Св-Х18Н8 19,76 13.20

Рис. 5. Структурная диаграмма хромоникелевых сплавов применительно к расчетному методу определения структуры металла шва из разнородных сталей / по Шеффлеру/

На диаграмме нанесены концентрационные линии перемешивания основного металла н электродных проволок нспользованных з данной работе.

Металл из разнородных сталей образовался при автоматической наплапке под флюсом на стальном пластинке Мст.З. Результаты механических испытаний металла наплавок графически выражены па рис. 6. 7, 8, 9 Для всех результатов испытаний: относительного удлинения, ударной иячкостп. предела прочнеет п твердости металла ним — .характерно

последовательное изменение сиойпи по мере увеличения у, хорошо увя-'л.шлющееся со структурной диаграммой хромнпкеленых сплавов.

Доля участия оо<о*ного металла, %

Рис. 6.' Изменение относотёлъного "удгжнгн11Я металла кагставок ш разнородных сталей в зависимости от доли участия основного металла у при автоматической сварке различными хром-никелевыми проволоками

Доля участия осноякого ыетялля. %

Рис.7. Изменение ударной вязкости металла наплавок из разнородных сталей в зависимости от доли участия основного металла у при автоматической сварке различными хромникелевыми проволоками

с КТО 8И

<адкш М «о

о,. О

>—Х18НЗ

внниН*1

» 500 г[ =_ 400 '

ё зоо | 200, £ 100 о

-Х18Н8 -Х25Н13

0 5 Ю 153)25333543453)55 Дрпя уасин оензкхо детали, %

Рис.8. Изменение предела прочности металла наплавок ю разнородных сталей в зависимости от доли участия основного металла у при автоматической сварке различными хромиикелевыми проволоками

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Доля участия основного метила, •/•

Рис. 9. Изменение твердости млата. кашазок из разнородных сталей в зависимости от дали участия основного металла у при автоматической сварке различными хромншклевыми проволоками

Отчетливо выражены и заслуживают особого внимания прямолинейные участки графических зависимостей, характеризующих "запас аус-тенитности" электродных проволок, т. е. совокупность значений у, при которых металл шва сохраняет аустенитную, аустенитно-ферритную структуры. Значения у, соответствующие окончанию прямолинейного участка, дают практический ответ о наибольшей доли участия основного металла для конкретной марки хромникелевой проволоки.

Данные структурного анализа подтверждают аустенитно-ферритную структуры металла шва в пределах "запаса аустенитности"

прополок. Для структуры металла наплавок вне " tanaca аусюшгпюсти" прополок характерна мартенснгная составляющая. Количество мартенсита в структуре растет по мере дальнейшего увеличения доли основного металла. Для значений у, характеризующихся наибольшим пределом прочности, твердость металлз наплавок и падения его пластических характеристик — структура выражена преобладанием мартенсита при незначительном количестве остаточного аустенита.

В табл. 7. приведены результаты сравнения допустимых значений у по экспериментальным данным различных видов механических испытаний металла наплавок из разнородных сталей, полученных расчетным путем по диаграмме Шеффлера. Расчетные и экспериментальные значения для различных марок хромникелевых проволок аустенитного класса указывают на достаточно близкое их совпадение.

Таблица 7.

Допустимая доля основного металла, %

Марка Расчетная по Расчетная по Расчетная Расчетная расчетная по

электрода диаграмме относительному по ударной по твердо- пределу

Шеффлера удлинению вязкости сти прочности

Св-0Х18Н9 8 7 Tí 7 7 7

Св-0Х25Н!3 35 35 40 36

В третьей части проведена сравнительная оценка соединения из стали а\ стенитного класса Ре-Сг-ЬЧ и Ре-№-Си, применяемой для получения оптимальных соединений эмалированных труб.

Предложенные возможные варианты сварных соединений эмалированных труб приведены ниже:

Таблица 8.

№ вариантов соединений Электрод для корневых швов Электроддля остальных швов

1 В-56У, диаметр 2 мм УОНИ-13/55, диаметр 3 мм

2 В-56У, диаметр 2 мм В-56, диаметр 3 мм

3 ОЗЛ-6, диаметр 2 мм УОНИ-13/55, диаметр 3 мм

4 ОЗЛ-6, диаметр 2 мм ОЗЛ-6, диаметр 3 мм

5 УОНИ-13/55, диаметр 2мм УОНИ-13/55, диаметр 3 мм

4 Рис. 10. Очередность слоев для

испытании

Для испытания была выбрана Ст20, как базовый металл, используемый в настоящее время для строительства нефтегазовых трубопроводов. В качестве сварных материалов выбрали электроды УОНИ-13/55 (диаметр 2, 4 мм), В-56У (диаметр 2, 3 мм) и ОЗЛ-6 (диаметр 2,3 мм).

Таблица 9

Химический состав основного металла и наплавки сварных материалов

Марка стали и сварных материалов Содержание элементов, в% С Ми 51 Сг N1 Си Ие Б Р примечание

Ст-20 0,17-0,35-0,17- _ осн. <0.05 <0,04 0.24 0.65 0,37 ГОСТ 1050-74

УОНИ-13/55 0.11 0,90 0,45 0,066 _ _ осн. 0,027 0,025 ГОСТ 9460-75

ОЗЛ-6 <0.09 1,00 0.50- 23.0- 110- _ Осн. <0,018<0.025 ГОСТ 2246-60

В- 56У <0.12 1,5 <1.0 _ Осн. 28 <1.5 <0.002<0.005 ТУ 14-4-К07-77

Таблица ¡0

Механические свойства основного металла и наплавки сварных материалов при 20°С

Марка стали и электрода Продел прочности, в Н/мм2 Ударная вязкость, в Дж/см2 относительное удлинение, в %

Ст-20 400 55 >23

УОНИ-13/55 - - 490 — 128 ■ ----- - 72<Г~

ОЗЛ-6 560 98 >33

В-56У 440 S8 >20

Результаты исследования приведены ниже:

О I 2 J ♦ 5 6 7 » 9 10 II 12 13 И 15

Распяние от корня, ш образа! I —В— образец2 —А—образец3 —в—обраэец4 —Ж— образец5)

• Рис. 11. Твердость разных слоев сварных стыков

Таблица 11

Механические свойства сварочных стыков

M образца Предел те-кучести.с,. МПа Предел прочности а«, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % Ударна» вязкость при-40 "С. Дж/'см-

1 281 501 27,1 39,0 112,4

? 373 384 2.7 13.2 22.0

3 891 ИЗО 6.2 35.6 86.2

4 4S3 773 27.2 38.8 М>.3

5 401 552 28.4 73.2 141.9

образец I —Я—обракц2 —А—оГ^чподЗ —О—оСцаиц 4 X «цстки 5

Рэстоякие от корня, мм

Рис. 12. Термоэлектрические свойства сварочных стыков

Таблица 12

Электрический потенциал сварных стыков в нейтральной среде (3% - ный №С1 раствор), мв

№ образца № слоя шва по рис. 10.

1 2 3 4 5 6

1 -170 -423 -470. -484 -490

2 -167 -130,5 -124,3 -121.7 -123,5

3 -194 -483 -495 -500 -501 -500

4 -190 -189 -180 -174 -153,6

5 -506 -504 -491 -484 -490

Таблица. 13

Электрический потенциал сварных стыков в кислой среде (0,1 N НС1 раствор), мв

№ образца №слоя шва по рис. 10.

! 2 3 4 5 6

1 -173 -300 -378 -393 -397

2 -138,2 -135,2 -128,2 -125,5 -124,5

3 -387 -412 -435 -446 -458 -458

4 -396 -250 -237 -230 163,0

5 -»3 -440 -445 -437 -435

Таблица 14

Электрический потенциал сварных стыков в щелочной среде, (КаОН раствор рН = 12)

№ образца № слоя шва по рис. 19.

1 2 3 4 5 6

1 •260 -255 -270 -255 -288

2 -230 -228 -227 ' -229 " -246

3 -310 -315 -351 -345 -344 -329

4 -348 -361 -370 -364. -367

5 -295 -327 -320 -333 -318

Исследования подтвердили, что в соединениях 1, 3 могут существовать закалочные структуры, но при многослойной сварке сочетание механических свойств улучшается.

Химическое исследование доказало, что соединения 1, 3 имеют высокую химическую неоднородность, между разными слоями существует большая разница электрического потенциала. С точки зрения электрического потенциала корневые швы соединений 1,2, 3,4 имеют достаточную высокую коррозионную стойкость.

Глапе 4. Предложены технологии сварки эмалированных труб, сформулированы принципы для получения качественного шлак-эмалевого покрытия, принцип выбора и оценка технологий.

Для получения качественного покрытия в шве и зоне термического влияния на внутренней стороне сварных соединений, которое может защищать металл стыка от коррозии в агрессивной среде, продукты сплавления шлака электрода с эмалью должны смачивать металл шва и надежно сцепляться с металлом трубопровода. А для этого при выборе сварочных материалов и режимов сварки должно соблюдаться два основных принципа:

I. Химико-металлургический принцип, заключающийся I). в обратном сочетании основности или кислотности эмали с покрытием члскгро-

да; 2). 1> обосновании выбора химического состава электрода, обеспечивающего его катодность по отношению к основному металлу и сопротивляемость образованию трещин.

Как известно, основность сварочных электродных шлаков определяется по формуле:

В- М% основных оксидов / М%-кислых оксидов

Степенью основности называют отношение сумм процентов основных и кислых оксидов данного шлака. Если В>1 — шлак считается основным; если В<1 — кислым.

Расчеты показывают, что для различных эмалей характерно преобладание кислых составляющих 810:, В2О3, Т1О2., Для электродов с основным покрытием характерно преобладание оксидов СаО, СаРг именно этому типу покрытия характерны "короткие" жидкотекучие шлаки, способные к сплавлению с эмалыб околошовной зоны корневого шва. Другими словами, должно выполняться правило противоположной основности эмали кислого типа с электродным покрытием основного типа.

Пример проверки этого условия приведен в табл. 15. Специальное испытание подтверждало правильность этого принципа.

Таблица 15

Основность эмали МК-5 и покрытия электрода УОНИ-13/55

Марка эмали и электрода Преобладающие соединения в составе эмали, электродного покрытия Основность Заключение

Эмаль МК-5 5Ю;. В;Оз 0.54 Покрытие эмали кислое

Электрод УОНИ-13/55 СаО. СаИ; 1.25 Покрытие электрода основное

2. Физико-механический и технологический принцип, заключающийся в обеспечении заданного равновесия сил (давление дуги, веса рас-

плавляемых металлов и покрытия н сил поверхностного натяжения) при формировании корня шва и технологических факторов (диаметр электрода, режим сварки, техника сварки), реализующих эти условия. При сварке корневого шва на шлак-эмалевое покрытие действуют следующие силы: сила поверхностного натяжения жидкой эмали Рпнэ; сила поверхностного натяжения жидкого корневого шва Рпнш; вес жидкой эмали Рэ; вес жидкого металл корневого шва Рш; Рд — сила давления электродуги. Для того, чтобы в процессе сварки жидкая шлак-эмаль осталась на поверхности трубопровода необходимо соблюдать следующее механическое условие:

Рпнэ

\\W

Рпнш + Рпнэ > Рш + Рэ + Рд

Рд

РПНШ Рис. 4-3. Силы, воздей-

ствующие на жидкое шлак-эмалевое покрытие при сварке

Л

шш

Еш.

Рпнз — сила поверхностного натяжения жидкой эмали;

Ртии — сила поверхностного натяжения жидкого корневого шва;

Рэ— вес жидкой эмали;

Рш — вес жидкого металл корневого шва;

Рд — сила электродуги.

Для реализации этого условия электрод для сварки корневого шва должен иметь небольшой диаметр, а вязкость расплавляемого шлака не должна иметь низких значений. Для снижения силы электродуги необходимо применение минимального тока.

С учетом этих принципов, предлагаемые варианты технологий сварки эмалированных труб приведены на рис. 13.

—л -

а) Вариант 1.

I — эмалевое покрытие, 2 —: эмалевая фритта. 3 — шлак-эмалевое по-

крытие, 4— шов, выполненный электродом марки (УОНИ-13/55).

б) Вариант 2а, 26

I — эмалевое покрытий; 2 — швы, выполненные электродом марки (УОНИ-13/55).); 3 — корневой шоз, выполненный высоколегированным электродом {для варианта 2а из электрода В-56 У; для варианта 26 — ОЗЛ-6)

В) Вариант За. 36

1 — металл Трубы; ? — эмалевое покрытие; 3, 4 — эмаль для укрепления ыанжета; 5 — манжет из высоколегированного сплава (для варианта За ю ионель-металяз; для варианта 35 т нержавеющей стала: 6 — корневой шоп, выполненный высоколегированным электродои (зля варианта За из электрода В-56У; дм варианта 36 — ОЗЛ-6); 7 — швы, выполненные элеюродом(УОНИ-13/55).

Рис. 13. Вариант технологии сварки эмалированных труб

Для всех вариантов технологий сварки эмалированных труб, после сварки на наружную поверхность трубных соединений наносят изоляцию.

Выбор способов сварки эмалированных труб зависит от многих факторов, важнейшими из них являются технологическая среда и эконо-

мические показатели.

Средам со средней агрессивностью (рН = 2-12) соответствует вариант 2а, отличающийся от варианта 26 тем, что монель-металл в хлорсо-держащей среде имеет высокую, коррозионную стойкость; Варианту 26 тоже подходит среда со средней агрессивностью без содержания хлора.

Использование третьего варианта позволяет получать очень надежное сварочное соединение, в зависимости от высокой коррозионной стойкости монель-металла и нержавеющей стали этот способ применяется и для очень агрессивной среды.

Варианта так и За. применяется в хлорсодержащей среде, а 36 применяется в среде без содержания хлора.

При сварке по вариантам 1, 3 нужны специальные требования к сварщикам и технологии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сформулированы принципы обеспечения достаточной коррозионной стойкости внутренней стороны сварного соединения с эмалированным покрытием:

— Химико-металлургический, заключающийся: 1). в обратном сочетании основности и кислотности эмали с покрытием электрода, 2). в основании выбора химического состава электрода, обеспечивающего его катодность по отношению к основному металлу и сопротивляемость образованию технологических трешин.

— Физикй-механический и технологический, заключающиеся в обеспечении заданного равновесия сил (дазления дуги, веса расплавляемых металла и покрытия и сил их поверхностного натяжения) при формировании корня шва и технологических факторов (диаметр электрода, режим сварки, техника сварки), реализующие эти условия.

2. Исследована реакция эмали на термический цикл сварки в зоне термического влияния. Установлено, что при сварке эмалированных труб

п нше термического влияния эмалевого покрытия происходят структурные изменении, снижающие коррозионную сопротивляемость покрытия и записи мости от тепловложения и рН среды; при сварке эмалированных труб со сниженной погонной энергией обеспечивается высокая коррозионная стойкость.

3. Определена допустимая доля участия основного металла при сварке эмалированных трубопроводов высоколегированными электродами.

Исследована закономерность влияния содержания железа, и тепло-вложения на коррозионную стойкость монель-металла.

Выявлено, что при сварке корневых швов соединения эмалированных труб высоколегированными электродами со значительным запасом аусгенитности (В-56, ОЗЛ-6) с допустимой долей участия основного металла корневые швы имеют достаточно высокую коррозионную стойкость.

4. С учетом изложенных принципов, разработан ряд новых технологий получения коррозионносгойких сварных соединений эмалированных труб: а), сварных соединений со шлак-эмалевым покрытием; б), сварных соединений с повышенной коррозионной стойкостью корневого шва при использовании электродов с заданным запасом аусгенитности; в), сварных соединении с внутренней коррозионностойкой манжетой. Эти технологии расширяют возможность применения эмалированных труб в строительстве объектов нефтегазового комплекса.

/