Применение современных сварочных материалов для сварки высокопрочных трубных сталей

Применение современных сварочных материалов
для сварки высокопрочных трубных сталей

Д.С. Яковлев, Шахматов М.В.

В последние годы стабильно повышается спрос на трубы большого диаметра для нефтегазового сектора. Более 150 трубных заводов по всему миру производят приблизительно 30 000 000 тонн сварных труб в год.

Нефтегазодобывающие компании ведут разработку месторождений в различных климатических зонах, в том числе и в труднодоступных местах при пониженных температурах. В связи с этим, для трубопроводов, эксплуатируемых
в условиях крайне низких температур, предъявляются повышенные требования
к оценке качества труб, особенно к прочностным и пластическим свойствам,
а также величине сопротивления хрупкому разрушению.

С целью повышения эффективности разработки таких месторождений и доставки углеводородов потребителям компании предусматривают переход
на транспортировку газа и нефти под давлением 10…15 МПа для сухопутных и 20…25 МПа для морских трубопроводов. Для реализации этого необходимо применение труб большого диаметра из сталей категории прочности Х80,
а в перспективе до Х120, что позволит существенно уменьшить металлоемкость и стоимость сооружения и эксплуатации трубопроводов.

Эффективность применения высокопрочных трубных сталей для строительства газонефтепроводов в значительной степени определяется рациональными технологическими процессами их сварки, обеспечивающими требуемый уровень прочностных, пластических свойств и сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений.

Порошковые проволоки давно известны своими свойствами и характеристиками, но ввиду высокой стоимости их применение во многих случаях было не целесообразным. За последние годы технология их изготовления совершенствовалась, появилась серьезная конкуренция среди производителей проволоки, что благоприятно сказалось на ее стоимости, которая все же остается достаточно высокой по сравнению с проволокой сплошного сечения [1].

Проанализировав существующую технологию производства труб и используемые на сегодняшний день прогрессивные технологии и материалы, были проведены экспериментальные исследования и оценка применения порошковой проволоки для сварки труб большого диаметра.

1. Оценка возможности использования порошковой проволоки для производства высокопрочных труб

Оценка использования порошковой проволоки и проволоки сплошного сечения проводилась на примере механизированной сварки в среде защитных газов – смеси на основе аргона (Ar 80%+CO₂ 20%).

Для выполнения работ были выбраны две сварочные проволоки диаметром 1,2 мм – проволока сплошного сечения марки 80Ni1 и порошковая проволока марки G80M-H, химический состав которых приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав сварочных проволок

В процентах

Марка проволоки

80Ni1

0,07-0,08

1,5-1,6

0,65-0,75

0,85-0,95

≤0,1

≤0,2

≤0,05

≤0,01

≤0,03

≤0,01

≤0,015

G80M-H

0,03-0,04

1,7-1,79

0,37-0,41

0,9-0,98

–

0,07-0,11

0,24-0,27

0,022-0,023

–

0,008-0,012

0,015-0,017

Сварку производили в цеховых условиях на пластинах, эмитирующих ремонтные участки с глубиной разделки 75% номинальной толщины стенки пластин. Обозначение сварных соединений приведено в таблице 2.

Таблица 2 – Контрольные сварные соединения

Номер соединения	Основной металл	Сварочный материал
Ст.-01	Пластины из стали класса прочности Х80 с толщиной стенки 27,7 мм	Проволока 80Ni1 ø1,2 мм
Ст.-02		Проволока G80M-H ø1,2 мм
Ст.-03	Пластины из стали марки SAWL 485 с толщиной стенки 37,4	Проволока 80Ni1 ø1,2 мм
Ст.-04	Пластины из стали марки SAWL 485 с толщиной стенки 37,4	Проволока G80M-H ø1,2 мм

В результате радиографического контроля в сварных швах Ст.-02,
Ст.-04 дефектов не обнаружено. В сварном шве Ст.-01 выявлены два скопления крупных пор: диаметром до 3 мм с суммарной протяженностью 30 мм
и диаметром до 5 мм с суммарной протяженностью 50 мм, а в шве Ст.-03 – четыре одиночные поры диметром 2-3 мм.

Результаты испытаний на растяжение образцов (см. таблицу 3) показали, что проволока 80Ni1 характеризуется более высокими значениями предела прочности металла шва.

Таблица 3 – Результаты испытания на статическое растяжение цилиндрических образцов

	Номер образца	Диаметр образца, мм	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Поперечное сужение, %
Сталь Х80	1-1	5,91	658,91	601,85	23,45	69,20
	1-2	5,96	665,80	583,87	25,62	67,65
	Среднее значение		662,335	592,86	24,535	68,425
	2-1	5,99	644,27	588,64	26,89	66,83
	2-2	5,98	654,03	590,72	25,44	65,96
	Среднее значение		649,15	581,25	26,165	66,395
Сталь SAWL 485	3-1	5,95	677,24	613,57	24,03	70,71
	3-2	5,97	670,04	606,28	25,07	60,54
	Среднее значение		673,24	609,925	24,55	65,625
	4-1	5,99	653,23	602,20	26,56	58,69
	4-2	5,99	659,74	605,51	25,45	63,68
	Среднее значение		656,485	603,855	26,005	61,185

На рисунке 1 приведены результаты испытания на ударный изгиб при температуре минус 40°С образцов Ст.-01 и Ст.-02, и при температуре минус 30°С образцов Ст.-03 и Ст.-04, показывающие, что более высокие и стабильные значения продемонстрировала порошковая проволока G80M-H.

Рисунок 1 – Результаты испытания на ударный изгиб

Измерение твердости по Виккерсу (HV10) на макрошлифах Ст.-01 и Ст.-02 выявило пиковое значение 286 HV10 рядом с линией сплавления, что несколько выше требуемого максимума 280 HV10. Для проволоки G80M-H максимальное значение составляет 264 HV10. Измерение твердости по Виккерсу на макрошлифах Ст.-03 и Ст.-04 показало одинаковый для обеих проволок результат и составляет в ЗТВ 240 HV10, что ниже нормируемого максимума 270 HV10.

Анализ макроструктуры швов Ст.-01, Ст.-02, Ст.-03, Ст.-04 показал,
что недопустимые дефекты отсутствуют. В сечении шва Ст.-01 выявлена мелкая одиночная пора диаметром около 0,6 мм, а в шве Ст.-03 два несплавления длинной около 0,4 мм каждое и одиночная пора размером
около 0,4 мм. Макроструктура швов Ст.-02 и Ст.-04 выполненных проволокой G80M-H является более «равновесной» и с точки зрения обеспечения стабильности механических свойств металла шва более предпочтительна. Шлифы сварных швов представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Макроструктура сварных швов

Оценка химического состава металла швов показывает достаточно
низкое содержание в них вредных примесей (суммарное содержание серы
и фосфора не превышает 0,018%), что является положительным фактором для обеспечения высоких служебных характеристик. При одинаковом содержании марганца содержание углерода и кремния в металле шва для порошковой проволоки G80M-H практически в 2 раза ниже, чем в металле шва сплошной проволоки 80Ni1.

По результатам неразрушающего контроля и оценки макроструктуры
швы, выполненные порошковой проволокой G80M-H, отличаются более высоким качеством.

В ходе проведенного экспериментального сравнения проволоки сплошного сечения и порошковой проволоки можно сделать вывод, что порошковая проволока G80M-H обеспечивает более благоприятное сочетание прочностных, пластических свойств, твердости металла шва и зоны термического влияния. Таким образом, даже несмотря на повышенную стоимость порошковой проволоки, ее применение дает ряд преимуществ, а именно высокий коэффициент расплавления проволоки, малую склонность к образованию трещин, высокие технологические сварочные свойства и др.

2. Применение порошковой проволоки для сварки высокопрочных
трубных сталей

На основе проведенной оценки применимости порошковых проволок для сварки трубных сталей были проанализированы существующие на сегодняшний день порошковые проволоки для сварки под слоем флюса.

На лабораторном сварочном стане были сварены пластины из стали класса прочности Х80 с толщиной стенки 27,7 мм (см. таблицу 4). Технологический шов выполнен автоматической сваркой в смеси защитных газов (Ar+CO₂), внутренний и наружный шов выполнены 4-х и 5-и дуговой автоматической сваркой под флюсом. Режимы сварки пластин одинаковые.

Таблица 4 – Варианты сварки пластин

Номер соединения	Основной металл	Сварочный материал
Пл-1	Пластины из стали класса прочности Х80 с толщиной стенки 27,7 мм	Сочетание проволок сплошного сечения с порошковой проволокой ПП-1
Пл-2		Сочетание проволок сплошного сечения с порошковой проволокой ПП-2
Пл-3		Сочетание проволок сплошного сечения

Для сварки были выбрано две марки (ПП-1; ПП-2) порошковой проволоки диаметром 4,0 мм, имеющие схожий химический состав. Причем, проволока ПП-1 легирована Ni; проволока ПП-2 микролегирована Ti, Mo. Ввиду высокой стоимости проволоки было решено установить порошковую проволоку на одну из дуг. Опытным путем было выявлено, что оптимальной, с точки зрения перемешивания, является установка порошковой проволоки на вторую или третью дугу. В эксперименте порошковую проволоку применяли на второй дуге. Для сравнительной оценки была выполнена сварка пластин с использованием проволоки сплошного сечения. Причем, сочетание сварочных проволок сплошного сечения и порошковой проволоки подбиралось таким образом, чтобы наплавленный металл имел близкий химический состав.

Сваренные пластины прошли визуально-измерительный контроль, который показал отсутствие дефектов. От сварных соединений пластин были отобраны образцы для испытаний на растяжение и ударный изгиб и определения химического состава и микроструктуры сварных швов.

Результаты химического анализа приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Химический состав сварных соединений

№ образца	Массовая доля элементов, %
№ образца	C	Mn	Si	Р	S	Cr	Ni	Cu	V	Al	Mo	Ti	Nb	B	Са
Пл-1 нар. шов	0,07	1,56	0,27	0,011	0,003	0,07	0,59	0,07	0,02	0,01	0,25	0,025	0,03	0,0025	0,0002
Пл-1 внут. шов	0,07	1,63	0,29	0,011	0,003	0,07	0,61	0,07	0,02	0,02	0,21	0,034	0,04	0,0032	0,0003
Пл-2 нар. шов	0,06	1,69	0,31	0,010	0,003	0,06	0,12	0,07	0,02	0,01	0,22	0,030	0,03	0,0024	0,0002
Пл-2 внут. шов	0,06	1,76	0,28	0,010	0,003	0,07	0,14	0,07	0,02	0,01	0,23	0,031	0,03	0,0026	0,0002
Пл-3 нар. шов	0,06	1,79	0,20	0,010	0,002	0,08	0,22	0,06	0,02	0,03	0,226	0,02	0,06	0,0010	0,0014
Пл-3 внут. шов	0,07	1,69	0,31	0,013	0,005	0,05	0,17	0,07	0,02	0,02	0,295	0,02	0,04	0,0030	0,0004

В ходе испытания на растяжение были получены схожие результаты (см. таблицу 6), однако большее значение предела текучести имеет сварное соединение с более высоким содержанием никеля.

Результаты испытания сварного соединения на ударный изгиб KCV (см. таблицу 7) показывают, что при температуре испытания минус 40°С все образцы имеют достаточно высокую ударную вязкость. Следует отметить, что у образцов Пл-1 и Пл-2 наблюдаются меньший разброс и большие по величине значения ударной вязкости. При температуре испытания минус 60°С на образцах с надрезом по зоне термического влияния наблюдается большой разброс значений ударной вязкости.

Таблица 6 – Испытания сварного соединения на растяжение, образцы цилиндрические продольные от наружного шва

Номер образца	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
Пл-1	650	720	25,0
Пл-2	620	710	23,5
Пл-3	620	690	23,5

Таблица 7 – Испытания сварного соединения на ударный изгиб KCV, образцы поперечные 2 мм от наружной поверхности

Номер образца	Ударная вязкость, Дж/см²
	RCV -40°C						RCV -60°C
	Металл шва			ЗТВ			Металл шва			ЗТВ
Пл-1	169	144	135	186	244	193	133	132	108	173	61	206
Пл-2	174	143	179	215	221	243	93	160	169	81	104	50
Пл-3	144	119	102	167	196	149	106	83	120	33	29	100

В результате проведенного микроисследования выявлено, что микроструктура металла сварных швов Пл-1 и Пл-2 бейнитная мелкодисперсная, с тонкими ферритными прослойками между кристаллитами. Сварной шов Пл-3 имеет более крупное зерно и не отличается мелкодисперсностью.

Результаты работы позволяют сделать вывод, что применение порошковой проволоки для сварки высокопрочных трубных сталей является одним из способов повышения качества продукции. При этом необходимо более комплексное изучение вопроса применимости порошковых проволок при производстве труб большого диаметра.

Библиографический список

1. Походня, И.К. Исследования и разработки ИЭС им. Е.О. Патона в области электродуговой сварки и наплавки порошковой проволокой / И.К. Походня, В.Н. Шлепаков, С.Ю. Максимов, И.А. Рябцев // Автоматическая сварка. – 2010. – №12. – С. 34-42.