Анализ различных типов сварочных проволок для сварки трубных сталей при толщинах стенки труб более 25,0 мм

В последние годы стабильно повышается спрос на трубы большого диаметра для нефтегазового сектора. Более 150 трубных заводов по всему миру производят приблизительно 30 млн 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 газонефтепро- водов в значительной степени определяется рациональными технологическими процессами их сварки, обеспечивающими требуемый уровень прочностных, пластических свойств и сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений.

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.

Порошковые проволоки давно известны своими свойствами и характеристиками, но ввиду высокой стоимости их применение во многих случаях было не целесообразно. 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].

Оценка использования порошковой проволоки и проволоки сплошного сечения проводилась на примере механизированной сварки в среде защитных газов – смеси на основе аргона (Ar 80 % + CO 2 20 %).

Для выполнения работ были выбраны 2 сва- рочные проволоки, химический состав которых приведен в табл. 1.

• •    проволока сплошного сечения марки 80Ni1 диаметром 1,2 мм;

• •    порошковая проволока марки G80M-H диаметром 1,2 мм.

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

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 показали, что проволока 80Ni1 характеризуется более высокими значениями предела прочности металла шва. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

На рис. 1 приведены результаты испытания на ударный изгиб при температуре –40 °С образцов

Ст.-01 и Ст.-02, и при температуре –30 °С образцов Ст.-03 и Ст.-04, показывающие, что более высокие и стабильные значения продемонстрировала порошковая проволока G80M-H.

Измерение твердости по Виккерсу (HV 10) на макрошлифах Ст.-01 и Ст.-02 выявило пиковое значение 286 HV10 рядом с линией сплавления, что несколько выше требуемого максимума 280 HV 10. Для проволоки G80M-H максимальное значение составляет 264 HV 10. Измерение твердости по Виккерсу на макрошлифах Ст.-03 и Ст.-04 показало одинаковый для обеих проволок результат и составило в ЗТВ 240 HV 10, что ниже нормируемого максимума 270 HV 10.

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 бо-

Таблица 1

Химический состав сварочных проволок, %

Марка проволоки

C

Mn

Si

Ni

Ti

Cu

Cr

Mo

V

Al

S

P

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

≤ 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

Таблица 2

Контрольные сварные соединения

Номер соединения	Основной металл	Сварочный материал
Ст.-01	Пластины 450 × 150 × 27,7 мм из стали класса прочности К65	Проволока 80Ni1 ∅ 1,2 мм
Ст.-02		Проволока G80M-H ∅ 1,2 мм
Ст.-03	Пластины 1000 × 120 × 37,4 мм из стали марки SAWL 485	Проволока 80Ni1 ∅ 1,2 мм
Ст.-04		Проволока G80M-H ∅ 1,2 мм

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 К65	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

Яковлев Д.С .

Анализ различных типов сварочных проволок для сварки трубных сталей при толщинах стенки труб более 25,0 мм

Рис. 1. Результаты испытания на ударный изгиб

Линия сплавления

Рис. 2. Макроструктура сварных швов лее предпочтительна. Шлифы сварных швов представлены на рис. 2.

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 некоторые другие показатели.

Проведенный анализ позволяет сказать, что применение порошковой проволоки для сварки основных швов при производстве труб большого диаметра является одним из перспективных решений, позволяющих повысить качество продукции при небольших затратах на перевооружение.