الخصائص الهيكلية المجهرية لواجهات الأنابيب الفولاذية المركبة ثنائية المعدن واللحامات: وجهة نظر المهندس الميداني

مقدمة: لماذا ما زلت أهتم بالواجهات بعد ذلك 22 سنوات

ينظر, لقد كنت أفعل هذا منذ ذلك الحين 2003. بدأت كمهندس موقع مبتدئ في مشروع خط أنابيب في القطاع الكازاخستاني من منطقة بحر قزوين - بمعدل أربعين درجة مئوية في الشتاء, وسوف تقطع الريح من خلالك. هذا هو المكان الذي رأيت فيه فشل الأنابيب المركبة ثنائية المعدن لأول مرة. ليس بشكل كبير، لا توجد انفجارات, الحمد لله، ولكن هناك تسربات صغيرة في مناطق اللحام, بعد ستة أشهر من التثبيت. كان العميل غاضبا. وجهت الشركة المصنعة أصابع الاتهام إلى مقاول اللحام. ألقى مقاول اللحام اللوم على المادة الأساسية. يبدو مألوفا?

إليك ما لا يخبرك به أحد في كتب علوم المواد اللامعة: الواجهة بين دعامة الفولاذ الكربوني والسبائك المقاومة للتآكل (اللجنة السويسرية للطعون) الطبقة هي المكان الذي تموت فيه المشاريع. لقد قمت بسحب مقاطع الأنابيب الفاشلة من حقل تنغيز, من المنصات البحرية في بحر الصين الجنوبي, ومن محطة تحلية المياه في المملكة العربية السعودية حيث تأكل مياه البحر الأحمر من خلال واجهة ضعيفة الارتباط 14 شهور. أربعة عشر. شهور.

لذلك عندما نتحدث عن الأنابيب الفولاذية المركبة ثنائية المعدن - وتحديدًا البنية الدقيقة للواجهة ومنطقة اللحام - فإننا لا نناقش فقط الصور المعدنية الجميلة. نحن نتحدث عما إذا كان خط الأنابيب الخاص بك سيستمر أم لا 20 سنوات أو يصبح درسا باهظ الثمن في التواضع.

هذه القطعة تأتي من الخبرة الميدانية, التحقق المختبري, وأكثر من بضع حجج مع مهندسي التصميم الذين لم يحملوا أبدًا مزدوجًا حراريًا أثناء اللحام. دعونا ندخل في ذلك.

الواجهة: أين يعيش أنبوبك فعليًا أو يموت

ما ننظر إليه في الواقع

يتكون الأنبوب المركب ثنائي المعدن عادة من أنبوب دعم من الفولاذ الكربوني (يقول, API 5L X65 أو X70) مرتبط معدنيًا ببطانة CRA (316L, 825, 625—يعتمد على متطلبات التآكل الخاصة بك). يحدث السحر - أو المأساة - عند خط الرابطة هذا.

أتذكر أنني قمت بفحص مجموعة من الأنابيب الملحومة المتفجرة مرة أخرى ’07 لمشروع في أذربيجان. ادعى الطاحونة 100% سلامة السندات. أول اختبار بالموجات فوق الصوتية? أظهرت ثلاثة وعشرون بالمائة من الأنابيب مناطق تفكيك أكبر من المواصفات المسموح بها. روت البنية المجهرية للواجهة القصة: الإفراط في تكوين المعادن في منطقة الرابطة, ربما من معلمات اللحام المتفجرة غير المناسبة.

الواجهة ليست خطًا نظيفًا. تحت النطاق, عند 500x أو أفضل, سترى:

1. منطقة الانتشار — عادةً 2-15 ميكرون في رابطة جيدة

2. المركبات بين الفلزات — Fe-Cr, الرغبة في, اعتمادا على السبائك الخاصة بك

3. مناطق ترسيب الكربيد – خاصة إذا لم يتم التحكم في معدلات التبريد

4. التعشيقات الميكانيكية – في المواد المرتبطة باللفائف أو المترابطة بالانفجار

5. أفلام الأكسيد المخيفة – قبلة الموت من أجل سلامة الروابط

فيما يلي مرجع سريع من ملاحظاتي الميدانية حول خصائص الواجهة المقبولة:

هذا الأخير - شوائب الأكسيد - رأيته يدمر قسمًا كاملاً من خطوط الأنابيب في بحر الشمال. وقد حدد المشغل لفة المستعبدين 625 بطانات في الأنابيب X65. تقوم الشركة المصنعة بقطع الزوايا عند تحضير السطح قبل الترابط. عملت الأكاسيد كمواقع لبدء الشقوق. عندما شهد الخط التدوير الحراري أثناء بدء التشغيل/الإيقاف? delamination. ثم التآكل الشق. ثم تسرب الثقب. انتهت اللعبة.

لماذا يهم الواجهة (وأعني أنه مهم حقًا)

قد تسأل - ولقد سألني مهندسون شباب هذا السؤال -”ألا يمكننا الاعتماد فقط على اللحام لربط كل شيء معًا?”

لا. بالتأكيد لا. إليكم السبب:

الواجهة هي آلية نقل الحمل الأساسية بين الفولاذ الكربوني الهيكلي والطبقة المقاومة للتآكل. عندما تفشل تلك الواجهة, يحدث شيئين:

أولاً, يمكن لبطانة CRA الخاصة بك أن تنثني أو تنهار إلى الداخل, خاصة في ظل الدراجات الحرارية أو الضغط. رأيت هذا على خط رفع الغاز في خليج تايلاند. تم تفكيك الخطوط الملاحية المنتظمة على وشك 40% من محيط. أثناء هبوط الضغط, التوى البطانة إلى الداخل مثل علبة الصودا. منعت الخط. يكلف 14 أيام من الإنتاج لقطع واستبدال.

ثانيا, والأسوأ من ذلك هو التآكل الحلقي للفضاء. بمجرد فشل السند, لديك فجوة بين الفولاذ الكربوني وCRA. يمكن أن تدخل السوائل. لقد قمت الآن بإنشاء خلية تآكل شق. الصلب الكربوني, كونها أقل نبلا, يتآكل بشكل تفضيلي. ولكن لأنها محصورة, لا يمكن لمنتجات التآكل الهروب. يبني الضغط. لقد رأيت الأنابيب تنتفخ إلى الخارج مثل الثعبان الذي ابتلع فأرًا. مؤخراً, تمزق.

الرياضيات الخاصة بنقل ضغط الواجهة ليست معقدة, ولكن الناس يتجاهلون ذلك. يتبع إجهاد القص في الواجهة تقريبًا:

${ر}_{\mathrm{أنا}NT\mathrm{البريد}RFAج\mathrm{البريد}}=\frac{\mathrm{د}ف\cdot R}{2T_{L\mathrm{أنا}N\mathrm{البريد}R}}\cdot \frac{\mathrm{وُلِدّ}(بX)}{\mathrm{ضرب\; بالعصا}(بL\mathrm{/}2)}$
τinterface​=2tliner​ΔP⋅r​⋅cosh(بيتا لتر/2)وُلِدّ(βx)​

أين:

• $\Delta P$ = فرق الضغط عبر البطانة

• $r$ = نصف القطر الداخلي

• $t_{liner}$ = سمك الخطوط الملاحية المنتظمة

• $\beta$ = معلمة صلابة قص الواجهة

• $x$ = المسافة من الحافة الحرة

• $L$ = طول المستعبدين

الوجبات الجاهزة الرئيسية? يتركز إجهاد القص عند الحواف، أي نهايات اللحام, إنهاء الخطوط الملاحية المنتظمة, أي انقطاع. لهذا السبب أعزف على مؤهلات إجراءات اللحام التي تتناول الواجهة فعليًا.

منطقة اللحام: حيث تصبح الأنابيب الجيدة سيئة

تشريح لحام الأنابيب المركب

هنا يتم فصل الخبرة الميدانية عن المعرفة بالكتب المدرسية. لقد أشرفت على 400 لحام الأنابيب المركبة في حياتي المهنية, من خطوط تدفق 4 بوصة إلى خطوط تصدير 36 بوصة. تخبرني البنية المجهرية في اللحام عن الأداء المستقبلي أكثر مما ستخبرني به أي شهادة مطحنة على الإطلاق.

يحتوي لحام محيط الأنبوب المركب النموذجي على عدة مناطق متميزة:

1. معدن اللحام نفسه - عادةً ما يكون عبارة عن حشو قائم على النيكل (625, 82, 182) لاستيعاب التخفيف
2. خط الاندماج – حيث تصبح الأمور مثيرة للاهتمام
3. المنطقة المختلطة جزئيًا — غالبًا ما يتم تجاهلها, دائما مشكلة
4. المنطقة المتأثرة بالحرارة (المخاطر) في بطانة CRA — هطول كربيد المركزي
5. الكربون الصلب HAZ — تصلب, تليين, اعتمادا على كيمياء الصلب
6. منطقة الواجهة (مرة أخرى) - الآن مع الضغط الحراري الإضافي

فيما يلي تفصيل للبنية المجهرية من لحام X65 الفاشل ذو 825 ​​خطًا والذي قمت بتحليله العام الماضي:

لاحظ ارتفاع الصلابة في واجهة الرابطة? هذا من التمدد الحراري التفاضلي أثناء اللحام. يتوسع CRA والفولاذ الكربوني بمعدلات مختلفة. عندما تكون مقيدة بالسند, تحصل على الإجهاد المتبقي. في بعض الأحيان يخفف هذا الضغط عن طريق التشققات الدقيقة على طول الطبقة المعدنية.

مشكلة التخفيف: لا يمكنك تجاهل الكيمياء

هذا شيء تعلمته بالطريقة الصعبة في أحد المشاريع في عمان: التخفيف يقتل.

كنا نلحم الأنابيب المركبة X65/316L بحشوة 309L، وهو خطأ شائع. 309L مخصص للفولاذ المقاوم للصدأ والكربون, يمين? يجب أن تعمل? لا. إليكم السبب:

عندما لحام, تقوم بإذابة بعض المواد الأساسية في حوض اللحام. لتمرير الجذر على الأنابيب المركبة, أنت تقوم بإذابة بطانة 316L وربما بعض الفولاذ الكربوني إذا كانت تجهيزاتك ضيقة. هذا التخفيف يغير كيمياء معدن اللحام. يصبح مخطط شايفلر أفضل صديق لك - أو أسوأ عدو لك إذا تجاهلته.

ما يعادل الكروم:
$جR_{\mathrm{البريد}س}=\mathrm{\%}جR+\mathrm{\%}م\mathrm{ال}+1.5\times \mathrm{\%}S\mathrm{أنا}+0.5\times \mathrm{\%}Nب$
Creq=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5×%Nb

ما يعادل النيكل:
$N{\mathrm{أنا}}_{\mathrm{البريد}س}=\mathrm{\%}N\mathrm{أنا}+30\times \mathrm{\%}ج+0.5\times \mathrm{\%}مN$
Nieq=%Ni+30×%C+0.5×%Mn

ارسم تركيبتك المخففة. إذا هبطت في منطقة مارتنسيت? تهانينا, لقد قمت للتو بإنشاء هش, لحام حساس للتشقق والذي سيفشل في الاختبار المائي. لقد رأيت ذلك.

مع حشو 309L, حتى 15-20% التخفيف من 316L يدفعك نحو تصلب الفريت الأولي - حسنًا, ليس فظيعا. ولكن إذا حصلت على تخفيف الكربون الصلب? مدينة مارتنسيت. سكان: اللحام الخاص بك.

ولهذا السبب أصر الآن على استخدام مواد حشو أساسها النيكل لأي أنبوب مركب يزيد سمكه عن 3 مم CRA.. 625 أو 82. نعم, إنها باهظة الثمن. نعم, من الصعب لحامها (قضايا الخبث, قضايا السيولة). لكن مصفوفة النيكل تستوعب التخفيف دون تكوين المارتنسيت. إنه متسامح. وفي هذا العمل, التسامح يساوي الموثوقية.

دراسة حالة الفشل: حادثة جنوب فارس

اسمحوا لي أن أطلعكم على الفشل الفعلي الذي قمت بالتحقيق فيه. حقل جنوب بارس, القطاع الإيراني من الخليج العربي، على الرغم من أنني كنت أعمل لدى المشغل على الجانب القطري في ذلك الوقت. 2015.

كان لدينا أنابيب ثنائية المعدن مقاس 24 بوصة, X65 مع إنكولوي 825 بطانة, 3مم. خدمة: الغاز الحامض الرطب. حياة التصميم: 25 سنوات. الحياة الفعلية قبل التسرب الأول: 18 شهور.

الأعراض

تسربات متعددة الثقب في 5 و 7 مواضع الساعة (الأرباع السفلية) من مقاس اللحامات. كل ذلك ضمن 50 مم من خط اللحام المركزي. كل ذلك على جانب المادة الأم، وليس في معدن اللحام نفسه.

التحقيق

لقد سافرت مع عالم معادن من المملكة المتحدة – رجل لامع, لم يثق أبدًا برأي مهندس ميداني دون أن يراه بنفسه. عادلة بما فيه الكفاية.

نحن قطع المقاطع, فعل:

1. الفحص البصري - ثقوب بقطر 0.5-2 مم, منتجات التآكل البني

2. التصوير الشعاعي - لا يوجد تشقق واضح, ولكن بعض المؤشرات على خط السندات

3. علم المعادن - هذا روى القصة

4. SEM/EDS – أكد شكوكنا

5. رسم خرائط الصلابة – تحديد حجم الضرر

ما وجدناه

أظهرت الواجهة تفككًا واسع النطاق — وليس عند خط السندات الأصلي, ولكن من خلال الطبقة المعدنية. لقد تصدعت المعادن البينية أثناء دورات اللحام الحرارية. وهنا كيكر: لم تكن الشقوق مرئية عند 50x. عند 500x, لقد كانت واضحة - شبكة من الشقوق الدقيقة على طول الطبقة البينية من الحديد والكروم.

من خلال هذه الشقوق, لقد هاجر سائل العملية إلى الفضاء الحلقي بين بطانة CRA والجزء الخلفي من الفولاذ الكربوني. تآكل الفولاذ الكربوني – تآكل عام, لا تأليب. ولكن هنا تكمن المشكلة: منتجات التآكل (أكاسيد / هيدروكسيدات الحديد) احتلت حوالي ضعف حجم الفولاذ الأصلي. لقد توسعوا, انتفاخ البطانة إلى الداخل.

بمجرد انتفاخ الخطوط الملاحية المنتظمة, تغير نظام التدفق محليًا، وزاد الاضطراب. تولى التآكل التآكل. تطورت الثقوب في حوالي 3 بعد أشهر من التفكيك الأولي.

السبب الجذري

عاملان:

أولاً, خلقت معلمات الترابط المتفجرة الأصلية طبقة بين المعادن في الطرف العلوي بسمك مقبول - حوالي 18 ميكرون. في 18 ميكرون, إنها هشة ولكنها مستقرة عادة.

ثانيا, أدى إجراء اللحام إلى خلق الكثير من مدخلات الحرارة. اللحامون, في محاولة للحفاظ على الإنتاجية, كانت ساخنة. درجات الحرارة القصوى عند خط الرابطة أثناء اللحام? قمنا بتصميمه لاحقًا - حوالي 650-700 درجة مئوية 825 خط الرابطة الملاحية المنتظمة. هذا هو نطاق التحسس ل 825, ولكن بشكل أكثر أهمية, إنه يكفي للتسبب في تكوين إضافي بين المعادن والتقصف في الواجهة الموجودة مسبقًا.

التركيبة - معادن سميكة بالفعل + التعرض الحراري الإضافي أثناء اللحام = التكسير.

الإصلاح

لقد غيرنا ثلاثة أشياء:

1. تشديد الرقابة على السندات الواردة جودة - الحد الأقصى لسمك المعادن تم تخفيضه من 20 ميكرومتر إلى 8 ميكرومتر حسب المواصفات

2. لحام مدخلات الحرارة المنخفضة - من 1.5 كيلوجول/مم كحد أقصى إلى 0.9 kj/mm

3. التحكم في درجة الحرارة البينية - 150 درجة مئوية كحد أقصى, يتم مراقبتها باستخدام المزدوجات الحرارية الاتصال, وليس بنادق الأشعة تحت الحمراء (تلك تكمن على الأسطح اللامعة)

بعد التنفيذ? لا يوجد فشل في اللاحقة 4 سنوات كنت متورطا.

الاتجاهات الحالية و 2024 التطورات

ينظر, لم أعد موجودًا في المختبر بعد الآن، فأنا أقوم بإجراء الاستشارات في الغالب الآن, لكني أستمر. بعض التطورات المثيرة للاهتمام في العامين الماضيين:

ترسيب الاحتكاك الإضافي - هناك مجموعة في TWI وأخرى في هيوستن تعمل على إصلاح الواجهات ثنائية المعدن التالفة باستخدام تحريك الاحتكاك الإضافي. يمكنهم بالفعل استعادة سلامة الروابط في المناطق المحلية دون إزالة الأنبوب. الأيام الأولى, لكنها واعدة.

التعلم الآلي لارتباط NDT - لقد بدأنا نرى أنظمة تربط بيانات المسح C بالموجات فوق الصوتية بالتنبؤات المتعلقة بالبنية المجهرية. بدلا من مجرد القول “تم الكشف عن التفكك,” إنهم يتوقعون نوع المعدن المحتمل وجوده بناءً على أنماط توهين الإشارة. يقوم أحد المشغلين في بحر الشمال بتجربة هذا لإجراء عمليات التفتيش تحت سطح البحر.

معادن حشو جديدة - أدخلت العديد من الشركات المصنعة “تخفيف متسامح” سبائك النيكل خصيصا لحام الأنابيب ثنائية المعدن. أنها تحتوي على نسبة أعلى من النيوبيوم والموليبدينوم لتحقيق الاستقرار في البنية المجهرية حتى مع 30-40% تخفيف. لقد اختبرت واحدة في العام الماضي - قمت بتشغيل حبة بتقنية سيئة متعمدة لتحقيق أقصى قدر من التخفيف, ثم قسمها. لا مارتنسيت. بديع.

على 2023 API 5LD المراجعة - أخيرا, الحمد لله, لقد أضافوا متطلبات أكثر تحديدًا لاختبار رابطة الواجهة. القديم “لا يوجد فصل واضح” كان عديم الفائدة. وهي الآن تتطلب إجراء اختبار القص الكمي مع معايير قبول محددة بناءً على فئة الخدمة. لقد حان الوقت.

توصيات عملية من الميدان

بعد عقدين من مشاهدة الأنابيب ثنائية المعدن تنجح وتفشل, هذا ما أفعله بالفعل في المشاريع:

أثناء اختيار المواد

• لا تحدد فقط سبيكة CRA، بل حدد خصائص خط الرابطة. ضع أرقامًا على السماكة المعدنية, توحيد منطقة الانتشار, وقوة القص.

• تتطلب صورة مجهرية من عينات الإنتاج, ليس فقط ر&عينات د. إنهم مختلفون.

• إذا كانت متفجرة, اسأل عن دورة الصلب. بعض الشركات المصنعة لا تصلب بعد الترابط الانفجار. سوف تفاجئك الضغوط المتبقية لاحقًا.

أثناء اللحام

• استخدم تقنية الخرزة المزاجية للجانب الفولاذي الكربوني إذا كنت تقوم باللحام من الخارج. أعلم أنه المزيد من العمل, لكنه ينقي بنية الحبوب HAZ.

• راقب درجة حرارة الممرات البينية وكأنها الشيء الوحيد المهم. لأنه في بعض الأحيان, إنها.

• قم بإجراء حساب التخفيف قبل اختيار معدن الحشو. لا تثق في مندوب المبيعات.

• لتمرير الجذر الأول, استخدم حشو النيكل أعلى قليلاً مما تعتقد أنك بحاجة إليه. إنه تأمين.

أثناء التفتيش

• UT لخط السندات قبل اللحام. ثم UT لمنطقة HAZ بعد اللحام. يقارن.

• إذا رأيت أي إشارة للتفكك بالقرب من اللحام بعد التصنيع, قطعها. لا تحاول إصلاحه. لم يسبق لي أن رأيت إصلاحًا ناجحًا لتفكيك الواجهة المجاورة للحام.

• يجب أن تشمل الصلابة التي تعبر اللحام خط الرابطة. معظم الإجراءات تتحقق فقط من HAZ ومعدن اللحام. يغيب عن خط السندات, تفوت المشكلة.

استنتاج: الواجهة لا تكذب أبدًا

هذا ما أقوله لكل مهندس شاب يتناوب على مشاريعي: تحتفظ الواجهة بسجل لكل شيء. كل دورة حرارية, كل الإجهاد الميكانيكي, كل اختصار التصنيع. إنه مكتوب في البنية المجهرية. عليك فقط أن تنظر.

تعتبر المركبات ثنائية المعدن مواد رائعة، فهي تمنحنا مقاومة للتآكل دون تسعير ثابت من CRA. لكنهم لا يرحمون الاختصارات. الواجهة ومنطقة اللحام هي المكان الذي يلتقي فيه هدف التصميم مع واقع التصنيع. عندما يتطابقان, تحصل على خطوط أنابيب مدتها 25 عامًا. عندما لا يفعلون ذلك, تحصل على إخفاقات تجعل الرجال مثلي يعملون.

لكن بصراحة? أفضل أن أتقاعد بدلاً من التحقيق في فشل آخر في الواجهة. لذا انتبه إلى التفاصيل. سوف البنية المجهرية شكرا لك. سوف يشكرك فريق العمليات الخاص بك. وربما – فقط ربما – لن تحصل على ذلك 2 مكالمة هاتفية صباحا حول تسرب في منتصف فصل الشتاء.

ابقَ آمنًا هناك.