Микроструктурные характеристики сопряжений и сварных швов биметаллических композитных стальных труб: Взгляд полевого инженера

Введение: Почему меня все еще волнуют интерфейсы после 22 лет

Смотреть, Я делаю это с тех пор 2003. Начинал младшим инженером на проекте трубопровода в казахстанском секторе Каспийского региона — зимой минус сорок., и ветер прорежет тебя насквозь. Именно здесь я впервые увидел выход из строя биметаллических композитных труб.. Не драматично – никаких взрывов, слава богу, но небольшие точечные утечки в зонах сварки, шесть месяцев после установки. Клиент был в ярости. Производитель указал пальцем на подрядчика по сварке. Подрядчик по сварке обвинил основной материал. Звучит знакомо?

Вот то, о чем вам никто не расскажет в глянцевых учебниках по материаловедению: интерфейс между основой из углеродистой стали и коррозионностойким сплавом (CRA) слой — это место, где проекты умирают. Я вытаскивал провалившиеся участки труб с месторождения Тенгиз, с морских платформ в Южно-Китайском море, и с опреснительной установки в Саудовской Аравии, где вода Красного моря разъедала плохо связанный интерфейс в 14 месяцы. Четырнадцать. месяцы.

Поэтому, когда мы говорим о биметаллических композитных стальных трубах, в частности о микроструктуре интерфейса и зоны сварки, мы не просто обсуждаем красивые металлургические фотографии.. Мы говорим о том, прослужит ли ваш конвейер 20 лет или становится очень дорогим уроком смирения.

Эта часть основана на практическом опыте, лабораторная проверка, и не мало споров с инженерами-конструкторами, которые никогда не держали термопару во время сварки. Давайте займемся этим.

Интерфейс: Где на самом деле живет или умирает ваша трубка

Что мы на самом деле ищем

Биметаллическая композитная труба обычно состоит из опорной трубы из углеродистой стали. (сказать, API 5L X65 или X70) металлургически соединенный с вкладышем CRA (316L, 825, 625— зависит от ваших требований к коррозии). Магия – или трагедия – происходит на этой линии связи..

Я помню, как проверял партию труб, сваренных взрывом, еще в ’07 для проекта в Азербайджане. Завод заявил, что 100% целостность облигаций. Первый ультразвуковой тест? Двадцать три процента труб имели участки отслоения, превышающие допустимые спецификации.. Микроструктура интерфейса рассказала историю: чрезмерное интерметаллическое образование в зоне соединения, вероятно, из-за неправильных параметров сварки взрывом.

Интерфейс не является чистой линией. В рамках, в 500 раз или лучше, ты увидишь:

1. Диффузионная зона — обычно 2-15 микроны в хорошей связи

2. Интерметаллические соединения — Fe-Cr, Желание-в, в зависимости от ваших сплавов

3. Зоны выделения карбидов — особенно, если скорость охлаждения не контролировалась

4. Механические блокировки — из материалов, скрепленных рулонами или взрывом.

5. Ужасные оксидные пленки — смертельный поцелуй ради целостности связи

Вот краткая справка из моих полевых заметок о приемлемых характеристиках интерфейса.:

Последний — оксидные включения — я видел, как он разрушил целый участок трубопровода в Северном море.. Оператор указал рулонную 625 вкладыши в трубу X65. Производитель срезал углы при подготовке поверхности перед склеиванием.. Оксиды действовали как места зарождения трещин.. Когда на линии наблюдалось термоциклирование во время запуска/останова? расслоение. Затем щелевая коррозия. Тогда точечная утечка. Игра закончена.

Почему интерфейс имеет значение (и я имею в виду, что ДЕЙСТВИТЕЛЬНО имеет значение)

Вы можете спросить — и молодые инженеры спрашивали меня об этом —”Разве мы не можем просто полагаться на сварной шов, который скрепит все вместе??”

Нет. Абсолютно нет. Вот почему:

Интерфейс — это ваш основной механизм передачи нагрузки между конструкционной углеродистой сталью и коррозионностойким слоем.. Когда этот интерфейс выходит из строя, происходят две вещи:

Первый, ваш вкладыш CRA может прогнуться или сложиться внутрь, особенно при циклическом изменении температуры или давления. Я видел это на газолифтной линии в Сиамском заливе.. Лайнер отсоединился примерно через 40% окружности. Во время падения давления, вкладыш прогнулся внутрь, как банка с газировкой, на которую наступили. Заблокировал линию. Расходы 14 дней производства, чтобы вырезать и заменить.

Второй, и того хуже — коррозия кольцевого пространства. Как только связь терпит неудачу, у вас есть разрыв между углеродистой сталью и CRA. Жидкости могут проникнуть. Теперь вы создали ячейку щелевой коррозии.. Углеродистая сталь, быть менее благородным, преимущественно корродирует. Но поскольку оно ограничено, продукты коррозии не могут выйти наружу. Давление нарастает. Я видел, как трубы выпирали наружу, как змея, проглотившая крысу.. В конце концов, разрыв.

Математика передачи напряжения на интерфейсе не сложна., но люди игнорируют это. Касательное напряжение на границе раздела примерно соответствует:

${т}_{яНТEРFACE}знак\; равно\frac{\mathrm{д}P\cdot Р}{2{Т}_{LяНEР}}\cdot \frac{\mathrm{рожденный}(бX)}{\mathrm{шиш}(бL\mathrm{/}2)}$
τinterface​=2tliner​ΔP⋅r​⋅cosh(βЛ/2)рожденный(βx)​

где:

• $\Delta P$ = перепад давления на вкладыше

• $r$ = внутренний радиус

• $t_{liner}$ = толщина гильзы

• $\beta$ = параметр жесткости интерфейса при сдвиге

• $x$ = расстояние от свободного края

• $L$ = длина соединения

Ключевой вывод? Напряжение сдвига концентрируется по краям — сварные концы., окончания вкладыша, любой разрыв. Вот почему я настаиваю на квалификации процедур сварки, которые фактически касаются интерфейса..

Зона сварки: Где хорошие трубы портятся

Анатомия сварного шва композитной трубы

Вот где практический опыт отличается от знаний из учебника. я руководил 400 сварка композитных труб в моей карьере, от 4-дюймовых поточных линий до 36-дюймовых экспортных линий. Микроструктура сварного шва говорит мне больше о будущих характеристиках, чем любой сертификат завода..

Типичный кольцевой сварной шов композитной трубы имеет несколько отдельных зон.:

1. Сам металл сварного шва — обычно присадка на основе никеля. (625, 82, 182) для обеспечения разбавления
2. Линия слияния — где все становится интереснее
3. Частично смешанная зона, которую часто упускают из виду, всегда проблематично
4. Зона термического влияния (ЗТВ) во вкладыше CRA — центральное выделение карбидов
5. Углеродистая сталь ЗТВ — закалка, смягчение, в зависимости от химического состава стали
6. Область интерфейса (снова) — теперь с добавленной термической нагрузкой

Вот микроструктурное разрушение неудачного сварного шва X65 с футеровкой 825, который я анализировал в прошлом году.:

Обратите внимание на резкий скачок твердости на границе раздела соединений.? Это из-за дифференциального теплового расширения во время сварки.. CRA и углеродистая сталь расширяются с разной скоростью.. Когда они ограничены связью, у тебя остаточный стресс. Иногда это напряжение ослабляется за счет микротрещин вдоль интерметаллического слоя..

Проблема разбавления: Вы не можете игнорировать химию

Вот кое-что, чему я научился на собственном горьком опыте, работая над проектом в Омане.: разбавление убивает.

Мы сваривали композитные трубы X65/316L с наполнителем 309L — распространенная ошибка.. 309L — от нержавеющей до углеродистой стали., верно? Должно работать? Нет. Вот почему:

Когда вы свариваете, вы плавите часть основного материала в сварочной ванне. Для корневого прохода на композитной трубе, вы плавите гильзу 316L и, возможно, немного углеродистой стали, если у вас плотная посадка. Это разбавление меняет химический состав металла сварного шва.. Диаграмма Шеффлера станет вашим лучшим другом или злейшим врагом, если вы ее проигнорируете..

Хромовый эквивалент:
$C{Р}_{E\mathrm{Вопрос}}знак\; равно\mathrm{\%}CР+\mathrm{\%}m\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_0"\; data-source="1"\; data-orig="o">o</span>}+1.5\times \mathrm{\%}Sя+0.5\times \mathrm{\%}Нb$
Creq=%Cr+%Mo+1,5×%Si+0,5×%Nb

Никелевый эквивалент:
$Н{я}_{E\mathrm{Вопрос}}знак\; равно\mathrm{\%}Ня+30\times \mathrm{\%}C+0.5\times \mathrm{\%}mН$
Nieq=%Ni+30×%C+0,5×%Mn

Постройте свой разбавленный состав. Если вы попали в мартенситную область? Поздравления, ты только что создал хрупкий, чувствительный к трещинам сварной шов, который не выдержит гидроиспытаний. я это видел.

С наполнителем 309л., даже 15-20% разбавление от 316L подталкивает вас к первичному затвердеванию феррита — окей, не ужасно. Но если вы получите разбавление углеродистой стали? Мартенситовый город. Население: твой сварной шов.

Вот почему я теперь настаиваю на использовании наполнителей на основе никеля для любых композитных труб толщиной CRA более 3 мм.. 625 или 82. Да, они дорогие. Да, их труднее сваривать (проблемы со шлаком, проблемы с текучестью). Но никелевая матрица допускает разбавление, не образуя мартенсита.. Это прощает. И в этом деле, прощение равно надежности.

Пример неудачи: Инцидент в Южном Парсе

Позвольте мне рассказать вам о реальной ошибке, которую я расследовал.. Месторождение Южный Парс, Иранский сектор Персидского залива — хотя в то время я работал у оператора на катарской стороне.. 2015.

У нас были биметаллические трубы диаметром 24 дюйма., X65 с инколой 825 футеровка, 3Толщина мм. Услуга: влажный высокосернистый газ. Дизайн жизни: 25 лет. Реальная жизнь до первой утечки: 18 месяцы.

Симптомы

Множественные точечные утечки на 5 и 7 позиции часов (нижние квадранты) кольцевых сварных швов. Все в пределах 50 мм от осевой линии сварного шва.. Все на стороне основного материала, а не в самом металле сварного шва..

Расследование

Я прилетел с металлургом из Великобритании — молодец., никогда не доверял мнению полевого инженера, не видя его сам. Справедливо.

Вырезаем секции, делал:

1. Визуальный осмотр — точечные отверстия диаметром 0,5-2 мм., коричневатые продукты коррозии

2. Рентгенография — явных трещин нет., но некоторые признаки на линии соединения

3. Металлография — об этом рассказала история

4. SEM/EDS — подтвердили наши подозрения

5. Картирование твердости — количественная оценка ущерба

Что мы нашли

Интерфейс показал обширное отсоединение – не на исходной линии соединения., но через интерметаллидный слой. Интерметаллиды треснули во время сварочных термических циклов.. Вот кикер: трещины не были видны при увеличении 50х. В 500 раз, они были очевидны — сеть микротрещин вдоль интерметаллидного слоя Fe-Cr..

Через эти трещины, технологическая жидкость мигрировала в кольцевое пространство между вкладышем CRA и подложкой из углеродистой стали. Углеродистая сталь подверглась коррозии – общая коррозия, не питтинг. Но вот проблема: продукты коррозии (оксиды/гидроксиды железа) занимал примерно вдвое больше объема исходной стали. Они расширили, выпирание вкладыша внутрь.

Однажды вкладыш вздулся, локально изменился режим течения — усилилась турбулентность. Эрозия-коррозия взяла верх. Пинхолы образовались примерно 3 месяцев после первоначального расставания.

Основная причина

Два фактора:

Первый, исходные параметры взрывной связи создавали интерметаллический слой на верхнем конце приемлемой толщины — около 18 микроны. в 18 микроны, он хрупкий, но обычно стабильный.

Второй, процедура сварки привела к слишком большому поступлению тепла. Сварщики, пытаясь сохранить продуктивность, были горячими. Пиковые температуры на линии соединения во время сварки? Мы смоделировали ее позже — примерно 650–700°C для 825 линия соединения лайнера. Это диапазон чувствительности для 825, но более критично, этого достаточно, чтобы вызвать дополнительное интерметаллидное образование и охрупчивание на уже существующей границе раздела.

Комбинация — уже толстые интерметаллиды + дополнительное термическое воздействие при сварке = растрескивание.

Исправление

Мы изменили три вещи:

1. Ужесточение контроля за входящими облигациями качество — максимальная толщина интерметаллида уменьшена с 20 мкм до 8 мкм в спецификации

2. Меньшая тепловложение сварки — от 1.5 кДж/мм макс. до 0.9 KJ/MM

3. Контроль температуры между проходами — строгий максимум 150°C., контролируется контактными термопарами, не ИК-пушки (те лежат на блестящих поверхностях)

После внедрения? Никаких сбоев в последующем 4 лет я участвовал.

Текущие тенденции и 2024 События

Смотреть, Я больше не в лаборатории — сейчас я в основном консультирую., но я продолжаю. Некоторые интересные события за последние пару лет:

Аддитивное осаждение трением с перемешиванием. В TWI есть группа, а еще одна в Хьюстоне работает над ремонтом поврежденных биметаллических интерфейсов с использованием аддитивного трения с перемешиванием.. Они действительно могут восстановить целостность соединения в определенных областях, не снимая трубу.. Первые дни, но многообещающе.

Машинное обучение для корреляции неразрушающего контроля. Мы начинаем видеть системы, которые коррелируют данные ультразвукового C-сканирования с прогнозами микроструктуры.. Вместо того, чтобы просто сказать “обнаружено отсоединение,” они предсказывают тип вероятного присутствия интерметаллида на основе закономерностей затухания сигнала. Один оператор в Северном море тестирует это для подводных инспекций..

Новые присадочные металлы — представили несколько производителей. “устойчивый к разбавлению” никелевые сплавы специально для сварки биметаллических труб. Они содержат большее количество ниобия и молибдена для стабилизации микроструктуры даже при 30-40% разбавление. Я тестировал один в прошлом году — пропустил шарик намеренно с плохой техникой, чтобы максимизировать разбавление., затем разделил это. Нет мартенсита. Впечатляющий.

в 2023 API 5LD ревизия — наконец, Слава Богу, они добавили более конкретные требования к тестированию соединения интерфейсов. Старый “нет видимого разделения” был бесполезен. Теперь они требуют количественного испытания на сдвиг с определенными критериями приемки, основанными на классе эксплуатации.. Самое время.

Практические рекомендации с мест

После двух десятилетий наблюдения за успехами и неудачами биметаллических труб, вот что я на самом деле делаю в проектах:

Во время выбора материала

• Не просто укажите сплав CRA — укажите характеристики линии соединения.. Нанесите цифры на толщину интерметаллида., однородность диффузионной зоны, и прочность на сдвиг.

• Требуйте микрофотографии производственных образцов, не только Р&D образцы. Они разные.

• Если это взрывоопасно, спросите о цикле отжига. Некоторые производители не проводят отжиг после сварки взрывом.. Остаточные напряжения вас удивят позже..

Во время сварки

• Если вы свариваете снаружи, используйте закаленный валик для стороны из углеродистой стали.. Я знаю, что это больше работы, но он уточняет зернистую структуру ЗТВ.

• Контролируйте температуру между проходами, как будто это единственное, что имеет значение. Потому что иногда, это.

• Прежде чем выбирать присадочный металл, выполните расчет разбавления.. Не доверяйте торговому представителю.

• Для первого корневого прохода, используйте наполнитель из никеля с немного более высоким содержанием никеля, чем, по вашему мнению, вам нужно.. Это страховка.

Во время проверки

• UT линии соединения перед сваркой. Затем УТ ЗТВ после сварки. Сравнивать.

• Если вы видите какие-либо признаки отслоения вблизи сварного шва после изготовления, вырежьте это. Не пытайтесь его починить. Я никогда не видел успешного ремонта отслоения интерфейса рядом со сварным швом..

• Траверсы твердости поперек сварного шва должны включать линию соединения.. Большинство процедур проверяют только ЗТВ и металл сварного шва.. Мисс линия связи, пропустить проблему.

Заключение: Интерфейс никогда не врет

Вот что я говорю каждому молодому инженеру, который занимается моими проектами: интерфейс записывает все. Каждый термический цикл, каждое механическое воздействие, каждый ярлык производства. Это написано в микроструктуре. Вам просто нужно посмотреть.

Биметаллические композиты — блестящие материалы: они обеспечивают нам устойчивость к коррозии без твердых цен CRA.. Но они не прощают ярлыков. Интерфейс и зона сварки — это место, где проектный замысел соответствует производственной реальности.. Когда они совпадают, вы получаете 25-летние трубопроводы. Когда они этого не делают, у тебя случаются неудачи, из-за которых такие парни, как я, остаются на работе.

Но, честно говоря? Я лучше уйду на пенсию, чем расследую очередной сбой интерфейса.. Так что обратите внимание на детали. Микроструктура скажет вам спасибо. Ваша оперативная группа будет вам благодарна. И, может быть, просто может быть, ты этого не получишь. 2 Утренний телефонный звонок по поводу утечки посреди зимы..

Будьте в безопасности там.