Мікроструктурні характеристики біметалевих композитних сталевих труб інтерфейсів і зварних швів: Погляд інженера-польовика

вступ: Чому я все ще дбаю про інтерфейси після 22 років

Подивіться, Я роблю це з тих пір 2003. Починав молодшим інженером на трубопроводі в казахському секторі Каспійського регіону — мінус сорок взимку, і вітер би прорізав вас наскрізь. Там я вперше побачив, що біметалічні композитні труби вийшли з ладу. Не різко — без вибухів, Слава Богу, але в місцях зварювання протікає маленька дірочка, через шість місяців після встановлення. Клієнт був розлючений. Виробник показав пальцем на підрядника зварювання. Підрядник зварювальних робіт звинуватив основний матеріал. Звучить знайомо?

Ось те, про що вам ніхто не розповідає в цих глянцевих підручниках з матеріалознавства: межа між підкладкою з вуглецевої сталі та корозійностійким сплавом (CRA) рівень, де проекти вмирають. Я витягнув невдалі ділянки труби з родовища Тенгіз, з морських платформ у Південно-Китайському морі, і з опріснювального заводу в Саудівській Аравії, де вода Червоного моря проїдала через погано зв’язану поверхню 14 місяців. Чотирнадцять. місяців.

Отже, коли ми говоримо про біметалічні композитні сталеві труби, зокрема про межу та мікроструктуру зони зварювання, ми не просто обговорюємо красиві металургійні фотографії. Ми говоримо про те, чи витримає ваш конвеєр 20 років або стає дуже дорогим уроком смирення.

Цей твір походить з польового досвіду, лабораторна перевірка, і більше ніж кілька суперечок з інженерами-конструкторами, які ніколи не тримали термопару під час зварювання. Давайте розберемося.

Інтерфейс: Де насправді живе або вмирає ваша трубка

На що ми насправді дивимося

Біметалічна композитна труба зазвичай складається з опорної труби з вуглецевої сталі (сказати, API 5L X65 або X70) металургійно з’єднаний з вкладишем CRA (316L, 825, 625— залежить від ваших вимог до корозії). Магія — чи трагедія — відбувається на цій лінії зв’язку.

Я пам’ятаю, як перевіряв партію зварених вибухом труб ’07 для проекту в Азербайджані. Млин стверджував 100% цілісність зв'язку. Перший ультразвуковий тест? Двадцять три відсотки труб показали площі роз'єднання, більші, ніж дозволено специфікацією. Мікроструктура інтерфейсу розповіла історію: надмірне утворення інтерметаліду в зоні зв'язку, ймовірно, через неправильні параметри зварювання вибухом.

Інтерфейс не є чіткою лінією. Під приціл, на 500x або вище, ви побачите:

1. Зона дифузії — типова 2-15 мікрон у хорошому зв’язку

2. Інтерметалічні сполуки — Fe-Cr, Want-In, залежно від ваших сплавів

3. Зони осадження карбіду — особливо якщо швидкість охолодження не контролюється

4. Механічні блокування — з рулонних або вибухових матеріалів

5. Страшні оксидні плівки — поцілунок смерті для цілісності зв’язку

Ось коротка довідка з моїх польових нотаток щодо прийнятних характеристик інтерфейсу:

Останній — оксидні включення — я бачив, як він зруйнував цілу ділянку трубопроводу в Північному морі. Оператор вказав roll-bonded 625 вкладиші в трубу Х65. Виробник зрізає кути на підготовці поверхні перед склеюванням. Оксиди виступали як місця ініціації тріщин. Коли лінія спостерігала термоциклування під час запуску/вимкнення? розшарування. Потім щілинна корозія. Тоді витік проколів. Гра закінчена.

Чому інтерфейс важливий (і я маю на увазі ДІЙСНО Має значення)

Ви можете запитати, і мене молоді інженери запитували про це,”Чи не можемо ми просто покладатися на зварювання, щоб утримати все разом?”

Ні. Абсолютно ні. Ось чому:

Інтерфейс є основним механізмом передачі навантаження між конструкційною вуглецевою сталлю та корозійностійким шаром. Коли цей інтерфейс виходить з ладу, відбувається дві речі:

Спочатку, ваш вкладиш CRA може прогнутися або згорнутися всередину, особливо під час циклічного перегріву або тиску. Я бачив це на газліфтовій лінії в Сіамській затоці. Лайнер роз'єднався приблизно 40% окружності. Під час перепаду тиску, вкладиш прогнувся всередину, як наступила на банку газованої води. Заблокували лінію. Вартість 14 днів виробництва для вирізання та заміни.

друге, і ще гірше — корозії міжтрубного простору. Як тільки зв'язок розривається, у вас є розрив між вуглецевою сталлю та CRA. Рідини можуть проникнути. Тепер ви створили осередок щілинної корозії. Вуглецева сталь, бути менш шляхетним, переважно кородує. Але тому, що це обмежено, продукти корозії не можуть вийти. Тиск зростає. Я бачив, як труби випирають назовні, як змія, що проковтнула щура. Зрештою, розрив.

Математика передачі напруги на інтерфейсі нескладна, але люди це ігнорують. Напруга зсуву на межі розділу відповідає приблизно:

$t_{яNТЕРFACЕ}=\frac{\mathrm{d}P\cdot Р}{2{Т}_{LяNЕР}}\cdot \frac{\mathrm{народився}(bX)}{\mathrm{кош}(bL\mathrm{/}2)}$
τінтерфейс​=2tliner​ΔP⋅r​⋅cosh(βL/2)народився(βx)​

де:

• $\Delta P$ = перепад тиску на вкладині

• $r$ = внутрішній радіус

• $t_{liner}$ = товщина вкладиша

• $\beta$ = параметр жорсткості на зсув межі розділу

• $x$ = відстань від вільного краю

• $L$ = скріплена довжина

Ключ на винос? Напруга зсуву зосереджується на краях — зварних кінцях, закінчення вкладишів, будь-який розрив. Ось чому я звертаю увагу на кваліфікацію процедури зварювання, яка фактично стосується інтерфейсу.

Зона зварювання: Де хороші сопілки псуються

Анатомія зварного шва композитної труби

Ось де польовий досвід відділяється від знань із підручників. Я наглядав 400 зварювання композитних труб у моїй кар’єрі, від 4-дюймових потокових ліній до 36-дюймових експортних ліній. Мікроструктура зварного шва скаже мені про майбутню продуктивність більше, ніж будь-який заводський сертифікат.

Типовий кільцевий зварний шов композитної труби має кілька чітких зон:

1. Сам наплавлений метал — зазвичай наповнювач на основі нікелю (625, 82, 182) щоб забезпечити розведення
2. Лінія ф’южн — де все стає цікавим
3. Частково змішана зона — часто не помічається, завжди проблематично
4. Зона теплового впливу (HAZ) у вкладиші КРА — карбідні опади центральні
5. ЗТВ вуглецевої сталі — загартування, розм'якшення, в залежності від хімічного складу сталі
6. Область інтерфейсу (знову) — тепер із додатковим термічним навантаженням

Ось мікроструктурний збій після невдалого зварного шва X65 з підкладкою 825, який я аналізував минулого року:

Зверніть увагу на сплеск твердості на межі з’єднання? Це від диференціального теплового розширення під час зварювання. CRA і вуглецева сталь розширюються з різною швидкістю. Коли вони обмежені зв’язком, ви отримуєте залишковий стрес. Іноді ця напруга послаблюється шляхом мікротріщин уздовж інтерметалічного шару.

Проблема розведення: Ви не можете ігнорувати хімію

Ось чому я навчився на важкому шляху під час проекту в Омані: розведення вбиває.

Ми зварювали композитні труби X65/316L з наповнювачем 309L — типова помилка. 309L для нержавіючої та вуглецевої сталі, правильно? Має працювати? Ні. Ось чому:

Коли ви зварюєте, ви розплавляєте частину основного матеріалу у зварювальну ванну. Для кореня проходимо на композитній трубі, ви плавите вкладиш 316L і, можливо, трохи вуглецевої сталі, якщо ваша підгонка туга. Таке розведення змінює хімічний склад металу шва. Діаграма Шеффлера стає вашим найкращим другом або найгіршим ворогом, якщо ви її ігноруєте.

Еквівалент хрому:
$C{Р}_{Е\mathrm{Питання}}=\mathrm{\%}CР+\mathrm{\%}м\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_0"\; data-source="1"\; data-orig="o">o</span>}+1.5\times \mathrm{\%}Sя+0.5\times \mathrm{\%}Nb$
Creq​=%Cr+%Mo+1,5×%Si+0,5×%Nb

Нікелевий еквівалент:
$N{я}_{Е\mathrm{Питання}}=\mathrm{\%}Nя+30\times \mathrm{\%}C+0.5\times \mathrm{\%}мN$
Nieq​=%Ni+30×%C+0,5×%Mn

Накресліть розбавлену композицію. Якщо ви приземлитеся в мартенситну область? Вітаю, ви щойно створили крихкий, чутливий до тріщин зварний шов, який не витримає гідровипробування. Я це бачив.

З наповнювачем 309 л, навіть 15-20% розбавлення від 316L штовхає вас до первинного затвердіння фериту — добре, не страшно. Але якщо ви отримаєте розведення вуглецевої сталі? Мартенсит місто. Населення: ваш зварний шов.

Ось чому я зараз наполягаю на наповнювачах на основі нікелю для будь-якої композитної труби з товщиною CRA більше 3 мм. 625 або 82. Так, вони дорогі. Так, їх важче зварювати (питання шлаків, проблеми з плинністю). Але нікелева матриця допускає розведення без утворення мартенситу. Це прощає. І в цьому бізнесі, прощення дорівнює надійності.

Випадок невдачі: Інцидент у Південному Парсі

Дозвольте розповісти вам про справжню помилку, яку я дослідив. родовище Південний Парс, Іранський сектор Перської затоки, хоча я тоді працював на оператора з боку Катару. 2015.

У нас були 24-дюймові біметалічні труби, X65 з Incoloy 825 футерування, 3мм товщини. Сервіс: вологий кислий газ. Дизайн життя: 25 років. Фактичний ресурс до першого витоку: 18 місяців.

Симптоми

Численні проколові витоки на 5 і 7 позиції години (нижні квадранти) кільцевих зварних швів. Усе в межах 50 мм від центральної лінії зварювання. Все з боку основного матеріалу, а не в самому металі зварного шва.

Розслідування

Я прилетів з металургом з Великобританії — геніальний хлопець, ніколи не довіряв думці інженера, не побачивши її сам. Справедливо.

Вирізаємо секції, зробив:

1. Візуальний огляд — точкові отвори діаметром 0,5-2 мм, коричневі продукти корозії

2. Рентгенографія — явних тріщин немає, але деякі ознаки на лінії зв'язку

3. Металографія — це розповіла історія

4. SEM/EDS — підтвердив наші підозри

5. Картування твердості — кількісна оцінка пошкодження

Що ми знайшли

Поверхня розділу показала значні розриви — не на початковій лінії з’єднання, але через інтерметалічний шар. Інтерметаліди тріснули під час термічних циклів зварювання. Ось кікер: тріщини не було видно на 50x. У 500x, вони були очевидними — мережа мікротріщин уздовж інтерметалічного шару Fe-Cr.

Через ці щілини, технологічна рідина мігрувала в кільцевий простір між вкладишем CRA та підкладкою з вуглецевої сталі. Корозія вуглецевої сталі — загальна корозія, без кісточок. Але ось проблема: продукти корозії (оксиди/гідроксиди заліза) займав приблизно вдвічі більше, ніж вихідна сталь. Вони розширилися, випинання вкладиша всередину.

Одного разу лайнер стовбурчився, локально змінився режим течії — посилилася турбулентність. Ерозія-корозія взяла верх. Точкові отвори розвинулися в о 3 місяців після початкового розлучення.

Основна причина

Два фактори:

Спочатку, оригінальні параметри вибухового зв'язку створили інтерметалічний шар на верхньому кінці прийнятної товщини - приблизно 18 мікрон. в 18 мікрон, він крихкий, але зазвичай стабільний.

друге, процедура зварювання призвела до занадто великого надходження тепла. Зварювальники, намагаючись зберегти продуктивність, були гарячі. Пікові температури на лінії з’єднання під час зварювання? Пізніше ми змоделювали це — приблизно 650-700°C для 825 лінія зв'язку вкладиша. Це діапазон сенсибілізації для 825, але більш критично, цього достатньо, щоб спричинити додаткове утворення інтерметалу та крихкість на існуючій межі розділу.

Комбінація — вже товсті інтерметаліди + додатковий термічний вплив при зварюванні = розтріскування.

Виправлення

Ми змінили три речі:

1. Посилений контроль надходження облігацій якість — максимальна інтерметалічна товщина зменшена з 20 мкм до 8 мкм у спец

2. Нижня теплоємність зварювання — від 1.5 кДж/мм макс 0.9 KJ/мм

3. Міжпрохідний контроль температури — строгий макс. 150°C, контролюється за допомогою контактних термопар, не ІЧ-гармати (ті лежать на блискучих поверхнях)

Після реалізації? Жодних збоїв у подальшому 4 років я брав участь.

Сучасні тенденції та 2024 Розробки

Подивіться, Я більше не в лабораторії — зараз я здебільшого консультую, але я все встигаю. Деякі цікаві події за останні пару років:

Нанесення мішалки за допомогою присадки тертя — у TWI та ще одна група в Х’юстоні працюють над відновленням пошкоджених біметалічних інтерфейсів за допомогою мішалки присадки.. Вони можуть фактично відновити цілісність зв’язку в локалізованих областях, не видаляючи трубу. Ранні дні, але багатообіцяюче.

Машинне навчання для кореляції НК — ми починаємо бачити системи, які співвідносять дані ультразвукового C-сканування з прогнозами мікроструктури. Замість того, щоб просто сказати “виявлено роз'єднання,” вони передбачають тип інтерметаліду, який, ймовірно, присутній на основі моделей ослаблення сигналу. Один оператор у Північному морі досліджує це для підводних інспекцій.

Нові наповнювачі — представили кілька виробників “стійкий до розведення” нікелеві сплави спеціально для зварювання біметалевих труб. Вони містять вищий ніобій і молібден для стабілізації мікроструктури навіть з 30-40% розведення. Минулого року я випробував один — пропустив кульку з навмисно поганою технікою, щоб максимізувати розведення, потім розділив його. Без мартенситу. Вражає.

у водопровідній воді легко розмножуються бактерії та мікроорганізми в цій частині трубопроводу 2023 API 5LD перегляд — Нарешті, слава Богу, вони додали більш конкретні вимоги для тестування зв’язку інтерфейсу. Старий “немає видимих ​​поділів” було марно. Тепер вони вимагають кількісного випробування на зсув із визначеними критеріями прийнятності на основі класу обслуговування. Настав час.

Практичні рекомендації з місця

Після двох десятиліть спостереження за успіхом і поразкою біметалічних труб, ось що я насправді роблю в проектах:

Під час вибору матеріалу

• Не просто специфікуйте сплав CRA — специфікуйте характеристики лінії з’єднання. Поставте цифри на товщині інтерметаліду, однорідність зони дифузії, і міцність на зсув.

• Вимагати мікрофотографії виробничих зразків, не тільки Р&D зразки. Вони різні.

• Якщо він пов’язаний вибухом, запитайте про цикл відпалу. Деякі виробники не відпалюють після склеювання вибухом. Залишкові напруги здивують вас пізніше.

Під час зварювання

• Якщо ви зварюєте зовні, використовуйте техніку загартування на стороні вуглецевої сталі. Я знаю, що це більше роботи, але це покращує зернисту структуру HAZ.

• Слідкуйте за міжпрохідною температурою, наче це єдине, що має значення. Тому що іноді, це так.

• Виконайте розрахунок розведення, перш ніж вибрати присадковий метал. Не довіряйте торговому представнику.

• Для першого кореневого проходу, використовуйте трохи вищий вміст нікелю, ніж ви думаєте, що вам потрібно. Це страхування.

Під час перевірки

• UT лінії з’єднання перед зварюванням. Потім УЗ ЗТВ після зварювання. Порівняйте.

• Якщо ви бачите будь-які ознаки роз'єднання біля зварного шва після виготовлення, вирізати це. Не намагайтеся його відремонтувати. Я ніколи не бачив успішного ремонту розриву межі між зварюванням.

• Твердість, що перетинає зварний шов, повинна включати лінію з’єднання. Більшість процедур перевіряють лише ЗТВ і зварювальний метал. Пропустіть лінію сполучення, пропустити проблему.

Висновок: Інтерфейс ніколи не бреше

Ось що я кажу кожному молодому інженеру, який чергує мої проекти: інтерфейс записує все. Кожен тепловий цикл, будь-яке механічне навантаження, кожен ярлик виробництва. Це написано в мікроструктурі. Ви просто повинні подивитися.

Біметалічні композити — чудові матеріали — вони забезпечують стійкість до корозії без твердої ціни CRA. Але вони не терплять скорочень. Інтерфейс і зона зварювання - це місце, де задум дизайну зустрічається з реальністю виробництва. Коли вони збігаються, ви отримуєте 25-річні трубопроводи. Коли вони цього не роблять, ви отримуєте невдачі, які дають працювати таким хлопцям, як я.

Але чесно? Я краще піду на пенсію, ніж розслідую ще один збій інтерфейсу. Тому звертайте увагу на деталі. Мікроструктура буде вам вдячна. Ваша оперативна команда буде вам вдячна. І, можливо, просто можливо, ви цього не отримаєте 2 Вранці телефонний дзвінок про витік посеред зими.

Будьте там у безпеці.