Đặc điểm cấu trúc vi mô của các giao diện và mối hàn ống thép composite lưỡng kim: Quan điểm của một kỹ sư hiện trường

Giới thiệu: Tại sao sau này tôi vẫn quan tâm đến giao diện 22 năm

Nhìn, Tôi đã làm việc này kể từ 2003. Bắt đầu với tư cách là kỹ sư công trường cấp dưới trong một dự án đường ống ở khu vực Kazakh thuộc vùng Caspian—âm bốn mươi vào mùa đông, và cơn gió sẽ xuyên qua bạn. Đó là nơi lần đầu tiên tôi thấy ống composite lưỡng kim bị hỏng. Không đáng kể—không có vụ nổ, tạ ơn Chúa—nhưng lỗ kim nhỏ bị rò rỉ ở vùng hàn, sáu tháng sau khi cài đặt. Khách hàng đã rất tức giận. Nhà sản xuất chỉ trích nhà thầu hàn. Nhà thầu hàn đổ lỗi cho vật liệu nền. Nghe quen quen?

Đây là những điều không ai nói với bạn trong những cuốn sách giáo khoa khoa học vật liệu hào nhoáng đó: bề mặt tiếp xúc giữa lớp nền bằng thép carbon và hợp kim chống ăn mòn của bạn (CRA) lớp là nơi các dự án chết. Tôi đã kéo những đoạn ống bị hỏng khỏi mỏ Tengiz, từ các giàn khoan ngoài khơi ở Biển Đông, và từ một nhà máy khử muối ở Ả Rập Saudi, nơi nước Biển Đỏ ăn mòn bề mặt liên kết kém ở 14 tháng. mười bốn. tháng.

Vì vậy, khi chúng ta nói về ống thép composite lưỡng kim—đặc biệt là bề mặt tiếp xúc và cấu trúc vi mô vùng hàn—chúng ta không chỉ thảo luận về những bức ảnh luyện kim đẹp đẽ. Chúng ta đang nói về việc liệu quy trình của bạn có kéo dài hay không 20 năm hoặc trở thành một bài học đắt giá về sự khiêm nhường.

Phần này xuất phát từ kinh nghiệm thực tế, xác minh phòng thí nghiệm, và nhiều cuộc tranh luận với các kỹ sư thiết kế, những người chưa bao giờ cầm cặp nhiệt điện trong khi hàn. Hãy đi sâu vào nó.

Giao diện: Ống của bạn thực sự sống hay chết ở đâu

Những gì chúng tôi thực sự đang xem xét

Ống composite lưỡng kim thường bao gồm một ống lót bằng thép cacbon (nói, API 5L X65 hoặc X70) liên kết bằng kim loại với lớp lót CRA (316L, 825, 625—phụ thuộc vào yêu cầu ăn mòn của bạn). Phép thuật - hay bi kịch - xảy ra ở đường liên kết đó.

Tôi nhớ đã kiểm tra một lô ống hàn nổ ở ’07 cho một dự án ở Azerbaijan. Nhà máy đã tuyên bố 100% tính toàn vẹn trái phiếu. Kiểm tra siêu âm đầu tiên? Hai mươi ba phần trăm số đường ống có diện tích mất liên kết lớn hơn thông số kỹ thuật cho phép. Cấu trúc vi mô giao diện kể câu chuyện: sự hình thành liên kim loại quá mức ở vùng liên kết, có thể là do thông số hàn nổ không đúng.

Giao diện không phải là một đường thẳng. Dưới phạm vi, ở mức 500x hoặc cao hơn, bạn sẽ thấy:

1. Vùng khuếch tán - thường 2-15 micron trong một liên kết tốt

2. Hợp chất liên kim loại - Fe-Cr, muốn vào, tùy thuộc vào hợp kim của bạn

3. Vùng kết tủa cacbua - đặc biệt nếu tốc độ làm mát không được kiểm soát

4. Khóa liên động cơ học - bằng vật liệu liên kết cuộn hoặc liên kết nổ

5. Những màng oxit đáng sợ - nụ hôn thần chết cho sự toàn vẹn của mối liên kết

Đây là tài liệu tham khảo nhanh từ ghi chú hiện trường của tôi về các đặc điểm giao diện có thể chấp nhận được:

Chất cuối cùng – tạp chất oxit – tôi đã thấy nó phá hủy toàn bộ đoạn đường ống ở Biển Bắc. Nhà điều hành đã chỉ định liên kết cuộn 625 lót trong ống X65. Nhà sản xuất cắt giảm khâu chuẩn bị bề mặt trước khi dán. Các oxit đóng vai trò là vị trí bắt đầu vết nứt. Khi đường dây chứng kiến ​​hiện tượng luân chuyển nhiệt trong quá trình khởi động/tắt máy? Delamination. Sau đó ăn mòn kẽ hở. Sau đó lỗ kim rò rỉ. Trò chơi kết thúc.

Tại sao giao diện lại quan trọng (và ý tôi là THỰC SỰ quan trọng)

Bạn có thể hỏi—và tôi đã từng có những kỹ sư trẻ hỏi tôi điều này—”Chúng ta không thể chỉ dựa vào mối hàn để gắn kết mọi thứ lại với nhau sao??”

Không. Tuyệt đối không. Đây là lý do tại sao:

Giao diện là cơ chế truyền tải chính giữa kết cấu thép cacbon và lớp chống ăn mòn. Khi giao diện đó bị lỗi, có hai điều xảy ra:

Ngày thứ nhất, Lớp lót CRA của bạn có thể bị vênh hoặc xẹp vào trong, đặc biệt là dưới chu kỳ nhiệt hoặc áp suất. Tôi nhìn thấy điều này trên một đường dây nâng khí ở Vịnh Thái Lan. Lớp lót đã tan rã trong khoảng 40% của chu vi. Khi giảm áp suất, lớp lót bị vênh vào trong giống như một lon soda bị dẫm lên. Đã chặn đường dây. Trị giá 14 ngày sản xuất để cắt bỏ và thay thế.

Thứ hai, và tệ hơn—sự ăn mòn không gian hình khuyên. Một khi trái phiếu thất bại, bạn có một khoảng cách giữa thép cacbon và CRA. Chất lỏng có thể xâm nhập. Bây giờ bạn đã tạo xong ô ăn mòn kẽ hở. Thép cacbon, kém cao quý hơn, ưu tiên ăn mòn. Nhưng vì nó bị giới hạn, các sản phẩm ăn mòn không thể thoát ra. Áp lực tăng lên. Tôi đã thấy những cái ống phình ra như rắn nuốt chuột. Sau cùng, vỡ.

Phép toán chuyển giao ứng suất trên giao diện không phức tạp, nhưng mọi người bỏ qua nó. Ứng suất cắt tại bề mặt tiếp xúc xấp xỉ:

$t_{\mathrm{Tôi}NTeRFACe}=\frac{\mathrm{d}P\cdot R}{2T_{L\mathrm{Tôi}NeR}}\cdot \frac{\sinh (bX)}{\cosh (bL\mathrm{/}2)}$
τinterface​=2tliner​ΔP⋅r​⋅cosh(βL/2)sinh(βx)​

Ở đâu:

• $\Delta P$ = chênh lệch áp suất trên lớp lót

• $r$ = bán kính bên trong

• $t_{liner}$ = độ dày lớp lót

• $\beta$ = tham số độ cứng cắt giao diện

• $x$ = khoảng cách từ cạnh tự do

• $L$ = chiều dài liên kết

Điểm mấu chốt? Ứng suất cắt tập trung ở các cạnh – đầu mối hàn, chấm dứt lót, bất kỳ sự gián đoạn nào. Đó là lý do tại sao tôi tập trung vào các tiêu chuẩn quy trình hàn thực sự giải quyết được giao diện.

Vùng hàn: Ống tốt bị hỏng ở đâu

Giải phẫu mối hàn ống composite

Đây là nơi kinh nghiệm thực địa tách biệt với kiến ​​thức sách giáo khoa. Tôi đã giám sát 400 mối hàn ống composite trong sự nghiệp của tôi, từ dây chuyền 4 inch đến dây chuyền xuất khẩu 36 inch. Cấu trúc vi mô ở mối hàn cho tôi biết nhiều hơn về hiệu suất trong tương lai hơn bất kỳ chứng chỉ nhà máy nào từng có..

Một mối hàn chu vi ống composite điển hình có một số vùng riêng biệt:

1. Bản thân kim loại mối hàn - thường là chất độn gốc niken (625, 82, 182) để phù hợp với sự pha loãng
2. Dây chuyền tổng hợp - nơi mọi thứ trở nên thú vị
3. Vùng hỗn hợp một phần - thường bị bỏ qua, luôn có vấn đề
4. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong lớp lót CRA - trung tâm kết tủa cacbua
5. Thép carbon HAZ - cứng, làm mềm, tùy thuộc vào hóa học thép
6. Vùng giao diện (lại) — bây giờ có thêm ứng suất nhiệt

Đây là sự cố vi mô từ mối hàn X65 825 đường dẫn không thành công mà tôi đã phân tích năm ngoái:

Lưu ý rằng độ cứng tăng vọt ở bề mặt liên kết? Đó là do sự giãn nở nhiệt chênh lệch trong quá trình hàn. CRA và thép carbon mở rộng ở mức độ khác nhau. Khi họ bị ràng buộc bởi trái phiếu, bạn bị căng thẳng dư thừa. Đôi khi ứng suất đó giảm đi bằng cách tạo ra các vết nứt vi mô dọc theo lớp liên kim loại.

Vấn đề pha loãng: Bạn không thể bỏ qua hóa học

Đây là điều tôi đã học được một cách khó khăn trong một dự án ở Oman: pha loãng giết chết.

Chúng tôi hàn ống composite X65/316L với phụ gia 309L—lỗi thường gặp. 309L dành cho thép không gỉ đến thép carbon, Phải? nên làm việc? Không. Đây là lý do tại sao:

Khi bạn hàn, bạn làm tan chảy một số vật liệu cơ bản vào bể hàn. Đối với đường truyền gốc trên ống composite, bạn đang làm tan chảy lớp lót 316L và có thể là một ít thép carbon nếu bộ đồ vừa vặn của bạn quá chật. Sự pha loãng đó làm thay đổi tính chất hóa học của kim loại mối hàn. Sơ đồ Schaeffler sẽ trở thành người bạn tốt nhất của bạn—hoặc kẻ thù tồi tệ nhất của bạn nếu bạn bỏ qua nó.

Crom tương đương:
$C{R}_{eQ}=\mathrm{\%}CR+\mathrm{\%}m\mathrm{các}+1.5\times \mathrm{\%}S\mathrm{Tôi}+0.5\times \mathrm{\%}Nb$
Creq​=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5×%Nb

Niken tương đương:
$N{\mathrm{Tôi}}_{eQ}=\mathrm{\%}N\mathrm{Tôi}+30\times \mathrm{\%}C+0.5\times \mathrm{\%}mN$
Nieq​=%Ni+30×%C+0.5×%Mn

Vẽ sơ đồ thành phần pha loãng của bạn. Nếu bạn hạ cánh ở vùng martensite? Chúc mừng, bạn vừa tạo ra một giòn, Mối hàn nhạy cảm với vết nứt sẽ không đạt trong thử nghiệm hydrotest. Tôi đã nhìn thấy nó.

Với chất độn 309L, thậm chí 15-20% sự pha loãng từ 316L đẩy bạn tới quá trình hóa rắn ferit sơ cấp—được rồi, không khủng khiếp. Nhưng nếu bạn pha loãng thép cacbon? thành phố martensite. Dân số: mối hàn của bạn.

Đó là lý do tại sao bây giờ tôi nhấn mạnh vào chất độn gốc niken cho bất kỳ ống composite nào có độ dày CRA lớn hơn 3 mm. 625 hay 82. Đúng, chúng đắt tiền. Đúng, chúng khó hàn hơn (vấn đề xỉ, vấn đề về tính lưu loát). Nhưng nền niken có khả năng pha loãng mà không tạo thành martensite. Thật là tha thứ. Và trong công việc kinh doanh này, sự tha thứ tương đương với độ tin cậy.

Nghiên cứu trường hợp thất bại: Sự cố Nam Pars

Hãy để tôi hướng dẫn bạn về một thất bại thực tế mà tôi đã điều tra. Cánh đồng Nam Pars, Khu vực Iran thuộc Vịnh Ba Tư—mặc dù lúc đó tôi đang làm việc cho nhà điều hành bên phía Qatari. 2015.

Chúng tôi có ống lưỡng kim 24 inch, X65 với Incoloy 825 Liner, 3mm dày. Dịch vụ: khí chua ướt. Cuộc sống thiết kế: 25 năm. Cuộc sống thực tế trước lần rò rỉ đầu tiên: 18 tháng.

các triệu chứng

Nhiều lỗ rò rỉ ở 5 và 7 vị trí giờ (góc phần tư dưới cùng) của mối hàn chu vi. Tất cả đều nằm trong phạm vi 50mm tính từ đường tâm mối hàn. Tất cả đều ở phía vật liệu gốc—không phải ở bản thân kim loại mối hàn.

cuộc điều tra

Tôi bay cùng một nhà luyện kim đến từ Anh – một anh chàng tài giỏi, không bao giờ tin vào ý kiến ​​của kỹ sư hiện trường mà không tự mình nhìn thấy nó. Đủ công bằng.

Chúng tôi cắt ra các phần, làm:

1. Kiểm tra bằng mắt - lỗ kim có đường kính 0,5-2mm, sản phẩm ăn mòn màu nâu

2. Chụp X quang - không có vết nứt rõ ràng, nhưng một số dấu hiệu ở đường trái phiếu

3. Luyện kim - điều này đã kể câu chuyện

4. SEM/EDS - đã xác nhận những nghi ngờ của chúng tôi

5. Lập bản đồ độ cứng - định lượng thiệt hại

Những gì chúng tôi tìm thấy

Giao diện cho thấy sự mất liên kết trên diện rộng—không phải ở đường liên kết ban đầu, nhưng qua lớp liên kim loại. Các kim loại liên kim đã bị nứt trong quá trình hàn nhiệt. Đây là người đá: các vết nứt không thể nhìn thấy ở mức 50x. Ở mức 500x, chúng rất rõ ràng—một mạng lưới các vết nứt vi mô dọc theo lớp liên kim loại Fe-Cr.

Qua những vết nứt này, chất lỏng xử lý đã di chuyển vào không gian hình khuyên giữa lớp lót CRA và lớp lót bằng thép cacbon. Thép cacbon bị ăn mòn - ăn mòn nói chung, không rỗ. Nhưng đây là vấn đề: sản phẩm ăn mòn (oxit sắt/hydroxit) chiếm khoảng gấp đôi thể tích của thép ban đầu. Họ mở rộng, phồng lớp lót vào trong.

Một khi lớp lót đã phồng lên, chế độ dòng chảy thay đổi cục bộ—sự nhiễu loạn tăng lên. Xói mòn-ăn mòn đã xâm chiếm. Lỗ kim phát triển trong khoảng 3 vài tháng sau lần giải tán đầu tiên.

Nguyên nhân cốt lõi

Hai yếu tố:

Ngày thứ nhất, các thông số liên kết nổ ban đầu đã tạo ra một lớp liên kim loại ở đầu trên có độ dày chấp nhận được—khoảng 18 micron. tại 18 micron, nó giòn nhưng thường ổn định.

Thứ hai, quy trình hàn tạo ra quá nhiều nhiệt đầu vào. Những người thợ hàn, cố gắng duy trì năng suất, đang nóng lên. Nhiệt độ đỉnh tại đường liên kết trong quá trình hàn? Chúng tôi đã lập mô hình sau này—khoảng 650-700°C cho 825 đường liên kết lót. Đó là phạm vi nhạy cảm đối với 825, nhưng nghiêm túc hơn, nó đủ để gây ra sự hình thành và giòn giữa các kim loại bổ sung ở bề mặt đã tồn tại từ trước.

Sự kết hợp—các kim loại đã dày sẵn + tiếp xúc với nhiệt bổ sung trong quá trình hàn = nứt.

Cách khắc phục

Chúng tôi đã thay đổi ba điều:

1. Kiểm soát chặt chẽ hơn trái phiếu đầu vào phẩm chất — độ dày liên kim loại tối đa giảm từ 20μm xuống 8μm trong thông số kỹ thuật

2. Hàn đầu vào nhiệt thấp hơn - từ 1.5 tối đa kJ/mm đến 0.9 KJ/mm

3. Kiểm soát nhiệt độ giữa các đường truyền - tối đa nghiêm ngặt 150°C, được giám sát bằng cặp nhiệt điện tiếp xúc, không phải súng hồng ngoại (chúng nằm trên bề mặt sáng bóng)

Sau khi thực hiện? Không có thất bại trong lần tiếp theo 4 năm tôi đã tham gia.

Xu hướng hiện tại và 2024 Sự phát triển

Nhìn, Tôi không còn ở phòng thí nghiệm nữa—bây giờ tôi chủ yếu làm công việc tư vấn, nhưng tôi vẫn theo kịp. Một số phát triển thú vị trong vài năm qua:

Lắng đọng khuấy ma sát phụ gia - Có một nhóm tại TWI và một nhóm khác ở Houston đang nghiên cứu sửa chữa các bề mặt lưỡng kim bị hư hỏng bằng cách sử dụng khuấy ma sát phụ gia. Họ thực sự có thể khôi phục tính toàn vẹn của liên kết ở các khu vực cục bộ mà không cần tháo đường ống. Những ngày đầu, nhưng đầy hứa hẹn.

Học máy cho mối tương quan NDT - Chúng tôi bắt đầu thấy các hệ thống liên kết dữ liệu quét C siêu âm với các dự đoán cấu trúc vi mô. Thay vì chỉ nói “phát hiện sự mất liên kết,” họ đang dự đoán loại kim loại có khả năng xuất hiện dựa trên các kiểu suy giảm tín hiệu. Một nhà điều hành ở Biển Bắc đang thử nghiệm tính năng này để kiểm tra dưới biển.

Kim loại phụ mới - Một số nhà sản xuất đã giới thiệu “chịu pha loãng” hợp kim niken đặc biệt để hàn ống lưỡng kim. Chúng chứa niobi và molypden cao hơn để ổn định cấu trúc vi mô ngay cả với 30-40% pha loãng. Tôi đã thử nghiệm một chiếc vào năm ngoái—chạy một hạt với kỹ thuật kém có chủ ý để pha loãng tối đa, sau đó chia nó ra. Không có mactenxit. Ấn tượng.

những 2023 API 5LD sửa đổi - Cuối cùng, cảm ơn Chúa, họ đã thêm các yêu cầu cụ thể hơn để thử nghiệm liên kết giao diện. cái cũ “không có sự tách biệt rõ ràng” vô dụng. Bây giờ họ yêu cầu thử nghiệm cắt định lượng với tiêu chí chấp nhận được xác định dựa trên loại dịch vụ. Đã đến lúc rồi.

Khuyến nghị thực tế từ hiện trường

Sau hai thập kỷ chứng kiến ​​ống lưỡng kim thành công và thất bại, đây là những gì tôi thực sự làm trong các dự án:

Trong quá trình lựa chọn vật liệu

• Đừng chỉ xác định hợp kim CRA - hãy xác định các đặc điểm của đường liên kết. Đặt số trên độ dày liên kim loại, tính đồng nhất của vùng khuếch tán, và độ bền cắt.

• Yêu cầu ảnh vi mô từ các mẫu sản xuất, không chỉ R&mẫu D. Họ khác nhau.

• Nếu nó được liên kết bùng nổ, hỏi về chu trình ủ. Một số nhà sản xuất không ủ sau khi liên kết nổ. Những căng thẳng dư thừa sẽ làm bạn ngạc nhiên sau này.

Trong quá trình hàn

• Sử dụng kỹ thuật hạt cường lực cho mặt thép cacbon nếu bạn hàn từ bên ngoài. Tôi biết còn nhiều việc hơn, nhưng nó tinh chỉnh cấu trúc hạt HAZ.

• Theo dõi nhiệt độ giữa các đường ống như thể đó là điều duy nhất quan trọng. Bởi vì đôi khi, nó là.

• Thực hiện tính toán pha loãng trước khi chọn kim loại phụ. Đừng tin tưởng vào đại diện bán hàng.

• Đối với lần root đầu tiên, sử dụng chất độn niken cao hơn một chút so với mức bạn nghĩ. Đó là bảo hiểm.

Trong quá trình kiểm tra

• UT của đường liên kết trước khi hàn. Sau đó UT của HAZ sau khi hàn. So sánh.

• Nếu bạn thấy bất kỳ dấu hiệu mất liên kết nào gần mối hàn sau khi chế tạo, cắt nó ra. Đừng cố gắng sửa chữa nó. Tôi chưa bao giờ thấy việc sửa chữa thành công tình trạng bong tróc giao diện liền kề với mối hàn.

• Độ cứng đi qua mối hàn phải bao gồm đường liên kết. Hầu hết các quy trình chỉ kiểm tra HAZ và hàn kim loại. Bỏ lỡ dòng trái phiếu, bỏ lỡ vấn đề.

Sự kết luận: Giao diện không bao giờ nói dối

Đây là những gì tôi nói với mọi kỹ sư trẻ tham gia dự án của tôi: giao diện ghi lại mọi thứ. Mỗi chu kỳ nhiệt, mọi ứng suất cơ học, mọi phím tắt sản xuất. Nó được viết trong cấu trúc vi mô. Bạn chỉ cần nhìn.

Vật liệu tổng hợp lưỡng kim là vật liệu tuyệt vời—chúng mang lại cho chúng ta khả năng chống ăn mòn mà không cần định giá CRA vững chắc. Nhưng họ không tha thứ cho những lối tắt. Giao diện và vùng hàn là nơi mục đích thiết kế đáp ứng thực tế sản xuất. Khi chúng khớp nhau, bạn nhận được đường ống 25 năm. Khi họ không, bạn gặp phải những thất bại khiến những người như tôi có việc làm.

Nhưng thành thật mà nói? Tôi thà nghỉ hưu còn hơn điều tra một lỗi giao diện khác. Vì vậy hãy chú ý đến chi tiết. Cấu trúc vi mô sẽ cảm ơn bạn. Nhóm hoạt động của bạn sẽ cảm ơn bạn. Và có lẽ—chỉ có thể thôi—bạn sẽ không hiểu được điều đó 2 Cuộc gọi điện thoại sáng về một vụ rò rỉ vào giữa mùa đông.

Giữ an toàn ở ngoài đó.