Поперечные трещины в сварных стальных трубах: основные причины и профилактика

Растрескивание остается одним из наиболее серьезных дефектов, встречающихся при производстве сварных труб, а также одним из наименее прощаемых -. В отличие от отклонения размеров или дефекта поверхности, трещина в сварном шве является структурным дефектом, который может распространяться под эксплуатационной нагрузкой и привести к полному выходу из строя. Трещины в сварных трубах обычно разделяют по их ориентации относительно линии сварного шва на две категории:продольные трещины, которые проходят параллельно сварному шву, ипоперечные трещины, которые пересекают его. В этой статье основное внимание уделяется поперечному растрескиванию -, почему оно образуется и что производителю необходимо контролировать, чтобы предотвратить его, уделяя особое внимание спиральному (ССАВ) сварная труба, в которой геометрия винтового шва добавляет свои особенности к общей металлургии сварки.

Поперечные трещины в сварной трубе чаще всего образуются в процессе затвердевания и кристаллизации самого металла шва, а не после него. По мере охлаждения расплавленной сварочной ванны она постепенно затвердевает от внешних краев ванны внутрь к центральной линии, при этом зерна растут в направлении теплового потока. Это затвердевание сопровождается объемной усадкой - металл просто занимает меньше места при переходе из жидкого состояния в твердое и продолжает сжиматься по мере дальнейшего охлаждения до комнатной температуры.

Эта усадка порождаетрастягивающее напряжениевдоль сварного шва, а поскольку окружающий основной металл и уже -затвердевший металл сварного шва сопротивляются сжатию, развивающееся напряжение наиболее сильно концентрируется на центральной линии сварного шва, где затвердевает последний жидкий металл и где границы зерен с обеих сторон ванны встречаются почти в лоб-в лоб. Если эта область средней линии не может выдержать растягивающее напряжение - из-за неблагоприятной структуры зерен, из-за того, что вредные микроэлементы ослабили границы зерен, или потому что само напряжение выше, чем должно быть из-за плохого контроля процесса -, трещина открывается перпендикулярно направлению сварки. Именно эта перпендикулярная ориентация делает трещину поперечной, а не продольной.

Диаграмма ниже иллюстрирует этот механизм: фронт затвердевания следует за сварочной горелкой, усадочное напряжение, тянущееся по линии сварного шва по мере остывания ванны, и возникающее в результате раскрытие трещины на центральной линии, где концентрируется это напряжение.

Усадочное напряжение при затвердевании является базовым состоянием каждого сварного шва -, его нельзя полностью устранить, а только контролировать. Но второй фактор гораздо быстрее превращает обычное усадочное напряжение в настоящую трещину: наличие примесей с низкой-точкой-плавления в металле сварного шва, а при производстве спирально-труб,медь является наиболее распространенным нарушителем.

Медь попадает в сварочную ванну из неожиданного источника: тонкое медное покрытие, нанесенное на сварочную проволоку для предотвращения поверхностной ржавчины во время хранения, а также для улучшения электрического контакта и подачи через сварочное оборудование. Когда проволока проходит через контактный наконечник на высокой скорости, трение постепенно изнашивает отверстие наконечника, и мелкие частицы меди - как из покрытия проволоки, так и, в изношенных наконечниках, из самого медного контактного наконечника - отслаиваются и переносятся во флюс и дугу, в конечном итоге достигая расплавленной сварочной ванны.

Медь плавится при гораздо более низкой температуре, чем сталь. По мере затвердевания сварочной ванны любая присутствующая медь не затвердевает вместе с объемной стальной матрицей -, она дольше остается жидкой и сегрегирует к границам зерен, где смачивает и ослабляет их. Это формаохрупчивание жидкого-металла: граница зерна, уже находящаяся под растягивающим напряжением из-за нормальной усадки при затвердевании, теперь имеет гораздо меньшее сопротивление этому напряжению, поскольку медь ухудшила свою когезию. В результате на границах,-загрязненных медью, появляются поперечные трещины при уровнях напряжения, которые незагрязненный сварной шов выдерживает без проблем.

Предотвращение поперечного растрескивания — это не вопрос какого-то одного решения -, оно требует контроля как лежащего в основе усадочного напряжения, так и металлургического загрязнения, которое делает сварной шов уязвимым для него. На практике это сводится к пяти направлениям управления процессом.

1. Выбор сварочных материалов

Отправной точкой является выбор сварочной проволоки и флюса с химическим составом, подходящим для основного материала и не содержащим чрезмерного количества вредных микроэлементов. Тщательный выбор расходных материалов в первую очередь снижает базовый уровень примесей, попадающих в сварочную ванну, что снижает вероятность поперечного растрескивания независимо от того, что еще происходит в процессе сварки. Это решение принимается еще до начала сварки, и оно устанавливает предел того, насколько чистым может быть металл сварного шва - никакое последующее управление процессом не может полностью компенсировать неправильный выбор расходных материалов.

2. Проектирование фасок и контроль проникновения

Геометрия канавки или фаски сварного соединения напрямую влияет на количество наплавленного металла и развитие структуры затвердевания. Общий принцип здесь заключается в том, чтобы уменьшить внутреннюю фаску сварного шва, где это возможно, не жертвуя при этом глубиной провара, которая действительно необходима для соединения. Меньшая внутренняя фаска в сочетании с достаточным проваром приводит к меньшему объему сварочной ванны и более короткому пути затвердевания, что снижает величину усадочного напряжения, которое развивается по мере охлаждения сварного шва. Для достижения правильного баланса требуется тесная координация между конструкцией скоса и параметрами сварки (ток, напряжение, скорость перемещения), фактически используемыми на линии, поскольку конструкцию скоса нельзя оценивать отдельно от процесса, с которым он сопряжен.

3. Прецизионное формование и выравнивание валков.

В частности, в спирально--сварных трубах точность процесса валкового-профилирования, при котором плоская полоса превращается в тело спиральной трубы, напрямую влияет на остаточное напряжение, присутствующее в сварном соединении еще до начала сварки. Если края полосы не выровнены точно - постоянный зазор, постоянная высота кромки, постоянная кривизна, соответствующая предполагаемому диаметру трубы -, сварной шов должен учитывать геометрическое несоответствие в дополнение к нормальной усадке при затвердевании. Это добавленное остаточное напряжение снижает запас прочности до возникновения поперечной трещины. Точная формовка, иногда называемая «настройкой формы» на производстве, снижает это остаточное напряжение в источнике, а не пытается компенсировать его позже в параметрах сварки.

4. Контроль форм-фактора сварного шва

форм-фактор сварного шва- отношение ширины поверхности сварного валика к глубине его провара - имеет прямую и хорошо подтвержденную-зависимость от склонности к растрескиванию. Узкая, глубокая сварочная ванна затвердевает, при этом зерна растут круто внутрь с обеих сторон и встречаются почти в лоб-по центральной линии, концентрируя усадочное напряжение вдоль узкой полосы. Более широкая и неглубокая сварочная ванна позволяет зернам расти к центру под меньшим углом, распределяя одно и то же общее усадочное напряжение по более широкой области, а не концентрируя его.

В качестве практической цели обычно сохраняется форм-фактор сварного шва.выше 1(ширина валика больше глубины проникновения) специально для того, чтобы избежать концентрации напряжений. Это контролируется в первую очередь с помощью настроек сварочного тока, напряжения и скорости перемещения, и это следует проверять в рамках повседневной аттестации процесса, а не предполагать только на основе настроек номинальных параметров, поскольку износ электрода, состояние флюса и даже температура окружающей среды могут изменить фактическую геометрию валика, полученного в данный день.

5. Контактный наконечник и контроль загрязнения медью

Поскольку медное загрязнение является непропорционально разрушительным фактором по сравнению с фактическими небольшими количествами, оно заслуживает специального контроля процесса, а не рассматривается как побочный эффект общего качества расходных материалов. Это включает в себя плановый осмотр и замену контактных наконечников до того, как износ канала станет значительным, контроль подачи проволоки на предмет видимого отслаивания или разрушения покрытия, а также в некоторых случаях выбор проволоки с более легкой или альтернативной обработкой поверхности, когда налипание меди было постоянной проблемой. Поскольку этот путь загрязнения практически незаметен в готовом сварном шве до тех пор, пока на самом деле не появится трещина, это одна из областей, где дисциплина профилактического обслуживания имеет большее значение, чем реагирование на неисправности.

Для покупателя, приобретающего нержавеющую сталь или другую сварную трубу, поперечное растрескивание практически незаметно в стандартном сертификате прокатного стана, если оно уже не переросло в обнаруживаемый дефект, выявленный в ходе не-неразрушающего контроля -, когда труба уже была забракована или отремонтирована, что увеличивает затраты и риски, связанные с графиком заказа. Более надежный подход заключается в том, чтобы оценить, в первую очередь, делают ли средства управления процессом поставщика маловероятными поперечные трещины. Прежде чем размещать заказ, необходимо подтвердить следующие моменты, особенно для проектов с более крупными или -техническими характеристиками:

• Спросите, как контролируется, а не просто задается форм-фактор сварного шва.Поставщик, который может описать, как соотношение ширины валика-к-глубине на самом деле измеряется и проверяется во время производства -, а не просто ссылается на таблицу целевых параметров -, демонстрирует реальный контроль процесса, а не бумажную спецификацию.
• Спросите об интервалах замены контактных наконечников и правилах обращения с проволокой.Поставщик, имеющий определенный график профилактического-технического обслуживания контактных наконечников и контролируемое хранение и обращение со сварочной проволокой во избежание повреждения покрытия, активно борется с загрязнением меди, а не реагирует только на дефекты после их возникновения.
• Перед сваркой подтвердите, какие допуски на формовку/соосность выдерживаются., особенно для спирально-сварных труб, поскольку выравнивание кромок полосы перед сварным проходом напрямую влияет на остаточное напряжение в соединении.
• Запросите фактический объем не-неразрушающего контроля сварного шва.- Полное-тестирование выявляет проблемы, которые могут быть упущены при режиме выборочного контроля, и это имеет большее значение для дефектов типа трещин-, чем для большинства других характеристик качества, поскольку трещина, которая не обнаруживается, может распространяться под эксплуатационной нагрузкой еще долгое время после того, как труба покинула завод.
• Спросите, аттестованы ли параметры сварки для каждого производственного цикла или предполагается, что они статичны.Поскольку геометрия валика и качество сварного шва могут со временем меняться в зависимости от износа электрода, состояния флюса и других переменных, поставщик, который периодически проводит повторную аттестацию параметров - вместо того, чтобы рассматривать первоначальную квалификацию процедуры как постоянную -, обеспечивает более стабильную устойчивость к растрескиванию по всему заказу, а не только по первым изготовленным нескольким длинам.
• Если это позволяет спецификация проекта, запросите производственные данные или примеры из предыдущих заказов с аналогичным диаметром и толщиной стенок., поскольку на склонность к растрескиванию влияет геометрия трубы, а также параметры процесса, а послужной список поставщика по сопоставимым размерам является более прямым показателем, чем общие заявления о системах качества.

Поперечное растрескивание, в конечном счете, является контролируемым дефектом, а не неотъемлемым риском сварочного процесса -, но его борьба требует внимания к деталям, которые не указаны в стандартной спецификации: геометрия шва, состояние контактного наконечника и точность формовки, и все это работает вместе с правильным выбором расходных материалов. Покупатели, которые задаются вопросом об этих особенностях на этапе квалификации, а не полагаются исключительно на результаты химических и механических испытаний, имеют гораздо больше возможностей избежать графика и финансовых последствий отказа, связанного с трещиной,-на более поздних стадиях реализации проекта.

Свяжитесь сейчас