Сварка оцинкованной стальной трубы: почему цинковое покрытие меняет все в сварном шве

Сварка оцинкованной трубы — это не та же операция, что сварка черной трубы с поверхностью другого-цвета. Цинковое покрытие, которое придает оцинкованным трубам коррозионную стойкость, ведет себя совершенно иначе, чем сталь при температурах сварки, и это различие определяет почти все специальные меры предосторожности, используемые бригадой сварщиков оцинкованных труб -, начиная с подготовки соединения и заканчивая тем, как выполняется сварка, и тем, что происходит после того, как дуга гаснет. Понимание того, почему существуют эти меры предосторожности, а не рассмотрение их как произвольного контрольного списка, — вот что отличает сварное оцинкованное соединение, которое служит так же долго, как и остальная часть трубы, от соединения, которое становится первым местом, где система подвергается коррозии.

Не все оцинкованные трубы поступают в сварочный участок с одинаковым покрытием, и разница имеет значение еще до начала сварки.

Горячеоцинкованная-трубапроизводится путем погружения готовой стальной трубы в ванну с расплавленным цинком, температура обычно составляет около 450 градусов Цельсия. Цинк вступает в реакцию со стальной поверхностью, образуя ряд слоев сплава цинка-железа, увенчанных слоем относительно чистого цинка. Эта металлургическая связь -, а не просто поверхностное осаждение -, является тем, что придает покрытию, нанесенному методом горячего- погружения, прочность сцепления и его типичный диапазон толщины примерно от 45 до 100+ микрон в зависимости от толщины стали и времени погружения. Покрытие не является идеально однородным на микроскопическом уровне, но на практике оно непрерывно покрывает внутреннюю и внешнюю поверхности трубы, включая труднодоступные--области, такие как резьба и сварные швы, поскольку труба полностью погружена в воду.

Электро-оцинкованная трубапроизводится путем осаждения цинка на стальную поверхность электрохимическим способом, обычно при температуре окружающей среды, из раствора соли цинка-. Полученное покрытие тоньше - обычно в диапазоне от 5 до 25 микрон - более гладкое на вид и связывается за счет электрохимической адгезии, а не за счет диффузионного слоя сплава, образующегося при нанесении методом горячего- погружения. Его нанесение происходит быстрее и дешевле, а поверхность получается более однородной и косметически чистой, поэтому он часто применяется в помещениях или в условиях меньшей -коррозионной-подверженности, где внешний вид и стоимость имеют большее значение, чем десятилетия срока службы на открытом воздухе.

Практическое последствие для сварки: покрытие горячим-погружением содержит больше массы цинка, концентрируемой вблизи соединения, большая его часть удерживается в слое сплава, который прилипает к стальной поверхности даже при нагревании, и более толстое покрытие, которое можно снять перед сваркой. Электро-оцинкованное покрытие тоньше и его легче удалить, но оно также обеспечивает более короткий срок службы после ввода соединения в эксплуатацию, поскольку изначально там просто меньше цинка. Ни одно из этих различий не меняет основную физику того, что происходит, когда дуга касается цинка - оно меняет степень этой проблемы, с которой вы сталкиваетесь, и то, как коррозионные характеристики готового соединения сравниваются с остальной частью участка трубы.

Основная проблема – простое несоответствие температур. Цинк кипит примерно при 907 градусах Цельсия. Сталь начинает плавиться только при температуре около 1500 градусов Цельсия. Сварочная дуга нагревается намного сильнее, чем любой из цифр -, что означает, что к тому времени, когда дуга что-то воздействует на сталь, цинк непосредственно вокруг нее уже испарился.

Эта последовательность действий вызывает несколько отдельных проблем в готовом сварном шве, а не одну:

• Пористость- Пары цинка, попадающие в сварочную ванну, не выходят полностью до затвердевания металла, оставляя газовые карманы в металле сварного шва. Пористость уменьшает эффективное поперечное сечение сварного шва-и дает возможность зародиться коррозионным и усталостным трещинам.
• Охрупчивание жидкого металла- Если тепло сварки выталкивает расплавленный или испаренный цинк в границы зерен зоны термического-воздействия основной стали, это может снизить пластичность этой зоны и, в некоторых случаях, способствовать растрескиванию под последующей нагрузкой или термическим напряжением. Это хорошо-задокументированный риск, особенно связанный со сваркой оцинкованной стали, в отличие от обычной пористости сварного шва.
• Брызги и плохой профиль шва- Испарение цинка нарушает дугу и поверхность сварочной ванны, из-за чего становится сложнее сохранять чистый и однородный валик по сравнению со сваркой того же соединения из голой стали.
• Опасность дыма- Цинк, испаряемый дугой, быстро окисляется на воздухе, образуя пары оксида цинка. Вдыхание этого дыма в достаточной концентрации вызывает металлическую лихорадку, реальную и общепризнанную профессиональную опасность, поэтому вентиляция и, при необходимости, защита органов дыхания являются стандартной практикой при сварке оцинкованных изделий, а не дополнительной мерой предосторожности.

Ни одна из этих проблем не исчезает, если сварщик обладает навыками -, они являются физическими последствиями сварки неповрежденного цинкового покрытия. Контроль навыков и процедур заключается в том, какая часть проблемы достигает готового соединения, и этот контроль начинается до того, как зажжется дуга.

Стандартной практикой является удаление цинкового покрытия с области соединения перед сваркой с помощью угловой шлифовальной машины, абразивной шлифовки или газопламенной очистки, а не сварка непосредственно через него. Это не косметический эффект, - он устраняет риск пористости и охрупчивания в источнике, в первую очередь не допуская попадания паров цинка в сварочную ванну и в зону термического-воздействия. Очищенная область обычно простирается на небольшое расстояние назад от края соединения как на трубе, так и на любом ответном фланце или фитинге, а не только на непосредственной поверхности скоса, поскольку зона термического-воздействия выходит за пределы самого сварного шва, а остаточный цинк сразу за пределами видимого соединения все еще может испаряться в область, находящуюся под сварочным нагревом.

Каждый метод удаления имеет практический компромисс. Шлифование происходит быстро и контролируемо, но при этом образуется цинк-содержащая пыль, требующая тех же мер предосторожности в отношении дыма и пыли, что и при сварке. Очистка пламенем сжигает покрытие при использовании прохода горелки с меньшей-интенсивностью перед началом сварки. Это полезно для труб большего-диаметра, где шлифовка по всей окружности требует много времени-, но при этом все равно выделяется дым оксида цинка во время самого прохода очистки, поэтому требования к вентиляции не исчезают только потому, что сварочная дуга еще не загорелась.

Для оцинкованных труб диаметром примерно DN100 вместо сварки на месте часто указываются методы механического соединения - фланцевые соединения, рифленые/механические соединения или фитинги компрессионного-типа -, и это обоснование напрямую связано с затратами по удалению и ремонту покрытия,-описанным выше. Соединение DN100+ имеет большую окружность покрытия, которое необходимо зачистить, сварить и затем отремонтировать, и любой зазор в этом ремонте представляет собой пробел в защите от коррозии на соединении, который часто трудно проверить или нанести повторное-покрытие после ввода системы в эксплуатацию. Механическое соединение вообще позволяет избежать нарушения покрытия в области соединения - без шлифовки, без сварки, без ремонтного покрытия -, что устраняет всю категорию риска, описанную выше, а не управляет ею. В большинстве юрисдикций это не столько вопрос требований норм, сколько вопрос практического управления рисками, когда область удаления покрытия-становится настолько большой, что гарантировать полноценный ремонт становится сложнее.

После сварки шва область, которая была отшлифована или обожжена - вместе с самим сварным валиком -, остается без защиты от коррозии, если только она не будет отремонтирована намеренно. Это имеет большее значение, чем может показаться на первый взгляд: цинк защищает прилегающую голую сталь частично за счет жертвенного (гальванического) действия, при котором цинк преимущественно корродирует и защищает небольшие близлежащие участки обнаженной стали. Эта защита имеет ограниченный эффективный диапазон - она работает при точечных отверстиях и незначительных повреждениях покрытия, а не при полном сварном шве голой стали. Оставшись без ремонта, зона сварного шва становится первой точкой коррозии в системе, подрывая причину, по которой в первую очередь была выбрана оцинкованная труба.

В стандартном ремонте используется -состав с высоким содержанием цинка - либо состав для холодного цинкования, наносимый кистью или распылением, либо, в некоторых случаях, термическое-напыление цинка для более высоких-применений, - наносимый до толщины сухой пленки, сравнимой с толщиной окружающего покрытия горячим-погружением, часто в несколько слоев для достижения достаточной толщины за один проход. Это не косметическая-подкраска в цвет краски; это восстановление реального защитного слоя, и ремонт, нанесенный слишком тонким слоем или с плохой подготовкой поверхности под ним, выйдет из строя задолго до того, как выйдет из строя остальная часть исходного покрытия трубы.

Стабильное качество сварных швов на оцинкованных трубах зависит от контроля в пяти областях, каждая из которых направлена ​​на разные точки, где указанные выше риски,-связанные с цинком, могут пойти не так.

Квалификация сварщика и непрерывность работы.Правильная сварка оцинкованной трубы требует более строгого контроля подвода тепла и скорости перемещения, чем сварка эквивалентного соединения из голой стали, особенно для ограничения количества испарения цинка перед и вокруг сварочной ванны. Бригады должны пройти квалификацию по процедуре, которая отражает это -, а не просто общую аттестацию по сварке -, и проверены посредством практических испытаний в репрезентативных условиях площадки, прежде чем получить допуск к работе. Привлечение к работе одной и той же команды снижает вариативность, возникающую из-за того, что сварщики повторно-обучаются этим корректировкам в процессе работы.

Работа с наполнителем.Электроды с флюсовым-покрытием впитывают влагу из окружающей среды, а влага в покрытии электродов представляет собой отдельный, но усугубляющийся риск, - она способствует водородному-растрескиванию сварного шва, независимо от чего-либо, связанного с цинком-. Расходные материалы должны поступать от поставщика с полной сертификацией материала, храниться и обжигаться при контролируемой температуре в соответствии с применимой процедурой и выпускаться в количествах, соответствующих примерно половине-дня использования, чтобы неиспользованный стержень не оставлялся для повторного впитывания влаги в цеху. Этот контроль имеет большее, а не меньшее значение при гальванизации, поскольку пористость из-за паров цинка и водородная пористость из-за влажных расходных материалов могут взаимно смешиваться в одном и том же сварном шве.

Состояние и калибровка оборудования.Фактическая мощность сварочного аппарата должна соответствовать отображаемым настройкам, поэтому перед началом проекта следует калибровать измерители тока и напряжения. Поскольку гальванизированная сварка требует более жесткого контроля подвода тепла-, чем обычная сварка углеродистой стали, некалиброванная машина - или сварочный кабель имеют достаточную длину, чтобы вызвать значительное падение напряжения без соответствующей настройки параметров -, что сводит на нет весь смысл тщательного контроля тока и скорости перемещения-в этой процедуре.

Процессуальная дисциплина.Размеры и чистота канавок (подтверждение того, что цинковое покрытие действительно было удалено, а не просто визуально потемнело) следует проверять непосредственно перед началом сварки. Ток, напряжение и скорость перемещения должны оставаться в пределах диапазона квалифицированной процедуры на протяжении всего соединения, а не только в начале соединения, поскольку смещение в сторону более высокого погонного тепла снова приводит к большему испарению цинка и расширению зоны термического-воздействия. Корневые проходы заслуживают особого внимания, поскольку корень находится ближе всего к остаткам цинка на дальней стороне шва и именно здесь наиболее вероятно возникновение пористости; Многопроходные сварные швы следует выполнять контролируемыми тонкими слоями, а не небольшим количеством тяжелых проходов. В соединениях с более высокими-последствиями визуальный осмотр должен сопровождаться не-разрушающим контролем, соответствующим сервисному - радиографическому или ультразвуковому контролю критического давления или структурных соединений, как минимум для репрезентативной выборки из пробега.

Экологические условия.Температура окружающей среды, влажность и скорость ветра в месте сварки влияют на качество сварного шва независимо от проблем с цинком. - ветер нарушает защиту, влажность влияет на поглощение водорода в сварочной ванне и хранящихся расходных материалах, а низкая температура окружающей среды изменяет скорость охлаждения и, следовательно, риск растрескивания в зоне воздействия тепла-. Если какое-либо из этих значений выходит за пределы установленного диапазона аттестованной процедуры, правильным ответом будет отложить работу, вообще не выполнять сварку и полагаться на проверку, чтобы выявить проблемы впоследствии.