SPAWANIE RUR W GATUNKU GR. C/6/X52 DRUTEM PROSZKOWYM M. STANKIEWICZ 1, H. JONDERKO 2, D. KIJOWSKI 3, W. PSONKA 4

Transkrypt

1 85/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN SPAWANIE RUR W GATUNKU GR. C/6/X52 DRUTEM PROSZKOWYM M. STANKIEWICZ 1, H. JONDERKO 2, D. KIJOWSKI 3, W. PSONKA 4 1 OBR Budowy Urządzeń Chemicznych CEBEA, Kraków, ul. J. Lea Huta BATORY Sp. z o.o., Chorzów, ul. Dyrekcyjna 6 3 ESAB Sp. z o.o., Katowice, ul. Żelazna 9 4 Laboratoria Badań BATORY Sp. z o.o., Chorzów, ul. Dyrekcyjna 6 STRESZCZENIE W publikacji przedstawiono własności mechaniczne i użytkowe rur w potrójnym gatunku Gr. C/6/X52 wg ASTM i API 5L oraz zaproponowano technologię spawania FCAW z użyciem drutu rdzeniowego OK Tubrod gwarantującą uzyskanie wymaganych własności mechanicznych, w tym wysokiej udarności KCV w temperaturze -50 o C. Keywords: seamless pipes, FCAW welding, weld characteristics tests 1. WSTĘP Rury bez szwu w gatunku Gr. C/6/X52 wytwarzane przez Hutę BATORY Sp. Z o.o. w Chorzowie są wyrobem łączącym w sobie cechy trzech gatunków stali: ASTM A106 Gr. C stali do pracy w podwyższonej temperaturze; ASTM A333 Gr. 6 stali do pracy w obniżonej temperaturze; 1 mgr inż.; momega@autocom.pl 2 mgr inż.; dkj.hutabatory@op.pl 3 mgr inż.; dariusz.kijowski@esab.pl 4 mgr inż.; Lbb.lbw@poczta.neostrada.pl

2 API 5L Gr. X52 stali przeznaczonej na rury do transportu ropy naftowej i gazu ziemnego [1]. Dużą elastyczność zastosowań tego wyrobu powiększa dodatkowo szeroki typoszereg wymiarowy zakres średnic zewnętrznych od Ø203,2 mm do Ø530,0 mm i grubość ścianki 7,04mm19,05 mm. Niniejsze badania mają na celu wskazanie odbiorcom rur Gr. C/6/X52 taniej i wydajnej metody spawania, zapewniającej pełne wykorzystanie ich właściwości mechanicznych, ze szczególnym uwzględnieniem wysokiej udarności złączy w niskiej temperaturze -50 o C. 2. CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁU PODSTAWOWEGO Stal Gr. C/6/X52 jest stalą niskostopową o składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 1. Dla porównania zaprezentowano w niej również wymagania norm dla poszczególnych gatunków cząstkowych Gr. C, Gr. 6 i Gr. X52. Skład chemiczny rur Gr. C/6/X52 określony został na podstawie badań spektrometrycznych na próbie statystycznej liczącej 130 wytopów. Ograniczenie w stali zawartości węgla C do ok. 0,15%, tj. 50% maksymalnego poziomu wg danych z tabeli 1 pozwoliło na zwiększenie zawartości manganu Mn do 1,2%, a w konsekwencji wzrost udarności stali w niskiej temperaturze, bez pogorszenia jej spawalności. Średnia wielkość chemicznego równoważnika węgla C e materiału rur Gr. C/6/X52 wynosi 0,405 i jest mniejsza od C e =0,45 stanowiącej dopuszczalną wartość dla wyrobów o grubości do 25 mm. Tabela 1. Skład chemiczny stali ASTM A106 Gr. C, ASTM A333 Gr. 6, API 5L Gr. X52 wg wymagań norm oraz średnie arytmetyczne wyników analizy chemicznej wytopowej rur w gatunku Gr. C/6/X52. Table 1. Chemical content of steels ASTM A106 Gr. C, ASTM A333 Gr. 6, API 5L Gr. X52 according to standard requirements and average results of chemical meltdown analysis of pipes grade C/6/X52. Pierwiastek C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Al Gat. stali [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] ASTM A106 Gr. C 0,35 0,29 0,10 0,035 0,035 0,40 * 0,40 * 0,40 * 0,15 * - 1,06 ** ASTM A333 Gr. 6 0,30 0,29 0,10 0,025 0, ,06 ** API 5L Gr. X52 0,28 1,40-0,030 0, Rury Gr. C/6/X52 wg badań 0,15 1,20 0,25 0,014 0,006 0,09 0,08 0,15 0,05 0,03 * Cr+Ni+Cu+Mo+V 1% ** po obniżeniu zawartości C dopuszczalna zawartość Mn 1,35% 236

3 Stal posiada strukturę ferrytyczną o niewielkiej ilości pasmowego perlitu i wykazuje nieznaczną anizotropię ziaren spowodowaną sposobem walcowania rur. Własności wytrzymałościowe rur Gr. C/6/X52 w temperaturze +20 o C określone na próbie statystycznej 260 próbek w oparciu o normę ASTM A370 prezentuje tabela 2. Dla porównania przedstawiono również wymagania norm dla poszczególnych gatunków cząstkowych. W tabeli 3 zaprezentowano średnie wielkości udarności badanej w temperaturze - 50 o C wg zaleceń norm ASTM A370 i ASTM E23 na próbie statystycznej 636 próbek, z uwzględnieniem wpływu grubości ścianki na wielkość KCV. Tabela 2. Własności mechaniczne stali ASTM A106 Gr. C, ASTM A333 Gr. 6, API 5L Gr. X52 wg wymagań norm oraz średnie arytmetyczne wyników próby rozciągania dla rur Gr. C/6/X52. Table 2. Mechanical properties of steels ASTM A106 Gr. C, ASTM A333 Gr. 6, API 5L Gr. X52 according to standard requirements and average results of tensile strength tests of pipes grade C/6/X52. Wielkość * Grubość ścianki R eh R m A 2 Orientacja rur próbek Gat. stali [MPa] [MPa] [%] [mm] ASTM A106 Gr. C wzdłużna ASTM A333 Gr ,05 wzdłużna API 5L Gr. X ,05 poprzeczna Rury Gr. C/6/X52 wg badań ,8 7,8019,05 poprzeczna * wydłużenie na próbce o długości pomiarowej 2 cale Tabela 3. Średnie arytmetyczne oraz granice przedziałów ufności wyników próby udarności w temperaturze -50 o C wg ASTM E23 rur w gatunku Gr. C/6/X52 (próbki wzdłużne). Table 3. Average values and confidence intervals of impact strength tests according to ASTM E23 carried in temperature -50 o C using pipes of grade C/6/X52 (longitudinal samples). Grubość ścianki rury [mm] 7,80 8,38 9,27 9,52 11,30 12,70 14,27 15,09 16,66 17,48 Szerokość próbki [mm] 5,0 7, udarnościowej Badana wielkość KCV ASTM E23 (-50 o C) 18,26 19,05 KCV śr [J/cm 2 ] Przedział ufności dla α=0,95 [J/cm 2 ]

4 3. DOBÓR METODY SPAWANIA I MATERIAŁÓW POMOCNICZYCH Uzyskanie prawidłowych własności złączy spawanych rur Gr. C/6/X52 wymagać będzie zastosowania stopiwa o granicy plastyczności R eh 358 MPa (jak dla stali X52) i minimalnej wytrzymałości na rozciąganie R m 485 MPa (jak dla stali Gr. C). Prawidłowo wykonane złącze powinno wykazywać minimalną udarność w obszarze spoiny i strefy wpływu ciepła na poziomie co najmniej 34 J/cm 2 dla średniej z 3 próbek oraz co najmniej 27 J/cm 2 dla indywidualnego rezultatu badania w temperaturze -50 o C. Złącze o takiej udarności nie wykorzystuje jednak wysokiej wartości KCV materiału podstawowego rur Gr. C/6/X52, przekraczającej od 4,5 do 6,9-krotnie wymagany przez normy poziom minimalny i osiągającej średnie wartości od 155 J/cm 2 do 237 J/cm 2. Jednym z założeń przyjętej technologii spawania było osiągnięcie poziomu udarności złącza zbliżonego do najniższej dolnej wartości przedziału ufności KCV wg tabeli III, a więc ok. 140 J/cm 2 w temperaturze -50 o C. Uwzględnione materiały pomocnicze musiały zapewnić spełnienie minimalnej wytrzymałości złącza opisanej powyżej i zakładanego poziomu udarności, co zawęziło zakres poszukiwań materiałów pomocniczych do drutów zawierających nikiel Ni. Wstępne założenie uzyskania dużej wydajności procesu spawania spowodowało sięgnięcie po technologię spawania drutem o rdzeniu proszkowym FCAW (wg ASTM). Przyjęto również założenie braku końcowej obróbki cieplnej po spawaniu. Wstępne próby przeprowadzono testując różne warianty drutów proszkowych włączając w to również kombinacje różnych gatunków. Do ostatecznych prób zakwalifikowano drut proszkowy o rdzeniu rutylowym w gatunku OK Tubrod 15.11, który charakteryzował się bardzo dobrymi właściwościami spawalniczymi i łatwością usuwania żużla. Wyniki badań potwierdziły ponadto spełnienie zakładanych cech metody spawania i uzyskanie oczekiwanych własności złącza, także w obszarze wysokiej udarności. W tabeli 4 przedstawiono dane katalogowe producenta dotyczące własności stopiwa OK Tubrod Zastosowana technologia spawania oparta została o standardowe parametry spawania dla drutu rdzeniowego OK Tubrod 15.11, zalecane przez jego wytwórcę ESAB Sp. z o.o. Tabela 4. Wybrane dane katalogowe firmy ESAB Sp. z o.o. dla stopiwa OK Tubrod Wielkości typowe. Table 4. Selected catalog data for weld metal type OK Tubrod manufactured by ESAB Sp. z o.o. Typical values. Typowy skład chemiczny Materiał pomocniczy R stopiwa [%] 0,2 R m A 5,65 KCV C Si Mn Ni [MPa] [MPa] [%] [J/cm 2 ] OK Tubrod Drut rdzeniowy rutylowy SFA/AWS A : E81T1-Ni2 EN 758:1997: T Ni P M 2 H5 Zalecana metoda spawania: FCAW 0,05 0,3 0,9 2, (-50 o C) 238

5 4. METODYKA BADANIA ZŁĄCZY DOCZOŁOWYCH Badania kwalifikacyjne technologii spawania wykonuje się zgodnie z przepisami na pojedynczym króćcu próbnym. Jednak w celu powiększenia próby statystycznej zostały przygotowane 3 króćce próbne Ø219,1x15,09 mm z rury Gr. C/6/X52. Rozkrojono je zgodnie z wymaganiami ASME Section IX [2] i z każdego króćca wykonano zestaw próbek wymaganych przez ASME Section IX do kwalifikacji technologii spawania, obejmujący następujące rodzaje badań: próbę rozciągania złącza doczołowego w temperaturze +20 o C na próbkach poprzecznych wg QW-150, łącznie 6 sztuk próbek, próbę zginania złącza doczołowego z rozciąganiem lica i grani w temperaturze +20 o C wg QW-160, łącznie po 6 sztuk próbek, próbę udarności w obszarze spoiny i strefy wpływu ciepła na próbkach Charpy V w temperaturze badania -50 o C wg QW-170, łącznie po 9 sztuk próbek oraz dodatkowo próbki do badań nie objętych wymaganiami ASME Section IX: twardości HV10 poszczególnych stref złącza wg PN-EN 288-3, łącznie 3 próbki; własności wytrzymałościowych stopiwa na próbce podłużnej ze spoiny w temperaturze badania +20 o C wg PN-EN 876, łącznie 6 próbek; mikrostruktury złącza wg PN-EN próbka losowa. Dodatkowe badania wykonano wg norm PN-EN, ponieważ badań tych ASME Section IX nie przewiduje, a punktem odniesienia dla uzyskanych rezultatów są dane określone również w oparciu o normy PN-EN. Wyniki badań przedstawiono na rysunku 1 i w tabelach 57. Zaprezentowane w tabelach wielkości liczbowe są średnimi arytmetycznymi z uzyskanych wyników. 5. WYNIKI BADAŃ. ANALIZA WYNIKÓW Mikrostruktura spoiny wykonanej drutem OK Tubrod jest stosunkowo jednorodna i składa się w ok. 90% z ferrytu drobnopłytkowego acicularnego oraz niewielkiej ilości ferrytu płytkowego Widmanstattena rys. 1a. Można oczekiwać, że taka mikrostruktura zapewni połączenie wysokiej wytrzymałości na rozciąganie z wysoką udarnością spoiny. W obszarze strefy wpływu ciepła występuje w dużych ilościach ferryt płytkowy Widmanstattena i mało liczne ziarna ferrytu poligonalnego rys. 1b. Wobec braku obróbki cieplnej po spawaniu ten rodzaj mikrostruktury może skutkować pewnym obniżeniem udarności strefy wpływu ciepła w stosunku do samej spoiny. Wyniki badań mechanicznych wymaganych przez ASME Section IX do kwalifikacji technologii spawania złączy doczołowych rur Gr. C/6/X52 zestawiono w tabeli 5. Próbki poprzeczne ze złącza poddane próbie rozciągania ulegają dekohezji w obszarze materiału podstawowego ze średnią wielkością R m =581 MPa, przekraczającą wymaganie minimum R m =485 MPa (jak dla stali Gr. C), a przełom ma charakter ciągliwy. 239

6 a\ b\ Rys.1. Mikrostruktura badanych złączy. Powiększenie 500. Trawiono Nitalem. a/ Spoina b/ Strefa wpływu ciepła. Fig 1. Material microstructure of investigated welds. Enlargement x500. Etched with Nital. a/ Weld b/ Heat-affected zone. Tabela 5. Wyniki badań kwalifikacyjnych technologii spawania rur Gr. C/6/X52 wg ASME Section IX. Table 5. Qualification test results of welding technology of pipes grade C/6/X52 according to ASME Section IX. Rezultat badania Rodzaj badania Uwagi - wielkość średnia Statyczna próba rozciągania złączy na próbkach poprzecznych wg QW-150 Próba gięcia z rozciąganiem lica wg QW-160 Próba gięcia z rozciąganiem grani wg QW-160 Próba udarności karb w osi spoiny wg QW-170 Próba udarności karb w SWC wg QW-170 R m =581 MPa (+20 o C) Kąt zgięcia 180 o KCV=133,5 J/cm 2 (-50 o C) KCV=141 J/cm 2 (-50 o C) Przełom ciągliwy w materiale podstawowym Bez pęknięć Średnio 80% przełomu plastycznego Średnio 33% przełomu plastycznego Próba zginania zarówno z rozciąganiem lica, jak i grani daje pełny kąt zgięcia 180 o bez pęknięć, co kwalifikuje ją również pozytywnie. Średnia wielkość udarności KCV badanej wg ASTM E23 w temperaturze -50 o C w obszarze spoiny wynosi 133,5 J/cm 2, a więc jest bliska zakładanej wartości 140 J/cm 2. Wyniki KCV w obrębie spoiny są bardzo jednorodne i zawierają się w granicach przedziału ufności (α=0,95) 123,0143,5 J/cm 2, a przełom posiada charakter mieszany z dominującym- ok. 80% - obszarem plastycznym. Nieco wyższą i również zbliżoną do zakładanego poziomu wielkości KCV ma udarność strefy wpływu ciepła. Jej średnia wielkość wynosi KCV=141 J/cm 2. Zróżnicowanie indywidualnych wyników KCV w obrębie strefy wpływu ciepła jest jednak wyższe niż w spoinie i zawiera się w granicach przedziału ufności (α=0,95) 240

7 97,5184,5 J/cm 2. Zróżnicowanie to jest konsekwencją małej szerokości strefy wpływu ciepła, co powoduje, że przełom próbek przechodzi w różnym stopniu także przez obszar materiału podstawowego, nie zmienionego cieplnie. W ocenie autorów rzeczywista wartość udarności samej strefy wpływu ciepła jest zbliżona do dolnej granicy przedziału ufności, a więc 97,5 J/cm 2 [3], tym bardziej, że średni udział przełomu plastycznego na przekroju próbek ze strefy wpływu ciepła jest mniejszy niż w spoinie i wynosi ok. 33%. Wyniki badań mechanicznych wg ASME Section IX spełniają więc warunki do pozytywnej kwalifikacji technologii spawania. Dodatkowe badania wytrzymałości na rozciąganie materiału stopiwa wykonane na próbkach wzdłużnych ze spoiny tabela 6 pokazują, że zastosowane stopiwo posiada dużo wyższą wielkość R eh jak i R m zarówno w odniesieniu do minimalnych wymagań norm, jak i średnich wielkości charakteryzujących materiał rur Gr. C/6/X52, zaprezentowanych w tabeli 2. Tabela 6. Wyniki statycznej próby rozciągania stopiwa w temperaturze 20 o C na próbkach wzdłużnych ze spoiny wg PN-EN 876. Table 6. Results of tensile strength tests in temperature 20 o C of longitudinal samples made from weld metal according to standard PN-EN 876. R 0,2 R m A 5,65 [MPa] [MPa] [%] ,2 Wyniki badania twardości HV10 w poszczególnych obszarach złącza przedstawia tabela 7. Poczynając od materiału podstawowego, przez strefę wpływu ciepła, aż do osi spoiny obserwujemy wzrost średniej twardości HV10 tabela 7 co jest konsekwencją opisanych różnic w mikrostrukturze. Wielkości HV10 w złączu są jednak mniejsze od maksymalnej dopuszczalnej twardości wynoszącej 320HV10 dla stali o zawartości Ni 4% i spoin wielościegowych nie obrabianych cieplnie, jaką określa norma PN-EN Tabela 7. Wyniki badania twardości HV10 w złączach w temperaturze 20 o C wg PN-EN Table 7. Hardness HV10 test results for welds in temperature 20 o C according to PN-EN HV10 Materiał podstawowy SWC Spoina SWC Materiał podstawowy

8 6. WNIOSKI Zastosowana technologia spawania wg metody FCAW oparta o standardowe parametry spawania dla użytego drutu rdzeniowego OK Tubrod umożliwia uzyskanie wysokich właściwości mechanicznych złącza doczołowego, zapewniających wykorzystanie właściwości materiału podstawowego rur Gr. C/6/X52 w możliwie najwyższym stopniu. Średnia udarność spoiny i strefy wpływu ciepła w temperaturze -50 o C zbliżona jest do zakładanej wielkości ok. 140 J/cm 2. Użycie drutu proszkowego w tego typu połączeniach daje wymierne korzyści w zakresie większej niż w przypadku drutów pełnych wydajności spawania, łatwości usuwania żużla i przez to ograniczonej pracochłonności. Dla mniej wprawnego spawacza jedyna trudność, która towarzyszy metodzie FCAW, może dotyczyć uzyskania pełnego przetopu na całej długości połączenia ze względu na bardziej natryskowy charakter spawania. W przypadku takich spawaczy można zalecić do wykonania przetopu drut pełny o innej charakterystyce przenoszenia ciekłego metalu i składzie chemicznym również zapewniającym podtrzymanie wysokiej udarności np. OK Autrod LITERATURA [1] API 5L/2000 Specification 5L for line pipe. [2] ASME Section IX Boiler & Pressure Vessel Code. An International Code. Welding and Brazing Qualifications. [3] M. Stankiewicz, H. Jonderko, D. Kijowski, W. Psonka, E. Tasak Połączenia spawane rur Gr. C/6/X52 właściwości mechaniczne, Przegląd Spawalnictwa, Nr 2-3/2006. SUMMARY WELDING OF PIPES GRADE C/6/X52 USING FLUX CORED FILLER WIRE The paper presents mechanical and service characteristics of pipes of triple grade C/6/X52 according to ASTM and API 5L. FCAW welding technology was proposed where by using core wire type OK Tubrod the required mechanical properties can be obtained, including high impact strength KCV in temperature -50 o C. Recenzował: prof. dr hab. inż. Józef Dańko. 242