Suvirintų plieninių vamzdžių kūrimas: nuo suvirinimo krosnyje iki aukšto dažnio ir povandeninio lanko procesų

Įvadas: vamzdis, kurį sukūrė pramonė

Suvirintas plieninis vamzdis šiandien yra toks įprastas, kad jo istoriją lengva neįvertinti. Vis dėlto galimybė sujungti plieno juostą į ištisinį vamzdį buvo viena iš šiuolaikinio pasaulio įgalinančių technologijų. Tai leido paskirstyti vandenį ir dujas miestams, nutiesti tolimojo susisiekimo naftotiekius, pastatų ir tiltų konstrukcinius vamzdžius bei energetikos pramonės šilumokaičius ir katilų vamzdžius. Istorija apie suvirintus vamzdžius yra istorija apie tai, kaip gamyba, metalurgija ir tikrinimas vystėsi kartu, kiekvienas verčiantis pažangą kitose.

Pirmąjį pusę amžiaus plieninių vamzdžių gamybos metu besiūliai vamzdžiai buvo dominuojantis aukščiausios kokybės produktas, tačiau jis buvo brangus ir riboto skersmens. Suvirintas vamzdis siūlė pigesnį kelią iki tų pačių formų, o jo kūrimas buvo vadovaujamasi nuoseklia logika: rasti būdą, kaip greitai ir patikimai suvirinti, tada rasti būdą, kaip įrodyti, kad suvirinimas yra patikimas. Kiekviena pagrindinė proceso naujovė šioje srityje gali būti suprantama kaip atsakymas į vieną iš šių dviejų iššūkių.

Krosnies suvirinimas: pirmoji karta

Ankstyviausias suvirintas vamzdis buvo pagamintas krosnies suvirinimo būdu, taip pat vadinamas juosmeniniu arba sandūriniu suvirinimu. Šiame procese plokščia juosta buvo kaitinama iki kalimo temperatūros krosnyje, o po to ištraukiama per formavimo štampą arba per šerdį, kad kraštai būtų suspausti ir suvirinti karščiu ir slėgiu, nepridedant metalo užpildo. Rezultatas buvo vamzdis su kalimo siūle per visą ilgį, tinkamas žemo slėgio dujų ir vandens paskirstymui XIX amžiaus pabaigoje ir XX amžiaus pradžioje ir per savo laiką pagamintas didžiuliais kiekiais.

Suvirinimo krosnyje apribojimai buvo vienodai aiškūs. Suvirinimo kokybė priklausė nuo operatoriaus įgūdžių ir temperatūros kontrolės, kuri buvo neapdorota pagal šiuolaikinius standartus, suvirinimo plotas buvo gana silpnas, o procesas negalėjo apdoroti didelio stiprio plieno ar didelio sienelių storio. Nepertraukiamo suvirinimo vamzdis, sukurtas vėliau, mechanizavo procesą, tiekdamas juostą per formavimo ritinius ir suvirinimo ritinius, tačiau jis liko tik mažo skersmens ir kuklių eksploatavimo sąlygų. Tikrasis jos indėlis buvo įrodyti, kad suvirinimas gali būti integruotas į nenutrūkstamą gamybos liniją, kuri nulėmė viską, kas po to.

Elektrinio pasipriešinimo suvirinimo augimas

Lemiamas žingsnis buvo elektrinis varžinis suvirinimas (ERW). ERW procese juostelė šaltai formuojama į cilindrinę formą, o du kraštai elektriniu pasipriešinimu įkaitinami iki suvirinimo temperatūros, o tada sujungiami suspaudžiamais ritiniais. Kadangi šiluma generuojama lokaliai kraštuose, procesas yra greitas, švarus ir efektyvus, todėl susidaro siaura, aiškiai apibrėžta suvirinimo zona. Komerciniai ERW malūnai pasirodė XX amžiaus trečiajame ir trečiajame dešimtmetyje, o šis procesas greitai pakeitė krosnių suvirinimą daugeliui mažų ir vidutinių skersmenų.

Svarbiausias ERW patobulinimas buvo aukšto dažnio suvirinimas, naudojant šimtų kilohercų sroves. Aukšto dažnio indukcinis (HFI) suvirinimas koncentruoja srovę pačiame juostos krašte, todėl susidaro siaura šilumos poveikio zona ir siūlė, kurios mechaninės savybės yra artimos pagrindinio metalo savybėms. Šiuolaikinės HFI gamyklos veikia dešimčių metrų per minutę greičiu, o kai kuriose gamyklose šis procesas yra standartinis vamzdžių ir korpusų, kurių skersmuo yra iki 20 colių ir didesnis, maršrutas. Vėliau suvirinimas normalizuojamas indukciniu terminiu apdorojimu, kuris atkuria kietumą, kurį suvirinimo ciklas atima iš karščio paveiktos zonos.

ERW vamzdžių kokybė priklauso nuo trijų dalykų, kurie dabar yra griežtai kontroliuojami: juostos kraštų švarumo, formavimo tikslumo ir suvirinimo parametrų stabilumo. Suvirinimo siūlėje įstrigusios priemaišos arba oksidai, žinomi kaip šaltos suvirinimo siūlės arba skvarbos, buvo istorinė ERW vamzdžių silpnybė, ir jie paskatino pramonę gerinti plieno gamybą, geresnį briaunų kondicionavimą ir, svarbiausia, geresnį patikrinimą.

Povandeninis lankinis suvirinimas: didelio skersmens revoliucija

Didelio skersmens ir sunkių sienų atveju suvirintų vamzdžių pramonė pasuko į povandeninį lankinį suvirinimą (SAW). Šiame procese lankas dega po granuliuoto srauto antklode, kuri apsaugo išlydytą metalą nuo atmosferos, o suvirinimo siūlė susidaro iš užpildo vielos. Rezultatas – didelio tankio ir puikių mechaninių savybių suvirinimo siūlė, pagaminta esant dideliam nusodinimo greičiui. SAW tapo praktiška suvirinti tiek išilginę didelio vamzdžio siūlę, kuri suteikia išilginiu būdu panardintą lankiniu būdu suvirintą (LSAW) vamzdį, tiek spiralinio vamzdžio spiralinę siūlę, suteikiančią spiraliniu panardinamuoju lanku suvirintą (SSAW) vamzdį.

LSAW vamzdis gaminamas iš plieno plokštės, kuri formuojama UOE metodu arba progresyviu presavimo būdu, po to suvirinama iš vidaus ir išorės. Tai dominuojantis gaminys didelio skersmens aukšto slėgio perdavimo linijoms, kurių skersmuo iki 60 colių ir sienelių storis gerokai didesnis nei 25 milimetrai. SSAW vamzdis, suformuotas spirališkai iš ritės, pasižymi ekonomiškumu esant dideliam skersmeniui ir yra plačiai naudojamas vandens perdavimo ir vidutinio slėgio dujų linijoms. Šie du procesai papildo vienas kitą, o ne konkuruoja: LSAW – reikliausia paslauga, SSAW – taikymui, kur kaina už toną yra lemiamas veiksnys.

Medžiagos ir metalurgija lygiagrečiai

Nė vienas iš šių procesų nebūtų pavykęs be lygiagrečios pažangos plieno metalurgijoje. Ankstyvas suvirintas vamzdis buvo pagamintas iš paprasto anglinio plieno, kurio stiprumas buvo nedidelis. Nuo septintojo dešimtmečio mikrolegiruotas plienas, kuriame yra nedidelių niobio, vanadžio ir titano priedų, apdorotas kontroliuojamo valcavimo ir pagreitinto aušinimo būdu, suteikė pramonei didelio stiprumo ir tvirto plieno, kuris taip pat buvo suvirinamas. Dėl to tapo įmanoma sukurti modernias API 5L klases nuo X42 iki X70 ir X80 bei „sour-service“ klases, kurios atsparios vandenilio sukeliamam įtrūkimui H2S aplinkoje.

Didesnio stiprumo tendenciją lėmė ekonomika: X70 arba X80 plieno vamzdynas gali būti tiesiamas plonesnėmis sienelėmis ir mažesniu plieno tonažu nei X52 linija esant tokiam pačiam slėgiui, todėl sutaupoma daug plieno, suvirinimo ir transportavimo. Priešinga tendencija yra tvirtumas ir suvirinamumas, nes didesnis stiprumas paprastai reiškia griežtesnę chemijos ir apdorojimo kontrolę. Šiuolaikinis atsakymas yra plienas, kuris yra stiprus dėl smulkių grūdelių dydžio, o ne dėl didelio anglies kiekio, dėl kurio jie yra suvirinami ir tvirti esant žemai temperatūrai.

Patikrinimo technologija: įgalinimo priemonė

Suvirintas vamzdis gali tapti svarbiu aptarnavimu taip greitai, kaip leido tikrinimo technologija. Lūžis buvo neardomųjų bandymų įvedimas. Ultragarsinis bandymas, kurio metu aukšto dažnio garso bangos sklinda per vamzdį ir atsispindi nuo vidinių defektų, tapo standartiniu ERW ir SAW vamzdžių suvirinimo zonos tikrinimo metodu, o šiuolaikinėse sistemose naudojami faziniai matricos ir elektromagnetiniai akustiniai keitikliai, kurie apžiūri visą suvirinimo tūrį linijos greičiu. Radiografinis tyrimas, naudojant rentgeno arba gama spindulius, fiksuoja vidinę suvirinimo siūlės struktūrą filme arba skaitmeniniu būdu ir yra naudojamas ten, kur reikalinga didžiausia garantija.

Patikrinimo istorija taip pat apima bandymus, įrodančius visą vamzdį: kiekvieno vamzdžio hidrostatinį bandymą iki slėgio, susijusio su jo takumo riba, išlyginimo ir lenkimo bandymus, parodančius plastiškumą, o šiuolaikinių vamzdynų atveju - Charpy smūginius bandymus, įrodančius, kad plienas gali sugerti energiją esant eksploatavimo temperatūrai. In-line NDT ir galutinio sertifikavimo derinys yra priežastis, dėl kurios galima visiškai patikimai nurodyti modernų suvirintą vamzdį dujų perdavimo linijai, veikiančiai esant 10 MPa ar daugiau.

Šiandien ir rytoj

Šiuolaikinė suvirintų vamzdžių gamyba yra nenutrūkstamas, instrumentinis, daug duomenų turintis procesas. Suvirinimo parametrai, temperatūros, matmenys ir patikrinimo rezultatai registruojami kiekvienam vamzdžio metrui, o įrašai seka vamzdį visą jo eksploatavimo laiką. Dabartinė siena yra ta pati, kuri visada skatino pramonę: didesnis stiprumas, didesnis atsparumas ir naujos paslaugos, kurias sukuria energijos perėjimas. Vandenilio vamzdynai, anglies dioksido transportavimo linijos, skirtos sekvestracijai, giliavandeniai ir arktiniai procesai kelia naujus reikalavimus suvirintiesiems vamzdžiams, o pramonė į tai reaguoja naujais plienais, naujomis suvirinimo procedūromis ir naujais tikrinimo standartais.

Todėl suvirintų plieninių vamzdžių kūrimas nėra uždaras pramonės istorijos skyrius, o nuolatinė inžinerinė programa. Kiekviena vamzdžių karta buvo geresnė nei ankstesnė, nes pramonė išmoko valdyti suvirinimo siūlę, ją tikrinti ir suprasti plieną. Ši trijų dalių disciplina ir šiandien išlieka produkto pagrindu.

Dažnai užduodami klausimai