Razvoj zavarenih čeličnih cijevi: od zavarivanja u peći do visoko-frekventnih procesa i procesa pod praškom

Uvod: cijev koju je izgradila industrija

Zavarene čelične cijevi danas su toliko uobičajene da je njihovu povijest lako podcijeniti. Ipak, mogućnost spajanja čelične trake u kontinuiranu cijev bila je jedna od tehnologija koje su omogućile moderni svijet. Omogućio je distribuciju vode i plina u gradove, izgradnju dugo{2}}naftovoda, konstrukcijskih cijevi u zgradama i mostovima te izmjenjivača topline i kotlovskih cijevi u energetskoj industriji. Priča o zavarenim cijevima je priča o tome kako su se proizvodnja, metalurgija i inspekcija razvijale zajedno, svaka forsirajući napredak druge.

U prvih pola stoljeća proizvodnje čeličnih cijevi, bešavne cijevi bile su dominantan vrhunski proizvod, ali su bile skupe i ograničenog promjera. Zavarena cijev ponudila je jeftiniji put do istih oblika, a njen razvoj slijedio je dosljednu logiku: pronađite način da zavar bude brz i pouzdan, zatim pronađite način da dokažete da je zavar zdrav. Svaka velika procesna inovacija u tom području može se shvatiti kao odgovor na jedan od ta dva izazova.

Zavarivanje u peći: prva generacija

Najstarija zavarena cijev izrađena je zavarivanjem u peći, koje se naziva i preklopno zavarivanje ili sučeono zavarivanje. U tom procesu, ravna traka je zagrijavana do temperature kovanja u peći i zatim provučena kroz matricu za oblikovanje ili preko trna, tako da su rubovi bili pritisnuti zajedno i zavareni toplinom i pritiskom bez dodanog dodatnog metala. Rezultat je bila cijev s kovanim zavarenim spojem po svojoj dužini, prikladna za-distribuciju plina i vode pod niskim tlakom u kasnom devetnaestom i ranom dvadesetom stoljeću, a proizvodila se u ogromnim količinama za svoje vrijeme.

Ograničenja zavarivanja u peći bila su jednako jasna. Kvaliteta zavara ovisila je o vještini operatera i kontroli temperature koja je prema modernim standardima bila gruba, područje zavara bilo je relativno slabo, a proces nije mogao obraditi čelike visoke-čvrstoće ili velike debljine stijenki. Kontinuirana -zavarena cijev, razvijena kasnije, mehanizirala je proces uvlačenjem trake kroz niz valjaka za oblikovanje i valjaka za zavarivanje, ali je ostala ograničena na male promjere i skromne uvjete rada. Njegov stvarni doprinos bio je dokazati da se zavarivanje može integrirati u kontinuiranu proizvodnu liniju, što je postavilo obrazac za sve što je uslijedilo.

Uspon elektrootpornog zavarivanja

Odlučujući korak došao je s elektrootpornim zavarivanjem (ERW). U ERW postupku, traka se hladno-oblikuje u cilindrični oblik, a dva ruba se zagrijavaju do temperature zavarivanja pomoću električnog otpora, a zatim se zajedno kuje pomoću valjaka za stiskanje. Budući da se toplina stvara lokalno na rubovima, postupak je brz, čist i energetski-učinkovit te proizvodi usku, dobro-definiranu zonu zavara. Komercijalni ERW mlinovi pojavili su se 1920-ih i 1930-ih, a proces je brzo istisnuo zavarivanje u peći za većinu malih i srednjih promjera.

Kritično usavršavanje ERW-a bilo je visoko{0}}frekventno zavarivanje, korištenjem struja u rasponu stotina kiloherca. Visoko{2}}indukcijsko zavarivanje (HFI) koncentrira struju na samom rubu trake, stvarajući usku zonu-zahvaćene toplinom i zavar s mehaničkim svojstvima sličnim onima osnovnog metala. Moderni HFI mlinovi rade na linijskim brzinama od više desetaka metara u minuti, a proces je sada standardna ruta za linijske cijevi i kućište promjera do oko 20 inča i više u nekim mlinovima. Zavar se naknadno normalizira u-liniji indukcijskom toplinskom obradom, koja vraća žilavost koju ciklus zavarivanja oduzima zoni-zahvaćene toplinom.

Kvaliteta ERW cijevi ovisi o tri stvari koje se sada kontroliraju do strogih granica: čistoći rubova trake, točnosti oblikovanja i stabilnosti parametara zavarivanja. Nečistoće ili oksidi zarobljeni u zavarivanju, poznati kao hladni zavari ili penetratori, bili su povijesna slabost ERW cijevi, a oni su industriju tjerali prema boljoj proizvodnji čelika, boljem kondicioniranju rubova i iznad svega boljem pregledu.

Zavarivanje pod praškom: revolucija velikog-promjera

Za velike promjere i teške stijenke, industrija zavarenih cijevi okrenula se zavarivanju pod praškom (SAW). U ovom procesu luk gori ispod pokrivača granuliranog fluksa, koji štiti rastaljeni metal od atmosfere, a zavar je izgrađen od žice za punjenje. Rezultat je zavar visoke gustoće i izvrsnih mehaničkih svojstava, proizveden pri visokim stopama taloženja. SAW je učinio praktičnim zavarivanje i uzdužnog šava velike cijevi, dajući uzdužno potopljeno lučno zavarenu (LSAW) cijev, i spiralnog šava spiralne cijevi, dajući spiralnu potopljeno zavarenu (SSAW) cijev.

LSAW cijev se proizvodi od čeličnog lima, koji se oblikuje U-O-E metodom ili progresivnim prešanjem, zatim se zavari iznutra i izvana. To je dominantni proizvod za dalekovode za prijenos visokog-promjera visokog{4}}tlaka, promjera do 60 inča i debljine stijenke preko 25 milimetara. SSAW cijev, oblikovana spiralno od zavojnice, nudi ekonomičnost pri velikim promjerima i naširoko se koristi za prijenos vode i plinovode umjerenog{8}}tlaka. Dva su procesa komplementarna, a ne konkurentna: LSAW za najzahtjevniju uslugu, SSAW za aplikacije gdje je cijena po toni odlučujući faktor.

Materijali i metalurgija paralelno

Nijedan od ovih razvojnih procesa ne bi uspio bez paralelnog napretka u metalurgiji čelika. Rane zavarene cijevi bile su izrađene od običnog ugljičnog čelika skromne čvrstoće. Od 1960-ih nadalje, mikrolegirani čelici koji sadrže male dodatke niobija, vanadija i titana, obrađeni kontroliranim valjanjem i ubrzanim hlađenjem, dali su industriji čelike visoke-čvrstoće, visoke{4}}žilavosti koji su također bili zavarljivi. To je omogućilo moderne API 5L kvalitete od X42 do X70 i X80 i kisele-uslužne kvalitete koje su otporne na pucanje-izazvano vodikom u H2S okruženjima.

Trend prema većoj čvrstoći potaknut je ekonomijom: cjevovod od čelika X70 ili X80 može se izgraditi s tanjim stijenkama i nižom čeličnom tonažom od cijevi X52 za ​​isti tlak, a uštede u čeliku, zavarivanju i transportu su znatne. Protu-trend je žilavost i zavarljivost, jer veća čvrstoća obično znači strožu kontrolu kemije i obrade. Moderni odgovor je obitelj čelika koji su jaki zbog fine veličine zrna, a ne zbog visokog ugljika, što ih čini zavarljivima i otpornima na niskim temperaturama.

Inspekcijska tehnologija: Omogućivač

Zavarena cijev mogla je prerasti u kritičnu uslugu samo onoliko brzo koliko je to dopuštala tehnologija inspekcije. Prekretnica je bilo uvođenje ne-destruktivnog ispitivanja. Ultrazvučno ispitivanje, u kojem-zvučni valovi visoke frekvencije putuju kroz cijev i reflektiraju se od unutarnjih pukotina, postalo je standardna metoda za provjeru zone zavara ERW i SAW cijevi, a moderni sustavi koriste fazne-matrice i elektromagnetske akustične pretvarače koji pregledavaju cijeli volumen zavara pri brzini linije. Radiografsko ispitivanje, korištenjem X-zraka ili gama zraka, bilježi unutarnju strukturu zavara na filmu ili digitalno i koristi se tamo gdje je potrebna najveća sigurnost.

Priča o inspekciji također uključuje testove koji dokazuju cijev kao cjelinu: hidrostatsko ispitivanje svake cijevi na tlak koji je povezan s njezinom granicom tečenja, testove spljoštenosti i savijanja koji pokazuju duktilnost i, za moderne cijevi, Charpy testove na udar koji dokazuju da čelik može apsorbirati energiju na radnoj temperaturi. Kombinacija in-linijskog NDT-a i završne certifikacije je razlog zašto se moderna zavarena cijev može specificirati za plinovod koji radi na 10 MPa ili više s potpunim povjerenjem.

Danas i sutra

Moderna proizvodnja zavarenih cijevi kontinuirani je, instrumentirani proces-bogat podacima. Parametri zavara, temperature, dimenzije i rezultati inspekcije bilježe se za svaki metar cijevi, a zapisi prate cijev kroz njezin životni vijek. Sadašnja granica ista je ona koja je uvijek pokretala industriju: veća snaga, bolja otpornost i nove usluge koje stvara prijelaz energije. Cjevovodi za vodik, vodovi za transport ugljičnog dioksida za sekvestraciju te dubokovodni i arktički razvoj postavljaju nove zahtjeve za zavarene cijevi, a industrija odgovara novim čelicima, novim postupcima zavarivanja i novim standardima inspekcije.

Razvoj zavarenih čeličnih cijevi stoga nije zatvoreno poglavlje industrijske povijesti već tekući inženjerski program. Svaka generacija cijevi bila je bolja od prethodne jer je industrija naučila kontrolirati zavar, pregledavati ga i razumjeti čelik. Ta tri-disciplina ostaje temelj proizvoda i danas.

Često postavljana pitanja