Целесообразность орбитальной сварки трением с перемешиванием плакированных труб из стали API X65 и Inconel 625.

Mar 25, 2024

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 10669 (2023) Цитировать эту статью

440 Доступов

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 24 июля 2023 г.

Эта статья обновлена

Орбитальная сварка трением с перемешиванием (FSW) применяется к плакированным трубам, что, безусловно, представляет интерес для нефтегазовой отрасли. В связи с этим была разработана система FSW, способная выполнять надежные соединения за один проход с полным проплавлением инструмента. Орбитальная СТП выполнялась на плакированных стальных трубах API X65 PSL2 толщиной 6 мм с инконелем 625 толщиной 3 мм с использованием инструмента из поликристаллического кубического нитрида бора (pcBN). Исследованы металлургические и механические свойства соединений. Получены прочные соединения при осевых усилиях 45–50 кН, скоростях вращения инструмента 400–500 об/мин и скорости сварки 2 мм/с, что свидетельствует о том, что разработанная система позволяет выполнять соединения СТП без объемных дефектов.

Основные проблемы нефтегазовой отрасли связаны с разведкой глубоких и сверхглубоких скважин, которые представляют собой агрессивную среду, содержащую соли и газы, такие как H2S и CO2. В этом контексте использование труб из углеродистой стали, плакированных коррозионностойким сплавом (CRA), оказалось подходящим вариантом для удовлетворения проектных требований при низких производственных затратах1,2,3. Однако сварка трубопроводов, используемая в настоящее время в нефтегазовой промышленности, такая как сварка плавлением, часто связана с высокими температурами и может вызвать металлургические проблемы из-за разнородных соединений (например, плакированных труб), что приводит к растрескиванию при затвердевании, образованию твердых микроструктур на поверхности раздела, высокие растягивающие остаточные напряжения и чрезмерная диффузия углерода, которые могут ухудшить эксплуатационные характеристики соединения4,5.

Орбитальная сварка трением с перемешиванием (FSW), процесс соединения в твердом состоянии, признана подходящей альтернативой, которая потенциально может свести к минимуму проблемы, обычно возникающие при сварке плавлением, поскольку она выполняется при более низкой температуре и более коротком времени обработки, что приводит к в снижении энергозатрат, избегая (или сводя к минимуму) большинство вышеупомянутых проблем6,7. FSW использует энергию трения, возникающую между соединяемыми материалами и неплавящимся вращающимся инструментом. При орбитальной СТП используются два подхода: в первом труба вращается, а вращающийся инструмент остается неподвижным; а во втором случае вся головка инструмента вращается, а труба остается неподвижной8. Что касается классической СТП, то по пути сварки возникают сильные пластические деформации и растекание материала. Короче говоря, материал транспортируется от передней части инструмента к задней кромке, а затем куется, образуя соединение9,10,11.

Хотя СТП успешно применяется к листам из различных материалов, орбитальная СТП сопряжена с трудностями, которые необходимо преодолеть, поскольку существуют трудности, связанные с зажимным устройством8,12. Проблемы FSW для сложных соединений круглой формы были недавно рассмотрены Сентилом и др.8, где система зажима была одним из наиболее важных факторов для самого процесса сварки. Например, из-за высоких сил во время FSW требуется внутренняя поддержка труб. Еще одним отличием при сварке труб является контакт инструмента с соединяемыми деталями, например, в зависимости от диаметра трубы кривизна трубы приводит к неполному контакту буртика инструмента с заготовкой, что влияет на поток материала и выделение тепла12,13. Сентил и др.8 также отметили, что прежде чем рассматривать FSW для соединения промышленных труб, необходимо глубокое понимание влияния системы зажимов.

В целом, было проведено лишь несколько исследований орбитальной СТП на трубопроводных сталях с использованием различных подходов для достижения прочных соединений. Фэн и др.14 исследовали орбитальную сварку FSW стали API X65, где надежные сварные швы были получены с использованием специально разработанной портативной системы FSW. Соединения показали несколько более высокую механическую прочность и превосходную ударопрочность, чем основной материал (BM). Джорджао и др.15 выполнили орбитальную СТП в трубе из супердуплексной нержавеющей стали толщиной 8 мм в режиме контроля силы и полного проникновения инструмента. Испытания на твердость и растяжение показали повышение твердости в зоне перемешивания (СЗ) и разрушение на БМ. Однако орбитальная СТП в плакированных трубах встречается редко, но, безусловно, необходима для промышленного применения.