СПОСОБ СВАРКИ С ЛАЗЕРНЫМ НАНЕСЕНИЕМ МЕТАЛЛА, ДЕТАЛИ, ПОЛУЧЕННЫЕ ЭТИМ СПОСОБОМ, И ПРИМЕНЕНИЕ В НЕФТЯНОЙ, ГАЗОВОЙ И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
WELDING METHOD WITH LASER APPLICATION OF METAL, PARTS OBTAINED BY THIS METHOD, AND APPLICATION IN OIL, GAS AND PETROCHEMICAL INDUSTRIES

Область техники
Данное изобретение относится к области сварки для соединения металлических деталей. Более конкретно, оно относится к способу лазерного нанесения металла для соединения металлических деталей, где сварное соединение имеет градиент состава для обеспечения преимущественных свойств. Изобретение также относится к применению способа лазерного нанесения металла в нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности.
Уровень техники
Сварка представляет собой процесс, который обеспечивает прочное соединение двух материалов посредством локализованного сцепления, полученного в результате подходящего сочетания температуры, давления и металлургических условий. По большей части наиболее распространенной технологией, применяемой в сварных конструкциях, является электродуговая сварка или сварка плавлением. При сварке плавлением соединение осуществляют путем расплавления металла и сваривания с потреблением расходного материала в зазоре между соединяемыми деталями, так что при отверждении компоненты сплавляются или соединяются друг с другом. Сварку плавлением классифицируют в зависимости от природы источника тепла. Электрическую дугу применяют при сварке металлическим электродом в газовой среде, при дуговой сварке вольфрамовым электродом в защитной среде и дуговой сварке под флюсом. При электроннолучевой сварке в качестве источника энергии используют электронные лучи с очень высокой интенсивностью излучения. В процессе электрошлаковой сварки применяют резистивный нагрев.
Сварку плавлением применяют для соединения металлических деталей, например, профилей, поковок, отливок или пластин для создания многочисленных конструкций или компонентов для различных отраслей промышленности. Например, конструкции с использованием труб для формирования трубопроводов для нефтяных, газовых и геотермальных скважин и т.п. в основном создают с помощью обычной электродуговой сварки или сварки плавлением. В течение десятилетий в трубопроводной промышленности широко использовали для конструирования трубопроводов различные технологии сварки плавлением, такие как сварка защищенной дугой (SMAW) и автоматизированная дуговая сварка металлическим электродом в газовой среде (GMAW). Были предприняты значительные усилия для разработки расходных материалов для сварки и технологий сварки, которые обеспечивают соответствующие свойства сварного соединения (например, превышение требований стандартов, ударная вязкость).
В процессе сварки плавлением с увеличением диаметра трубы или толщины трубной стенки сварка становится медленнее из-за того, что необходимо расплавить и поместить в сварной шов больший объем металла. Для береговых трубопроводов, особенно расположенных в удаленных областях, важно, чтобы сварка была как можно более экономичной, из-за значительных затрат, связанных с перемещением рабочих и оборудования в полосу отвода (ROW) трубопровода. Для морских трубопроводов важно, чтобы сварка была как можно более экономичной из-за существенных затрат, связанных с трубоукладочным судном. При сварке и вводе в эксплуатацию труб, как для береговых, так и для морских трубопроводов, могут возникать значительные напряжения, происходящие из многочисленных источников. Например, в ходе работы трубоукладочного судна в готовом трубопроводе, свисающем с трубоукладочного судна, могут возникать значительные напряжения изгиба. Кроме того, что трубопроводы находятся под внутренним давлением, они должны выдерживать перемещения почвы. В дополнение, обычные полученные сваркой плавлением соединения могут страдать от повреждений, связанных с высокой температурой, которые разрушают механическую целостность соединений. Примерами таких характерных свойств являются остаточное напряжение при растяжении, водородное растрескивание, такие недостатки, как непровары и низкая ударная прочность.
Кольцевые сварные швы линейных участков стального трубопровода, полученные с применением хорошо разработанных технологий сварки плавлением, обычно состоят из 3-20 слоев металла, наплавляемых за один проход, в зависимости от толщины трубы. В процессе сооружения стандартного берегового трубопровода соединение осуществляют, применяя примерно такое же количество сварочных постов, как и число сварочных проходов; при этом каждый пост выполнен с возможностью производить один или два конкретных сварочных прохода, что ограничивает скорость сварки. Таким образом, процесс в целом требует значительного количества рабочей силы и связанных с этим затрат на ее размещение, особенно в удаленных местоположениях, а также времени, что влияет на стоимость сооружения трубопровода.
В случае сталей с высоким содержанием углерода, таких как корпусные стали, которые имеют углеродный эквивалент (СЕ) примерно от 0,48 до 1,00, существующая в настоящее время практика сварки требует предварительного нагрева рабочих деталей до 100-400°С и формирования сварного шва с применением методов работы с низким содержанием водорода. Такие технологии необходимы для того, чтобы минимизировать формирование твердой зоны теплового воздействия (HAZ) и поглощение связанного с процессом сварки водорода, что вызывает склонность к растрескиванию. Из-за сложностей, связанных с такой технологией сварки, рабочие детали из высокоуглеродистой стали часто соединяют механически, вместо того, чтобы применять другие типы соединений.
Обычные швы, полученные сваркой плавлением, могут давать трещины как в металле сварного шва, так и в зоне теплового воздействия; и эти трещины возникают в ходе сварки или после некоторого срока службы. Твердые и обладающие низкой ударной вязкостью области сварного шва, особенно зона теплового воздействия, могут быть склонны к образованию трещин в ходе эксплуатации, в частности при использовании сварного компонента в кислой среде или в других агрессивных технологических средах. В случае нефтехимической промышленности, где для транспортировки газа, нефти и текучих сред каждый год устанавливают тысячи миль труб, затраты на ремонт являются значительными. Необходимо, чтобы эти трещины устраняли до того, как они вырастут до критического размера, когда они могут распространяться катастрофически.
В процессе сварки плавлением в сварном шве имеются три отчетливые области: 1) зона плавления, известная также как металл сварного шва, которая подвергается расплавлению и отверждению; 2) зона теплового воздействия, которая подвергается значительному термическому воздействию, но не расплавляется, и может претерпевать твердофазное преобразование, и 3) металл основы, который не подвергается воздействию. Процесс сварки плавлением имеет существенные ограничения.
Одним из этих ограничений является то, что зона теплового воздействия является местом наиболее частых разрушений сварного шва. В то время как металл сварного шва изменяется в зависимости от применяемых при сварке расходных материалов, состав зоны теплового воздействия является таким же, как состав металла основы. В зоне теплового воздействия протекают сложные металлургические реакции, которые могут ухудшить механические свойства зоны теплового воздействия. Как правило, зона теплового воздействия обладает самой низкой ударной вязкостью во всем соединении. При условии, что подвод тепла ограничен размером и свойствами зоны теплового воздействия, производительность сварки физически связана с размером зазоров, которые должны быть заполнены, и это должно соответствовать размеру источников энергии. Другое ограничение заключается в том, что применение сварки плавлением для разнородных или экзотических металлов является чрезвычайно проблематичным. Другим ограничением для сварки плавлением является сочетание высокой прочности и ударной вязкости, которое может быть получено.
Существует потребность в усовершенствованной технологии для соединения металлических деталей, с целью улучшения надежности сварного шва за счет уменьшения или практически устранения зоны теплового воздействия, в то же время получая композитную компоновку металла сварного шва для получения усиленных характеристик, и, в частности, сочетания высокой прочности и ударной вязкости. Также существует потребность в усовершенствованном способе соединения металлических деталей, для обеспечения градиентной структуры металла сварного шва с целью соединения деталей из разнородных металлов, в то же время предоставляя возможность заполнять более узкий зазор между деталями, для повышения производительности и уменьшения искажений после сварки. Существует также потребность в усовершенствованном способе соединения металлических деталей, который позволяет с помощью одного и того же исходного сырья соединять различные стали, от углеродистой до нержавеющей.
Определения
Для удобства ниже приведены различные термины, относящиеся к металлоконструкциям и сварке и применяемые в данном описании и формуле изобретения.
Допустимая прочность сварного соединения: Уровень прочности, который всегда превышает уровень прочности стали основы.
Допустимая ударная вязкость сварного соединения: Ударная вязкость выше 0,05 мм, при измерении методом испытания на смещение раскрытия вершины трещины (CTOD) при температуре не выше 0°С.
Аддитивная технология: Способ получения трехмерного твердого объекта путем нанесения последовательных слоев материала, что в отличие от традиционных способов уменьшает отходы за счет непосредственного получения продукта, без технологического переоснащения.
HAZ: Зона теплового воздействия.
Зона теплового воздействия: металл основы, прилегающий к линии сварного шва, который при сварке подвергается воздействию тепла.
Ударная вязкость: Стойкость к возникновению и росту трещины.
Усталостная прочность: Стойкость к разлому (возникновению и распространению трещины) при циклических нагрузках.
Предел текучести: Это напряжение, соответствующее переносимости нагрузки без постоянной деформации.
Коррозионностойкие сплавы (CRA): Материал специального состава, применяемый для изготовления компонентов, которые могут подвергаться коррозии. Состав коррозионностойких сплавов может быть выбран для широкого диапазона агрессивных условий.
Усталость при истирании: Истирание включает контакт между поверхностями, которые подвергаются небольшим циклическим перемещениям в относительно тангенциальном направлении. Стойкость к усталости при истирании представляет собой стойкость к излому в металлических деталях с надсечками или металлических деталях с отверстиями.
LDM: Лазерное нанесение металла.
Лазерное нанесение металла: Способ аддитивной технологии, в котором используют лазерный луч для формирования на металлической основе лужицы расплава, в которую подают порошок. Порошок расплавляется с образованием покрытия, которое сплавляется с основой.
Покрытия с градиентом функциональных свойств: В способе лазерного нанесения металла, в котором два несовместимых материала, А и В, соединяют путем постепенного изменения химического состава покрытия, по одному слою, от сплава А до сплава В.
Сварное соединение: Полученное сваркой соединение, включающее расплавленный или измененный посредством термомеханического воздействия металл и металл основы, находящийся в непосредственной близости, но за пределами расплавленного металла. Часть металла основы, которую рассматривают как находящуюся «в непосредственной близости» от расплавленного металла, изменяется в зависимости от факторов, известных специалистам по сварке.
Сварная конструкция: Сборка из деталей компонента, соединенных сваркой.
Свариваемость: Возможность выполнения сварки конкретного металла или сплава. На свариваемость влияет ряд факторов, включая химический состав, обработку поверхности, тенденции термообработки и т.п.
Углеродный эквивалент: Параметр, применяемый для определения свариваемости сталей и выражаемый формулой: СЕ=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, где все единицы приведены в массовых процентах.
Водородное растрескивание: Растрескивание, которое происходит в сварном шве после сварки.
TMAZ: Зона термомеханического воздействия.
Зона термомеханического воздействия: Область соединения, которая была подвергнута как температурному циклированию, так и пластической деформации.
TMAZ-HZ: Наиболее твердая область в сварном соединении.
LNG: Сжиженный природный газ. Газ, в основном метан, сжиженный при атмосферном давлении и низкой температуре.
CNG: Сжатый природный газ: Природный газ в надземных контейнерах высокого давления, сжатый в высокой степени (хотя и не до точки сжижения).
PLNG: Сжиженный природный газ под давлением. Газ, в основном метан, сжиженный при умеренном давлении и низкой температуре (более высокой температуре, чем LNG).
SCR: Стальной цепной стояк. Глубоководный стальной стояк, подвешенный в одну линию с платформы и горизонтально соединенный с морским дном.
TTR: Стояк верхнего натяжения. Стояк на морской нефтяной платформе, работающий на растяжение для поддержания равномерного давления на трубу морского стояка.
Инвар: Сплав железа и никеля, созданный специально для получения низкого коэффициента термического расширения.
Дуплекс: Сталь, состоящая из двух фаз, а именно аустенита и феррита.
Фонтанные елки: Сборка из клапанов, труб и фиттингов, применяемая для регулирования потока нефти и газа из скважины.
ВОР: Противовыбросовое оборудование. Оборудование, установленное в устье скважины для регулирования давления в кольцеобразном пространстве между обсадной и бурильной колонной или тюбингом при операциях бурения, вторичного вскрытия и переработки.
OCTG: Трубные изделия нефтепромыслового сортамента. Термин, применимый к обсадной колонне, тюбингу, хвостовикам обсадной колонны с концом без нарезки, коротким переводникам, соединениям, разъемам и бурильным колоннам с концом без нарезки.
Полупогружные установки для бурения нефтяных скважин: Мобильные буровые платформы с поплавками или понтонами, погруженными для придания стабильности при работе. Их применяют в более глубоких водах, до 360 метров или более, и удерживают в определенном положении с помощью якорей или динамического позиционирования.
Самоподъемные буровые установки: Мобильная бурильная платформа с втягивающимися опорами, применяемая в мелких водах, глубиной менее 100 метров.
TLP: Плавучее основание с натяжным вертикальным якорным креплением. Плавучая морская конструкция, которую удерживают в определенном положении многочисленными выдерживающими натяжение тросами, прикрепленными к морскому дну. Тросы смягчают действие волн для поддержания платформы в стационарном состоянии.
DDCV: Глубокосидящая платформа кессонного типа. Глубокосидящее, пересекающее поверхность воды плавучее буровое основание цилиндрического типа, особенно хорошо приспособленное к глубоководным условиям, объединяющее в себе буровые работы, стояки верхнего натяжения и устье подводной скважины с атмосферной камерой.
Деформируемые пилоны: Узкие, гибкие пилоны и свайное основание, поддерживающие обычную площадку для проведения бурения и добычи. Они сконструированы для того, чтобы выдерживать значительные боковые смещения и усилия, и обычно их применяют на глубине от 450 до 900 м (от 1500 до 3000 футов).
FPSO: Плавучая система для добычи, хранения и отгрузки нефти. Перепрофилированное или специально изготовленное плавучее буровое основание в форме судна, применяемое для переработки нефти и газа и для временного хранения нефти перед перегрузкой.
FSO: Плавучее устройство для хранения и отгрузки, обычно предназначенное для нефти, применяемое как правило в случаях, когда является невозможным или неэффективным прокладывать трубопровод к берегу. Эксплуатационная платформа может передавать нефть на FSO, где она может храниться до тех пор, пока не прибудет танкер и не присоединится к FSO, чтобы разгрузить его.
Натяжные элементы: трубчатые тросы, которые, будучи присоединены к каждому из углов структуры, постоянно удерживают плавучую платформу.
Гибкие подводные кабели: сборка из гибких рукавов, которая может включать также электрические кабели или оптоволокно, применяемые для управления с платформы или судна подводной конструкцией или подводным аппаратом с дистанционным управлением.
Вспомогательные суда: транспортное/грузовое судно для перевозки пассажиров и грузов на расположенные недалеко от берега объекты и обратно.
Краткое описание изобретения
В соответствии с данным изобретением, предоставляющий преимущества компонент из черного или цветного металла для нефтяной, газовой и/или нефтехимической промышленности включает: два или более предназначенных для соединения сегментов компонентов из черного или цветного металла, при этом эти два или более сегментов изготовлены из одного и того же или из различных материалов, и полученные посредством лазерного нанесения металла сварные узлы, связывающие соседние сегменты указанных компонентов.
Другой аспект данного изобретения относится к предоставляющему преимущества способу сварки двух деталей из металла с получением сформированного лазерным нанесением металла сварного соединения, обладающего конкретным свойством или набором свойств, выбираемыми для предполагаемого применения, где способ включает: получение базы данных по свойствам сварного шва для сварных соединений, полученных посредством лазерного нанесения металлов в различных условиях и при различных составах металлов; установление взаимосвязи между условиями сварки и составом металлов и свойствами сварного шва; выбор из базы данных условий проведения сварки, которые обеспечивают сварное соединение, обладающее свойством или набором свойств, наилучшим образом подходящих для предполагаемого применения; осуществление лазерного нанесения металла на обрабатываемые детали в выбранных условиях, при этом обрабатываемые детали, которые подвергают лазерному нанесению металла, изготовлены из одного и того же или из различных материалов.
Другой аспект данного изобретения относится к предоставляющему преимущества способу сварки металлических деталей и устранения трещин в металлических деталях посредством лазерного нанесения металла на плотно прилегающие поверхности свариваемых металлических деталей и лазерного нанесения металла на устраняемые трещины в условиях, достаточных для обеспечения сварного соединения или залеченной трещины, обладающих свойством или набором свойств, заданными на основе предполагаемого применения сварного узла; при этом свариваемые металлические детали изготовлены из одного и того же или из различных материалов.
Эти и другие признаки описанных способов соединения металлических деталей с применением лазерного нанесения металла, а также металлические детали, имеющие сварной шов со слоем металла, нанесенным посредством лазерного нанесения, их преимущественные применения и/или использования станут очевидными из последующего подробного описания, особенно в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Для того, чтобы помочь специалистам в соответствующей области техники в изготовлении и использовании объекта данного изобретения, сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, где:
на Фиг. 1 представлена в качестве примера схема подходов к усовершенствованию характеристик соединения металлов;
на Фиг. 2(a) показана типичная сварка плавлением стали трубопровода толщиной 1,9 см ( дюйма), в соответствии с существующим уровнем техники;
на Фиг. 2(b) в качестве примера показан сварной шов, полученный лазерным нанесением металла (LDM) по данному изобретению;
на Фиг. 3 в качестве примера показана схема способа формирования сварного шва посредством лазерного нанесения металла по данному изобретению;
на Фиг. 4 показано полученное с помощью аддитивной технологии соединение длиной 8,9 см (3,5 дюйма) на пластине из высокопрочной низколегированной стали Х52;
на Фиг. 5 представлено оптическое изображение нанесенного слоя в полученном с помощью аддитивной технологии соединении Фиг. 4;
на Фиг. 6 представлена диаграмму распределения твердости по границе раздела полученного с помощью аддитивной технологии соединения и металлической пластины основы Фиг. 4;
на Фиг. 7(a) показана зависимость J-R зоны теплового воздействия для полученного с помощью аддитивной технологии соединения Фиг. 4;
на Фиг. 7(b) показано расположение предварительно нанесенных надсечек и микроструктура зоны теплового воздействия полученного с помощью аддитивной технологии соединения Фиг. 4;
на Фиг. 8 показана зависимость J-R для полученного с помощью аддитивной технологии соединения Фиг. 4.
Подробное описание изобретения
Все численные значения, приведенные в подробном описании и формуле изобретения предваряет слово «примерно» или «приблизительно», с помощью которого учитывают погрешность эксперимента и отклонения, которые может ожидать специалист в данной области.
Данное изобретение обеспечивает новые металлические детали, включающие сварной узел, сформированный методом лазерного нанесения металла, а также новый способ соединения таких металлических деталей с использованием метода LDM для обеспечения предоставляющих преимущества свойств для применения в новых областях в нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности. Более конкретно, в данном изобретении, используя предложенный метод LDM, получают металлические сварные детали с улучшенными механическими свойствами и надежностью. Применение включает, не ограничиваясь этим, получение инфраструктуры в экстремальных условиях, например, в арктическом регионе.
В одном из приведенных воплощений данного изобретения компонент для нефтяной, газовой или нефтехимической промышленности из черного или цветного металла, который включает: два или более предназначенных для соединения сегментов компонентов из черного или цветного металла, при этом эти два или более сегментов изготовлены из одного и того же или из различных материалов, и полученные посредством лазерного нанесения металла сварные узлы, связывающие соседние сегменты указанных компонентов.
В другом воплощении данного изобретения раскрыт способ сварки металлических деталей и устранения трещин в металлических деталях, который включает лазерное нанесение металла на примыкающие друг к другу на плотно прилегающие поверхности свариваемых металлических деталей и лазерное нанесение металла на устраняемые трещины в условиях, достаточных для обеспечения сварного соединения или залеченной трещины, обладающих свойством или набором свойств, заданными на основе предполагаемого применения сварного узла; при этом свариваемые металлические детали изготовлены из одного и того же или из различных материалов.
В еще одном воплощении данного изобретения раскрыт способ сварки двух деталей из металла с получением сварного соединения посредством лазерного нанесения металла, обладающего конкретным свойством или набором свойств, выбранным для предполагаемого применения. Способ включает следующие стадии: получение базы данных по свойствам сварного шва для сварных соединений, полученных посредством лазерного нанесения металлов в различных условиях и при различных составах металлов; установление взаимосвязи между условиями сварки и составом металлов и свойствами сварного шва; выбор из базы данных условий проведения сварки, которые обеспечивают сварное соединение, обладающее свойством или набором свойств, наилучшим образом подходящих для предполагаемого применения; осуществление лазерного нанесения металла на обрабатываемые детали в выбранных условиях, при этом обрабатываемые детали, которые подвергают лазерному нанесению металла, изготовлены из одного и того же или из различных материалов.
Возможные металлургические подходы к усовершенствованию сварки металлов приведены на Фиг. 1. Один из таких подходов заключается в получении новой структуры металла сварного шва и в уменьшении размера зоны теплового воздействия.
На Фиг. 2а показана типичная зона теплового воздействия для известного сварного узла, полученного сваркой плавлением стального трубопровода толщиной 1,9 см ( дюйма). Для сравнения на Фиг. 2b показан сварной узел, полученный лазерным нанесением металла по данному изобретению, стального трубопровода толщиной 1,9 см ( дюйма). При сравнении Фиг. 2а и 2b, сварной узел, полученный лазерным нанесением металла по данному изобретению, показывает уменьшенную зону теплового воздействия и почти отсутствие ее по сравнению с известной сваркой плавлением. Размер зоны теплового воздействия непосредственно связан с величиной лужицы расплава. По сравнению со сваркой плавлением, размер лужицы расплава при использовании метода LDM может быть столь малым, как 0,0127 см (0,005 дюйма), что соответствует зоне теплового воздействия 0,0254 см (0,01 дюйма) или менее, или 0,0191 см (0,0075 дюйма) или менее, или 0,0127 см (0,005 дюйма) или менее, или 0,006 см (0,0025 дюйма) или менее. При использовании метода LDM по данному изобретению, для дополнительного снижения размера зоны теплового воздействия до 0,0025 см (0,001 дюйма) или менее, можно также применить подход с изменением подводимой энергии. При подходе с изменением подводимой энергии выбирают низкоэнергетический режим на границе раздела между металлом сварного шва и металлом основы. Затем подводимую энергию постепенно повышают до достижения производственного уровня. Дополнительным преимуществом небольшого количества нанесенного металла, применяемого в методе LDM по данному изобретению, является минимальное искажение полученного лазерным нанесением металла сварного узла.
Полученная с помощью LDM сварная деталь по данному изобретению допускает значительно более узкую канавку под сварной шов в отношении зазора между предназначенными для соединения обрабатываемыми металлическими деталями. Также это можно назвать конструкцией с ультра-узкой канавкой. В случае полученной LDM сварной детали по данному изобретению и вышеуказанного способа ее изготовления зазор между предназначенными для соединения металлическими деталями может быть меньшим или равным 5 мм, или меньшим или равным 4 мм, или меньшим или равным 3 мм, или меньшим или равным 2 мм, или меньшим или равным 1 мм.
Полученный LDM сварной узел, детали, включающие полученный LDM сварной узел и способ изготовления полученного LDM сварного узла, раскрытые в данном описании, отличаются от существующего уровня техники тем, что они обеспечивают следующие неограничивающие преимущества и признаки, которые, помимо прочего, включают одно или более из следующего: 1) оптимальная надежность сварки из-за уменьшения или практического устранения зоны теплового воздействия; 2) возможность получать композитную, «слоистую» конструкцию металла сварного шва для выдающихся эксплуатационных характеристик с точки зрения улучшенного сочетания таких свойств, как прочность и ударная вязкость; 3) возможность использовать градиентную структуру металла сварного шва для соединения деталей из разнородных металлов; 4) возможность изготавливать более узкую канавку под сварной шов для повышения производительности и уменьшения искажения после сварки и 5) возможность использовать одно и то же сырье для соединения различных сталей, от углеродистой до нержавеющей.
На Фиг. 3 показан процесс лазерного нанесения металла по данному изобретению. В методе используют лазерный луч для формирования лужицы расплава на металлической основе для соединения или устранения трещин, в которую подают поток порошка. Как лазерный луч, так и поток порошка можно подавать дистанционно, применяя метод LDM по данному изобретению. При альтернативном подходе вместо LDM можно применять нанесение плазменной струей. Процесс LDM по данному изобретению продолжается стадией расплавления лазерным лучом порошка, находящегося между двумя металлическими деталями для соединения их с образованием сварного узла LDM. Предпочтительно в ходе стадии расплавления используют защитный газ, например, диоксид углерода и/или аргон, для защиты данной области от атмосферных газов, которые могли бы снизить качество сварного узла LDM. Предпочтительно лазерный луч, порошок и защитный газ одновременно выпускают из одной головки LDM. Эту головку LDM можно перемещать относительно шва между двумя соединяемыми металлическими деталями, или наоборот, пока не будет сформирован сварной узел LDM. В зависимости, помимо прочего, от диаметра лазерного луча, испускаемого головкой LDM, могут потребоваться многочисленные проходы головки LDM для нанесения слоя LDM по всей глубине шва с образованием сварного узла LDM. Головка LDM может перемещаться для сварки вдоль шва многочисленными проходами в продольном направлении, или же она может перемещаться для сварки вдоль шва зигзагообразно, с получением на стыке сварного узла LDM. Мощность лазерного луча можно контролировать для регулирования глубины сварного узла LDM. В качестве альтернативы, вышеописанный способ можно использовать для восстановления существующего сварного соединения, полученного плавлением или сваркой трением с перемешиванием, формируя на существующем сварном шве слоя LDM. Толщину восстанавливающего слоя можно регулировать, контролируя мощность луча. При использовании вышеописанного способа по данному изобретению можно минимизировать зону теплового воздействия, полученную в процессе LDM.
В данном изобретении форма канавки под сварной шов в методе LDM по данному изобретению также не ограничена источником энергии. Подаваемый поток порошка плавится с образованием покрытия, наплавленного на основу. Основу для нанесения или «мишень» ориентируют в соответствии с требуемой точкой начала нанесения. Один или более дозаторов порошка обеспечивают подачу порошка к соплу подачи порошка в сборе, в котором создается поток порошка, сужающийся к точке нанесения. Затем лазер обеспечивает сфокусированный луч, подаваемый к точке нанесения, который плавит поверхность мишени и образует небольшую расплавленную лужицу материала основы. Порошок, который подают на этот же участок, поглощается расплавленной лужицей, образуя таким образом покрытие, которое может иметь толщину от 0,0127 до 0,102 см (от 0,005 до 0,040 дюймов), или от 0,025 до 0,089 см (от 0,010 до 0,035 дюймов), или от 0,038 до 0,076 см (от 0,015 до 0,030 дюймов), или от 0,051 до 0,064 см (от 0,020 до 0,025 дюймов). Ширина покрытия может составлять от 0,102 до 0,406 см (от 0,040 до 0,160 дюймов), или от 0,152 до 0,356 см (от 0,060 до 0,140 дюймов), или от 0,203 до 0,305 см (от 0,080 до 0,120 дюймов), или от 0,229 до 0,279 см (от 0,090 до 0,110 дюймов).
Управление перемещением покрытия можно запрограммировать вручную, или его можно обеспечить с помощью файлов системы автоматизированного программирования, которыми управляет программное обеспечение системы. Используя управление перемещением для наращивания покрытия, подачу потока порошка в процесс можно изменять в направлениях х, у и z для создания 3-мерного сварного узла LDM.
Покрытие можно создавать в регулируемой атмосфере аргона или в атмосфере другого инертного газа, содержащего менее 10 млн. ч. кислорода, или менее 5 млн. ч. кислорода, или менее 2 млн. ч. кислорода. Некоторые работы по нанесению покрытия можно также проводить с использованием системы защитного газа, подобно процессу газовой дуговой сварки металлическим электродом.
3
3
Нижним пределом параметров является: мощность лазера от 400 до 500 Вт при размере пятна 1 мм, скорость нанесения менее 1 дюйм/час и коэффициент использования порошка менее 20%. Верхним пределом параметров является: мощность лазера от 2500 до 3000 Вт при размере пятна от 3 до 4 мм, скорость нанесения до 14 дюйм/час и коэффициент использования порошка до 80%.
Неограниченные примеры порошков, которые могут быть использованы в способе с лазерным нанесением металла, включают нержавеющие стали (сорт по SAE 304, 316, 410, 420, 17-4РН), инструментальные стали (Н13), никелевые сплавы (инконель 617, 625, 718), кобальтовые сплавы (#6Stellite, #21 Stellite), титановые сплавы (сорт по ASTM Ti-6-4, Ti-6-2-4-2), твердосплавные или облицовочные сплавы, алюминиевые сплавы, медные сплавы, танталовые, вольфрамовые, рениевые, молибденовые сплавы, керамика, карбиды и покрытия с градиентом функциональных свойств.
2
2
2
2
2
2
2
В методе LDM можно использовать Nd:Yag лазер с ламповой накачкой, волоконный лазер или СО-лазер. И Nd: Yag лазер, и волоконный лазер имеют длины волн ~1 микрона. Оптическое поглощение для лучей Nd:Yag и волоконного лазера является значительно более высоким, чем оптическое поглощение луча СО-лазера, длина волны которого составляет 10 микрон. Более высокий процент поглощения для Nd:Yag и волоконного лазера приводит к более низкой общей энергии, необходимой для осуществления сравнимого лазерного нанесения. Обычно Nd:Yag и волоконные лазеры требуют лишь половину мощности СО-лазера для достижения таких же скоростей нанесения и, следовательно, являются предпочтительными для процесса LDM. Более того, лучи Nd:Yag и волоконного лазера можно подавать также с использованием волоконной оптики, в то время как луч СО-лазера следует подавать посредством отражательных зеркал. Это означает, что следует манипулировать обрабатываемой деталью и перемещать ее под неподвижным СO-лучом. Это может быть справедливо и в случае Nd:Yag и волоконного лазеров, но их приемно-выводными волокнами также можно манипулировать, как частью системы управления перемещением, что обеспечивает повышенную гибкость применения. Наконец, в отношении источника энергии для лазера, СО-лазер требует наибольшего количества производственных площадей и наибольшего количества энергии. В противоположность этому, Nd:Yag с ламповой накачкой требует меньше производственных площадей и меньше энергии по сравнению с СО-лазером, в то время как волоконный лазер требует наименьшей производственной площади и наименьшего количества энергии, а также может обеспечить лазерный луч наивысшего качества.
Покрытия, образованные с использованием метода LDM, являются металлургически связанными и дают зону теплового воздействия и зоны разбавления в диапазоне по толщине от 0,0127 до 0,064 (от 0,005 до 0,025 дюймов), или от 0,0254 до 0,051 (от 0,010 до 0,020 дюймов), или от 0,033 до 0,043 (от 0,013 до 0,017 дюймов). Покрытия LDM характеризуются низким потреблением тепла и минимальным искажением. Из-за малого размера лужицы расплава и высоких скоростей перемещения в процесса LDM, покрытия охлаждаются очень быстро (до 10000°С/с), что создает структуры с очень мелким размером зерна, который может быть на порядок по величине меньше, чем сопоставимые штампованные продукты. Механические свойства и качество нанесенных покрытий обычно лучше, чем у отливок, а приблизительные свойства штампованных продуктов для некоторых материалов (таких как титан) могут превышать типичные справочные значения. Качество покрытий, полученных с применением метода LDM, значительно выше, чем качество, полученное способом сварки плавлением.
В данном изобретении наплавленный металл может быть изготовлен в виде сетки из композитного металлического волокна, при любом сочетании размера металлического волокна, его состава и способа соединения. Пример конструкции композитного сварочного шва схематически показан на Фиг. 2b. Уложенный горизонтальными слоями сварочный металл, который может изменяться по составу от слоя к слою, изготовлен для обеспечения максимальной стойкости в отношении открывающего усилия вдоль горизонтального направления. В данном случае для слоев произвольно использовали два различных состава металла. Один состав может придавать пластичное поведение, а другой слой может обеспечить прочность. Перемежая слои металла с различной толщиной или с различной частотой, можно получить оптимальное сочетание прочности и ударной вязкости для сварного узла LDM по данному изобретению. Метод LDM по данному изобретению способен также обеспечить соединение двух несовместимых материалов или деталей (например, несовместимые материалы А и В) при постепенно изменении состава нанесенного покрытия по одному слою, от А к В. Несовместимые материалы или детали обычно представляют собой детали, изготовленные из существенно различающихся материалов. Применяя этот «послойный подход» для создания сварного узла LDM по данному изобретению, можно получить бесконечное количество конструкций сварных узлов, в зависимости от соединяемых деталей и требуемых характеристик и свойств сварного узла LDM.
Используя метод LDM по данному изобретению для соединения многочисленных материалов, включая, но не ограничиваясь этим, углеродистую сталь с различной прочностью, нержавеющие стали и сплавы на основе никеля, можно использовать один и тот же комплект сварочного оборудования и одни и те же металлические порошки. В противоположность этому, в традиционной сварке плавлением один сварочный электрод конструируют из очень специфичного материала. Путем упрощения расходуемых материалов, используемых для сварки, в случае применения метода LDM по данному изобретению потенциально можно также уменьшить стоимость системы.
Области применения Описанные здесь методы LDM и детали, включающие сварные узлы LDM по данному изобретению, можно использовать в следующих неограниченных типах областей применения и использования. Области применения метода LDM включают, не ограничиваясь этим, соединение одинаковых металлов, соединение различных металлов, восстановление поврежденных компонентов, создание свободных конструкций с формой изделия, близкой к заданной, непосредственно из файла CAD, а также плакирование материалов.
В одном из аспектов раскрытые здесь методы LDM пригодны для конструктивных применений, использующих сварку и восстановление компонентов из чугуна и углеродистой стали. В другом аспекте раскрытые здесь методы LDM пригодны для сварки и восстановления металлических конструкций. Эти металлические конструкции могут представлять собой стальные магистральные трубопроводы, применяемые в нефтяной и газовой промышленности, включая, не ограничиваясь этим, сортамент 5L труб в соответствии с техническими требованиями API (Американского нефтяного института), выбранный из Х50, Х52, Х60, Х65, Х70, Х80, Х90, X100 и X120, или стали с более высокой прочностью. Толщина стенки трубы может составлять от 3,2 мм до 38,1 мм, или от 6,4 мм до 31,8 мм, или от 12,7 до 25,4 мм, или от 25,5 до 50 мм.
В еще одном аспекте раскрытые здесь методы LDM являются особенно полезными для сварки и восстановления простых углеродистых и легированных сталей. В качестве примера, но не ограничиваясь этим, простые углеродистые и легированные стали включают сорта по AISI (Американский институт стали и черных металлов) 1010, 1020, 1040, 1080, 1095, А36, А516, А440, А633, А656, 4063, 4340, 6150 и другие сорта AISI, включая высокопрочные сорта. Другие приведенные для примера низколегированные углеродистые стали включают сорта по ASTM А285, А387, А515, А516, А517 и другие сорта по ASTM низколегированных углеродистых сталей.
Раскрытые здесь методы LDM можно использовать для формирования сварных швов, например, точечных сварных швов, стыковых сварных швов и Т-образных сварных соединений, а также для восстановления сварных соединений. Более конкретно, методы LDM можно использовать для соединения и ремонта/соответствующей обработки конструкций и конструкционных стальных компонентов, связанных с нефтяной и газовой промышленностью. Соединение посредством LDM можно осуществить или на производственном предприятии, таком как сталелитейный завод, где изготавливают компоненты, так и в производственной отрасли, где собирают такие компоненты, как трубопроводы. Ремонт и обработку посредством лазерного нанесения металла можно проводить в полевых условиях. Полученные структуры проявляют превосходную прочность и ударную вязкость, и во многих случаях их можно соединять и восстанавливать/обрабатывать по более низкой стоимости.
Раскрытые здесь стальные конструкции и способы их изготовления пригодны для формирования и восстановления/обработки конструкций, применяемых при добыче, производстве и очистке нефти и газа. LDM дает особенные преимущества при формировании точечных и стыковых сварных швов в трубчатых стальных конструкционных компонентах для этих областей применения.
Приведенными в качестве примера, но не ограничивающими стальными конструкциями в области добычи, производства и очистки нефти и газа, где находят применение раскрытые здесь методы LDM, являются сварные трубопроводы, стальные цепные стояки (SCR) и стояки верхнего натяжения (TTR), снабженные резьбой компоненты, нефтяное буровое оборудование (то есть две секции глубоководной буровой штанги), сварные контейнеры для сжиженного природного газа и сжиженного природного газа под давлением, соединения водоотделяющей колонны с обсадной колонной и оборудование устья скважины.
В областях применения, относящихся к добыче нефти и газа, раскрытые здесь способы изготовления стальных конструкций пригодны для соединения и восстановления конструкций и компонентов, используемых для транспортировки и хранения природного газа. В частности, раскрытые здесь способы изготовления стальных конструкций можно использовать в технологиях транспортировки газа, связанных с трубопроводами, сжатым природным газом (CNG), сжиженным природным газом под давлением (PLNG), сжиженным природным газом (LNG), и в других технологиях хранения/транспортировки. В одной из форм применения для транспортировки и хранения природного газа раскрытые здесь способы изготовления стальных конструкций можно использовать для соединения/обработки трубопроводов, выкидных линий от устья скважины, сборных линий, расширительных петель и других передающих линий. В другой форме применения для транспортировки и хранения природного газа раскрытые здесь способы изготовления стальных конструкций можно использовать для соединения/обработки материалов, изготовленных из углеродистых сталей, а также конструкционных сталей. В еще одной форме применения для транспортировки и хранения природного газа раскрытые здесь способы изготовления стальных конструкций можно использовать для соединения/обработки конструкций для хранения и/или транспортировки сжиженного природного газа, сжатого природного газа и сжиженного природного газа под давлением. Это включает модульные структуры для сжиженного природного газа, танкеры, передающие компоненты и трубопроводы, а также связанные с ними технологии.
В областях применения, относящихся к изыскательским работам и добыче нефти и газа, раскрытые здесь способы соединения стальных конструкций с LDM также можно использовать для соединения и восстановления различных конструкций, применяемых для освоения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Эти конструкции включают, не ограничиваясь этим, наземные и морские добычные конструкции, нефтяные трубопроводы, емкости для хранения нефти, обсадные колонны/трубопроводы, компоненты для освоения и эксплуатации, литые конструкции для соединения с выкидными линиями, подводные компоненты, внутрискважинные трубчатые продукты (например, OCTG), надводное оборудование и связанные с ним конструкции, гибкие подводные кабели, вспомогательные и грузовые суда и факельные башни. Более конкретно, приводимые для примера морские добычные конструкции включают обшитые снаружи платформы, мобильные морские буровые установки и связанные с ними производственные компоненты, такие как обсадные колонны, натяжные элементы, водоотделяющие колонные и подводное оборудование. Мобильные буровые установки включают, не ограничиваясь этим, полупогружные и самоподъемные буровые платформы, плавучие основания с натяжным вертикальным якорным креплением (TLP), глубоководные одноопорные морские эксплуатационные платформы (DDCV), стационарные платформы на ферменной несущей конструкции с растяжками, плавучие системы для добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO), плавучие устройства для хранения и отгрузки нефти (FSO), суда, танкеры и т.п. Приведенные в качестве примера подводные компоненты включают, не ограничиваясь этим, коллекторные системы, фонтанные елки и противовыбросовое оборудование (ВОР). Приведенное в качестве примеров надводное оборудование и связанные с ним конструкции включают палубные надстройки, буровые установки, жилые помещения, посадочные площадки для вертолетов и связанные с ними структуры. Следует понимать, что раскрытые здесь методы LDM можно использовать для формирования сварных конструкций, включающих такие конструкции и компоненты, и что раскрытые здесь методы LDM можно использовать для восстановления и нанесения покрытия на сварные конструкции или соединения, включающие такие конструкции и компоненты.
В приведенных ниже областях применения раскрытые здесь способы изготовления стальных конструкций пригодны для соединения и восстановления конструкций и компонентов, применяемых на нефтеперерабатывающих и химических предприятиях. Описанные здесь стальные конструкции и способы изготовления таких стальных конструкций обеспечивают, в ходе применения на нефтеперерабатывающих и химических предприятиях, преимущества, благодаря, помимо прочего, восстановлению компонентов/конструкций, соединению разнородных металлов, соединению стальных конструкций и соединению сложных для сварки материалов, таких как чугун. Эти области применения включают, не ограничиваясь этим, чугун, трубы теплообменников и емкости, работающие при низкой и высокой температуре и под давлением. Приведенные в качестве примера емкости, работающие при низкой и высокой температуре и под давлением, включают трубы установки парового крекинга, трубы установки парового реформинга, а также конструкции и компоненты нефтеперерабатывающих предприятий. Приведенные для примера материалы, пригодные для раскрытой технологии LDM включают такие коррозионностойкие материалы, как сорта стали с 13% Cr, дуплексная нержавеющая сталь и супердуплексная нержавеющая сталь.
Заявители попытались раскрыть все воплощения и применения описанного объекта изобретения, которые было бы возможно предвидеть. Однако невозможно предусмотреть несущественные модификации, которые остаются в качестве эквивалентов. В то время как данное изобретение описано в связи с конкретными его воплощениями, очевидно, что в свете предшествующего описания специалисты могут предусмотреть многие изменения, модификации и вариации, которые возможно осуществить, не выходя за рамки сущности или объема защиты данного изобретения. Соответственно, предполагают, что данное изобретение охватывает все такие изменения, модификации и вариации вышеприведенного подробного описания.
Все процитированные здесь патенты, процедуры проведения испытаний и другие документы, включая документы, относящиеся к приоритету, полностью включены посредством ссылки в той степени, в которой соответствуют данному изобретению, и в отношении всех сфер компетенции, в которых такое включение дозволено.
Там, где в тексте данного описания приводят нижние и верхние численные пределы, рассматривают диапазоны от любого более низкого предела до любого более высокого предела.
Примеры
Вышеописанные воплощения, в дополнение к другим воплощениям, можно лучше понять со ссылкой на нижеследующие примеры.
Пример 1
Данный пример иллюстрирует полученное LDM соединение, обладающее одновременно высокими прочностью и ударной вязкостью.
Предназначенная для соединения пластина из стали Х52 HSLA с двухфазной микроструктурой феррита и перлита имела толщину 1,91 см (0,75 дюймов). Предварительно в пластине посредством механической обработки был сделан v-образный вырез глубиной 1,27 см (0,5 дюйма) и под углом 45 градусов, для имитации стыкового зазора. Оборудование для LDM представляло собой стандартную систему для лазерного нанесения металла с подачей порошка, поступающую в продажу от RPM Innovation, Inc. Система была снабжена многочисленными соплами для подачи порошка. Два раздельных сопла использовали для выпуска порошков нержавеющей стали типа 304L и инструментальной стали Н13, без перекрестного загрязнения. V-образный вырез заполняли слоями металла, попеременно нержавеющей сталью типа 304L и инструментальной сталью Н13.
Примерно за 91 минуту времени обработки было успешно создано аддитивное соединение длиной 8,89 см (3,5 дюйма). Полученное соединение показано на Фиг. 4 и, как можно видеть на этом чертеже, в образце не было видимых трещин или непровара основного металла и металла шва. Фиг. 5 представляет собой оптическое изображение поперечного сечения, перпендикулярного плоскости нанесения слоев в соединении. Данное оптическое изображение показывает два различных материала, перемежающихся от слоя к слою, при этом каждый проход лазера имеет размер примерно 300×1000 микрон. Соединение является полностью консолидированным, без трещин или значительных включений, наблюдаемых в масштабе этой длины. На Фиг. 6 показана схема распределения твердости по плоскости того же поперечного сечения, расположенного по границам раздела между соединением и пластиной из стали Х52 HSLA. Фиг. 6 показывает, что соединение состоит из твердого материала с пиковым значением твердости по Викерсу 700 и мягкого материала со значением твердости по Викерсу 250. Средняя твердость по Викерсу соединения в целом составляет 430. Переход между соединением и металлом основы Х52 является очень резким, что указывает на малую зону теплового воздействия.
Стандартные испытания на сопротивление на излом по ASTM El820 проводили с использованием образцов для проведения испытаний на трехточечный изгиб с предварительно нанесенными насечками, расположенными в зоне теплового воздействия или в центре соединения, соответственно. На Фиг. 7а представлена зависимость J-R для зоны теплового воздействия, а на Фиг. 7b показано расположение предварительно нанесенных насечек и микроструктура зоны теплового воздействия. Зона теплового воздействия демонстрировала замечательное поведение в отношении стойкости к распространению трещин. Это подтверждено мелкозернистой микроструктурой зоны теплового воздействия; по всей зоне теплового воздействия размер зерен феррита составлял лишь порядка 5 микрон.
На Фиг. 8 представлена J-R зависимость для композитного соединения. Данная зависимость иллюстрирует уникальное дискретное поведение, как показано пунктирной линией. Не вдаваясь в теорию предполагают, что причиной дискретности является композитная природа соединения. Твердый материал, инструментальная сталь Н13, дает малую стойкость в отношении распространения трещин, и, следовательно, значение J снижается до уровня ниже предела определения. С другой стороны, общую ударную вязкость соединения определяет поведение мягкого материала, нержавеющей стали типа 304L. Хотя количественная характеристика сопротивления образованию трещин для соединения значительно ниже, чем эта величина для зоны теплового воздействия, она значительно лучше, чем у обычного соединения, если рассматривать среднюю твердость по Викерсу типа стали, составляющую 430.