Технические новинки Vol.4

Мы выполняем требования, предъявляемым к морским сооружениям, эксплуатируемым во все более глубоких и холодных водах.

1 Тенденции мирового спроса на морские сооружения

По оценкам, общемировое потребление энергии в 2035 году в 1,8 раза превысит показатель 2010 года, тогда как мировой ВВП в период с 2010 по 2035 год будет расти в среднем на 2,8% ежегодно. Ожидается, что потребление сырой нефти в это период увеличится чуть более, чем на 30%, главным образом за счет растущего спроса на автомобили в развивающихся странах. Потребление природного газа, который считается единственным энергоисточником, спрос на который будет продолжать расти, к 2035 году увеличится значительно - более, чем на 50% по сравнению с 2010 годом.

По мере увеличения спроса на нефть и природный газ ускоряется истощение эксплуатируемых ныне месторождений; соответственно, существует необходимость поиска и разработки новых буровых точек в море, чтобы обеспечить резервы нефти и газа. Предполагается, что инвестиции в морские сооружения и соответствующее оборудование в период между 2010 и 2020 годом вырастут в 3 раза. На Иллюстрациях 1 и 2 показаны тенденции мирового производства нефти и газа, а на Иллюстрации 3 - предполагаемый объем инвестиций в морские сооружения.

Около 50% нефтяных месторождений, обнаруженных в последние пять лет, расположены, главным образом, в глубоководных районах у берегов Бразилии и Африки. Поскольку цены на нефть и газ остаются на высоком уровне, даже глубоководное бурение стало прибыльным, и, по всей вероятности, оно получит дальнейшее развитие. Будет расти спрос на такие морские плавучие сооружения, как полупогружные плавучие конструкции (SSR), платформы с натяжными опорами (TLP), плавучие системы нефтедобычи, хранения и выгрузки, системы хранения и разгрузки (FPSOs) и платформы типа SPAR. Как ожидается, вырастет даже спрос на буровые суда, которые наиболее часто используются для бурения новых глубоководных нефтяных и газовых скважин в научных и исследовательских целях. На Иллюстрации 4 представлен наиболее распространенные морские сооружения. Помимо глубоководного бурения, в ближайшее время, по всей вероятности, начнется разведка недр в условиях крайнего холода, в частности, в приполярных районах, где до сих пор разработка не велась из-за ее высокой стоимости.

Новые морские газовые месторождения, в основном малые и средние, истощатся через 10 - 20 лет. Разработка и добыча на таких месторождениях до сих пор была ограничена из-за слишком низкой прибыли, которая не покрывала высокую стоимость инвестиций в наземные хранилища и подводные трубопроводы. Однако в настоящее время разрабатывается новая концепция - плавучих заводов СПГ (F-LNG), которые помогут решить проблему отдаленных газовых месторождений, где невозможно построить предприятие по сжижению в силу географических или политических причин. Плавучий завод СПГ (F-LNG) - это судно, на котором можно совершать все операции производственного процесса по получению сжиженного природного газа (СПГ), в том числе сжижение, хранение и разгрузку на суда-газовозы. Первые в мире подобные разработки начаты в Малайзии и Австралии.

2 Требования к сварочным металлам

В то время, как морское бурение продолжает перемещаться в более холодные и глубоководные районы, стали и сварочные металлы должны быть все более прочными, чтобы выдерживать суровые условия. В верхней части конструкции (находящейся над уровнем моря), такой, как опорные блоки, требуется ударная вязкость в vE -40°C ≥42J, и сварочные соединения высоколегированной стали класса YP420MPa (НТ) должны обладать изломостойкостью в δc-20°C ≥0.25 мм.

С другой стороны, в нижней части самоподъемной буровой установки, которая должна выдерживать напор морских волн и приливов, требуется использовать стали класса YP690MPa, чтобы снизить общий вес установки и при этом повысить ее грузоподъемность. Кроме того, необходимы надежные сварочные материалы и процедуры для того, чтобы обеспечить требуемую ударную вязкость и устойчивость к холодному растрескиванию.

Сварочные материалы для сварки во всех пространственных положениях особенно незаменимы в опорных блоках, в которых имеется множество труб большого диаметра с соединениями ТKY, показанных на Иллюстрации 5.

Плавучие заводы СПГ - F-LNG больше по размеру по сравнению с плавучими нефтепромысловыми платформами - FPSO, следовательно, их корпус и резервуары должны быть исключительно прочными. Еще одно требование, предъявляемое к плавучим заводам СПГ - способность выдерживать волнообразные колебания СПГ в частично заполненных резервуарах, который оказывает большое давление на стенки корпуса и резервуаров. Исключительно толстые листы стали (около 50 мм толщиной) дают требуемую прочность, при этом ударная прочность сварных соединений требуется при температурах от -40°C или -50°C, а изломостойкость при -10°C.

Сварочные материалы для морских сооружений

В Таблице 1 (стр.5) показаны типичные сварочные материалы для морских сооружений, работающих в условиях низких температур. Морские сооружения все чаще строятся в районах с суровыми условиями, поэтому в данной статье речь идет о специально разработанных сварочных материалах, в частности, для сталей марок HT780MPa и HT520/HT550M.

3-1. Сварочные материалы для сталей марок HT780MPa или YP690MPa.

Для морских сооружений, в которых используются стали марок HT780MPa или YP690MPa уже разработаны и представлены на рынке сварочные материалы для процессов SMAW, FCAW and SAW.

3-1-1. TRUSTARC™ LB-80L

При сварке сталей марки YP690MPa, требующей высокой ударной вязкости и устойчивости к растрескиванию при низких температурах, большую роль играют ультра-низководородные электроды (также с низким содержанием кислорода). Электроды LB-80L (AWS A5.5 E11018-G H4), разработанные для сварки при постоянном токе, удовлетворяют всем этим требованиям, как проиллюстрировано ниже. На Иллюстрации 6 приведен пример сварочных процессов для эстакад самоподъемных буровых установок, в которых используются главным образом стали марки YP690MPa. На Иллюстрации 6 приведен пример сварочных процессов для эстакад самоподъемных буровых установок, в которых используются главным образом стали марки YP690MPa.

Таблица 2: Содержание диффузного водорода (мл/100г)

N=1	N=2	N=3	N=4	Среднее
1.9	1.5	1.3	1.7	1.6
Примечание: Метод тестирования: согласно AWS A4.3 (газовая хроматография) Сварочный ток: 150 A (4,0 мм в диаметре; DCEP)

В Таблице 2 показано, что по результатам тестирования LB-80L, содержание диффузного водорода составило всего 2,0 мл/100г, и он находится в стабильном состоянии. Таким образом, это самый надежный сварочный материал с точки зрения сопротивления холодному растрескиванию.

Таблица 3: Условия тестирования стыкового соединения (LB-80L: 4,0 мм диаметром)

Испытательная пластина	Сталь марки HT780MPa, 50 мм толщиной
Разделка кромок	Двойное V (50°и70°)
Позиция сварки	Вертикальная снизу вверх (3G)
Параметры сварки	120 A-22 В (DCEP)
Погонная энергия	2,0 кДж/мм
Температура предварительного подогрева и межваликовая температура	150°C

В Таблицах 3 и 4 показаны условия тестирования и свойства при растяжении стыковых швов стали марки HT780MPa, сваренной с LB-80L, а на Иллюстрациях 7 и 8 соответсвенно - макроструктура и кривая перехода ударной вязкости.

Таблица 1: Типичные сварочные материалы для морских сооружений, эксплуатируемых при низких температурах.

Сварочный процесс	Сварочные материалы	Минимальная предусмотренная прочность*1(мПа)		Предусмотренная температураsup>*1(°C)		Химический состав сварочных металлов (% массы)							Полярность защитного газа
				vE	CTOD (δ)
		0,2%YP (мПа)	TS (мПа)	≥47J	≥0.25мм или ≥0.10мм*4	C	Si	Mn	Ni	Mo	Ti	B
SMAW	LB-7018-1	400/390*2	520/490*2	-40	0	0.06	0.4	1.5	-	-	0.03	0.004	Положительный электрод AC/DC *3
	LB-52NS	400/390*2	520/490*2	-60	-30	0.08	0.4	1.4	0.5	-	0.02	0.002
	NB-1SJ	460/400*2	550/520*2	-60	-40	0.08	0.3	1.3	1.3	-	0.02	0.002
	LB-55NS	470/460*2	570/550*2	-60	-	0.06	0.3	1.5	0.9	0.1	0.01	0.003
	LB-62L	530/460*2	620/550*2	-60	-10	0.07	0.3	1.0	2.1	0.1	0.02	0.002
	LB-67L	530	620	-60	-20	0.06	0.3	1.1	2.6	-	0.01	0.002	Положительный электрод постоянного тока DC
	LB-67LJ	530	620	-60	-40*4	0.07	0.4	1.1	2.6	-	0.02	0.002
	LB-88LT	690	770	-60	-	0.04	0.6	1.8	2.6	0.7	-	-	Переменный ток АС
	LB-80L	690	770	-60	-	0.04	0.5	1.4	3.0	0.8	-	-	Положительный электрод постоянного тока DC
SAW	PF-H55LT/US-36	400	520	-60	-50	0.08	0.2	1.4	-	-	0.02	0.004	Переменный ток АС
	PF-H55LT/US-36J	465	550	-60	-20	0.09	0.3	1.7	-	-	0.02	0.004
	PF-H55S/US-2N	530	620	-60	-20	0.08	0.3	1.3	2.3	0.2	-	-
	PF-H80AK/US-80LT	690	770	-60	-	0.08	0.3	1.7	2.5	0.7	-	-
	PF-H55AS/US-36J	400	520	-60	-20	0.07	0.2	1.4	-	-	0.02	0.004	Положительный электрод постоянного тока DC
	PF-H62AS/US-2N	530	620	-60	-20	0.05	0.3	1.3	2.5	0.2	0.01	-
	PF-H80AS/US-80LT	690	770	-60	-	0.06	0.5	1.6	2.4	0.7	-	-
GMAW (сплошная)	MG-S50LT	400	520	-60	-30	0.09	0.4	1.9	-	-	0.08	0.006	80%Ar- 20%CO2
	MG-S88A	690	770	-60	-	0.06	0.5	1.6	3.6	0.8	-	-
GMAW (FCW)	DW-55L	400	520	-60	0	0.04	0.4	1.3	1.4	-	0.05	0.003	CO2
	DW-55SH	400	520	-60	-10	0.05	0.3	1.4	1.6	-	0.04	0.003
	DW-55LSR	420	550	-60	-10	0.06	0.3	1.2	1.5	-	0.05	0.004
	DW-62L	500	610	-60	-40*4	0.06	0.3	1.2	2.5	-	0.06	0.004
	DW-A81Ni1	420	550	-60	-10	0.05	0.3	1.3	0.9	-	0.04	0.005	80%Ar- 20%CO2
	DW-A55L	460	550	-60	-20	0.06	0.3	1.2	1.4	-	0.06	0.003
	DW-A55LSR	420	550	-60	-20	0.05	0.3	1.3	0.9	-	0.04	0.003
	DW-A62L	500	610	-60	-40*4	0.07	0.3	1.3	2.1	-	0.04	0.003
	DW-A80L	690	770	-40	-	0.07	0.3	1.9	2.5	0.2	0.07	-
Примечание: *1: В состоянии после сварки, но не с послесварочной термообработкой. *2: Величина слева относится к сварке при переменном токе (АС), а величина слева - к сварке с положительным электродом при постоянном токе (DCEP). *3: Химический состав сварочных металлов LB-52NS, NB-1SJ и LB-62L указан при сварке при переменном токе АС, а других металлов - при сварке DCEP. *4: Величина CTOD при 0.10mm.

Таблица 4: Свойства при растяжении сварочного металла стыковых соединений.

Расположение	Свойства при растяжении
	0.2%PS (мПа)	TS (мПа)	El (%)
Окончательное	773	865	19
Центр	807	864	17
Сзади	753	832	17

3-1-2. TRUSTARC™ DW-A80L

Так как сварочный процесс SMAW малопродуктивен и требует довольно высоких навыков, выражались пожелания разработки флюсовых сварочных проволок (FCW) рутилового типа для сварки во всех пространственных положениях. Однако наплавной металл рутиловых проволок с более высоким содержанием кислорода и оксидных включений, обладает низкой ударной вязкостью по сравнению с другими проволоками при сварке SMAW. Проволока DW-A80L (AWS A5.29 E111T1-GM-H4) позволяет решить эту проблему, контролируя содержание кислорода во флюсе, в то же время поддерживая высокую ударную вязкость. Содержание диффузного водорода с DW-A80L составляет около 2,5 мл/100г, как показано в Таблице 5 - это крайне низкий уровень для флюсовой проволоки рутилового типа.

Таблица 5: Содержание диффузного водорода (мл / 100г)

N=1	N=2	N=3	N=4	Среднее
2.5	2.3	2.3	2.7	2.4
Примечание: Метод тестирования: Согласно AWS A4.3 (Газовая хроматография) Параметры сварки: 265A‒28В‒300 мм/мин Скорость подачи проволоки: 20 мм; /мин Защитный газ: 80%Ar-20%CO2

Таблица 6: Условия тестирования стыкового сварочного соединения (DW-A80L:1,2 мм в диаметре)

Испытательная пластина	HT780MPa class steel; 50mm thick
Позиция сварки	Vertical upward (3G)	Горизонтальная (2G)
Разделка кромок	Двойное V (40° & 60°)	Двойной угол (50° и 60 °)
Параметры сварки	180-200A, 23-24В	220-260A, 25-28В
Погонная энергия	1,7 кДж/мм	1.0 kJ/mm
Защитный газ	80%Ar-20%CO2, 25 л/мин
Температура предварительного подогрева	100 °C
Межваликовая температура	100-150 °C
PWHT	После сварки

Сварка стыковых соединений с использованием DW-A80L на стали марки HT780MPa была произведена в вертикальном положении в направлении снизу вверх (3G) и в горизонтальном положении (2G). В Таблицах 6 и 7 показаны условия тестирования и прочность при иастяжение; на Иллюстрациях 9 и 11 - макроструктуры металла швов, а на Иллюстрациях 10 и 12 - кривая перехода ударной вязкости при сварке в позициях 3G и 2G соответственно.

Таблица 7: Прочность при растяжении сварочного металла стыковых соединений

Welding position	Расположение	Свойства при растяжении
		0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)
3G	Окончательное	736	811	23
	Центр	807	856	23
	Сзади	738	817	24
2G	Окончательное	776	814	19
	Центр	833	863	18
	Сзади	808	843	20

3-1-3. TRUSTARC™ PF-H80AS/TRUSTARC™ US-80LT

Таблица 8: Содержание диффузного водорода (мл / 100г)

N=1	N=2	N=3	N=4	Среднее
1.2	1.3	1.6	1.4	1.4
Примечание: Метод тестирования: Согласно AWS A4.3 (Газовая хроматография) Параметры сварки: 500A‒30 В‒300 мм/мин; DCEP

Таблица 9: Условия испытаний стыковых сварочных соединений с PF-H80AS/US-80LT

Испытательная пластина	HT780MPa class steel; 50mm thick
Позиция сварки	В нижнем положении (1G)
Условия закрепления
Welding parameters	600A-30V-300mm/min
Погонная энергия	3.6 kJ/mm
Preheating temperature	75 °C	100 °C
Interpass temperature

Разработанный компанией Kobe Steel флюс PF-H80AS - это керамический флюс для SAW, обладающий высокой основностью, что дает очень низкое содержание кислорода в сварочном металле. В сочетании с флюсом PF-H80AS и проволокой US-80LT (AWS A5.23 F11A10-EG-G), он дает великолепную ударную прочность даже при низких температурах. Благодаря воздействию флюса на сварочную дугу, содержание диффузного водорода в сварочных металлах значительно снижено - до 1,5 мл/100 г (Таблица 8). В Таблицах 9, 10 и 11 соответственно также представлены условия испытаний, результаты тестирования на многослойное растрескивание и механические свойства металла шва. Это сочетание дает сварочные металлы очень высокого качества.

Таблица 10: Результаты тестирования сварного шва на многослойное растрескивание

Температура предварительного подогрева и межваликовая температура (°C)	Результаты ультразвукового тестирования
75	Без дефектов
100	Без дефектов

Таблица 11: Механические свойства сварочного металла

0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)	Поглощенная энергия (Дж)
			-80 °C	-60 °C	-40 °C
768	895	23	88, 88, 90 Avg 88	101, 93, 93 Avg 96	101, 105, 106 Avg 104

3-2. Флюсовая сварочная проволока для стали марокHT520MPa и HT550MPa

На мировых рынках имеется целый ряд флюсовых сварочных проволок для стали марок HT520MPa и HT550MPa, а также флюсовых проволок рутилового типа, которые просты в использовании и обеспечивают ударную прочность при температуре -60 °C, а также CTOD при -10 ° C. Однако флюсовых проволок рутилового типа с подобной прочностью после термообработки не существует. Однако флюсовые проволоки DW-55SH (не для PWHT), DW-55LSR и DW-A55LSR (обе для PWHT) отвечают этим требованиям.

3-2-1. TRUSTARC™ DW-55SH

В Южной Корее начато строительство крупнейшего в мире плавучего завода СПГ (проект Shell Prelude). Его длина превышает 450 м, высота - 70 м, а вместимость составляет более 200.000 кубометров СПГ. Сварка столь огромного плавучего сооружения требует строгого контроля, а также высокой эффективности сварочных процессов. Проволока DW-55SH (AWS A5.29 E81T1-K2C) была разработана в ответ на запросы клиентов. Эта флюсовая проволока рутильного типа для сварки во всех пространственных положениях дает великолепную ударную прочность при низких температурах до -60 °C и CTOD при -10 °C.

В Таблицах 12 и 13 представлены соотвествующие условия испытаний и механические свойства, в том числе CTOD при -10 °C. На Иллюстрациях 13 и 14 показаны соответственно макроструктуры швов и кривые перехода ударной прочности сварного металла стыковых сварных соединений с проволокой DW-55SH.

Таблица 12: Условия тестирования стыкового соединения (DW-55SH: 1.2мм диаметром)

Испытательная пластина	JIS G3106 SM400B; толщина 40 мм
Разделка кромок	Двойное V ( 45° & 60° )
Позиция сварки	Vertical upward ( 3G )
Параметры сварки	200A - 26V
Защитный газ	100%CO2, 25 l/min
Preheating and interpass temp.	130 -150 °C

Таблица 13: результаты тестирования на прочность и смещение раскрытия вершины трещины (CTOD)

Расположение	Свойства при растяжении			Критическая величина CTOD (мм при -10 °C)
	0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)
Окончательное	536	613	29	0.95; 0.91; 0.88
Сзади	541	621	30

3-2-2. TRUSTARC™ DW-55LSR &TRUSTARC™ DW-A55LSR

Проволоки DW-55LSR и DW-A55LSR (серия SR флюсовой проволоки, снимающей напряжение)(AWS A5.29 E81T1-K2C, -Ni1M) были разработаны для послесварочной термообработки в середине 1990-х и применяются с тех пор для морских сооружений. Это флюсовые проволоки рутилового типа для сварки во всех пространственных положениях, которые очень широко применяются и дают исключительно низкий уровень таких примесей, как ниобий Nb и ванадий V. На Иллюстрации 15 показано, что снижение примесей ниобия и ванадия может повысить ударную вязкость при -60°C после сварки, а также свести к минимуму потерю ударной вязкости после термообработки.

Серия флюсовой проволоки SR получила высокую оценку при сооружении многих морских конструкций, за ее надежность, высокую ударную вязкость и великолепные качества CTOD. Объем продаж этой проволоки FCW - уникальной продукции, выпускаемой только компанией Kobe Steel, превышает 300 тонн в год.

Были проведены испытания наплавленного металла DW-A55LSR в стыковых соединениях. В Таблицах 14 и 15 представлены условия испытаний и величина CTOD после сварки и после термообработки. На Иллюстрации 16 показаны макроструктуры швов в позициях 3G и 2G, а на Иллюстрациях 17 и 18 - кривые перехода ударной вязкости в состоянии после сварки и после термообработки в позициях 3G и 2G соответствено.

Таблица 14: Условия тестирования стыкового соединения (DW-A55LSR: 1.2мм диаметром)

Испытательная пластина	NK KF36; 50mm thick
Разделка кромок	Double bevel (50° & 60 °)
Позиция сварки	Vertical upward (3G)	Horizontal (2G)
Welding parameters	220A - 24V	260A - 28V
Защитный газ	80%Ar-20%CO2, 25 l/min
Погонная энергия	1.9 kJ/mm	0.8 kJ/mm
Температура предварительного подогрева	100 °C
Межваликовая температура	100 -150 °C
PWHT	После сварки и послесварочной термообработки (623 °C x 2h)

Таблица 15: Результаты тестирования на CTOD

PWHT	Позиция сварки	Test temp. (°C)	Critical CTOD (mm)
As welded	3G	-35	0.75, 0.75
	2G		0.62, 0.63
623°C x 2h	3G	-20	0.89, 0.98
	2G		0.86, 0.85

4 Послесловие

Несмотря на то, что добыча сланцевого газа в США оказывает воздействие на энергетический спрос и предложение во всем мире, зависимость от сырой нефти и природного газа будет сохраняться в условиях роста мирового спроса на энергию. Бурение и далее будет проводиться в растущем удалении от берега, в более глубоких и холодных водах. При том, что морские сооружения эксплуатируются во все более экстремальных условиях, стандарты и требования, предъявляемые в особенности к сварочным металам, будут и далее ужесточаться. В частности, по некоторым данным, ныне планируемый проект бурения в районе Арктики потребует CTOD при -60°C. Мы готовы разработать комплексные сварочные решения для любых нужд.

Хотя технические характеристики и требования к сварочным материалам для морских сооружений будут изменяться в зависимости от потребностей клиента, организаций, занимающихся классификацтией судов, а также измерений конкретного сооружения, условий его эксплуатации и погоды, необходимо поддерживать высокий уровень строгого контроля сварочных процедур. Подробно о приобретении и использовании наших товаров Вы можете узнать, связавшись с ближайшим дилером Kobelco или с торговыми представителями компании.

Источники
【1】 Министерство национальных земель, инфраструктуры, транспорта и туризма Японии. Доклад морского бюро
【2】 Фотоснимки Japan Drilling Co., Ltd.

Верх страницы