201310_PSpaw_fg98.pdf 35Przegląd sPawalnictwa 10/2013 Tomasz Chmielewski Dariusz Golański Marek Węglowski Krzysztof Kudła Konrad Wojnarowski Zastosowanie metody MAg-SpeedRoot do spawania ściegu graniowego spoin czołowych w połączeniach rurowych the application of Mag-speedroot method   for welding of root pass in butt welded pipe joints a inż toma z C mie ew ki d a inż a i z o a ki o P – Politechnika Warszawska; d inż a ek ow ki – Rywal–RHC; d inż zy zto dła – Politechnika Częstochowska; inż on ad o na ow ki – JT Zakład Budowy Gazociągów. a t a t The paper presents the research work devoted to welding of root pass in PJ position using the new MAG- SpeedRoot welding method. The conditions of welding and results of obtained root passes by MAG-SpeedRoot meth- od were compared to conventional welding methods. The MAG-SpeedRoot method has been developed by Lorch (Germany) company specifically for welding of root passes in PG position. The purpose of this work was to implement the MAG-SpeedRoot technology of root pass welding in butt welded steel pipelines at JT Zakład Budowy Gazociągów plant in Warsaw, Poland. As the result, this technology has been certified by the UDT certification body first time in history. St e z zenie W artykule przedstawiono wyniki badań doświad- czalnych spawania ściegu graniowego w pozycji PJ przy użyciu nowoczesnej odmiany metody MAG-SpeedRoot. Porównano warunki i wyniki spawania ściegu graniowe- go MAG-SpeedRoot z metodami stosowanymi trady- cyjnie. Metoda MAG-SpeedRoot została opracowana przez firmę Lorch (niemcy) do spawania ściegu granio- wego blach w pozycji PG. Celem prezentowanej pracy było wdrożenie w firmie JT Zakład Budowy Gazociągów w Warszawie technologii spawania ściegów graniowych spoin czołowych rurociągów stalowych metodą MAG w odmianie SpeedRoot. W efekcie, pierwszy raz w historii prezentowana technologia została uznana przez jednost- kę notyfikowaną UDT. t Wytwórcy konstrukcji spawanych powinni stosować uznane technologie. Głównym dokumentem opisują- cym procedury uznania technologii spawania stali oraz zakres kwalifikowania jest Pn-En ISO 15614-1. Jed- nym z pierwszych i kluczowych etapów procesu uzna- wania technologii jest opracowanie wstępnej instruk- cji spawania (pWPS) zgodnie z Pn-En ISO 15606-1. W pWPS-ie zawarte są wszelkie informacje dotyczące warunków technologicznych wykonania złącza spawa- nego na znormalizowanym złączu próbnym (rys. 1). Złącze próbne wykonywane jest w obecności in- spektora jednostki notyfikowanej (np. UDT). Podczas wykonywania złącza spawanego należy monitorować parametry spawania w celu sporządzenia protokołu uznania technologii spawania (WPAR). W protokole zawarte są dokładne informacje dotyczące próby wy- konania złącza spawanego. Znajdują się tam para- metry spawania, dane spawacza oraz numer atestu materiału rodzimego i dodatkowego. następnie złącze próbne zostaje poddane badaniom nieniszczącym i niszczącym. Pierwszym etapem są badania nienisz- czące, które należy wykonać zgodnie z wytycznymi 36 Przegląd sPawalnictwa 10/2013 Ry 1 Wymiary znormalizowanego złącza próbnego wg Pn-En ISO 15614-1 i 1 The dimensions of standardized test joint acc. to Pn-En ISO 15614-1 zawartymi w normach. Badaniu poddane jest całe złącze spawane. Ujawnione niezgodności spawal- nicze muszą mieścić się w określonych wartościach granicznych dla poziomu jakości (w tym przypadku B) wg Pn-En ISO 5817. Ostatnim etapem jest prze- prowadzenie badań niszczących na złączu próbnym w akredytowanym laboratorium (wymagania Pn-En ISO/IEC 17025). Celem badań niszczących jest m.in. ujawnienie mikrostruktury złącza oraz jego właściwości mechanicznych, w tym doraźnej wytrzymałości na roz- ciąganie, wydłużenia materiału stopiwa oraz lokalizacji utraty spójności. Złącze bada się zgodnie z wytyczny- mi zawartymi w normach. Próbki pobiera się ze złącza zgodnie z rysunkiem 2. na rysunku 2 przedstawiono miejsca pobierania pró- bek do badań laboratoryjnych, gdzie: 1 – góra zamo- cowanej rury; 2 – obszar dla: 1 próbki do badania na rozciąganie, próbek do badania na zginanie; 3 – ob- szar dla: próbek do badania udarności i badań dodat- kowych, jeśli są wymagane; 4 – obszar dla: 1 próbki do badania na rozciąganie, próbek do badania na zgina- nie; 5 – obszar dla: 1 próbki do badania makroskopo- wego, 1 próbki do badania twardości. Ry 2 Miejsca pobierania próbek do badania złączy doczołowych rur i 2 The location of coupons taken for testing of butt joints in we- lded pipelines a nki awania MAG-SpeedRoot jest innowacyjną niskoenergetycz- ną odmianą metody spawania MAG (lub MIG zależnie od rodzaju zastosowanego gazu osłonowego) prze- znaczoną do wykonywania ściegu graniowego spoin Ry 3 Charakterystyka dynamiczna spawania metodą MAG-Spe- edRoot i 3 The dynamic characteristics of MAG-SpeedRoot welding czołowych blach wykonywanych w pozycji PG oraz rur w pozycji PJ, wprowadzoną przez firmę Lorch na rynek polski na początku 2011 r. Główną zaletą, jaka wyróż- nia MAG-SpeedRoot, jest precyzyjny system kontroli i sterowania przebiegiem procesu spawania. Przed rozpoczęciem spawania należy wprowadzić do syner- gicznego układu doboru parametrów dane dotyczące średnicy drutu, gazu osłonowego oraz rodzaju mate- riału rodzimego. System sterowania automatycznie do- stosowuje inne zmienne do odpowiedniego poziomu. W warunkach klasycznego spawania łukiem zwarcio- wym, podczas zwarcia drutu elektrodowego z mate- riałem rodzimym następuje gwałtowny samoczynny wzrost natężenia prądu, co prowadzi do powstawania ekspulsji gwałtownie nagrzewanej kropli cieczy prze- chodzącej z drutu elektrodowego do jeziorka i jej roz- prysku [1]. W procesie MAG-SpeedRoot (rys. 3) po zwarciu drutu elektrodowego z materiałem kąpieli metalicznej, prąd spawania gwałtownie rośnie do momentu utwo- rzenia minimalnego przewężenia ciekłego metalu (łą- czącego koniec elektrody z jeziorkiem spawalniczym), po czym układ regulacji zmniejsza znacząco natęże- nie prądu mimo zwarcia. Zerwanie mostka i transport kropli następuje wskutek napięcia powierzchniowego ciekłego stopiwa, którego wartość nawet przy niskim natężeniu prądu jest na tyle wysoka, że wciąga kroplę zwisającą na końcu drutu do jeziorka spawalniczego. Powoduje to bezrozpryskowe przejście topionego me- talu elektrody do jeziorka spawalniczego. Kolejny pik w cyklu prądu powoduje rozgrzanie końca drutu elek- trodowego do tego stopnia, żeby przy następnym cyklu jak największa masa materiału dodatkowego przeszła do spoiny. Precyzyjny i powtarzalny przebieg opisanego me- chanizmu zależy od zastosowania w układzie stero- wania szybkich procesorów charakteryzujących się wysoką częstotliwością taktowania, które pozwalają prawidłowo i szybko reagować układowi sterowa- nia i regulacji. Układ sterowania kontroluje w cza- sie rzeczywistym warunki procesu spawania i odpo- wiednio reaguje na zakłócenia, np. wydłużający się 37Przegląd sPawalnictwa 10/2013 czas zwarcia lub zmianę długości łuku spawalnicze- go. Dodatkową zaletą niskoenergetycznej odmiany MAG-SpeedRoot jest możliwość jednoczesnej pracy kilku źródeł prądu podczas spawania np. tej samej rury bez wzajemnego zakłócania się, jak to się zdarza np. podczas spawania innymi niskoenergetycznymi odmianami MAG z dodatkowym pomiarem napięcia [3]. Opracowanie technologii wykonywania ściegu graniowego metodą MAG-SpeedRoot wiązało się z wieloma problemami. Przede wszystkim jest to nowa metoda, która dopiero została wprowadzo- na na rynek polski i dotychczas nie była brana pod uwagę jako metoda wykonywania przetopów w po- łączeniach rurowych; nie zakładał tego nawet pro- ducent urządzenia. Celem projektu było zbadanie możliwości wykonania połączenia i następnie uzna- nie technologii wykonywania połączeń rurowych ze stali L485MB o średnicy zewnętrznej 508 mm przy grubości ścianki 12,5 mm. Przetop został wykonany metodą MAG-SpeedRoot, a wypełnienie oraz lico drutem proszkowym w osłonie gazów aktywnych (metoda 136 wg Pn-En ISO 4063). Ścieg granio- wy jest pierwszą i zarazem najważniejszą warstwą w połączeniach spawanych, która najdłużej jest pod- dawana wpływom wysokiej temperatury podczas wy- konywania kolejnych warstw połączenia spawanego. Wykonywanie ściegu graniowego uznaje się za naj- trudniejszy etap w spawaniu połączeń rurowych. z po- wodu wysokiego ryzyka występowania niezgodności spawalniczych, takich jak: brak przetopu, przykleje- nia, niepełne przetopienia, podtopienia, wycieki, na- wisy grani oraz wklęśnięcia. Charakterystyczną cechą spawania metodą MAG- SpeedRoot jest niewielkie ryzyko wystąpienia podto- pienia. Podczas wykonywania kilkudziesięciu złączy próbnych nie ujawniono żadnego podtopienia. Kolej- ną ważną zaletą opisywanej metody jest duża toleran- cja ustawienia brzegów spawanych rur. Wykonanie przetopu było możliwe przy przestawieniu rur docho- dzącym nawet do 40% grubości ścianki. Po serii prób ustalono, że w celu uzyskania wła- ściwego przetopu należy zastosować większy niż standardowy odstęp pomiędzy krawędziami rur. Dla rur o średnicy 60,3÷168,3 mm szerokość szczeliny ustalono w zakresie 2,5÷3 mm, a dla rur o średnicy 168,3÷508 mm stosowano szczelinę 3÷3,5 mm. Za największe utrudnienie podczas spawania uzna- no występowanie bardzo intensywnego rozprysku w pozycjach odpowiadających godz. 3.30÷6:00. Wy- musiło to zastosowanie niestandardowej techniki spa- wania w zakresie orientacji uchwytu elektrodowego. Od pozycji na godz. 4 należy zmniejszać kąt pomię- dzy osią uchwytu a styczną rury. na całym obwodzie rury należy prowadzić uchwyt dość szerokim ruchem zakosowym. Ten zabieg spowodował wyeliminowanie rozprysku i uzyskanie na całym obwodzie dobrej jako- ści spoiny. na rysunku 4 pokazano przebieg spawania opracowaną techniką. Po wnanie a -S eedRoot z konwen ona nymi metodami W pierwszym etapie prac oceniono przydatność tech- nologiczną odmiany MAG-SpeedRoot przez porówna- nie wyników spawania z wynikami uzyskiwanymi meto- dami stosowanymi standardowo dla badanego złącza (zwłaszcza dla ściegu graniowego). W tym celu wyko- nano próby technologiczne spawania. W tablicy I zestawiono parametry spawania oraz czas wykonania ściegu graniowego. Wszystkie próby zostały wykonane na rurze ze stali L485MB ze szwem spiral- nym o średnicy zewnętrznej 508 mm i grubości ścianki 12,5 mm z ukosowaniem na V. Wszystkie złącza prze- szły pozytywnie badania radiologiczne. Wstępna ocena wskazuje, że pod względem czasu spawania najlepszy wynik uzyskano, spawając metodą MAG-SpeedRoot. Zaledwie 765 s potrzeba do wykona- nia ściegu graniowego. Jednak w tym zestawieniu brany był pod uwagę tylko czas spawania. Trzeba także pa- miętać o czynnościach przygotowawczych przed spawa- niem oraz po spawaniu, a tego uwarunkowania w pracy Ry 4 Technika spawania MAG-SpeedRoot i 4 MAG-SpeedRoot The welding technique 38 Przegląd sPawalnictwa 10/2013 nie analizowano. Dzięki zaprezentowanemu zestawie- niu można też porównać ilość energii wprowadzonej do złącza spawanego. Pod tym względem metoda MAG- SpeedRoot znacznie się wyróżnia. Podczas spawania porównywalnymi metodami ściegu graniowego wprowa- dzane było ok. dwa razy więcej energii do złącza. Drugi wynik (pod względem czasu spawania) w zestawieniu uzyskano podczas spawania elektrodą celulozową. Po- równanie to nie uwzględnia czasu poświęcanego na operacje dodatkowe. Podczas spawania elektrodą ce- lulozową należy usuwać żużel; jest to czynność uciąż- liwa i pracochłonna. Dość częstą wadą spawalniczą występującą podczas spawania elektrodą otuloną jest wtrącenie żużla (301 wg En ISO 6520-1:1998) [2]. Przy wykonywaniu ściegu graniowego elektrodą celulozową, która jest metodą wysoce wodorową, trzeba uwzględ- nić dodatkowo, że badania radiologiczne powinno się wykonać dopiero po 24 h od ukończenia całego złącza spawanego. Spowodowane jest to możliwością wystą- pienia pęknięć wodorowych. Dodatkowo ze względu na wysokie nasycenie połączenia wodorem wymagane jest wydłużenie czasu stygnięcia. Trzeci wynik w zestawie- niu (1428 s) uzyskano podczas spawania ściegu granio- wego metodą TIG. Jedną z najważniejszych zalet, która wyróżnia tę metodę wykonywania przetopów, jest nie- kwestionowana najwyższa jakość. W przypadku zarów- no metody TIG, jak i MAG-SpeedRoot nie jest wymaga- ne szlifowanie powierzchni ściegu graniowego Czwarty wynik (1624 s) w zestawieniu uzyskano podczas spawa- nia elektrodą zasadową, ale tu podobnie jak przy spa- waniu elektrodą celulozową trzeba zwrócić uwagę na konieczność usuwania żużla i dodatkowo suszenia elek- trod. Wykonywanie ściegu graniowego elektrodą zasa- dową jest bardzo rzadko stosowane, ponieważ jest to jedna z najmniej wydajnych metod wykonywania przeto- pu, natomiast spawanie elektrodą zasadową doskonale sprawdza się w warunkach wykonywania wypełnienia i lica w połączeniach rurowych. ta i a Zestawienie parametrów spawania ściegu graniowego różnymi metodami spoiny czołowej rury o średnicy 508 mm i grubości ścianki 12,5 mm ta e The comparison of parameters used for root pass welding of butt welded pipe with 508 mm diameter and 12.5 mm wall thickness applied by different methods Metoda spawania (wg Pn-En ISO 4063) 135 (MAG-SpeedRoot) 111 111 141 Pozycja spawania (wg Pn-En ISO 6947) PJ PJ PH PH Spoiwo średnica, mm 1,2 3,2 2,5 2,4 symbol OK. Autrod 12,64 6P+ 50W Tigrod 12,64 Rodzaj prądu (biegunowość) DC(+) DC(-) DC(-) DC(-) Gaz osłonowy M21 - - I1 Temperatura podgrzewania, °C 145 155 150 150 natężenie prądu spawania, A 90-110 90-120 60-90 105-120 napięcie łuku, V 16-19 22-24 22-24 14-18 Prędkość spawania, mm/s 2,18 1,54 0,97 1,1 Energia liniowa, kJ/mm 0,69-1,00 1,00-1,84 1,34-2,20 1,32-1,93 Czas wykonania ściegu, s 765 1021 1624 1428 Pod mowanie W artykule przedstawiono oryginalne warunki spa- wania ściegu graniowego spoin czołowych rur metodą MAG w odmianie MAG-SpeedRoot, porównano wa- runki i efekty spawania z wynikami spawania uzyska- nymi podczas spawania elektrodą otuloną celulozową i zasadową oraz TIG. Wszystkie próby zostały wyko- nane na rurze ze stali L485MB ze szwem spiralnym o średnicy zewnętrznej 508 mm i grubości ścianki 12,5 mm. Pod względem czasu potrzebnego na wykona- nie ściegu graniowego, podczas stosowania metody MAG-SpeedRoot uzyskano blisko dwukrotnie lepszy wynik od kolejnej użytej metody. Dodatkową zaletą spa- wania było uzyskanie ściegu graniowego o jednakowej wysokości na całym obwodzie złącza spawanego. Po- zwala to na zastosowanie podczas wykonywania ście- gów wypełniających i licowych automatycznych urzą- dzeń spawalniczych, np. Pipeliner firmy Magnatech. Umożliwia to dodatkowe oszczędności wynikające ze skrócenia czasu spawania złącza oraz zwiększenia po- wtarzalności w stosunku do spawania ręcznego. Lite at a [1] Chmielewski T.: Projektowanie procesów technologicznych – Spawalnictwo, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszaw- skiej, Warszawa 2013. [2] Czuchryj J.: niezgodności w złączach spajanych, Instytut Spa- walnictwa, Gliwice 2005. [3] Węglowski M., Chmielewski T., Kudła K.: Ocena wydajności spawania niskoenergetycznego procesu SpeedRoot w pozycji PG, Przegląd Spawalnictwa, nr 12/2011 s. 26-29.