Querrisse in geschweißten Stahlrohren: Ursachen und Vorbeugung

Risse gehören nach wie vor zu den gravierendsten Mängeln bei der Herstellung geschweißter Rohre und gehören auch zu den am wenigsten verzeihenden Fehlern. - Im Gegensatz zu Maßabweichungen oder Oberflächenfehlern handelt es sich bei einem Riss in der Schweißnaht um einen Strukturfehler, der sich unter Betriebslast ausbreiten und zu einem völligen Ausfall führen kann. Risse in geschweißten Rohren werden im Allgemeinen anhand ihrer Ausrichtung relativ zur Schweißnaht in zwei Kategorien eingeteilt:Längsrisse, die parallel zur Schweißnaht verlaufen, undQuerrisse, die darüber laufen. Dieser Artikel konzentriert sich speziell auf Querrisse -, warum sie entstehen und was ein Hersteller kontrollieren muss, um sie zu verhindern, mit besonderem Augenmerk auf Spiralrisse (SSAW) geschweißtes Rohr, bei dem die Geometrie der Spiralnaht eigene Überlegungen zur allgemeinen Schweißmetallurgie hinzufügt.

Querrisse in geschweißten Rohren entstehen am häufigsten während der Erstarrung und Kristallisation des Schweißguts selbst und nicht danach. Wenn das geschmolzene Schweißbad abkühlt, verfestigt es sich zunehmend von den Außenrändern des Schweißbades nach innen zur Mittellinie hin, wobei die Körner in Richtung des Wärmeflusses wachsen. Diese Erstarrung geht mit einer volumetrischen Schrumpfung einher - Das Metall nimmt beim Übergang von flüssig zu fest einfach weniger Platz ein und zieht sich weiter zusammen, wenn es weiter auf Raumtemperatur abkühlt.

Diese Schrumpfung erzeugtZugspannungentlang der Schweißnaht und da das umgebende Grundmetall und das bereits -erstarrte Schweißmetall der Kontraktion widerstehen, konzentriert sich die entstehende Spannung am stärksten an der Mittellinie der Schweißnaht, wo das letzte flüssige Metall erstarrt und wo die Korngrenzen auf beiden Seiten des Schweißbads nahezu frontal aufeinandertreffen. Wenn dieser Mittellinienbereich die Zugspannung - nicht aufnehmen kann, weil die Kornstruktur ungünstig ist, weil schädliche Spurenelemente die Korngrenzen geschwächt haben oder weil die Spannung selbst aufgrund einer schlechten Prozesskontrolle höher ist als nötig, -, öffnet sich ein Riss senkrecht zur Schweißrichtung. Gerade diese senkrechte Ausrichtung macht es zu einem Querriss und nicht zu einem Längsriss.

Das folgende Diagramm veranschaulicht diesen Mechanismus: die Erstarrungsfront, die dem Schweißbrenner folgt, die Schrumpfspannung, die sich beim Abkühlen des Schweißbads über die Schweißnaht zieht, und die resultierende Rissöffnung an der Mittellinie, wo sich diese Spannung konzentriert.

Erstarrungsschrumpfungsspannung ist ein Grundzustand jeder Schweißnaht - sie kann nicht vollständig beseitigt, sondern nur kontrolliert werden. Aber ein zweiter Faktor verwandelt gewöhnliche Schrumpfspannung viel leichter in einen tatsächlichen Riss: das Vorhandensein von Verunreinigungen mit niedrigem -Schmelzpunkt-im Schweißgut und bei der Herstellung von spiralgeschweißten Rohren,Kupfer ist der häufigste Täter.

Kupfer gelangt aus einer unerwarteten Quelle in das Schweißbad: durch die dünne Kupferbeschichtung, die auf den Schweißdraht aufgetragen wird, um Oberflächenrost während der Lagerung zu verhindern und den elektrischen Kontakt und die Zuführung durch die Schweißausrüstung zu verbessern. Während der Draht mit hoher Geschwindigkeit durch die Kontaktspitze geführt wird, verschleißt die Reibung allmählich die Bohrung der Spitze und feine Kupferpartikel - sowohl von der Drahtbeschichtung als auch, bei verschlissenen Spitzen, von der Kupferkontaktspitze selbst - blättern ab und werden in das Flussmittel und den Lichtbogen getragen und gelangen schließlich in das geschmolzene Schweißbad.

Kupfer schmilzt bei einer weitaus niedrigeren Temperatur als Stahl. Wenn sich das Schweißbad verfestigt, verfestigt sich vorhandenes Kupfer nicht mit der Stahlmatrix -, es bleibt länger flüssig und scheidet sich an den Korngrenzen ab, wo es diese benetzt und schwächt. Dies ist eine Form vonVersprödung von flüssigem-Metall: Die Korngrenze, die bereits unter Zugspannung durch die normale Erstarrungsschrumpfung steht, widersteht dieser Spannung jetzt weitaus weniger, da Kupfer seinen Zusammenhalt beeinträchtigt hat. Das Ergebnis ist, dass Querrisse an kupferverunreinigten Grenzen bei Spannungsniveaus auftreten, die eine nicht verunreinigte Schweißnaht problemlos tolerieren würde.

Die Verhinderung von Querrissen ist keine Frage einer einzelnen Lösung -, sondern erfordert die Kontrolle sowohl der zugrunde liegenden Schrumpfspannung als auch der metallurgischen Verunreinigung, die die Schweißnaht dafür anfällig macht. In der Praxis läuft dies auf fünf Bereiche der Prozesssteuerung hinaus.

1. Auswahl der Schweißzusatzstoffe

Der Ausgangspunkt ist die Auswahl von Schweißdraht und Flussmittel mit einer zum Grundmaterial passenden Chemie und frei von übermäßig vielen schädlichen Spurenelementen. Durch die sorgfältige Auswahl der Verbrauchsmaterialien wird der Grundwert der in das Schweißbad gelangenden Verunreinigungen von vornherein reduziert, was die Wahrscheinlichkeit von Querrissen verringert, unabhängig davon, was sonst noch im weiteren Verlauf des Prozesses geschieht. Dies ist eine Entscheidung, die getroffen wird, bevor überhaupt mit dem Schweißen begonnen wird, und sie legt die Obergrenze dafür fest, wie sauber das Schweißgut möglicherweise sein darf. - Eine schlechte Wahl der Verbrauchsmaterialien kann durch keine nachgeschaltete Prozesskontrolle vollständig kompensiert werden.

2. Abschrägungsdesign und Durchdringungskontrolle

Die Rillen- oder Fasengeometrie an der Schweißverbindung hat direkten Einfluss darauf, wie viel Schweißgut aufgetragen wird und wie sich das Erstarrungsmuster entwickelt. Der allgemeine Grundsatz besteht darin, die innere Schweißnahtfase nach Möglichkeit zu reduzieren, ohne dabei die Eindringtiefe zu beeinträchtigen, die die Verbindung tatsächlich benötigt. Eine kleinere Innenfase in Kombination mit einer ausreichenden Eindringtiefe führt zu einem kleineren Schweißbadvolumen und einem kürzeren Erstarrungsweg, was beides das Ausmaß der Schrumpfspannung verringert, die sich beim Abkühlen der Schweißnaht entwickelt. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, ist eine enge Abstimmung zwischen dem Fasendesign und den tatsächlich auf der Linie verwendeten Schweißparametern (Strom, Spannung, Bewegungsgeschwindigkeit) erforderlich, da ein Fasendesign nicht isoliert von dem Prozess bewertet werden kann, mit dem es gekoppelt ist.

3. Präzisionsformung und Walzenausrichtung

Speziell bei spiralgeschweißten Rohren hat die Genauigkeit des Rollformprozesses, der das flache Band in den spiralförmigen Rohrkörper formt, einen direkten Einfluss auf die Restspannung, die an der Schweißverbindung vorhanden ist, bevor überhaupt mit dem Schweißen begonnen wird. Wenn die Bandkanten nicht in eine präzise Ausrichtung gebracht werden - konsistenter Spalt, konsistente Kantenhöhe, konsistente Krümmung passend zum vorgesehenen Rohrdurchmesser - muss die Schweißnaht zusätzlich zur normalen Erstarrungsschrumpfung eine geometrische Abweichung ausgleichen. Diese zusätzliche Restspannung verringert den verfügbaren Spielraum, bevor ein Querriss entsteht. Präzises Formen, in der Produktion manchmal auch als „Formabstimmung“ bezeichnet, reduziert diese Eigenspannung an der Quelle, anstatt zu versuchen, sie später in den Schweißparametern zu kompensieren.

4. Kontrolle des Schweißformfaktors

DerSchweißformfaktor- Das Verhältnis der Oberflächenbreite der Schweißraupe zu ihrer Eindringtiefe - hat einen direkten und gut-dokumentierten Zusammenhang mit der Rissanfälligkeit. Ein schmales, tiefes Schweißbad verfestigt sich, wobei die Körner von beiden Seiten steil nach innen wachsen und sich fast frontal an der Mittellinie treffen, wodurch sich die Schrumpfspannung entlang eines schmalen Bandes konzentriert. Ein breiteres, flacheres Schweißbad ermöglicht, dass die Körner in einem flacheren Winkel zur Mitte hin wachsen, wodurch die gleiche Gesamtschrumpfspannung über einen breiteren Bereich verteilt wird, anstatt sie zu konzentrieren.

Als praktisches Ziel wird im Allgemeinen der Schweißformfaktor beibehaltenüber 1(Wulstbreite größer als Eindringtiefe), um diese Spannungskonzentration gezielt zu vermeiden. Dies wird in erster Linie durch die Einstellungen von Schweißstrom, Spannung und Fahrgeschwindigkeit gesteuert und sollte im Rahmen der routinemäßigen Prozessqualifizierung überprüft werden und nicht allein aufgrund der nominalen Parametereinstellungen angenommen werden, da Elektrodenverschleiß, Flussmittelzustand und sogar die Umgebungstemperatur die tatsächlich an einem bestimmten Tag erzeugte Schweißnahtgeometrie verändern können.

5. Kontaktspitze und Kontrolle der Kupferverunreinigung

Da Kupferverunreinigungen im Verhältnis zu den tatsächlich auftretenden geringen Mengen ein so unverhältnismäßig schädlicher Faktor sind, verdienen sie spezielle Prozesskontrollen und dürfen nicht als Nebeneffekt der allgemeinen Qualität von Verbrauchsmaterialien behandelt werden. Dazu gehören die geplante Inspektion und der Austausch von Kontaktspitzen, bevor der Bohrungsverschleiß erheblich wird, die Überwachung des Drahtvorschubs auf sichtbare Abplatzungen oder eine Verschlechterung der Beschichtung und in einigen Fällen die Spezifikation von Drähten mit einer leichteren oder alternativen Oberflächenbehandlung, wenn die Kupferaufnahme ein wiederkehrendes Problem darstellt. Da dieser Verunreinigungspfad in der fertigen Schweißnaht weitgehend unsichtbar ist, bis tatsächlich ein Riss auftritt, ist dies einer der Bereiche, in denen vorbeugende Wartungsmaßnahmen wichtiger sind als reaktive Fehlerbehebung.

Für einen Käufer, der SSAW- oder andere geschweißte Rohre bezieht, sind Querrisse in einem Standardwerkszertifikat weitgehend unsichtbar, es sei denn, sie haben sich bereits zu einem erkennbaren Defekt entwickelt, der durch zerstörungsfreie Prüfungen erkannt wurde - und zu diesem Zeitpunkt ein Abschnitt bereits abgelehnt oder repariert wurde, was zu einem höheren Kosten- und Terminrisiko für den Auftrag führt. Der zuverlässigere Ansatz besteht darin, zu bewerten, ob die Prozesskontrollen eines Lieferanten eine Querrissbildung überhaupt unwahrscheinlich machen. Die folgenden Punkte sollten vor der Bestellung bestätigt werden, insbesondere bei größeren oder anspruchsvolleren Projekten:

• Fragen Sie, wie der Schweißformfaktor überwacht und nicht nur eingestellt wird.Ein Lieferant, der beschreiben kann, wie das Verhältnis von Raupenbreite-zu-Tiefe tatsächlich während der Produktion gemessen und überprüft wird -, anstatt einfach ein Zielparameterblatt zu zitieren -, demonstriert echte Prozesskontrolle und nicht eine Papierspezifikation.
• Erkundigen Sie sich nach den Austauschintervallen der Kontaktspitzen und den Vorgehensweisen bei der Kabelhandhabung.Ein Lieferant mit einem definierten vorbeugenden{0}Wartungsplan für Stromdüsen und einer kontrollierten Lagerung/Handhabung von Schweißdraht zur Vermeidung von Beschichtungsschäden geht proaktiv gegen den Pfad der Kupferverunreinigung vor, anstatt erst auf Fehler zu reagieren, nachdem sie aufgetreten sind.
• Bestätigen Sie vor dem Schweißen, welche Form-/Ausrichtungstoleranzen eingehalten werdenDies gilt insbesondere für spiralgeschweißte Rohre, da die Ausrichtung der Bandkanten vor dem Schweißdurchgang einen direkten Einfluss auf die Restspannung an der Verbindung hat.
• Fordern Sie die tatsächliche Abdeckung der zerstörungsfreien-Schweißnaht anBei -vollständigen-Tests werden Probleme erkannt, die ein Stichprobenprüfsystem übersehen kann, und das ist bei Rissfehlern wichtiger als bei den meisten anderen Qualitätsmerkmalen, da sich ein Riss, der der Erkennung entgeht, unter Betriebslast ausbreiten kann, lange nachdem das Rohr das Werk verlassen hat.
• Fragen Sie, ob die Schweißparameter pro Produktionslauf qualifiziert sind oder statisch angenommen werden.Da sich die Schweißnahtgeometrie und die Schweißnahtqualität mit der Zeit aufgrund von Elektrodenverschleiß, Flussmittelzustand und anderen Variablen ändern können, bietet ein Lieferant, der die Parameter regelmäßig neu qualifiziert -, anstatt eine anfängliche Verfahrensqualifizierung als dauerhaft zu behandeln -, eine gleichmäßigere Rissbeständigkeit über die gesamte Bestellung hinweg und nicht nur über die ersten produzierten Längen.
• Sofern die Projektspezifikation dies zulässt, fordern Sie Produktionsdaten oder Beispiele aus früheren Bestellungen mit ähnlichem Durchmesser und ähnlicher Wandstärke an, da die Rissanfälligkeit sowohl von der Rohrgeometrie als auch von den Prozessparametern beeinflusst wird und die Erfolgsbilanz eines Lieferanten bei vergleichbaren Größen ein direkterer Indikator ist als allgemeine Aussagen über Qualitätssysteme.

Querrisse sind letztendlich ein kontrollierbarer Fehler und kein inhärentes Risiko des Schweißprozesses -, aber ihre Kontrolle erfordert die Beachtung von Details, die nicht in einem Standardspezifikationsblatt aufgeführt sind: Raupengeometrie, Zustand der Kontaktspitze und Formgenauigkeit, alles zusammen mit einer fundierten Auswahl der Verbrauchsmaterialien. Käufer, die in der Qualifizierungsphase nach diesen Einzelheiten fragen, anstatt sich ausschließlich auf die Ergebnisse chemischer und mechanischer Tests zu verlassen, sind viel besser in der Lage, die zeitlichen und finanziellen Auswirkungen einer rissbedingten Ablehnung später im Projekt zu vermeiden.

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