Lasproces Friex voor automatisch lassen van pijpleidingen

Transcriptie

1 Lasproces Friex voor automatisch lassen van pijpleidingen Koen Faes - Belgisch Instituut voor Lastechniek Eric Van Der Donckt - Denys NV Inleiding Afgelopen jaar werd de eerder ontwikkelde lasmethode voor het automatisch lassen van pijpleidingen verder onderzocht. Dit onderzoek wordt uitgevoerd door de firma Denys NV, en verloopt in samenwerking met het Belgisch Instituut voor Lastechniek en het Labo Soete van de universiteit Gent en met steun van het Vlaamse gewest (IWT). Werkingsprincipe van de nieuwe lasmethode Het onderzoek heeft tot doel een nieuwe variant van het wrijvingslasproces te ontwikkelen voor het volledig automatisch lassen van pijpleidingen. Vermits pijpstukken tot 18 meter lang kunnen zijn en dus om praktische redenen niet geroteerd kunnen worden en bijgevolg niet gelast kunnen worden met het conventionele wrijvingslasproces, werd een nieuwe variant ontwikkeld. Bij deze nieuwe variant wordt - in tegenstelling tot het conventionele wrijvingslasproces - niet één, doch de twee te lassen componenten ingeklemd en axiaal verschuifbaar gemonteerd op geleidingen. Bij het nieuwe procedé wordt gebruik gemaakt van een ringvormig toevoegmateriaal, hier de lasschijf genaamd. De lasschijf wordt tussen de twee dwarsdoorsneden van de te verbinden pijpen geplaatst. De nodige laswarmte wordt gegenereerd door de lasschijf wrijvend te laten roteren tussen de uiteinden van de te lassen pijpen. De toegevoerde energie aan het roterend deel wordt omgezet in warmte. Eens de laszone voldoende is opgewarmd wordt de finale explosieve smeedkracht axiaal aangebracht, na het afremmen tot stilstand van de lasschijf. Na afloop van de lascyclus worden de lasbramen en de restanten de lasschijf verwijderd via een geautomatiseerde freesbewerking., Figuur 1 : Principe van de nieuwe variant van het wrijvingslasproces Een voorbeeld van een lasverbinding wordt getoond in Figuur 2. Het betreft hier een verbinding van twee vierduimse pijpen (D uit = 114,3 mm) met een wanddikte van 8,5 mm. Dergelijke verbindingen worden uitgevoerd in een zeer korte tijdspanne : de duur van de wrijvings- en de smeedfase bedraagt respectievelijk 20 en 10 sec. De totale procesduur bedraagt dus ongeveer 30 sec., exclusief het in- en ontklemmen. 2.doc p. 1 / 7

2 Figuur 2 : Voorbeeld van een lasverbinding (D uit : 114,3 mm; wanddikte : 8,5 mm) Onderzoek naar de lasbaarheid van de conventionele pijpleidingsstaalsoorten Het nieuwe lasproces werd in het verleden reeds uitvoerig onderzocht voor het verbinden van korte pijpstukken met diameters tot maximaal 114,3 mm. Een middelgrootschalige proefopstelling werd hiervoor ontworpen en gebouwd, geschikt voor het lassen van dit soort pijpen. De invloed van de lasparameters op de eigenschappen van de verbindingen werd onderzocht voor het lassen van de conventioneel gewalste C-Mn-pijpleidingsstalen zoals API-5L X42 en X52, waarbij de microstructuur opgebouwd is uit een genormaliseerde ferriet-perliet structuur. Bij het uitvoeren van de lasexperimenten is gebleken dat de kwaliteit sterk afhankelijk is van de procesparameters, met in het bijzonder de kerftaaiheid. De lasparameters bepalen immers de duur van de wrijvingsfase, en dus de warmte-inbreng. Om dit in kaart te brengen werden lasexperimenten uitgevoerd waarbij de invloed van de parameters op de kwaliteit van de lasverbinding bestudeerd werd. Er werd hoofdzakelijk gebruik gemaakt van drie- en vierduimse pijpen (88,9 en 114,3 mm buitendiameter) met wanddiktes van tussen 5 en 10 mm. Voor het beoordelen van de lassen werd de vaak gebruikte norm aangewend EN 12732, "Gasvoorzieningsystemen - Lassen van stalen leidingen - Functionele eisen". Hierin worden de eisen beschreven voor de realisatie van lasverbindingen in on-shore pijpleidingen bestemd voor het transport van gas. Voor het lassen van deze pijpen werd een lasschijf met een compatibele microstructuur gebruikt en werden de kritische afmetingen van de lasschijf bepaald. Lasverbindingen met voldoende sterkte en (kerf)taaiheid werden gerealiseerd, die voldeden aan de eisen gesteld in EN Voor het behalen van goede eigenschappen van de las is het noodzakelijk dat de parameters binnen bepaalde grenswaarden gekozen worden. Het onderzoek naar de optimale parameters is complex, vermits de kwaliteit van de las beïnvloed wordt door alle procesparameters en er een wederzijdse beïnvloeding bestaat tussen de parameters onderling. Zo moet bijvoorbeeld de dikte van de lasschijf aangepast worden wanneer er gelast wordt met een hogere of lagere wrijvingsdruk. Veel aandacht werd besteed aan de invloed van de materiaalkeuze en de vorm en afmetingen van de lasschijf. Bij het wrijvingslassen van ongelijkvormige werkstukken (hier : een pijp aan een 2.doc p. 2 / 7

3 schijf) wijzigt immers de warmte-inbreng ten opzichte van het geval van het lassen van gelijkvormige werkstukken. In het stuk met de grootste afmetingen speelt eveneens het ondersteunende effect van het nabij gelegen koudere materiaal een rol. De kans bestaat dat een deel van de toegevoerde warmte afgevoerd wordt door het heat-sink -effect in het werkstuk met de grootste massa. Een gevolg is dat in vergelijking met het lassen van werkstukken met gelijke doorsneden de lasparameters aangepast moeten worden, zoniet kunnen bijvoorbeeld lasfouten optreden, zoals bindingsfouten tengevolge van een onvoldoende warmte-inbreng. Deze studie bracht aan het licht dat de vorm, afmetingen en materiaalsoort van de lasschijf een zeer grote invloed uitoefent op de kwaliteit van de lasverbindingen. De dikte van de lasschijf beïnvloedt de mechanische eigenschappen, zoals de kerftaaiheid (zie Figuur 3). Figuur 4 toont het uiterlijk van een las bij gebruik van een lasschijf met onaangepaste dikte (links), en een met voldoende dikte (rechts). Bij onvoldoende dikte van de lasschijf bestaat de kans op het ontstaan van oververhitte microstructuren, met een lage kerftaaiheid tot gevolg. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 5. Kerftaaiheid bij -20 C (J) Kerftaaiheid bij het lassen van drieduimse pijpen Pijpmat. : API-5L X42 - Schijfmat. : P355NL1 Pijpdiameter : 88,9 mm - Wanddikte : 7,6 mm ,0E+04 4,5E+04 5,0E+04 5,5E+04 6,0E+04 6,5E+04 7,0E+04 7,5E+04 Volume centraal gedeelte lasschijf (mm 3 ) Figuur 3 : Kerftaaiheid in functie van de afmetingen van de lasschijf Fusielijn links Fusielijn rechts Lasschijf 2.doc p. 3 / 7

4 Figuur 4 : Te geringe schijfdikte (links) t.o.v. een voldoende schijfdikte (rechts) Figuur 5 : Microstructuur ter hoogte van de fusielijn in de verbindingen geïllustreerd in Figuur 4 Verdere ontwikkeling en verfijning van de eindige elementen modellen De reeds ontwikkelde eindige-elementen modellen (door de universiteit in Graz, Oostenrijk) van het lasproces werden verder verfijnd. Een model werd opgebouwd door de nieuwe partner (Cenaero uit Charleroi) waarmee simulaties van het lasproces kunnen uitgevoerd worden en lasparameters voorspeld kunnen worden. Aan de hand van het model werden de volgende taken uitgevoerd : - bepaling van de vorm en afmetingen van de lasschijf, - de extrapolatie van proefresultaten van kleine naar grote diameters en het onderzoek van de invloed van de gewijzigde verhouding van wanddikte t.o.v. de diameter. 2.doc p. 4 / 7

5 Figuur 6 : Eindige-elementen simulaties van het lasproces Door de reeds gedane onderzoeksinspanningen door beide onderzoekscentra is het momenteel mogelijk om de lasparameters te voorspellen voor het lassen van pijpen in verschillende afmetingen en uit verschillende pijpleidingsstalen. Hiermee zal het mogelijk zijn het experimenteel werk te beperken, aangezien voor aanvang van de lasproeven meer gerichte keuzes kunnen gemaakt worden van het te verwachten parameterinterval. Onderzoek naar de lasbaarheid van de moderne microgelegeerde hoogsterkte pijpleidingsstalen (TMCP-stalen) De tot dusver gebruikte staalsoorten tijdens de lasproeven waren de conventionele C-Mn-stalen, in genormaliseerde toestand. Deze staalsoorten bereiken maximaal een vloeigrens van 350 MPa en hebben een ferriet-perliet structuur, geproduceerd via het conventionele walsproces. De moderne microgelegeerde pijpleidingsstalen daarentegen hebben een zeer laag koolstofgehalte (0,03-0,06%) en zijn gelegeerd met voornamelijk Mn, Mo, Nb, V en Ti. Mn en Mo bevorderen de vorming van bainiet, terwijl Nb, V en Ti nodig zijn voor het bekomen van een zeer fijne microstructuur. Deze staalsoorten worden vervaardigd via het TMCP-walsproces (gecontroleerd walsen met versnelde afkoeling) en bezitten vaak een bainitische microstructuur. Voor de zeer hoge-sterkte staalsoorten (X100) is zelfs een bepaalde hoeveelheid martensiet noodzakelijk. Figuur 7 toont een overzicht van de bestaande pijpleidingsstaalsoorten, samen met de belangrijkste legeringselementen en de microstructuren. In deze figuur worden eveneens de gebruikte processen vermeld voor het behalen van de sterkte en taaiheid. 2.doc p. 5 / 7

6 Figuur 7 : Schematische voorstelling van de bestaande pijpleidingsstalen, met de processen en de aanwezige microstructuren om de gewenste sterkte en taaiheid te behalen De haalbaarheid van het lassen van de moderne microgelegeerde pijpleidingsstaalsoorten werd met succes aangetoond aan de hand van fysische lassimulaties. De experimenten werden uitgevoerd met drie verschillende materialen. Op basis van deze simulatieproeven werd de toelaatbare lastijd en afkoeltijd vastgelegd. Deze gegevens verschaften een eerste indicatie aangaande het parametervenster (lastijd) en de toelaatbare afkoeltijden. Nadien zullen met behulp van een grootschalige proefopstelling lasproeven uitgevoerd worden met de pijpleidingsstalen API-5L X60 en X70. Gezien de specifieke eigenschappen van deze pijpleidingsstaalsoorten is immers nog bijkomend onderzoek noodzakelijk voor : - de extrapolatie van de lasparameters naar andere afmetingen, - de optimalisatie van de lasparameters en de bepaling van het parametervenster voor het verbinden van pijpen met grote diameter, - het bepalen van een geschikt schijfmateriaal voor het lassen van deze materialen, en de optimalisatie van de afmetingen van de lasschijf. Deze kennis zal eveneens dienen als grondige basis voor de kwalificatie van het lasproces, met het oog op het toepassen van de techniek in de praktijk. Grootschalige proefopstelling Aangezien de microgelegeerde pijpleidingsstaalsoorten niet verkrijgbaar zijn voor diameters kleiner dan 12 duim (D uit = 323 mm) was het van belang een grootschalige proefopstelling te bouwen waarmee het onderzoek kan uitgevoerd worden met pijpen op ware schaal. In samenwerking met het labo Soete van de universiteit in Gent werd een grootschalige proefopstelling ontworpen voor het lassen van pijpen met een diameter van 8 tot 20 duim (D uit resp. gelijk aan 219 tot 504 mm). Hiervoor werd op basis van de kleinschalige proefresultaten geraamd dat een vermogen van 600 kw effectief beschikbaar moet zijn voor het aandrijven van de lasschijf. Gebaseerd op de literatuur en de reeds uitgevoerde kleinschalige lastesten is voor het garanderen van de lastechnische kwaliteit een contactdruk van 100 en 200 MPa noodzakelijk voor respectievelijk de wrijvings- en de smeeddruk. Om deze drukken te genereren werden hydraulische cilinders gebruikt die een drukkracht van 300 ton kunnen uitoefenen. Voor de aandrijving van de lasschijf werd gebruik gemaakt van 3 paren hydraulische motoren met aansluitende planetaire tandwielkasten die verdeeld over de grote transmissiekast van de lasmachine werden gemonteerd. De hydromotoren worden bekrachtigd met een aantal aandrijfaggregaten met een gezamenlijk vermogen van 800 kw. De proefopstelling is intussen afgewerkt en wordt getoond in Figuur 8. 2.doc p. 6 / 7

7 Figuur 8 : Grootschalige proefopstelling Conclusie Het baanbrekend volautomatisch lasproces Friex is het resultaat van acht jaar onderzoek met de steun van het I.W.T. en een intensieve samenwerking tussen Denys, het Belgisch Lasinstituut en Labo Soete van de Universiteit Gent. Het prototype van de lasmachine voor pijpen tot 500 mm is operationeel en zal in de komende maanden gebruikt worden voor het onderzoek naar de lasbaarheid van de moderne micro-gelegeerde hoogsterkte pijpleidingsstaalsoorten. 2.doc p. 7 / 7