溶接鋼管の横割れ：根本原因と予防

亀裂は依然として溶接パイプの製造で遭遇する最も深刻な欠陥の 1 つであり、寸法の偏差や表面の傷とは異なり、最も許容度の低い欠陥の 1 つでもあります。- 溶接シームの亀裂は、使用負荷の下で伝播し、完全な故障につながる可能性がある構造的欠陥です。溶接パイプの亀裂は一般に、溶接線に対する亀裂の方向によって次の 2 つのカテゴリに分類されます。縦亀裂、溶接シームと平行に走る、そして横亀裂、それを横切る。この記事では、特に横方向の亀裂 - に焦点を当て、それが形成される理由と、それを防ぐために生産者が制御する必要があるもの、特にスパイラル (SSAW) 溶接パイプ。らせん状の継ぎ目の形状により、関連する一般的な溶接冶金に独自の考慮事項が追加されます。

溶接パイプの横亀裂は、溶接後ではなく、溶接金属自体の凝固および結晶化中に最も一般的に形成されます。溶融溶接プールが冷えるにつれて、溶接プールの外縁から中心線に向かって内側に向かって徐々に凝固し、粒子が熱流の方向に成長します。この凝固には体積収縮が伴います - 金属は、液体から固体に移行するときに占める空間が小さくなり、室温に向かってさらに冷えるにつれて収縮し続けます。

その収縮が生み出すのは、引張応力溶接部に沿って、周囲の母材とすでに凝固した溶接金属が収縮に抵抗するため、発生する応力は溶接部の中心線に最も集中します。溶接部の中心線は、最後の液体金属が凝固し、プールの両側の粒界がほぼ正面から接する場所です。-結晶粒構造が好ましくないため、有害な微量元素によって結晶粒界が弱くなったため、またはプロセス制御が不十分で応力自体が必要以上に高いため、その中心線領域が引張応力に対応できない場合-、溶接方向に対して垂直に亀裂が開きます。この垂直な方向こそが、縦方向の亀裂ではなく横方向の亀裂となるのです。

以下の図は、このメカニズムを示しています。溶接トーチの後を追う凝固フロント、プールが冷えるにつれて溶接線を横切る収縮応力、その応力が集中する中心線に生じる亀裂の開口部です。

凝固収縮応力はあらゆる溶接のベースライン条件です - 完全に排除することはできず、管理するだけです。しかし、第 2 の要因は、通常の収縮応力を実際の亀裂にはるかに容易に変換させます。それは、溶接金属およびスパイラル溶接パイプの製造における低-融点-不純物の存在です。銅は最も一般的な犯罪者です.

銅は予期せぬ発生源から溶接池に入ります。これは、保管中の表面の錆を防止し、電気接触と溶接装置への給電を改善するために溶接ワイヤに塗布される薄い銅のコーティングです。ワイヤがコンタクトチップを高速で通過すると、摩擦によってチップの内径が徐々に摩耗し、ワイヤのコーティングから、および磨耗したチップでは銅コンタクトチップ自体からの銅の微粒子 - が剥がれ落ち、フラックスとアークの中に運ばれ、最終的に溶融池に到達します。

銅は鉄よりもはるかに低い温度で溶けます。溶接池が凝固するにつれて、存在する銅はバルク鋼母材と一緒に凝固せず-、より長く液体のままで粒界に偏析し、そこで濡れて弱体化させます。これは次の形式です液体-金属脆化: 粒界は、通常の凝固収縮によってすでに引張応力を受けていますが、銅の凝集力が損なわれているため、その応力に対する抵抗力がはるかに低くなります。その結果、銅で汚染された境界に、汚染されていない溶接部であれば問題なく耐えられる応力レベルで横方向の亀裂が発生します。{1}

横方向の亀裂を防ぐには、単一の修正だけで解決できるわけではありません。- 根底にある収縮応力と、溶接部を脆弱にする金属汚染の両方を制御する必要があります。実際には、これはプロセス制御の 5 つの領域に集約されます。

1. 溶接消耗品の選定

出発点は、母材に適した化学的性質を持ち、過剰な有害な微量元素を含まない溶接ワイヤとフラックスを選択することです。消耗品を慎重に選択すると、そもそも溶接池に入る不純物の基準レベルが低下し、プロセスの下流で他に何が起こったとしても、横方向の亀裂の可能性が低くなります。これは溶接を開始する前に行われる決定であり、溶接金属をどの程度きれいにできるかについての上限を設定します - 下流のプロセス制御をどれだけ行っても、不適切な消耗品の選択を完全に補うことはできません。

2. ベベル設計と貫通制御

溶接接合部の溝またはベベルの形状は、溶接金属の堆積量と凝固パターンの進行に直接影響します。ここでの一般原則は、実際に接合部に必要な溶け込み深さを犠牲にすることなく、可能な限り内部溶接ベベルを減らすことです。内部ベベルが小さくなり、適切な溶け込みが組み合わされると、溶接池の体積が小さくなり、凝固経路が短くなり、どちらも溶接部が冷えるにつれて発生する収縮応力の大きさが減少します。このバランスを適切に保つには、ベベル設計と、実際にラインで使用される溶接パラメータ (電流、電圧、移動速度) との間の緊密な調整が必要です。これは、ベベル設計を、それが組み合わされているプロセスから切り離して評価することができないためです。

3. 精密成形とロールアライメント

特にスパイラル-溶接パイプでは、平らなストリップを螺旋状のパイプ本体に成形するロール成形プロセスの精度が、溶接を開始する前に溶接継手に存在する残留応力に直接影響します。-ストリップのエッジが正確に位置合わせされていない場合-、目的のパイプ直径に一致する一貫したギャップ、一貫したエッジ高さ、一貫した曲率-、溶接は通常の凝固収縮に加えて幾何学的不一致に対応する必要があります。追加された残留応力により、横亀裂が始まる前に利用できるマージンが減少します。生産現場では「形状調整」とも呼ばれる精密な成形により、後から溶接パラメータで残留応力を補正しようとするのではなく、発生源でのこの残留応力が軽減されます。

4. 溶接フォームファクターの制御

の溶接フォームファクター- 溶接ビードの表面幅と溶け込み深さの比 - は、亀裂の感受性と直接かつ十分に文書化された関係があります。-狭くて深い溶接池が凝固し、粒子が両側から内側に向​​かって急に成長し、中心線でほぼ正面からぶつかり、狭い帯に沿って収縮応力が集中します。-より広く浅い溶接池により、結晶粒がより浅い角度で中心に向かって成長し、同じ全体的な収縮応力が集中するのではなく、より広い領域に分散されます。

実際的な目標として、溶接フォームファクターは通常維持されます。1以上(ビード幅が浸透深さよりも大きい)、特にこの応力集中を避けるためです。これは主に溶接電流、電圧、移動速度の設定によって制御されます。電極の摩耗、フラックスの状態、さらには周囲温度によっても、その日に製造される実際のビードの形状が変化する可能性があるため、公称パラメータ設定だけから推測するのではなく、日常的なプロセス認定の一部として検証する必要があります。

5. コンタクトチップと銅の汚染管理

銅の汚染は、実際に含まれる少量に比べて非常に有害な要因であるため、一般的な消耗品の品質の副作用として扱うのではなく、専用のプロセス管理が必要です。これには、ボアの磨耗が著しくなる前にコンタクトチップを定期的に検査および交換すること、目に見える剥離やコーティングの劣化がないかワイヤ供給を監視すること、場合によっては、銅のピックアップが繰り返し問題となっている場合には、より軽量なまたは代替の表面処理を施したワイヤを指定することが含まれます。この汚染経路は、実際に亀裂が現れるまで完成溶接ではほとんど目に見えないため、事後対応のトラブルシューティングよりも予防​​保守規律が重要な領域の 1 つです。

SSAW またはその他の溶接パイプを調達する購入者の場合、横方向の亀裂は、非破壊検査 - によって検出可能な欠陥にまで進行していて、その時点ですでにその長さが拒否または修理されている場合を除き、標準的な製造証明書ではほとんど目に見えないため、注文にコストとスケジュールのリスクが追加されます。{0}}より信頼性の高いアプローチは、サプライヤーのプロセス管理によって横方向の亀裂が発生しにくくなっているかどうかを評価することです。特に大規模または高仕様のプロジェクトの場合は、注文する前に次の点を確認する価値があります。-

• 溶接フォームファクターを設定するだけでなく、どのように監視するかを尋ねます。ビードの幅-と-の深さの比が製造中にどのように実際に測定され検証されるかを説明できるサプライヤーは、ターゲット パラメータ シート - を単に引用するのではなく、製造中に実際に測定および検証される方法を説明できます。- は、紙上の仕様ではなく実際のプロセス管理を実証していることになります。
• コンタクトチップの交換間隔とワイヤの取り扱い方法について質問してください。コンタクト チップの予防メンテナンス スケジュールを定め、コーティングの損傷を避けるために溶接ワイヤの保管と取り扱いを管理しているサプライヤーは、欠陥が発生してから対応するのではなく、銅の汚染経路に積極的に取り組んでいます。{0}
• 溶接前にどのような成形/位置合わせ公差が保持されているかを確認します特にスパイラル溶接パイプの場合、溶接パス前のストリップ エッジの位置合わせが接合部の残留応力に直接影響するためです。{0}}
• 溶接シームに適用される実際の非破壊検査範囲をリクエストします。-- の全長テストは、サンプリングされた検査体制では見逃す可能性のある問題を発見します。これは、他のほとんどの品質特性よりも、亀裂タイプの欠陥に対してより重要です。これは、検出を逃れた亀裂は、パイプが工場から出た後も長い間、使用負荷によって伝播する可能性があるためです。{2}}
• 溶接パラメータが生産実行ごとに認定されているのか、それとも静的であると想定されているのかを尋ねます。ビードの形状と溶接の品質は、時間の経過とともに電極の摩耗、フラックスの状態、その他の変数によって変化する可能性があるため、最初の手順の適格性を永続的なものとして扱うのではなく、パラメータを定期的に再適格性を再認定するサプライヤー - は、生産される最初の数本の長さだけでなく、注文全体にわたってより一貫した耐クラック性を提供します。
• プロジェクトの仕様で許可されている場合は、同様の直径と肉厚の生産データまたは以前の注文の例を依頼してください。なぜなら、亀裂の感受性はパイプの形状やプロセスパラメータの影響を受けるため、同等のサイズに関するサプライヤーの実績は、品質システムに関する一般的な主張よりも直接的な指標となるからです。

横割れは最終的には制御可能な欠陥であり、溶接プロセスに固有のリスクではありません-。しかし、これを制御するには、ビードの形状、コンタクトチップの状態、成形精度など、標準仕様書には記載されていない詳細に注意を払う必要があり、これらはすべて適切な消耗品の選択と連携して行われます。化学試験や機械試験の結果のみに依存するのではなく、認定段階でこれらの詳細について質問する購入者は、プロジェクト後半でのクラック関連の不合格によるスケジュールとコストへの影響を回避する上で、はるかに有利な立場にあります。-

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