JP2022081631A - 高マンガン鋼スラリーパイプラインのための現場での円周溶接技術 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年5月2日に出願された米国仮特許出願第62/330,415号の利益および優先権を主張するものであり、この仮特許出願の開示内容は、全体が参照により本明細書に援用される。
本開示は、溶接金属の分野に関する。より具体的には、本明細書は、高マンガン(Mn)鋼を接合および建設するのに必要とされる溶接金属を製造するための材料および方法を提供する。
採掘作業(オイルサンド鉱業を含む)における配管系は、液体またはスラリー中の硬い岩と砂粒子との混合物を、処理プラントに輸送し、瓦礫を採掘領域または貯蔵領域に循環させるのに使用される。現在のスラリー水力輸送パイプは、典型的に、低炭素の、パイプライングレードの鋼(例えば、API仕様5L X65またはX70グレード鋼)から作製される。これらのパイプは、かなりの磨損/侵食摩耗および腐食を受け、これは、壁損失を引き起こし、頻繁な修理および交換につながる。したがって、これらの配管系は、採掘プロジェクトの多大な運転コストの要因であることが多い。改良された侵食/磨耗/腐食耐性を有するパイプ材料を開発する大きな経済的誘因がある。
特定の態様において、本明細書は、円周突合せ溶接(girth butt welding)(例えば、高Mn鋼(又はハイMnスチール(high Mn steel))を高Mn鋼(又はハイMnスチール)に接合(又はジョイント(joining))することによって、侵食耐性高Mn鋼スラリーパイプ(又はエロージョン耐性ハイMnスチールスラリーパイプ(erosion resistant high Mn steel slurry pipe))を接合するのに十分な強度、十分な靱性(又はタフネス(toughness))、および高い侵食/腐食耐性(又はエロージョン/コロージョン耐性(erosion/corrosion resistance))を達成する溶接金属(又はウェルドメタル(weld metal))および使用方法を提供する。本開示は、その用途に好適な溶接微細構造(又はウェルドミクロ構造(weld microstructure))および機械的特性(又はメカニカル特性(mechanical properties))をもたらす、溶接金属化学(又はウェルドメタルケミストリー(weld metal chemistries))、溶接プロセス(又はウェルディングプロセス(welding processes))、および溶接(又はウェルディング(welding))の実施(又はプラクティス(practices))の制御(又はコントロール)を提供する。本開示の溶接金属(又はウェルドメタル)は、侵食耐性(又はエロージョン耐性)、高Mn鋼(又はハイMnスチール)またはER-HMSと呼ばれ得る。
約0.4~約0.8重量%の炭素、
約18.0~約24.0重量%のマンガン、
約6.0%以下のクロムの量のクロム、
約4.0重量%以下の量のモリブデン、
約5.0重量%以下の量のニッケル、
約0.4~約1.0%のケイ素、
約200ppm以下の量の硫黄、および
約200ppm以下の量のリン
を含む。
さらなる実施形態において、
約2重量%以下の量のチタン、
約5重量%以下の量のニオブ、
約5重量%以下の量のタングステン、
1重量%以下の量のアルミニウム、
約1.5重量%以下の量の窒素、
約0.1重量%以下のホウ素の量のホウ素、または
それらの組合せ
の少なくとも1つを含む、溶接金属特性(又はウェルドメタルプロパティ(weld metal properties))(例えば、強度)を高めるための他の元素が加えられ得る。溶接金属の残余(又は残余物又はバランス(balance))は、鉄、例えば、約75重量%を含む。
約0.4重量%~約0.8重量%の範囲の炭素、
約18重量%~約24重量%の範囲のマンガン、
約0重量%~約6重量%の範囲のクロム、
約4重量%以下の量のモリブデン、
約5重量%以下の量のニッケル、
約0.4重量%~約1.0重量%の量のケイ素、
約200ppm以下の量の硫黄、
約200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス)
を含む。
ガスメタルアーク溶接電源は、約2.5kJ/mm以下の溶接入熱を生成する。
特定の実施形態において、溶接用溶加材は、
約0.4重量%~約0.8重量%の範囲の炭素、
約18重量%~約24重量%の範囲のマンガン、
約6重量%以下の量のクロム、
約4重量%以下の量のモリブデン、
約5重量%以下の量のニッケル、
約0.4重量%~約1.0重量%の範囲のケイ素、
約200ppm以下の量の硫黄、
約200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス)
を含む。
溶接したままの状態で、約70ksiを超える降伏強度、
溶接したままの状態で、82.7ksiを超える極限引張強さ、
溶接したままの状態で、約16%を超える引張伸び、
溶接したままの状態で、-29℃で約27Jを超えるCVN、または
それらの組合せ
の少なくとも1つを有する。
以下の詳細な説明の節において、本開示の特定の実施形態は、好ましい実施形態に関連して説明される。しかしながら、以下の説明が、本開示の特定の実施形態または特定の使用に特有である程度に、これは、あくまでも例示のためであることが意図され、例示的な実施形態の説明を提供するに過ぎない。本開示は、後述される特定の実施形態に限定されず、むしろ、それは、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる全ての代替例、変更、および均等物を含む。
延性:破壊前にかなりの塑性変形を受ける材料の能力の尺度を意味し得るが、決してこれに限定されず;それは、伸び率(% EL)または面積減少率(% AR)として表され得る。
一態様において、本明細書は、滑らかな制御された溶接アークおよび溶接プールを適切に生成するのに十分な電源電流波形制御による最近のガスメタルアーク溶接(GMAW)プロセスを用いて適用されるオーステナイト溶接金属を提供する。これにより、溶接金属およびHMSベースメタル熱影響部の両方において好適な強度、好適な低温靱性、高い侵食/腐食耐性を同時に達成することが可能な高Mn鋼パイプライン円周溶接に有用なオーステナイト微細構造、および低い欠陥率を有する溶接物が製造される。本開示の実施形態は、良好な溶接性を得るが、これは、良好な溶接プール流動性、アーク安定性(「滑らかな」アーク)、ベースメタルとの接合部における溶接プールの良好な濡れ性、および良好なビード溶け込み形状を含む一連の特性を指し、これらは全て、溶接欠陥を減少させることを目的としている。
特定の実施形態において、本開示に記載される高Mn鋼溶接金属は、例えば、スラリーパイプ用途に使用されるベースメタル高Mn鋼と同様の機械的特性および侵食/腐食特性を有する。したがって、ER-HMS溶接金属は、例えば、スラリーパイプ用途のためのベースメタル高Mn鋼と同様の微細構造および同様の歪み誘起変態挙動を有し得る。従来の炭素鋼と異なり、高Mn鋼の微細構造は、室温で面心立方(fcc)構造を有する準安定オーステナイト相を有し得る。
一実施形態において、現場での高Mn鋼建設(例えば、スラリーパイプライン建設)では、ER-HMS溶接は、好ましくは、GMAWに基づくプロセス、特に、PGMAWを用いて行われるが、所定の化学的性質および微細構造が達成され、溶接性がその用途に十分である限り、他のプロセスが使用され得る。高度なパルス溶接電源が、ER-HMS現場建設のための良好な溶接性を達成するのに重要である。これらの電源のいくつかの例は、the Fronius TransSynergic 3200、the Lincoln Power Wave 455、およびthe Miller PipePro 450である。
微細構造、相変態、および特性に対するこれらの合金元素の影響の理解に基づいて、適切なER-HMS溶接金属化学が、その用途のために設計され得る。消耗品化学の適切な選択は、計算された材料特性予測を用いたスクリーニングによって容易にされ得る。計算された相図は、元素濃度範囲にわたって主な材料特性を予測するのに使用され得る。多くの可能な合金元素および濃度範囲を有する、ER-HMS溶接金属化学のような場合、独立変数および従属変数を分析するために実験手法の計画を用いるのが有益である。このタイプの要因計画手法の例は、表1に示されるように、それぞれ3つの濃度における8つの変数(合金元素)であり、これにより、38すなわち6,561の実験条件(組成物)が得られる。
実験的ER-HMS消耗品を、溶接を製造し、機械的特性、溶接性、および侵食耐性を試験することによって評価した。ER-HMS評価溶接を、侵食耐性HMSベースメタルの(プレートまたはパイプの)突合せ溶接として作製した。突合せ溶接を、以下のMCAW条件下で行った:26~30Vのアーク電圧、アーク電流140~180A、直径1.2mmの溶加ワイヤで250~300ipmのワイヤ送給、80のAr/20のCO2で45cfhのシールドガス流量、ならびにルートおよびフィルパスの両方について0.74~1.1kJ/mmの入熱。
新規なER-HMS溶接金属は、円周突合せ溶接によって侵食耐性HMSスラリーパイプを接合するのに必要な強度、靱性、および高い侵食/腐食耐性を提供することができる。これらの特性要件を満たすのに必要な微細構造は、溶接金属化学および溶接プロセスパラメータの適切な制御によって達成される。
新規なER-HMS溶接金属は、円周突合せ溶接によって侵食耐性HMSスラリーパイプを接合するのに必要な溶接性を提供することができる。この溶接性は、溶接金属化学、溶接プロセスパラメータ、および/または溶接継ぎ手設計の適切な制御によって達成される。
図12は、図2Aに示されるように、開先を有する一実施形態に係るER-HMS溶接についての例示的な溶接ビードシーケンスを示す。この実施形態において製造されるER-HMS溶接マクロの例が、図13に示され、ER-HMS溶接金属の光学顕微鏡写真の例が、図14に示される。表6は、図2Aおよび10~12に関して記載されるように適用される1Gパイプ円周溶接からのASME Section IX試験結果の概要である。機械化MCAWを、以下の条件下で行った:50cfhの流量としての80のAr/20のCO2シールドガス、ルートについて20~22Vおよびフィルについて24~31Vのアーク電圧、ルートについて150~165Aおよびフィルについて210~265Aのアーク電流、1.2mmの直径を有する溶加ワイヤ、ルートについて230ipmおよびフィルについて296~441ipmのワイヤ送給、およびルートについて0.9~1.02kJ/mmおよびフィルについて0.6~0.93kJ/mmの入熱。
一態様によれば、本開示は、高マンガン鋼ベースメタル(又はハイマンガンスチールベースメタル(high manganese steel base metal))のための溶接組成物(又はウェルディング組成物(welding composition))を提供し、当該溶接組成物は、
0.4重量%~0.8重量%の範囲の炭素、
18重量%~24重量%の範囲のマンガン
6重量%以下の量のクロム
4重量%以下の量のモリブデン
5重量%以下の量のニッケル
0.4重量%~1.0重量%の量のケイ素
200ppm以下の量の硫黄
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス(balance))
を含む。
2重量%以下の量のチタン、
5重量%以下の量のニオブ、
5重量%以下の量のタングステン、
1.0重量%以下の量のアルミニウム、
0.1重量%以下の量のホウ素、および/または
1.5重量%以下の量の窒素
をさらに含む。
上記消耗品ワイヤ電極は、
0.4重量%~0.8重量%の範囲の炭素、
18重量%~24重量%の範囲のマンガン、
6重量%以下の量のクロム、
4重量%以下の量のモリブデン、
5重量%以下の量のニッケル、
0.4重量%~1.0重量%の範囲のケイ素、
200ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス)
を含む溶接物(又はウェルドメント(weldment))を生成し、
上記ガスメタルアーク溶接電源が、2.5kJ/mm以下の溶接入熱(又はウェルディングヒートインプット(welding heat input))を生成する。
溶接される少なくとも2つの高Mn鋼ベース(又はハイMnスチールベース(high Mn steel base))と、溶接物(又はウェルドメント)とを提供すること(又は工程又はステップ)、および
溶接用溶加材(又はウェルディングフィラーマテリアル(welding filler material))を溶融(又はメルティング(melting))および冷却(又はクーリング(cooling))して、溶着物(又はウェルドデポジット)を生成すること(又は工程又はステップ)
を含み、
上記溶接物(又はウェルドメント)が、
0.4重量%~0.8重量%の範囲の炭素、
18重量%~24重量%の範囲のマンガン、
6重量%以下の量のクロム、
4重量%以下の量のモリブデン、
5重量%以下の量のニッケル、
0.4重量%~1.0重量%の範囲のケイ素、
200ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス)
を含む。
溶着物(又はウェルドデポジション(weld deposition))は、溶接したままの状態(as-welded condition)で、高マンガン鋼ベースの降伏強度(yield strength)を超えるか、または所要の(又は求められる)最小降伏強度(minimum yield strength)を超える、降伏強度を有し、
溶着物は、溶接したままの状態で、70ksiを超える降伏強度を有し、
溶着物は、溶接したままの状態で、82.7ksiを超える極限引張強さ(ultimate tensile strength)を有し、
溶着物は、溶接したままの状態で、16%を超える引張伸び(tensile elongation)を有し、そして/または
溶着物は、溶接したままの状態で、7%の歪み(又はストレイン(strain))で40℃~170℃の凝固割れ温度範囲(solidification cracking temperature range)を有する。
Claims (15)
- 高マンガン鋼ベースメタルのための溶接組成物であって、
0.4重量%~0.8重量%の範囲の炭素、
18重量%~24重量%の範囲のマンガン、
6重量%以下の量のクロム、
4重量%以下の量のモリブデン、
5重量%以下の量のニッケル、
0.4重量%~1.0重量%の量のケイ素、
200ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む、組成物。 - 2重量%以下の量のチタン、
5重量%以下の量のニオブ、
5重量%以下の量のタングステン、
1.0重量%以下の量のアルミニウム、
0.1重量%以下の量のホウ素、
1.5重量%以下の量の窒素、または
それらの組合せ
の少なくとも1つをさらに含む、請求項1に記載の組成物。 - オーステナイト微細構造を有する、請求項1または2に記載の組成物。
- 前記オーステナイト微細構造が、硬質α’-マルテンサイトに変態し、歪みを加えると微細双晶化を起こす、請求項3に記載の組成物。
- 侵食/腐食耐性高マンガン溶接を提供するためのシステムであって、前記システムが、消耗品ワイヤ電極と、ガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源とを含み、
前記消耗品ワイヤ電極が、
0.4重量%~0.8重量%の範囲の炭素、
18重量%~24重量%の範囲のマンガン、
6重量%以下の量のクロム、
4重量%以下の量のモリブデン、
5重量%以下の量のニッケル、
0.4重量%~1.0重量%の範囲のケイ素、
200ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む溶接物を生成し、
前記ガスメタルアーク溶接電源が、2.5kJ/mm以下の溶接入熱を生成する、
システム。 - 前記溶接入熱が、0.6~1.0kJ/mmの範囲である、請求項5に記載のシステム。
- 少なくとも1つのシールドガスを提供するための装置をさらに含み、前記少なくとも1つのシールドガスが、10%~30%の範囲のCO2を含む、請求項5または6に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのシールドガスが、80%のアルゴンおよび20%のCO2を含む、請求項7に記載のシステム。
- 侵食/腐食耐性高Mn鋼の溶着物を製造する方法であり、
溶接される少なくとも2つの高Mn鋼ベースと、溶接物とを提供すること、および
溶接用溶加材を溶融および冷却して溶着物を生成すること
を含み、前記溶接物が、
0.4重量%~0.8重量%の範囲の炭素、
18重量%~24重量%の範囲のマンガン、
6重量%以下の量のクロム、
4重量%以下の量のモリブデン、
5重量%以下の量のニッケル、
0.4重量%~1.0重量%の範囲のケイ素、
200ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む、方法。 - 溶融が、2.5kJ/mm以下の溶接入熱を、前記溶接用溶加材に提供することを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの高Mn鋼ベースが、溶接される部分を含み、前記部分が、30°~37.5°の開先を含む、請求項9または10に記載の方法。
- 前記溶着物が、溶接したままの状態で、高マンガン鋼ベースの降伏強度を超えるか、または所要の最小降伏強度を超える、降伏強度を有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、70ksiを超える降伏強度を有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、82.7ksiを超える極限引張強さを有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、16%を超える引張伸びを有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、7%の歪みで40℃~170℃の凝固割れ温度範囲を有するか、または
それらの組合せ
の少なくとも1つである、請求項9~11のいずれか1項に記載の方法。 - 前記溶着物および/または前記ベースの熱影響部は、溶接したままの状態で、27Jを超える、-29℃におけるCVNエネルギーを有する、請求項9~12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ベースメタルが、侵食/腐食耐性高Mn鋼である、請求項9~13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ベースメタルからの前記溶接金属における炭素希釈を制限することをさらに含む、請求項9~14のいずれか1項に記載の方法。
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