NO300243B1 - Fremgangsmåte for ikke-destruktiv testing av en sveiseforbindelse - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for ikke-destruktiv testing av en sveiseforbindelse mellom to metalldeler som er buttsveiset til hverandre.

En fremgangsmåte for trykksveising av to metalldeler, spesielt ved smitemperatur, består i å bringe de to delene sammen og' i kontakt med hverandre, oppvarming av dem til en viss temperatur i deres forbindelsesoverflate eller tilslut-ningsplan, og så påføring av et smitrykk, så som en forut bestemt kompresjonskraft perpendikulært på sammenføynings-planet under avkjølingen.

Trykksveisefremgangsmåter er i og for seg kjent og har bred anvendelse i forskjellige industrielle områder, spesielt for sammensveising av for eksempel metallrør og jernbane-skinner. Anvendelsen av slike fremgangsmåter kan på noen områder gi grunnlag for problemer som angår de regelverk som må tas hensyn til. Dette gjelder spesielt ved sveising av landbaserte eller offshore-baserte høytrykksrør for transport av olje eller gass hvor slike regelverk av åpenbare sikkerhetsgrunner er svært strenge. Generelt krever alle slike bestemmelser at en sveiseforbindelse skal testes på ikke-destruktiv måte etter sveisingen for å kunne detektere feil, og spesielt for å detektere feil når det gjelder tettheten på grunn av for eksempel feil i smeiten i visse punkter i sveiseforbindelsen, tilstedeværelsen av sprekker, inklusjoner som inneholder forurensnings-substanser så som slagg, wolfram, kopper, ... gasslommer, etc. Akseptable forekomster av slike feil er spesifisert svært detaljert i slike bestemmelser for å avgjøre hvorvidt en sveiseforbindelse kan aksepteres eller må forkastes, og for hver type feil som detekteres tas det hensyn til dens natur, dens utstrekning eller volum og forekomsthyppigheten. Slike bestemmelser er for eksempel kjent ved forkortelsene API 1104 i USA, DNV 1981 for sjøbunnen i Nordsjøen, BS 4515 1984 for Storbritannia, og under navnet GAZ DE FRANCE for Frankrike.

Det er utviklet systemer for å teste sveiseforbindelser, spesielt ved hjelp av røntgenstråler, gammastråler, eller ultralyd, og disse systemer tilveiebringer et bilde av sveiseforbindelsen som så analyseres for å kunne avgjøre hvorvidt sveiseforbindelsen skal aksepteres eller forkastes i avhengighet av verdiene som er spesifisert ved bestemmelsene, og idet avgjørelsen fortrinnsvis også innbefatter mekaniske tester.

Selv om tidligere kjente testesystemer er tilfreds-stillende med sveiseforbindelser oppnådd ved tilførsel av fyllmateriale under anvendelse av et bevegelig smeltebad, for eksempel buesveising, er slike testesystemer ikke effektive når det gjelder sveiseforbindelser oppnådd ved trykksveisefremgangsmåter. Således vil, dersom stål blir oppvarmet til en forut bestemt temperatur nær 1100°C og så blir påført en kompresjonskraft, enhver sveisefeil som skyldes mangelen på sammenhefting mellom de to overflatene som skal sveises, bli sterkt komprimert og plan. Erfaring viser at de foran nevnte testesystemene, som er basert på spesielt tilstedeværelsen av variasjoner i tettheten, er egnet for detektering av massedefekter, d.v.s. defekter som opptar et visst volum, men de er ikke egnet for å detektere de samme defektene etter at de har blitt komprimert.

Foretrukne implementeringer av oppfinnelsen løser problemet med ikke-destruktiv testing av en sveiseforbindelse utført ved trykksveising, spesielt ved smitemperatur, ved at sveisedefektene gjøres detekterbare.

Ifølge oppfinnelsen er det således for dette formål tilveiebrakt en fremgangsmåte for ikke-destruktiv testing av en sveiseforbindelse mellom to metalldeler som er buttsveiset til hverandre ved deres sammenføyningsoverflate ved oppvarming til en forutbestemt sveisetemperatur og påføring av et smitrykk til metalldelene slik at de påføres en forutbestemt kompresjonsspenning rettet perpendikulært på sammenføynings-overflaten og med en slik størrelse at defekter i sveisen presses sammen til en hovedsakelig plan tilstand. Fremgangsmåten kjennetegnes spesielt ved de følgende to trinn: en strekkspenning påføres sveisen perpendikulært på delenes sammenføyningsoverflate og på begge sider av denne direkte etter fullføring av sveiseoperasjonen og mens sveisen fremdeles er varm mellom en maksimumstemperatur nær sveise-temperaturen og en forutbestemt minimumstemperatur, for derved å forstørre til en tredimensjonal tilstand defekter som måtte være tilstede i sveisen ved sammenføyningsoverflaten; og

sveisen inspiseres ved hjelp av en konvensjonell feil-deteksjonsanordning for å detektere de nevnte eventuelle tredimensjonale defekter.

Minimumstemperaturen hvorved strekkpåkjenningen blir på-ført, bør være slik at elastisitets-grensen til metallet som utgjør nevnte deler ligger mellom 20% og 80% av elastisitets-grensen til metallet når det er kaldt.

Det er fordelaktig at sammenføyningsplanet til delene som skal sveises under sveiseoperasjonen, gis en temperatur-stigning til omtrent 1100°C for eksempel, og at en strekk-påkj enning blir påtrykt med varm sveiseforbindelse når temperaturen til sammenføyningsplanet har falt til en temperatur som ligger mellom 400°C og 800° og dette gjelder spesielt for metalldeler av for eksempel stål.

På grunn av disse forskjellige foranstaltningene, gjør oppfinnelsen det mulig å anvende konvensjonelle sveiseteste-systemer for å teste sveiseforbindelser utført ved trykk-sveising, spesielt ved smitemperatur, og derved gjøres det mulig å anvende slike sveisemetoder for fremstilling av gass og oljerør-ledninger som tildannes ved å sammenstille lengder av høytrykks-rør.

En utførelse av oppfinnelsen er beskrevet som et eksempel med henvisning til de vedheftede tegninger, i hvilke: Fig. 1 er et skjematisk perspektivriss av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen for sammensveising av to metallrør; Fig. 2 er en kurve som viser variasjoner i forholdet mellom elastisitetsgrensen til karbonstål ved temperatur T og verdien til elastisitetsgrensen til det samme stålet når det er kaldt; Fig. 3 er en graf som har flere kurver som viser endringer i temperaturen i sammenføyningsplanet til rør under en sveiseoperasjon; og Fig. 4 er en graf bestående av flere kurver som viser temperaturfordelingen i forskjellige tidspunkter på begge sider av sammenføyningsplanet til rørene.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen blir eksempel-vis anvendt for testing av sveiseforbindelser i et oljerør som er tildannet for eksempel ved at suksessive rørformede metalldeler av stål er forbundet med hverandre, d.v.s. rør som er sveiset ende mot ende ved hjelp av en i og for seg kjent trykksveisemetode, og mer spesielt en fremgangsmåte for trykksveising ved smitemperatur.

Med henvisning til figur 1 og for å kunne beskrive teste-metoden i henhold til oppfinnelsen i en anvendelse av den ovennevnte type, er rørdelen 2 den siste sveisede delen til en rørledning, og den neste rørledningsdelen 3 skal forbindes på en måte som er beskrevet i det etterfølgende.

Sveiseprosessen består av en start- eller oppvarmings-periode under plasseringen av rørdelen 3 på aksen til rørdelen 2, og de to rørdelene anordnes i kontakt med hverandre, og deres sammenføyning eller kontaktoverflate 4 oppvarmes og avgrenser et sammenføyningsplan P, og varme påtrykkes inntil en forut bestemt temperatur som ligger mellom 1100°C og 1300°C nås, d.v.s. en temperatur som ligger nær smeltetemperaturen for stål. Oppvarmingen skjer ved konvensjonelle metoder, for eksempel motstandsoppvarming; induksjonsoppvarming; elektrisk utladning; eller friksjonsoppvarming.

Når denne temperaturen er nådd, i hovedsak etter 60 sekunder, blir smioperasjoner utført i et andre trinn som består i å påtrykke et smitrykk ved sammenføyningsoverflaten 4 i en periode på få sekunder, idet smitrykket er slik at det danner et kompresjonstrykk på omtrent 10 kp/mm<2> perpendikulært på sammenføyningsplanet som vist med pilen Fl på figur 1.

Etter at smitrykket har blitt påført, blir defekter 5 som kan være til stede i den sveisede sonen på begge sider av sammenføyningsplanet mellom rørdelene 2 og 3 komprimert, og de blir plane defekter. Slike defekter er for eksempel i hovedsak tetthetsdefekter så som soner av ufullstendig smelting, sprekkdannelser, inklusjoner av forurensnings-substanser så som slagg eller oksyder tildannet under smeltingen, eller gasslommer etc. Selv om slike defekter har forskjellig natur, er de gruppert sammen på figur 1 med henvisningen 5.

I samsvar med testefremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, etter oppvarming og påføring av kompresjonstrykk, består fremgangsmåten i å påtrykke mekanisk behandling på sammenføyningsoverflaten 4 mellom rørdelene 2 og 3 for å bringe dårlig sveisede soner fra hverandre for å omdanne plane defekter 5 til masse- eller volum-defekter.

Denne mekaniske behandling består fortrinnsvis i at strekkpåkjenning påtrykkes perpendikulært på kontaktoverflaten 4 mellom rørdelene 2 og 3, som indikert ved piler F2 på figur 1.

Denne strekkpåkjenning blir påtrykt mens sveiseforbindelsen er varm, over en periode på få sekunder og har en verdi som ligger nær elastisitetsgrensen til metallet, og den blir utført når temperaturen til kontaktoverflaten 4 mellom rørdelene 2 og 3 er falt tilbake til en temperatur som ligger mellom 400°C og 800°C for for eksempel stål.

Strekkpåkjenningen utøves mens metallet er varmt av grunner som skal forklares med henvisning til figurene 2 og 4.

På figur 2 viser kurven A hvordan forholdet E mellom elastisitetsgrensen ved temperaturen T og elastisitetsgrensen når materialet er kaldt varierer med temperaturen for et karbonstål. Kurve A viser at verdien til dette forholdet faller som en funksjon av temperaturen og at ved omtrent 600°C er elastisitetsgrensen til stål omtrent 3 0% av verdien ved 2 0°C. M.a.o. har påtrykningen av strekkpåkjenningen ved en temperatur ved omtrent 6 00°C den fordel at den begrenser strekkverdien til 15 kp/mm2, mens nevnte verdi ville måtte ha vært 45 kp/mm<2> ved en omgivelses-temperatur på 20°C, d.v.s. ved slutten av perioden som kontaktoverflaten 4 avkjøles over.

Generelt blir strekkpåkjenningen påtrykt mens delene er varme mellom en maksimaltemperatur som tilsvarer med sveise-temperaturen, d.v.s. temperaturen som kontakt-overflaten 4 er hevet til før kompresjonspåkjenningen påføres, og en minimumstemperatur slik at elastisitetsgrensen til metallet er omtrent 80% av elastisitetsgrensen til metallet når det er kaldt. M.a.o. blir strekkpåkjenningen påtrykt når delene er varme, men ved en temperatur som varierer i avhengighet av stålet som anvendes.

Siden sveiseforbindelsen blir testet på ikke-destruktiv måte, følger det at verdien til strekkspenningen som påføres på kontaktoverflaten 4 ikke må overskride en bestemt eller grenseverdi utover hvilken det er fare for å bryte sveiseforbindelsen mellom rørdelene 2 og 3. Det foretrekkes at verdien til strekk-spenningen som påføres ligger i nærheten av elastisitetsgrensen til metallet ved temperaturen til den sveisede sonen, eller at den ligger litt under denne grensen, eller litt over denne grensen, men i alle fall under bruddverdien.

På figur 3 viser de forskjellige kurvene Bl til B5 hvordan temperaturen til sammenføyningsoverflaten 4 (kurve Bl) varierer som en funksjon av tiden på begge sider av kontakt-overflaten 4, henholdsvis ved avstander på 0,5 cm (kurve B2), 1 cm (kurve B3), 5 cm (kurve B4), og 10 cm (kurve B5) fra kontaktoverflaten.

På figur 4 viser de forskjellige kurvene Cl til C5 temperatur-fordelingen på begge sider av sammenføynings-overf laten 4 mellom rørdelene 2 og 3 i forskjellige tidspunkter, henholdsvis ved start-tidspunktet tilsvarende slutten av oppvarmings-operasjonen på sammenføyningsoverflaten 4. Kurvene Cl til C5 tilsvarer henholdsvis medgått tid på 60 sekunder, 80 sekunder, 95 sekunder, 110 sekunder og 125 sekunder.

En undersøkelse av kurvene på figur 3 og 4 viser at for en gitt strekkspenning som en funksjon av endringen i temperaturen på kontaktoverflaten 4, d.v.s. i sveisesonen (figur 3) og som en funksjon av temperaturfordelingen på begge sider av kontaktoverflaten 4 (figur 4), oppnås den ønskede forlengelseseffekt hovedsakelig ved kontaktoverflaten 4, d.v.s. i den sveisede sonen siden den har den høyeste temperaturen.

Påføringen av strekkspenning tjener således til å omdanne plane defekter 5 til massedefekter som i sin helhet er detekterbare av konvensjonelle testesystemer. Disse systemer består for eksempel av testing ved hjelp av røntgenstråling eller gammastråling, ultralyd, farvegjennomtrengnings-testing, video-testing, etc. Disse forskjellige systemer undersøker sveiseforbindelsen og genererer et bilde som inspiseres visuelt for å kunne avgjøre hvorvidt defektene som detekteres tilfredsstiller eller ikke tilfredsstiller verdiene som er spesifisert i bestemmelsene, avhengig av størrelsen på defektene, for å kunne avgjøre hvor vidt sveisen kan aksepteres eller om den må forkastes.

Innretningene som er nødvendige for å iverksette fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, er tilgjengelige for fagkyndige. For eksempel kan en av metodene for å påtrykke strekkspenning mens sveisen er varm etter smioperasjonen (kompresjons-spenning), være å anvende en enkel, mekanisk aktivator som tilveiebringer styrt kraft og/eller styrt forflytning. Ved trykksveisemetode er det imidlertid vanlig å anvende flere skyveaktivatorer for å påtrykke kompresjonsspenning under smioperasjonen. Ved således å anvende dobbeltvirkende aktivatorer, kan de samme aktivatorene med fordel anvendes for å påføre strekkspenning i henhold til oppfinnelsen. Styre-signalet for påtrykning av strekkspenningen kan fortrinnsvis innbefatte en servostyresløyfe som tar hensyn til følgende parametere: strekkverdi; metall-forlengelse; tidsperioden som spenningen blir påtrykt; temperaturen hvorved nevnte spenning blir påtrykt. Dette gjøres for å ta hensyn til spesielt ståltypen som utgjør rørdelene 2 og 3.

Testfremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen anvendes på olje- og gassrør-konstruksjoner, og mer generelt ved sveising av høytrykksrør, og den åpner for høyst fordelaktige perspek-tiver, spesielt når det gjelder innretningene som kreves for utførelsen, som ikke gjør de tunge og kostbare innretninger som allerede er nødvendige for slike konstruksjoner, enda tyngre.

Oppfinnelsen er selvfølgelig ikke begrenset til det ovenfor beskrevne eksempel, men innbefatter enhver variant basert på prinsippet som består i anvendelsen av strekkspenning for å forstørre sveisedefekter som følger en smioperasjon ved trykk-sveising. Selv om fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen blir anvendt mer spesielt på en fremgangsmåte for trykksveising ved smitemperatur, er oppfinnelsen anvendbar mer generelt på enhver fremgangsmåte for trykk-sveising av to metalldeler, med eller uten et rom tildannet mellom delene, med eller uten forutgående sammenføyningstrykk, og med en vilkårlig sammenføyningsoverflate mellom de to delene.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for ikke-destruktiv testing av en sveise-forbindelse mellom to metalldeler som er buttsveiset til hverandre ved deres sammenføyningsoverflate (4) ved oppvarming til en forutbestemt sveisetemperatur og påføring av et smitrykk til metalldelene slik at de påføres en forutbestemt kompresjonsspenning rettet perpendikulært på sammenføynings-overflaten (4) og med en slik størrelse at defekter (5) i sveisen presses sammen til en hovedsakelig plan tilstand, karakterisert ved de følgende trinn: en strekkspenning (F2) påføres sveisen perpendikulært på delenes sammenføyningsoverflate (4) og på begge sider av denne direkte etter fullføring av sveiseoperasjonen og mens sveisen fremdeles er varm mellom en maksimumstemperatur nær sveise-temperaturen og en forutbestemt minimumstemperatur, for derved å forstørre til en tredimensjonal tilstand defekter (5) som måtte være tilstede i sveisen ved sammenføyningsoverflaten (4); og sveisen inspiseres ved hjelp av en konvensjonell feil-deteksjonsanordning for å detektere de nevnte eventuelle tredimensjonale defekter (5) .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at strekkspenningen (F2) påføres sveisen ved en temperatur hvor den elastiske grense for metallet som utgjør delene i sveisesonen ligger mellom 3 0% og 80% av dette metallets elastiske grense når det er kaldt.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at størrelsen av strekk-spenningen (F2) som påføres sveisen ligger nær den elastiske grense for metallet i sveisesonen der temperaturen er høyest.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at størrelsen av strekk-spenningen (F2) som påføres sveisen, er slik at den elastiske grensen for metallet overskrides, i det minste lokalt, i sveisesonen hvor temperaturen er høyest.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at temperaturen til delene ved sammenføyningsoverflaten (4) under oppvarmingsoperasjonen er omkring 1100°C, og at strekkspenningen (F2) påføres sveisen mens denne fremdeles er varm ved en temperatur ved sammenføy-ningsoverflaten (4) mellom omkring 400°C og 800°C.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at metalldelene er av stål.