Примечание редактора: Pharmaceutical Online рада представить статью из четырех частей об орбитальной сварке трубопроводов для биотехнологических процессов, написанную отраслевым экспертом Барбарой Хенон из компании Arc Machines. Эта статья адаптирована из презентации доктора Хенона на конференции ASME в конце прошлого года.
Предотвращают потерю коррозионной стойкости. Вода высокой чистоты, такая как деионизированная вода или вода для инъекций, является очень агрессивным травителем для нержавеющей стали. Кроме того, вода для инъекций фармацевтического качества подвергается циклированию при высокой температуре (80°C) для поддержания стерильности. основных компонентов, но также могут присутствовать различные формы железа, хрома и никеля. Присутствие помари смертельно для некоторых продуктов, и ее присутствие может привести к дальнейшей коррозии, хотя ее присутствие в других системах кажется довольно безопасным.
Сварка может негативно повлиять на коррозионную стойкость. Горячий цвет является результатом окисления материала, отложенного на сварных швах и ЗТВ во время сварки, особенно вреден и связан с образованием румян в фармацевтических системах водоснабжения. Образование оксида хрома может вызвать горячий оттенок, оставляя после себя обедненный хромом слой, который подвержен коррозии. до уровня, близкого к уровню основного металла. Однако травление и шлифование наносят ущерб чистоте поверхности. Пассивация системы трубопроводов азотной кислотой или составами хелатирующих агентов проводится для преодоления неблагоприятных последствий сварки и изготовления перед вводом системы трубопроводов в эксплуатацию. Оже-электронный анализ показал, что хелатирующая пассивация может восстановить поверхностные изменения в распределении кислорода, хрома, железа, никеля и марганца, которые произошли в зоне сварки и термического влияния, до состояния до сварки. когда-либо пассивация влияет только на внешний поверхностный слой и не проникает ниже 50 ангстрем, тогда как термическое окрашивание может распространяться на 1000 ангстрем и более ниже поверхности.
Таким образом, для установки коррозионно-стойких трубопроводных систем вблизи несвариваемых оснований важно попытаться ограничить повреждения, вызванные сваркой и изготовлением, до уровней, которые могут быть в значительной степени устранены путем пассивации. Это требует использования продувочного газа с минимальным содержанием кислорода и доставки по внутреннему диаметру сварного соединения без загрязнения атмосферным кислородом или влагой. Точный контроль тепловложения и недопущение перегрева во время сварки также важны для предотвращения потери коррозионной стойкости. , а также бережное обращение с трубами и компонентами из нержавеющей стали во время производства для предотвращения загрязнения являются важными требованиями к высококачественной трубопроводной системе, устойчивой к коррозии и обеспечивающей долгосрочную продуктивную работу.
Материалы, используемые в трубопроводных системах из высокочистой биофармацевтической нержавеющей стали, претерпели эволюцию в сторону повышения коррозионной стойкости за последнее десятилетие. До 1980 года в основном использовалась нержавеющая сталь марки 304, поскольку она была относительно недорогой и являлась улучшением по сравнению с медью, использовавшейся ранее. Фактически, нержавеющие стали серии 300 относительно легко поддаются механической обработке, могут подвергаться сварке плавлением без чрезмерной потери их коррозионной стойкости и не требуют специального предварительного нагрева и последующей термообработки.
В последнее время использование нержавеющей стали 316 в высокочистых трубопроводах растет. Тип 316 похож по составу на тип 304, но в дополнение к хромовым и никелевым легирующим элементам, общим для обоих, 316 содержит около 2% молибдена, что значительно улучшает коррозионную стойкость 316. Типы 304L и 316L, называемые марками «L», имеют более низкое содержание углерода, чем стандартные марки (0,0 35% по сравнению с 0,08%). Это снижение содержания углерода предназначено для уменьшения количества осаждения карбида, которое может произойти из-за сварки. Это образование карбида хрома, который истощает границы зерен основного металла хрома, делая его восприимчивым к коррозии. Образование карбида хрома, называемое «сенсибилизацией», зависит от времени и температуры и представляет большую проблему при ручной пайке. Мы показали, что орбитальная сварка супераустенитной нержавеющей стали AL-6XN обеспечивает большую коррозию более устойчивые сварные швы, чем аналогичные швы, выполненные вручную. Это связано с тем, что орбитальная сварка обеспечивает точный контроль силы тока, пульсации и времени, что приводит к более низкому и более равномерному подводу тепла, чем ручная сварка. Орбитальная сварка в сочетании с марками «L» 304 и 316 практически исключает осаждение карбида как фактор развития коррозии в трубопроводных системах.
Изменение плавки нержавеющей стали от плавки. Несмотря на то, что параметры сварки и другие факторы могут находиться в пределах довольно жестких допусков, все еще существуют различия в подводимом тепле, необходимом для сварки нержавеющей стали от плавки к плавке. Номер плавки — это номер партии, присвоенный конкретному расплаву нержавеющей стали на заводе. в зависимости от типа и концентрации каждого присутствующего сплава или микроэлемента. Поскольку никакие две плавки нержавеющей стали не будут содержать точно одинаковую концентрацию каждого элемента, характеристики сварки будут варьироваться от печи к печи.
СЭМ орбитальных сварных швов трубы 316L на трубе AOD (вверху) и материале EBR (внизу) показала значительную разницу в гладкости сварного шва.
В то время как одна процедура сварки может работать для большинства плавок с одинаковым наружным диаметром и толщиной стенки, для некоторых плавок требуется меньшая сила тока, а для некоторых требуется более высокая сила тока, чем обычно. По этой причине нагревание различных материалов на рабочем месте необходимо тщательно отслеживать, чтобы избежать потенциальных проблем. Часто для новой плавки требуется лишь небольшое изменение силы тока для достижения удовлетворительной процедуры сварки.
Проблема серы. Элементарная сера представляет собой примесь, связанную с железной рудой, которая в значительной степени удаляется в процессе производства стали. Нержавеющие стали AISI типа 304 и 316 имеют максимальное содержание серы 0,030%. С развитием современных процессов рафинирования стали, таких как аргонно-кислородное обезуглероживание (AOD) и методы двойной вакуумной плавки, такие как вакуумная индукционная плавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (VIM+VAR), это стало возможным. для получения сталей, которые являются очень специфическими по следующим параметрам: их химическому составу. Было замечено, что свойства сварочной ванны изменяются, когда содержание серы в стали ниже примерно 0,008%. Это связано с влиянием серы и в меньшей степени других элементов на температурный коэффициент поверхностного натяжения сварочной ванны, который определяет характеристики течения жидкой ванны.
При очень низких концентрациях серы (0,001% - 0,003%) проникновение сварочной ванны становится очень широким по сравнению с аналогичными швами, выполненными на материалах со средним содержанием серы. Сварные швы, выполненные на трубах из нержавеющей стали с низким содержанием серы, будут иметь более широкие швы, в то время как на трубах с более толстыми стенками (0,065 дюйма или 1,66 мм или более) будет большая тенденция к образованию сварных швов. для сварки, особенно с более толстыми стенками. При более высоком уровне концентрации серы в нержавеющей стали 304 или 316 наплавленный валик имеет тенденцию быть менее текучим по внешнему виду и более шероховатым, чем материалы со средним содержанием серы.
Производители электрополированных труб из нержавеющей стали заметили, что даже умеренные уровни содержания серы в нержавеющей стали 316 или 316L затрудняют удовлетворение потребностей их полупроводниковых и биофармацевтических клиентов в гладких внутренних поверхностях без изъянов. Использование сканирующей электронной микроскопии для проверки гладкости поверхности труб становится все более распространенным. Было показано, что сера в неблагородных металлах образует неметаллические включения или сульфид марганца (MnS) «стрингеры», которые удаляются во время электрополировка и оставляет пустоты в диапазоне 0,25-1,0 мкм.
Производители и поставщики электрополированных труб подталкивают рынок к использованию материалов со сверхнизким содержанием серы, чтобы соответствовать их требованиям к чистоте поверхности. Однако проблема не ограничивается электрополированными трубами, так как в неэлектрополированных трубах включения удаляются во время пассивации системы трубопроводов. Было показано, что пустоты более подвержены точечной коррозии, чем гладкие участки поверхности. Таким образом, есть несколько веских причин для тенденции к использованию «более чистых» материалов с низким содержанием серы.
Отклонение дуги. Помимо улучшения свариваемости нержавеющей стали, присутствие некоторого количества серы также улучшает обрабатываемость. В результате производители и изготовители склонны выбирать материалы с более высоким значением указанного диапазона содержания серы. Приваривание труб с очень низким содержанием серы к фитингам, клапанам или другим трубам с более высоким содержанием серы может создать проблемы при сварке, поскольку дуга будет смещаться в сторону труб с низким содержанием серы. противоположно тому, что происходит при сварке труб с соответствующей концентрацией серы. В экстремальных случаях наплавленный валик может полностью проникнуть в материал с низким содержанием серы и оставить внутреннюю часть сварного шва полностью непроплавленной (Fihey and Simeneau, 1982). ) (VIM+VAR)) для изготовления фитингов и других компонентов, предназначенных для сварки с трубами с низким содержанием серы. Сварка двух материалов с очень низким содержанием серы друг с другом намного проще, чем сварка материала с очень низким содержанием серы с материалом с более высоким содержанием серы.
Переход к использованию трубок с низким содержанием серы в значительной степени связан с необходимостью получения гладких электрополированных поверхностей внутренних трубок. Хотя отделка поверхности и электрополировка важны как для полупроводниковой промышленности, так и для биотехнологической/фармацевтической промышленности, SEMI при написании спецификации для полупроводниковой промышленности указал, что трубки из 316L для технологических газовых линий должны иметь крышку с содержанием серы 0,004% для оптимальной работы. Это ограничивает содержание серы диапазоном от 0,005 до 0,017%. Это должно привести к меньшим трудностям при сварке по сравнению с более низким диапазоном содержания серы. Однако следует отметить, что даже в этом ограниченном диапазоне отклонение дуги все еще может происходить при сварке труб с низким содержанием серы с трубами или фитингами с высоким содержанием серы, и монтажники должны тщательно отслеживать нагрев материала и перед изготовлением проверять совместимость припоя между нагреванием. Производство сварных швов.
другие микроэлементы. Было обнаружено, что микроэлементы, включая серу, кислород, алюминий, кремний и марганец, влияют на провар. Следовые количества алюминия, кремния, кальция, титана и хрома, присутствующие в основном металле в виде оксидных включений, связаны с образованием шлака во время сварки.
Воздействие различных элементов является кумулятивным, поэтому присутствие кислорода может компенсировать некоторые эффекты низкого содержания серы. Высокое содержание алюминия может противодействовать положительному влиянию на проникновение серы. Марганец улетучивается при температуре сварки и откладывается в зоне термического влияния сварки. Эти отложения марганца связаны с потерей коррозионной стойкости (см. Коэн, 1997). сопротивление.
Образование шлака. Островки шлака иногда появляются на валике из нержавеющей стали при некоторых плавках. Это проблема материала, но иногда изменение параметров сварки может свести ее к минимуму или изменение смеси аргона и водорода может улучшить сварной шов. Поллард обнаружил, что соотношение алюминия и кремния в основном металле влияет на образование шлака. выше этого уровня, может образоваться сферический шлак, а не бляшкообразный. Этот тип шлака может оставить ямки после электрополировки, что неприемлемо для высокочистых применений. Шлаковые островки, образующиеся на наружном диаметре сварного шва, могут вызвать неравномерное проплавление внутреннего прохода и привести к недостаточному проплавлению. Шлаковые островки, образующиеся на внутреннем валике сварного шва, могут быть подвержены коррозии.
Однопроходный шов с пульсацией. Стандартная автоматическая орбитальная сварка труб представляет собой однопроходный шов с импульсным током и постоянным вращением с постоянной скоростью. Этот метод подходит для труб с внешним диаметром от 1/8″ до примерно 7″ и толщиной стенки 0,083″ и ниже. с задержкой, электрод вращается вокруг сварного шва до тех пор, пока сварной шов не соединится или не перекроет начальную часть сварного шва во время последнего слоя сварки. Когда соединение завершено, ток постепенно снижается.
Ступенчатый режим («синхронная» сварка). Для сварки плавлением материалов с более толстыми стенками, обычно более 0,083 дюйма, источник питания для сварки плавлением может использоваться в синхронном или ступенчатом режиме. В синхронном или ступенчатом режиме импульс сварочного тока синхронизируется с ходом, поэтому ротор остается неподвижным для максимального проникновения во время импульсов сильного тока и перемещается во время импульсов слабого тока. время второго импульса для обычной сварки. Этот метод может эффективно сваривать тонкостенную трубу 40 калибра 40 толщиной 0,154 дюйма или 6 дюймов с толщиной стенки 0,154 дюйма или 6 дюймов. Ступенчатый метод обеспечивает более широкий сварной шов, что делает его отказоустойчивым и полезным для сварки нестандартных деталей, таких как фитинги к трубам, где могут быть различия в допусках на размеры, некоторое смещение или термическая несовместимость материалов. менее подходит для применений сверхвысокой чистоты (UHP) из-за более широкого и грубого шва.
Программируемые переменные. Текущее поколение источников сварочного тока основано на микропроцессоре и хранит программы, которые задают числовые значения параметров сварки для определенного диаметра (НД) и толщины стенки свариваемой трубы, включая время продувки, сварочный ток, скорость перемещения (об/мин), количество слоев и время на слой, время импульса, время спуска и т. д. и вверх по склону. Для выполнения сварки плавлением установите на трубу сварочную головку с соответствующими электродами и трубными хомутами и вызовите график или программу сварки из памяти источника питания. Последовательность сварки запускается нажатием кнопки или клавиши мембранной панели, и сварка продолжается без вмешательства оператора.
Непрограммируемые переменные. Для получения стабильно хорошего качества сварки необходимо тщательно контролировать параметры сварки. Это достигается за счет точности источника сварочного тока и программы сварки, которая представляет собой набор инструкций, вводимых в источник питания и состоящих из параметров сварки, для сварки трубы или трубы определенного размера. Также должен существовать эффективный набор стандартов сварки, определяющий критерии приемлемости сварки, и некоторая система контроля сварки и контроля качества, чтобы гарантировать, что сварка соответствует согласованным стандартам. хорошее оборудование для подготовки концов, хорошие методы очистки и обработки, хорошие допуски на размеры труб или других свариваемых деталей, одинаковый тип и размер вольфрама, высокоочищенные инертные газы и пристальное внимание к материалам. - высокая температура.
Требования к подготовке к сварке концов труб более важны для орбитальной сварки, чем для ручной сварки. Сварные соединения для орбитальной сварки труб обычно представляют собой квадратные стыковые соединения. Для достижения желаемой повторяемости при орбитальной сварке требуется точная, последовательная, обработанная обработка концов. Поскольку сварочный ток зависит от толщины стенки, концы должны быть квадратными, без заусенцев или скосов на внешнем или внутреннем диаметре (наружный или внутренний диаметр), что может привести к разной толщине стенок.
Концы труб должны подходить друг к другу в сварочной головке так, чтобы между концами квадратного стыкового соединения не было заметного зазора. Хотя сварные соединения могут выполняться с небольшими зазорами, это может отрицательно сказаться на качестве сварки. Чем больше зазор, тем выше вероятность возникновения проблемы. Плохая сборка может привести к полному отказу пайки. , часто используется для получения гладких торцевых орбитальных сварных швов, подходящих для механической обработки. Отрезные пилы, ножовки, ленточные пилы и труборезы не подходят для этой цели.
В дополнение к параметрам сварки, от которых зависит мощность сварки, существуют и другие переменные, которые могут оказывать значительное влияние на сварку, но они не являются частью фактической процедуры сварки. К ним относятся тип и размер вольфрама, тип и чистота газа, используемого для защиты дуги и продувки внутренней части сварного шва, расход газа, используемый для продувки, тип используемой головки и источника питания, конфигурация соединения и любая другая важная информация. Мы называем эти переменные «непрограммируемыми» и записываем их в график сварки. , тип газа считается существенной переменной в Спецификации процедур сварки (WPS) для процедур сварки в соответствии с разделом IX ASME Кодекса котлов и сосудов под давлением. Изменения типа газа или процентного содержания газовой смеси или отмена продувки внутреннего диаметра требуют повторной аттестации процедуры сварки.
Сварочный газ. Нержавеющая сталь устойчива к окислению атмосферным кислородом при комнатной температуре. При нагревании до точки плавления (1530°C или 2800°F для чистого железа) она легко окисляется. Инертный аргон чаще всего используется в качестве защитного газа и для продувки внутренних сварных соединений посредством орбитального процесса GTAW. самого высокого качества или если система продувки не полностью герметична, так что небольшое количество воздуха просачивается в систему продувки, окисление может быть светло-бирюзовым или голубоватым. Конечно, никакая очистка не приведет к образованию корки на черной поверхности, обычно называемой «подслащенной». углеводороды и т. д., всего максимум 40 частей на миллион. Аргон высокой чистоты в баллоне или жидкий аргон в сосуде Дьюара может иметь чистоту 99,999 % или общее количество примесей 10 частей на миллион с максимальным содержанием кислорода 2 части на миллион. ПРИМЕЧАНИЕ. Газоочистители, такие как Nanochem или Gatekeeper, могут использоваться во время продувки для снижения уровня загрязнения до диапазона частей на миллиард (млрд).
смешанный состав. Газовые смеси, такие как 75% гелия/25% аргона и 95% аргона/5% водорода, могут использоваться в качестве защитных газов для специальных применений. Эти две смеси дают более горячие сварные швы, чем при тех же программных настройках, что и аргон. Смеси гелия особенно подходят для максимального провара при сварке плавлением углеродистой стали. , но также и некоторые серьезные недостатки. Преимущество заключается в том, что он дает более влажную ванну и более гладкую поверхность сварного шва, что идеально подходит для реализации систем подачи газа сверхвысокого давления с как можно более гладкой внутренней поверхностью. Присутствие водорода обеспечивает восстановительную атмосферу, поэтому, если в газовой смеси присутствуют следы кислорода, полученный сварной шов будет выглядеть чище с меньшим обесцвечиванием, чем аналогичная концентрация кислорода в чистом аргоне. Этот эффект оптимален при содержании водорода около 5%. Продувка внутреннего диаметра для улучшения внешнего вида внутреннего валика сварного шва.
Сварной шов с использованием водородной смеси в качестве защитного газа уже, за исключением того, что нержавеющая сталь имеет очень низкое содержание серы и выделяет больше тепла в сварном шве, чем тот же ток с несмешанным аргоном. Существенным недостатком смесей аргона и водорода является то, что дуга гораздо менее стабильна, чем чистый аргон, и существует тенденция к дрейфу дуги, достаточно сильная, чтобы вызвать непровар. Дрейф дуги может исчезнуть при использовании другого источника смешанного газа, что позволяет предположить, что это может быть вызвано загрязнением или плохим перемешиванием Причина того, что тепло, выделяемое дугой, зависит от концентрации водорода, постоянная концентрация необходима для получения воспроизводимых сварных швов, и существуют различия в предварительно смешанном газе в баллонах. Другим недостатком является то, что срок службы вольфрама значительно сокращается при использовании водородной смеси. использоваться для сварки углеродистой стали или титана.
Отличительной чертой процесса TIG является то, что он не использует электроды. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов (6098 ° F; 3370 ° C) и является хорошим эмиттером электронов, что делает его особенно подходящим для использования в качестве нерасходуемого электрода. редко используется в GTAW из-за превосходных свойств вольфрама церия, особенно для орбитальных приложений GTAW. Вольфрам тория используется меньше, чем в прошлом, потому что они несколько радиоактивны.
Электроды с полированной поверхностью более однородны по размеру. Гладкая поверхность всегда предпочтительнее шероховатой или неровной поверхности, так как постоянство геометрии электрода имеет решающее значение для стабильных и однородных результатов сварки. Электроны, испускаемые наконечником (DCEN), передают тепло от вольфрамового наконечника к свариваемому шву. Более тонкий наконечник позволяет поддерживать очень высокую плотность тока, но может привести к сокращению срока службы вольфрама. геометрия стен и повторяемость сварного шва. Тупой наконечник направляет дугу от сварного шва к тому же месту на вольфраме. Диаметр наконечника определяет форму дуги и величину проплавления при определенном токе. Угол конусности влияет на характеристики тока/напряжения дуги и должен быть указан и контролироваться. Длина вольфрама важна, поскольку известную длину вольфрама можно использовать для установки дугового промежутка.
Размер электрода и диаметр его наконечника выбираются в соответствии с силой сварочного тока. Если ток слишком велик для электрода или его наконечника, он может потерять металл с наконечника, а использование электродов с диаметром наконечника, слишком большим для тока, может привести к дрейфу дуги. малые прецизионные компоненты. Для повторяемости процесса сварки тип и отделка вольфрама, длина, угол конусности, диаметр, диаметр наконечника и дуговой промежуток должны быть указаны и контролироваться.
За дополнительной информацией обращайтесь к Барбаре Хенон, менеджеру по техническим публикациям, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Телефон: 818-896-9556. Факс: 818-890-3724.