Come vengono realizzati i tubi saldati di grande diametro: processi LSAW e SSAW

Cosa conta come tubo saldato di grande diametro

Nella pratica delle tubazioni, un tubo saldato di grande diametro è quello prodotto da una lamiera o da un coil largo piuttosto che da una billetta forata, generalmente con un diametro esterno superiore a circa 508 mm e una parete sufficientemente spessa per la trasmissione ad alta pressione. Due famiglie di produzione dominano questa classe dimensionale: la saldatura ad arco sommerso longitudinale, dove il cordone corre parallelo all'asse, e la saldatura ad arco sommerso a spirale, dove il cordone corre attorno al tubo con un angolo di elica. Entrambi utilizzano un arco schermato da un letto di flusso granulare, che protegge la vasca fusa dall'atmosfera e consente elevati tassi di deposizione su sezioni spesse.

La scelta tra i due è una questione di produzione prima che di ingegneria. Un mulino longitudinale necessita di una lamiera la cui larghezza sia all'incirca uguale alla circonferenza del tubo finito, quindi il diametro è limitato dalla larghezza della lamiera e dalla capacità della pressa. Un mulino a spirale forma il tubo da coil di modesta larghezza, per cui il diametro è limitato principalmente dall'angolo di formatura e dalla rigidezza del guscio finito. Questa unica differenza spiega perché il tubo longitudinale domina la trasmissione ad alta pressione a pareti spesse mentre il tubo a spirale domina le linee di acqua e gas a bassa pressione di diametro molto grande.

Entrambi i percorsi condividono la stessa logica di qualità. La piastra o la bobina sono qualificate mediante calore, la fase di formatura non deve danneggiare la superficie, la giuntura deve essere saldata con piena penetrazione su entrambi i lati, il guscio finito deve essere espanso o dimensionato per essere arrotondato e ogni tubo deve superare test non distruttivi e un test idrostatico prima della spedizione.

Preparazione della piastra e della bobina prima della formatura

La produzione inizia nel reparto lamiere, non nella pressa. Le piastre per tubi longitudinali vengono ordinate con un equivalente di carbonio controllato, condizioni di consegna specificate e ispezione ad ultrasuoni per le laminazioni, poiché una laminazione vicino alla giuntura si aprirà durante l'espansione e respingerà il tubo. Ogni piastra è identificata da un numero di colata ed è tracciabile in ogni operazione successiva.

La preparazione del bordo è la prima operazione di formatura. I due bordi longitudinali sono fresati secondo una precisa geometria di smusso in modo che la fessura della radice, l'angolo di smusso e l'altezza del bordo rimangano all'interno di una fascia stretta lungo l'intera lunghezza della piastra. Uno spazio tra le radici variabile produce una sezione trasversale di saldatura variabile, che a sua volta produce un apporto di calore variabile, una larghezza della zona influenzata dal calore variabile e una tenacità variabile. Dopo la fresatura, i bordi vengono puliti e, sui tubi di qualità superiore, pre-piegati o aggraffati in una pressa separata per conferire ai bordi della lamiera una curvatura vicina al raggio finale. La crimpatura è ciò che impedisce la transizione da piatto a rotondo che altrimenti lascerebbe un picco sulla cucitura dopo la O-press.

Il rotolo per tubo a spirale segue la stessa logica ma con una forma diversa: vengono controllati la larghezza del nastro, la bombatura e lo stato dei bordi, il nastro viene svolto e livellato e i bordi del nastro vengono rifilati o fresati prima di entrare nella macchina formatrice. La curvatura del nastro è una causa comune dell'errore di tracciamento della cucitura su una fresatrice a spirale, poiché un nastro curvo si sposta lateralmente mentre viene alimentato.

Il percorso di formazione del JCOE passo dopo passo

Il percorso JCOE costruisce un cilindro da una piastra piana in tre fasi di pressatura, quindi lo espande. Ogni nome d'arte deriva dalla forma che assume il piatto.

Formazione a J:la pressa procede lungo una metà della lastra, piegandola progressivamente in una forma che ricorda la lettera J. Gli incrementi del passo controllano la curvatura locale.

Formazione C:la pressa prosegue sulla stessa metà con un attrezzo corrispondente, chiudendo quella metà a forma di C con la curvatura del bordo stabilita.

Formatura a O:la lamiera è chiusa a cilindro pieno, con i due bordi fresati che si incontrano in corrispondenza della cucitura e la fessura della radice predisposta per la saldatura.

Saldatura a punti:la cucitura è fissata temporaneamente in modo che il guscio mantenga il suo spazio quando esce dalla pressa.

Saldatura continua:il cordone longitudinale viene saldato ad arco sommerso, normalmente una passata interna seguita da una passata esterna, ciascuna sotto flusso granulare.

Espansione:il guscio saldato viene spinto attraverso un espansore meccanico che lo porta al diametro finale, corregge l'ovalizzazione e riduce le tensioni residue.

La sequenza JCOE è intrinsecamente flessibile. Poiché la pressa procede lungo la lamiera, lo stesso laminatoio può produrre una gamma di diametri e spessori di parete modificando gli utensili e il programma delle fasi, il che lo rende il percorso abituale per ordini di volume medio e per pareti molto spesse dove la lamiera è troppo rigida per essere formata in un'unica corsa della pressa a U.

Il percorso UOE e dove differisce

Il percorso UOE forma la lastra in due presse dedicate: una pressa a U che piega la lastra a forma di U e una pressa a O che chiude la U in un cilindro. La saldatura e l'espansione seguono lo stesso schema di JCOE. Poiché ogni pressa esegue un'operazione di formatura di grandi dimensioni a corsa singola, la linea UOE è estremamente produttiva con una gamma di diametri fissi, ma la modifica del diametro richiede la modifica del set di utensili, quindi è adatta a lunghe tirature di un'unica specifica.

Vale la pena di illustrare chiaramente le conseguenze pratiche per l'acquirente. Il tubo UOE è solitamente la scelta più economica per progetti di trasmissione di volume elevato, diametro standard e pareti moderate. Il tubo JCOE è solitamente la scelta più disponibile per tubazioni offshore o per stazioni con pareti spesse, diametro non standard, lotti piccoli e pareti spesse. Entrambi possono soddisfare lo stesso grado API 5L e gli stessi requisiti di tenacità; la differenza sta nella finestra economica e nelle impronte dimensionali che la fase di espansione lascia dietro di sé.

Saldatura ad arco sommerso su due lati del cordone longitudinale

La cucitura è saldata da entrambi i lati. Sulla maggior parte delle linee viene effettuato prima un passaggio interno, seguito da un passaggio esterno, ciascuno con il proprio sistema di alimentazione del filo, erogazione del flusso e recupero. Il mantello di flusso esclude l'aria, stabilizza l'arco e assorbe gli ossidi che altrimenti diventerebbero inclusioni di scorie. Filo e flusso sono adatti al tipo di acciaio e la basicità del flusso è selezionata per mantenere il contenuto di ossigeno e inclusioni del metallo di saldatura sufficientemente basso per l'energia Charpy specificata.

L’apporto di calore è la variabile che lega la saldatura alla metallurgia. Un input troppo elevato ingrossa la zona influenzata dal calore e deprime la tenacità; un input troppo basso aumenta la durezza e rischia la mancanza di fusione. Le cartiere saldano quindi entro un intervallo di procedure qualificato e monitorano continuamente la corrente, la tensione e la velocità di spostamento, registrandole per tubo. Per il tubo PSL2 la giuntura viene esaminata su tutta la sua lunghezza mediante test ultrasonici automatici per rilevare mancanza di fusione, scorie e crepe trasversali, e la calibrazione di tale attrezzatura con un riflettore di riferimento fa parte del record di qualità.

Quando la specifica lo prevede, il cordone e la sua zona termicamente alterata vengono sottoposti ad un trattamento termico post-saldatura o ad una passata di normalizzazione locale. Questo non è universale: la necessità dipende dallo spessore della parete, dal grado, dai requisiti di tenacità e dal fatto che il tubo sarà sottoposto a un servizio acido. Dovrebbe essere indicato esplicitamente nell'ordine di acquisto piuttosto che dedurlo dalla presenza di un forno per il trattamento termico in loco.

Formatura a spirale: geometria, larghezza della striscia e angolo dell'elica

Un mulino a spirale forma un cilindro alimentando il nastro ad angolo rispetto all'asse del tubo mentre la cucitura viene saldata continuamente mentre il tubo avanza. La geometria è governata da un'unica relazione: il coseno dell'angolo di formazione è uguale alla larghezza del nastro divisa per la circonferenza del tubo. Una striscia più larga o un angolo di formatura più piccolo producono un diametro maggiore.

Ne conseguono tre conseguenze. Innanzitutto, un mulino a spirale può produrre diametri molto grandi da bobine molto più strette della circonferenza, motivo per cui diametri di 2 metri e oltre sono di routine. In secondo luogo, la lunghezza della giuntura per tonnellata è maggiore rispetto a quella di un tubo longitudinale, quindi il carico di lavoro di ispezione della saldatura per tonnellata è maggiore e il costo del test della giuntura su tutta la lunghezza è una voce reale nel preventivo. In terzo luogo, la saldatura attraversa la saldatura dell'estremità dello skelp, e quell'intersezione è il punto più critico dell'intero tubo, perché due saldature si incontrano ad angolo acuto e qualsiasi mancanza di fusione è difficile da rilevare solo con la radiografia.

Lo spessore della parete sul tubo a spirale è limitato dallo spessore della bobina che l'attrezzatura di formatura e saldatura può gestire e dal fatto che la geometria dell'elica amplifica il disallineamento dei bordi su nastri pesanti. Pareti sottili e diametri molto grandi sono il territorio naturale del processo.

Confronto tra i due percorsi

La tabella descrive la capacità, non una classifica. Un tubo spiroidale che soddisfa il grado, la classe di tenacità e le tolleranze dimensionali è un prodotto conforme al servizio a cui è destinato; un tubo longitudinale dello stesso grado non è automaticamente migliore per una linea idrica a bassa pressione e di solito costerà di più.

Dilatazione, dimensionamento e prova idrostatica

Dopo la saldatura, il guscio viene espanso meccanicamente dall'interno mediante un utensile a gradini che percorre la lunghezza del tubo. L'espansione fa tre cose contemporaneamente: porta il diametro al valore finale entro la tolleranza, corregge l'ovalità e la rettilineità, rimuove gran parte delle tensioni residue di saldatura incrudendo leggermente il corpo del tubo. Il rapporto di espansione è piccolo, dell’ordine dell’1% del diametro, ma il suo effetto sulla resistenza al collasso e sulla consistenza dimensionale è significativo.

Ogni tubo finito viene quindi testato idrostaticamente. La pressione di prova viene calcolata dalla parete e dal diametro specificati, mantenuti per il tempo richiesto dalla norma di prodotto, e il tubo viene esaminato per individuare eventuali perdite, trasudazioni e deformazioni permanenti. Per i tubi di linea di alta qualità, il test funge anche da carico di prova in grado di rivelare difetti evidenti che i test non distruttivi non hanno rilevato. Il tubo espanso e testato viene quindi smussato, pesato, misurato, marcato e, dove specificato, rivestito.

La garanzia della qualità e i documenti che lo dimostrano

Per il servizio acido la piastra deve inoltre soddisfare i requisiti ISO 15156-2 e NACE MR0175 per la resistenza alla fessurazione indotta dall'idrogeno e alla fessurazione da stress da solfuro, verificata mediante test sulle condizioni di produzione. La durezza deve rimanere entro il limite specificato attraverso la parete, nella giunzione e nella zona termicamente alterata, che rappresenta un vincolo diretto sull'apporto termico di saldatura e su qualsiasi trattamento termico post-saldatura.

Dove le scelte di produzione si manifestano nel servizio

Diversi comportamenti di servizio possono essere ricondotti direttamente al percorso di formatura e saldatura. La resistenza al collasso sotto pressione esterna dipende dall'ovalità e dallo stato di sollecitazione lasciato dall'espansione, motivo per cui i tubi per acque profonde sono specificati con limiti di ovalizzazione ristretti. La resistenza alla frattura per scorrimento dipende dalla distribuzione della tenacità attraverso la parete e dal risultato del test di rottura del peso di caduta, che a sua volta dipende dalla chimica della piastra e dall'apporto di calore della saldatura. La qualità della saldatura circolare sul campo dipende dall'ortogonalità delle estremità e dalla tolleranza del diametro alle estremità del tubo, entrambi impostati nelle stazioni di espansione e finitura delle estremità.

La conclusione pratica per un acquirente è che la capacità di processo dello stabilimento, dimostrata dai registri di qualificazione delle procedure e dalla coerenza dei risultati dei test di routine, conta più dell'elenco nominale delle apparecchiature. Due frese con lo stesso diametro massimo nominale possono fornire ovalità, dispersione di tenacità e qualità della cucitura molto diverse.

Domande frequenti

D: Il tubo ad arco sommerso longitudinale è sempre migliore del tubo saldato a spirale?
No. Il tubo longitudinale è preferibile laddove sono richieste pareti spesse, alta pressione ed elevata tenacità, poiché la giuntura diritta ha una geometria più semplice e la piastra più spessa può essere saldata in modo affidabile. Il tubo a spirale è preferito quando è necessario un diametro molto grande a livello economico e funziona bene in applicazioni con acqua e media pressione.

D: Cosa comporta effettivamente la fase di espansione sul tubo?
L'espansione meccanica porta il tubo al diametro finale, corregge ovalità e rettilineità, riduce le tensioni residue di saldatura ed indurisce leggermente il corpo. L'effetto sulla consistenza dimensionale e sulla resistenza al collasso è sostanziale anche se il rapporto di espansione è solo dell'1% circa.

D: Perché la cucitura deve essere saldata sia dall'interno che dall'esterno?
La saldatura su un solo lato su lamiera spessa non può garantire la penetrazione completa e il metallo saldato attraverso l'intera parete. Un passaggio interno ed un passaggio esterno depositano ciascuno metallo sano su parte della sezione e insieme danno fusione completa con una zona alterata dal calore controllato.

D: La saldatura riduce la resistenza del corpo del tubo?
La saldatura crea una zona termicamente alterata la cui microstruttura differisce dalla piastra. La tenacità in quella zona è la proprietà più influenzata, motivo per cui è richiesto il test Charpy della giunzione e della zona interessata dal calore e perché viene specificato il trattamento termico o la normalizzazione post-saldatura quando il grado e lo spessore della parete lo richiedono.

D: Qual è la lunghezza massima di una sezione di tubo?
Lunghezze casuali di circa 12 m sono standard per i tubi di linea. Sezioni più lunghe, fino a circa 18 m, vengono prodotte per palificazioni e per alcune applicazioni strutturali dove meno saldature circonferenziali rappresentano un vantaggio, soggette a limiti di trasporto.

D: I tubi saldati a spirale possono essere utilizzati in servizi acidi?
Può, a condizione che la chimica della piastra e la procedura di saldatura soddisfino gli standard ISO 15156-2 e NACE MR0175, la durezza rimanga entro il limite specificato e la giunzione, inclusa l'intersezione della saldatura dell'estremità dello skelp, sia completamente ispezionata. La restrizione è la qualificazione tecnica, non il nome del processo.

D: Qual è il diametro più grande disponibile in ciascun processo?
I mulini a spirale raggiungono abitualmente i 3 metri e oltre, limitati principalmente dalla geometria di formatura e dalle attrezzature di movimentazione. Le presse longitudinali raggiungono comunemente circa 1,5 metri, limitate dalla larghezza della piastra e dalla capacità della pressa.