Низководородные электроды () — сварочные материалы для ручной дуговой сварки (SMAW), специфика которых заключается в сверхнизком содержании диффузионного водорода в наплавленном металле. Согласно стандартам AWS и ISO, к этому классу относятся электроды, выделяющие менее 4–5 мл водорода на 100 г металла (класс H4)Hobart Brothers. Gaining Benefits with Low Hydrogen Filler Metals.. При строительстве магистральных газо- и нефтепроводов они применяются для сварки корневых, заполняющих и облицовочных слоёв стыков труб, изготовленных из углеродистых и низколегированных сталей высоких классов прочности.

Механизм водородного растрескивания и роль обмазки

Основная технологическая проблема при сварке трубных сталей повышенной прочности (от API 5L X60 до X80, что соответствует российским классам К60 и К65) — риск образования холодных трещин, или водородного растрескивания (, HAC)Kobelco Welding. Холодные трещины в угловых сварных соединениях..

Холодные трещины возникают исключительно при одновременном действии трёх факторов. Первый — присутствие диффузионного водорода в сварочной ванне. Второй — образование хрупкой мартенситной или бейнитной микроструктуры в зоне термического влияния (ЗТВ) из-за быстрого охлаждения высокопрочной сталиДонской государственный технический университет. Холодные трещины в сварных соединениях.. Третий — остаточные сварочные напряжения, вызванные усадкой металла при кристаллизации.

Водород, обладающий высокой диффузионной подвижностью, попадает в расплав из атмосферной влаги или компонентов обмазки электрода. При остывании шва его растворимость в металле резко снижается. Атомарный водород скапливается на границах зёрен и в микродефектах, где переходит в молекулярное состояние (H₂). Возникающее внутреннее давление газа, накладываясь на напряжения усадки и хрупкость мартенсита, приводит к разрыву металла. Особенность процесса в том, что трещины могут проявиться не сразу, а спустя часы или сутки после завершения сварки.

Низководородные электроды устраняют первый фактор растрескивания. В отличие от целлюлозных электродов, где газовая защита формируется за счёт сгорания органики с выделением до 30–45 мл водорода на 100 г металла, низководородные марки имеют основное, или фтористо-кальциевое, покрытие (маркировка «Б» по ГОСТ 9466-75)gost-svarka.ru. Основное (фтористо-кальциевое) покрытие.TWI Global. Comparison of the use of rutile and cellulosic electrodes..

Шлаковую основу такого покрытия составляют карбонаты кальция и магния (мрамор, доломит) и плавиковый шпат (фторид кальция, CaF₂). Под воздействием температуры сварочной дуги карбонаты разлагаются на углекислый (CO₂) и угарный (CO) газы, создавая плотную защиту ванны без участия водорода. Плавиковый шпат при этом вступает в химическую реакцию с парами воды и свободным водородом, связывая их в термически стабильный газ — фтористый водород (HF). Это соединение не растворяется в жидком металле и удаляется из зоны сварки вместе со шлаком, обеспечивая экстремально низкую концентрацию водорода в шве.

Эволюция требований к сварке высокопрочных сталей

Долгое время стандартом для сварки корневого прохода трубопроводов оставались целлюлозные электроды, применяемые методом сварки «сверху вниз» (). Они обеспечивали глубокое проплавление и высокую скорость монтажа. Однако переход нефтегазовой отрасли на рабочие давления свыше 9–11 МПа потребовал использования сталей с более высоким пределом текучести (X70, X80)Lincoln Electric. Welding on High Yield Pipe..

Увеличение прочности трубы прямо пропорционально росту её склонности к водородному охрупчиванию. Применение целлюлозных электродов на сталях класса К60 и выше приводило к массовому браку из-за холодных трещин. В связи с этим современные технологические регламенты предписывают варить ответственные стыки высокопрочных магистралей исключительно электродами с основным покрытием (типа Э50А и выше по ГОСТ 9467-75). Они уступают целлюлозным маркам в глубине проплавления, но обеспечивают высокую ударную вязкость при отрицательных температурах (до −50 °C) и стойкость к трещинам.

Технология хранения и прокалки в полевых условиях

Фтористо-кальциевое покрытие обладает высокой гигроскопичностью. Если обмазка впитает влагу из атмосферы, вода в дуге диссоциирует на кислород и водород, и электрод потеряет свои низководородные свойства.

Для предотвращения этого технологические карты строго регламентируют обращение со сварочными материалами. Заводская поставка осуществляется в герметичной таре — вакуумных пакетах или тубусах. Перед применением электроды в обязательном порядке прокаливают в стационарных печах при температуре от 300 до 450 °C на протяжении 1–2 часовLincoln Electric. Storing and Redrying Electrodes.. Эта процедура удаляет кристаллизационную и сорбированную влагу.

Непосредственно на трассе трубопровода сварщик должен хранить прокалённые электроды в подключённом к электросети термопенале, поддерживающем температуру 120–150 °C. Если электрод извлечён из термопенала и находится на открытом воздухе дольше допустимого времени (обычно от 4 до 9 часов в зависимости от влажности окружающей среды), он подлежит повторной прокалке. Количество таких циклов ограничено — как правило, не более трёх раз, поскольку многократный перегрев приводит к выгоранию легирующих компонентов и осыпанию обмазки.

Примечания

Ссылки

Hobart Brothers: Gaining Benefits with Low Hydrogen Filler Metals TWI Global: Comparison of the use of rutile and cellulosic electrodes Lincoln Electric: Welding on High Yield Pipe ГОСТ 9467-75 на сайте КОДЕКС

Категория:Сварочные материалы Категория:Трубопроводный транспорт Категория:Металловедение