インコネル溶接肉盛（高）

過酷な条件で動作する高エネルギーポンプは、長期的な信頼性を確保するために、可能な限り最高の材料を使用して製造する必要があります。 海水や随伴水を扱う用途では、その耐食性の点からスーパー二相ステンレス鋼が主な製造材料として指定されるのが一般的です。

ただし、この材料の高コストは、より大きなコンポーネントを設計する場合に大きな要因となる可能性があり、オペレータはプロジェクトに合わせて代替品の評価を要求することがあります。

同時に、ポンプの用途も変化する可能性があり、新しい要件に合わせて関連する機器をアップグレードする必要があります。 従来のポンプの場合、オペレーターは新しい仕様を実現する最もコスト効率の高い方法を確立する必要があるため、これによりいくつかの課題が生じる可能性があります。 圧力が高いと、スーパーデュプレックスが最適な材料として除外される可能性がありますが、この状況はインコネル溶接肉盛によって解決できます。

材料の特性評価

スーパーデュプレックスは、海水、生産水、および特定の石油およびガス用途のポンプ ケーシングを作成するために一般的に使用される材料です。 ポンプが扱う必要のある流体に関連して、必要な耐食性を提供します。

この金属は、式 1 を使用してクロム、モリブデン、窒素などの主要元素の加重平均によって計算される、高い耐孔食性を備えた耐食性材料に属します。

式 1

PREN = %Cr + 3.3 x

(%Mo + 0.5%W) + 16 x %N

これにより、耐孔食性等価数 (PREN) として知られる値が計算されます。これは、孔食の形での局所的な腐食に抵抗する材料の能力を表します。 上記のアプリケーションの場合、PREN は 40 より大きい必要があります。

ただし、スーパー二相の化学組成は、高い強度、幅広い耐食性、適度な溶接性を備えていますが、いくつかの制限があります。 二相ステンレス鋼の冶金はフェライト鋼やオーステナイト鋼よりも複雑であるため、製造と加工がより困難になります。 これは材料費に影響します。

さらに、二相鋼は、材料に適切な処理、特に熱処理が施されていない場合、シグマやアルファプライムなどの不要な金属間相を形成する可能性があります。 スーパー二相鋼は、製造中または溶接中の冷却速度が十分に高くないと、特に脆化して耐食性が低下する傾向があります。 これにより、これらの材料に適した用途の範囲が狭まる可能性があります。

高圧ソリューション

最後に、高圧がかかる用途ではより大きな壁厚が必要であり、これは特にポンプ ケーシングに関係します。 ただし、スーパー二相材料はこの目的に対してある程度しか認定されていないため、高圧の状況では、メーカーやポンプの修理または改造に携わる人々はオプションを検討する必要があります。

ポンプの圧力要件が増大するにつれて、溶接ポンプ ケーシングの話題が再びクローズアップされました。 2011 年に、別の研究で以前の調査と同様の洞察が得られました。 一部の用途では最大 10,000 ポンド/平方インチ (psi) (690 bar) の動作圧力が必要とされるため、スーパー デュプレックスは溶接ケーシング設計のオプションよりも好まれず、プロトタイプの後継プロジェクトにつながりました。

このレベルの流体圧力では、ポンプ ケーシングをより厚くする必要がありますが、これは鍛造スーパー 二相材料が適格である壁厚を超えていました。 同時に、溶接の機械加工準備と溶接の認定を含む溶接自体のコストが、スーパーデュプレックスのより高い市場価格によって相殺される場合があります。

代替品の開発

考えられる代替案の 1 つは、ケーシングに炭素鋼または低合金鋼を使用し、プロセスで濡れたすべての表面をインコネル 625 などの耐食性オーバーレイで溶接することです。ケーシングをこのニッケルベースの材料で被覆するためにこのプロセスを使用するという決定は、現在の原材料の価格と、大型の超二相部品のサイズと重量の制限によって異なります。

クロム含有量 2.25%、モリブデン含有量 1% の低合金材料は、インコネル 625 で溶接される部品の母材として業界で受け入れられています。また、適切な熱処理を行えばスーパー二相と同様の材料強度が得られるため、この材料が選択されました。が適用されます。

肉盛溶接法は通常、熱処理プロセスに関する制限によりスーパー二相が最適な材料選択ではない場合に最適です。 熱処理中の効率的かつ効果的な焼入れは、より厚い超二相部品の場合には困難です。 脆化や耐食性の低下の危険性があります。 したがって、スーパー デュプレックスは、壁厚が約 250 ミリメートル (mm) に制限されている厚い部品には適していません。 炭素鋼や低合金鋼などの貴金属ではない材料を耐食肉盛溶接で保護するには、これが貴重な代替手段となります。

2008 年、ある流体工学会社は、この溶接肉盛プロセスを採用した最初のポンプ設計を開発しました。 インコネルで覆われていた領域の 1 つは、ポンプ ケーシング内部のプロセスで濡れた輪郭でした (画像 1)。 このプロトタイプにより、肉盛溶接を含むポンプ コンポーネントの使用可能性についての包括的な調査が可能になりました。

技術的には、幅広い炭素鋼または低合金鋼を基材として使用できるため、コンポーネントのコストが大幅に削減されます。 調査の一環として、ケーシングの母材のさまざまな候補と、肉盛溶接で保護する必要があるケーシングのプロファイルの設計について詳しく説明しました。 これらの調査にはコストの考慮が伴い、長期的にはプロセスの実行可能性に影響を与える可能性があります。

溶接プロセスと技術的プロセス要件

一般的に、肉盛溶接プロジェクトは 3 つのステップで構成されます。 まず、母材を機械加工して肉盛溶接を収容するスペースを作成します。 その後、専門の溶接機を使用して、インコネル 625 などのより高い仕様の金属を適用した後、コンポーネントが最終的な寸法設定のために機械工場に戻されます。

肉盛溶接手順の開発には、最初の溶接試験に続くプロジェクトで使用された機械化ガスタングステン アーク溶接 (GTAW) プロセスが含まれていました。

溶接装置にはアークを発生する非消耗品のタングステン電極が含まれており、その熱は金属を溶かすのに十分でなければなりません。

この場合、インコネル 625 が低合金鋼のケーシング材料と融合される金属です。 インコネル ワイヤが溶接アークとワークピースに連続的に供給されます。 溶接アークは、溶接領域の汚染を防ぐ不活性ガスシールドによって保護されています (画像 2)。

溶接プロセスではいくつかの課題が発生します。 しかし、この流体工学会社は、必要な高品質の溶接を実現し、数トンの重量のポンプ ケーシングを扱うことができる資格のある専門溶接工と提携しました。 溶接仕様の 3 つの要件に対処します。

鉄の組成

溶接部の希釈と鉄含有量は慎重に制御する必要があります。 米国石油協会 (API) 6A (国際標準化機構 [ISO] 10423) による化学分析用のニッケル基合金 N06625 には、Fe5 と Fe10 の 2 つの組成クラスが指定されています。

略語は、基材から 3.2 ミリメートル (mm) の位置に蓄積される最大許容鉄含有量を表します (画像 3)。 溶接層の鉄含有量が指定値を超えて増加すると、腐食の危険性が高まります。

溶接部の厚さ

別の要件では、母材に少なくとも 2 層の溶接を適用する必要があると指定されています。 ケーシングの穴を通して見ると (画像 4)、溶接層のわずかに溝のある外観がわかります。

溶接が完了すると、必要な材料特性を確保し、残留応力を解放するために溶接後熱処理 (PWHT) が実行されます。

この場合、流体工学会社は、最終的に機械加工された溶接部の厚さを 5 mm にすることを決定しました。 その目的は、製造公差および動作中に発生する可能性のある浸食摩耗に関するあらゆる偏差を補正することでした。

最終的な溶接形状を得るにはいくつかの製造ステップが必要であり、最終的な機械加工に必要な時間を短縮するために、溶接の厚さの観点から偏差を可能な限り最小限に抑えることがプロジェクトの目標の 1 つでした。 最終的な溶接厚さ 5 mm を目標にするには、溶接準備のための機械加工と溶接後の最終機械加工を設計し、寸法公差を設定する必要がありました。

小穴

ボアの溶接に関してはさらに課題があります。 ケーシング穴への溶接のアクセス可能性は、溶接ツールのサイズによって制限されます。

より小さな穴は、ケーシングの事前に穴あけされたわずかに大きな開口部に溶接される固体インコネルパイプを使用して確立できます。 さらなるオプションは、インコネル製の中実シリンダーを開口部に挿入することです。 その後、この溶接されたコアに穴を開けることで最終的な機械加工が行われます。

実行

これらのタイプのポンプ部品に対して最初の溶接試験が実施されて以来、インコネル被覆ケーシングを備えた 3 つのポンプ ユニットが完成しました。 最初の設計はメキシコ湾の海底施設用でした。 2 件目は中東の石油・ガスプロジェクトに関するもので、3 件目は二酸化炭素 (CO2) を処理するポンプに関するものでした。 このプロジェクトには、大型ポンプ ケーシングのプロセス領域の溶接が含まれていました (画像 5 を参照)。

最大のポンプケーシングは長さ3メートルを超えました。 これらのコンポーネントのサイズと重量は数トンにもなり、プロジェクトはさらに複雑になりました。

上記の手順に従って、最初の鍛造品は機械加工施設に送られ、次に肉盛りプロセスのために溶接機に送られ、最後に溶接面の最終寸法を達成するために機械加工が行われます。

これらのポンプのサイズにより、溶接肉盛プロセスではケーシングが垂直に配置され (画像 6 および 7)、溶接トーチを必要な精度に位置合わせできるようになりました。

ポンプのうち 2 つは、ポンプ ケーシングの外側に配置されたフランジ付きパイプ接続のガスケット溝に関連する特定の溶接要件を備えていました。 ポンプ ケーシングのインターフェースには、金属ガスケットを収容するために機械加工された溝が含まれています。

ガスケットの材料の選択は標準化されており、溶接の充填材料と相関しています。 ガスケットと溶接被覆材はどちらもインコネル 625 で作られています。このプロジェクトでは、すべてのガスケット溝を被覆する必要がありました (画像 8)。 溶接の目的は、ガスケットと貴度の低い基材 (この文書で説明するポンプ ケーシング) の間の電解腐食を防ぐことでした。

ポンプコンポーネントへの肉盛溶接の使用は、腐食環境で動作するポンプ用にスーパーデュプレックスなどの耐食性母材を選択する従来の方法に代わる効果的な代替手段となり得ます。 ただし、スーパー二相鋼および低合金鋼の価格は変動する可能性があり、個々の鍛造原材料の納期も変動する可能性があるため、最終的な材料選択の前にコストを見積もる必要があります。

圧力クラスが高くなり、したがって圧力保持部品が厚くなる傾向があるため、クロム 2.25%、モリブデン 1% という低合金組成の材料選択が好まれました。 スーパー二相鋼で作られたポンプ ケーシングの認定は、特定の鍛造厚さに制限されています。 この傾向が続くにつれて、既存のポンプの改修または新しい資産の作成において、溶接被覆材の需要が増大するでしょう。

流体工学会社によるこのプロセスの開発は、記載されているポンプ ユニットに合わせて製造手順と溶接手順が微調整され、成功していることが証明されました。 これは、鍛造、前加工、溶接、最終加工などの個々の製造ステップが、専門の溶接パートナーと協力して適切に連携されているために実現されました。

Benedikt Trottmann は、Sulzer の開発エンジニアです。 詳細については、sulzer.com をご覧ください。