Schweißen von Superduplex unter hyperbaren Bedingungen: Offshore-Reparaturverfahren

Was ist Hyperbare-Schweißen und warum ist es für die Offshore-Super-Duplex-Reparatur wichtig?

Hyperbares Schweißen ist trockenes Unterwasserschweißen, das in einem unter Druck stehenden Lebensraum durchgeführt wird, in dem Wasser durch eine Atemgasatmosphäre verdrängt wird, die dem Umgebungsdruck des umgebenden Meeres entspricht oder diesem nahe kommt. Für Super-Duplex-Edelstahlrohrleitungen, Steigleitungen und Strukturknoten ist es die einzige Reparaturmethode, die zuverlässig Schweißnähte in atmosphärischer-Qualität in der Tiefe reproduziert, weshalb es die Standardwahl ist, wenn eine beschädigte Leitung nicht an die Oberfläche wiederhergestellt werden kann.

Offshore-Betreiber greifen zu einer hyperbaren Reparatur anstelle einer vollständigen Pipeline-Wiederherstellung, da die Wiederherstellung bei tiefliegenden oder stark verankerten Leitungen langsam, teuer und oft unmöglich ist. In einem hyperbaren Habitat kann ein zertifiziertes Schweißteam den beschädigten Abschnitt herausschneiden, die Verbindung vorbereiten und wieder zusammenschweißen. Dabei kommen Prozesse und Qualitätskontrollen zum Einsatz, die einer Fertigungswerkstatt an der Oberfläche ähneln, und nicht dem Nassschweißen im offenen Wasser.

Warum Super Duplex den Einsatz besonders erhöht

Superduplex-Qualitäten wie UNS S32750 (2507) und UNS S32760 werden für den Offshore-Einsatz gerade wegen ihrer hohen Festigkeit und Beständigkeit gegen Lochfraß, Spalt- und Chloridspannungsrisskorrosion im Meerwasser ausgewählt. Diese Leistung hängt von einer streng kontrollierten 50/50-Austenit--Ferrit-Mikrostruktur ab, und hyperbare Bedingungen sind eine der wenigen Umgebungen, die dieses Gleichgewicht während des Schweißens selbst stören können, was die Verfahrensqualifizierung weitaus weniger nachsichtig macht als bei Reparaturen an austenitischem Edelstahl oder Kohlenstoffstahl.

Welche Super-Duplex-Klasse sollten Offshore-Betreiber für die Überdruckreparatur angeben?

Die Reparaturschweißnaht sollte immer mit der Güteklasse des Ausgangsrohrs übereinstimmen: UNS S32750 (2507) für allgemeine Unterwasserpipeline- und Strukturanwendungen und UNS S32760 (Zeron 100-Typ), wenn die Anlage auch saurem Betrieb oder Spalten mit hohem Chloridgehalt ausgesetzt ist, da der Ersatz eines niedriger-legierten Füll- oder Grundmaterials an einer Reparaturverbindung zu einem Missverhältnis zwischen galvanischer und Korrosionsbeständigkeit führt, das den Rest untergraben kann Lebensdauer der Pipeline.

Quelle: ASTM A923; Industrieschweißen-technische Referenzen zur Offshore-Spezifikation S32750/S32760.

PREN oder Pitting Resistance Equivalent Number ist die Standardkurzform für die Einstufung der Korrosionsbeständigkeit bei Duplex- und Super-Duplex-Qualitäten: PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N. Jedes hyperbare Reparaturverfahren sollte qualifiziert sein, um nachzuweisen, dass der PREN des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone im Schweißzustand nicht wesentlich niedriger ist als der des Mutterrohrs, da eine Reparaturschweißung nur einmal das schwächste Glied sein muss.

Wie wirkt sich ein erhöhter Umgebungsdruck auf die Mikrostruktur des Schweißmetalls aus?

Ein erhöhter Überdruck unterdrückt die Stickstofflöslichkeit im Schweißbad und verschiebt die Phasenumwandlungskinetik, wodurch die geschweißte Mikrostruktur in Richtung eines Ferritüberschusses gedrückt wird, es sei denn, das Schutzgas und die Wärmezufuhr werden bewusst zum Ausgleich angepasst; Unkorrigiert erhöht dies das Risiko einer verringerten Zähigkeit und einer geringeren Korrosionsbeständigkeit genau dort, wo die Reparatur am besten funktionieren muss.

Unabhängige Untersuchungen zum hyperbaren Duplexschweißen haben diese Druckempfindlichkeit direkt nachgewiesen. Studien zum Fülldraht-Lichtbogenschweißen von Duplex-Edelstahl bei simulierten Überdrücken ergaben, dass der Ferritgehalt im Schweißgut nicht-linear mit dem Druck variierte und dass die Lochfraßkorrosionsbeständigkeit dem resultierenden Gleichgewicht von Ferrit-, Austenit- und sekundären Austenitphasen und nicht nur dem Druck folgte.

Praktische Implikation:Ein WPS, das für eine Atmosphäre oder sogar für eine Überdrucktiefe qualifiziert ist, kann bei einem anderen Druck nicht als gültig angesehen werden. Mit Stickstoff angereichertes Schutzgas, angepasste Wärmezufuhr und Zwischenlagen-Temperaturregelung sind die Standardmaßnahmen, und jede Kombination muss für die spezifische Arbeitstiefe neu qualifiziert werden.

Zusätzliche druckbedingte-Effekte, die es wert sind, spezifiziert zu werden

Das Lichtbogenverhalten wird mit steigendem Kammerdruck instabiler, weshalb für hyperbare Super-Duplex-Arbeiten die maschinelle GTAW- oder GMAW-Technik gegenüber der manuellen Technik bevorzugt wird.

Die Abkühlgeschwindigkeit des Schweißbades und der Erstarrungsmodus ändern sich mit dem Druck und der Gaszusammensetzung, was sich auf die Ausscheidung der Sekundärphase und damit auf die Zähigkeit auswirkt.

Nickel-basierte Zusatzwerkstoffe (üblicherweise AWS ERNiCrMo-3 / Inconel 625-Typ) werden häufig für hyperbare Duplex-Schweißnähte verwendet, da sie weniger empfindlich auf Ferritüberbildung reagieren als entsprechende Duplex-Zusatzwerkstoffe.

Welche Schweißverfahren sind für die trockene hyperbare Superduplex-Reparatur geeignet?

Mechanisiertes Wolfram-Schutzgasschweißen (GTAW) und Metall-Schutzgasschweißen (GMAW), einschließlich Varianten mit Flussmittelfüllung, sind die Verfahren mit der höchsten Qualifikationsbilanz für trockene hyperbare Super-Duplex-Reparaturen, und die Richtlinien der Klassifizierungsgesellschaft erlauben beides, während andere Verfahren vor der Verwendung eine zusätzliche Qualifikation erfordern.

Quelle: DNV-Unterwasserschweißanleitung; AWS D3.6M Unterwasserschweißcode; veröffentlichte Forschungsergebnisse zum hyperbaren GMA/FCA-Schweißen von Duplex-Edelstahl.

Welche Standards regeln die Qualifikation des hyperbaren Superduplex-Schweißverfahrens?

Jede Offshore-Überdruckreparatur an Superduplex-Rohrleitungen sollte gemäß AWS D3.6M für die Unterwasserschweißklasse qualifiziert sein, mit einem Basisprozessqualifikationsstandard wie ASME Abschnitt IX oder ISO 15614 abgeglichen werden und, für Nordsee- und ähnlich regulierte Anlagen, mit den Anforderungen der Klassifikationsgesellschaft und NORSOK, da kein einzelnes Dokument sowohl die Unterwasserumgebung als auch die Basismetallschweißmetallurgie durchgängig abdeckt.

Quelle: AWS D3.6M:2017 Unterwasserschweißcode; DNV-Unterwasserschweißanleitung; NORSOK M-601; ISO 15614-Reihe.

Verstehen der AWS D3.6M Weld-Klassen

• Qualitätsanforderungen der Klasse A -, vergleichbar mit dem Schweißen in Luft; die normalerweise für Primärdruck angegebene Stufe-unter Beibehaltung von Super-Duplex-Reparaturen.
• Klasse B - für weniger kritische Anwendungen, bei denen die Eigenschaften im Vergleich zu einer -Luftschweißung teilweise beeinträchtigt sein können.
• Die Qualität der Klasse O - wird vollständig durch einen anderen festgelegten Code oder eine Kundenspezifikation geregelt, die mit den Unterwasser--spezifischen Anforderungen von D3.6M überlagert ist.

Für die Reparatur einer Super-Duplex-Rohrleitung, die Prozessflüssigkeit mit Auslegungsdruck transportiert, ist die Qualifikation der Klasse A der angemessene Standard; Alles andere verlagert das Risiko auf den Bediener, ohne dass es zu einer entsprechenden Minderung infolge eines Ausfalls kommt.

Wie wird die Korrosionsbeständigkeit nach einer Überdruckreparatur überprüft?

Die Überprüfung nach dem Schweißen bei Super-Duplex-Überdruckreparaturen sollte die Messung des Ferritgehalts im gesamten Schweißgut und der Wärmeeinflusszone sowie einen Eisenchlorid-Eintauchtest nach ASTM A923 Methode C umfassen, da die visuelle und radiologische Akzeptanz allein die intermetallische Phasenbildung oder den Ferritversatz, der am häufigsten die Korrosionsleistung bei druckgeschweißten Duplexverbindungen am häufigsten beeinträchtigt, nicht erkennen kann.

Typische Annahmebasis:Gewichtsverlust unter etwa 10 mg/dm²/Tag (mdd) im ASTM A923-Methode-C-Test, wobei der genaue Wert in der Projektspezifikation festgelegt ist und der Ferritgehalt innerhalb des bei der Verfahrensqualifizierung validierten Bereichs gehalten wird, wobei im Allgemeinen eine ausgewogene Zweiphasenstruktur angestrebt wird und nicht der ferritreiche Zustand, den ungeminderter Überdruck normalerweise hervorruft.

Da die Sanierung eines fehlgeschlagenen Korrosionstests nach einem Angriff auf das Habitat kostspielig ist, führen die meisten erfahrenen Auftragnehmer den ASTM A923-Qualifikationstest am WPS selbst durch, und zwar bei dem tatsächlichen Arbeitsdruck und der tatsächlichen Gasmischung, bevor sie in die stromführende Rohrleitung einschneiden. Dies verlagert die Entdeckung von Korrosionsrisiken von der Reparaturstelle in das Qualifizierungslabor, wo sie hingehört.

Welche Reparaturmethode sollte gewählt werden: Trockenbau, lokaler Hohlraum oder Nassschweißen?

Das Überdruckschweißen in trockenen Lebensräumen ist die korrekte Standardeinstellung für jede Super-Duplex-Reparatur an einer primären Druckgrenze oder einem lasttragenden Strukturelement. Das lokale Hohlraumschweißen ist nur für kleine, geometrisch zugängliche Reparaturen eine akzeptable Option. und manuelles Nassschweißen sollte der vorübergehenden oder unkritischen Stabilisierung vorbehalten bleiben, da es die Mikrostruktur, die Super Duplex seine Korrosionsleistung verleiht, nicht zuverlässig reproduzieren kann.

Quelle: DNV-Unterwasserschweißanleitung; veröffentlichte Forschung zum Unterwasser-Lokalhohlraum- und Überdruckschweißen von Duplex-Edelstahl.

Welche Beschaffungs- und Qualitätskontrolldokumentation sollten Käufer von einem Offshore-Hyperbar-Reparaturunternehmen verlangen?

Käufer sollten ein auftragsspezifisches WPS/PQR-Paket benötigen, das für die tatsächliche Reparaturtiefe und das Gasgemisch qualifiziert ist, aktuelle Leistungsqualifikationsaufzeichnungen für AWS D3.6M-Taucher-, Ferrit- und ASTM A923-Testberichte aus der Qualifizierungsschweißung sowie eine vollständige Materialrückverfolgbarkeit des Ausgangsrohrs und des Füllmetalls, da eine generische Qualifikation zum Überdruckschweißen kein Beweis dafür ist, dass der Auftragnehmer diese Rohrleitung in dieser Tiefe gemäß diesem Korrosionsstandard schweißen kann.

WPS/PQR sind für den tatsächlichen Kammerdruck, das Atemgasgemisch und den Schweißprozess (GTAW oder GMAW/FCAW) qualifiziert.

Taucher-Leistungsqualifikationsnachweise für Schweißer gemäß AWS D3.6M für die angegebene Schweißklasse.

Ferritgehalt und Korrosionstestberichte nach ASTM A923 Methode C, die aus der Qualifizierungsschweißung und nicht aus unabhängigen Probestückdaten erstellt wurden.

Materialtestberichte (MTRs) gemäß EN 10204 3.1 oder 3.2 sowohl für das Ausgangsrohr als auch für das Füllmetall, die Qualität und PREN bestätigen.

Zerstörungsfreier Untersuchungsplan (Radiographie und/oder Ultraschallprüfung), der den Zugangsbeschränkungen zum Lebensraum entspricht und vor der Mobilisierung festgelegt wird.

Häufig gestellte Fragen

F: Kann Standard-Duplex-2205-Füllstoff zur Reparatur einer Super-Duplex-2507-Pipeline unter Wasser verwendet werden?

A: Nein. Das Zusatzmetall sollte dem Legierungsgehalt und dem PREN des Ausgangsrohrs entsprechen oder diesen übertreffen. Die Verwendung von 2205-Füllstoff bei einer 2507- oder S32760-Reparatur führt zu einer Korrosionsbeständigkeitslücke an der Schweißnaht, die normalerweise die am wenigsten tolerierbare Stelle ist, an der eine solche entstehen kann.

F: Erhöht Überdruck immer den Ferritgehalt im Duplex-Schweißgut?

A: Untersuchungen zeigen, dass die Beziehung vom Druck- und vom Prozess-abhängig und nicht streng linear ist, aber unkorrigierte Überdruckbedingungen tendieren aufgrund der unterdrückten Stickstofflöslichkeit im Allgemeinen zu einem Ferritüberschuss, weshalb Schutzgas und Wärmezufuhr für jeden Arbeitsdruck neu qualifiziert werden müssen.

F: Ist Nassschweißen für Superduplex-Pipelines jemals akzeptabel?

A: Nur zur vorübergehenden oder nicht{0}}kritischen Stabilisierung. Für jede Reparatur, die darauf abzielt, einen langfristigen, -korrosionskritischen-Betrieb wiederherzustellen, ist trockenes Überdruckschweißen gemäß AWS D3.6M Klasse A der geeignete Standard.

F: Welcher Korrosionstest sollte für eine hyperbare Super-Duplex-Reparaturschweißung spezifiziert werden?

A: ASTM A923 Methode C, der Eisenchlorid-Eintauchtest, ist die Standardmethode zum Nachweis der Bildung intermetallischer Phasen in Duplex- und Superduplex-Schweißnähten und sollte vor Beginn des Produktionsschweißens an der Qualifikationsschweißnaht durchgeführt werden.

F: Was ist der Unterschied zwischen AWS D3.6M-Schweißnähten der Klassen A und B?

A: Schweißnähte der Klasse A unterliegen einem Qualitätsstandard, der mit dem Schweißen in Luft vergleichbar ist, und sind für primärdruckhaltende Reparaturen geeignet. Schweißnähte der Klasse B akzeptieren etwas eingeschränkte Eigenschaften und sind weniger kritischen Anwendungen vorbehalten.