К вопросу о качестве труб

Применение сварных нержавеющих труб в пищевой промышленности.

На российский рынок ежегодно ввозится до 15 тысяч тонн сварных нержавеющих труб из различных марок сталей.
К сожалению, отечественный потребитель не всегда имеет доступ к информации, позволяющей ему сделать правильный выбор и приобрести трубы с таким набором полезных свойств, которые наиболее полно удовлетворят его требования в качестве, долговечности и безопасности производства.
Опираясь на стандартный набор характеристик товара (размер, длина, цена, марка стали, наличие на складе, период поставки, условия оплаты) потребитель сужает свой взгляд на рынок, оценивая предлагаемую ему трубную продукцию исключительно с точки зрения финансовых условий покупки. Увы, как это обычно и бывает, купить дешево качественную трубу удается далеко не всем. При этом не каждый продавец способен и, главное, желает подробно информировать потребителя о качестве поставляемого им товара.
Но ведь любой из нас, приобретая автомобиль, обращает внимание на десятки параметров: цена, цвет, мощность двигателя, эргономика салона, обивка салона, трансмиссия, привод, электроника и т.д. Мы интересуемся массой дополнительных опций, предоставляемых нам производителем. Так почему же при покупке такого высокотехнологичного продукта как нержавеющая сварная труба наши потребители или не желают знать, или не требуют от поставщика дополнительной информации о товаре. Ведь в пищевой промышленности от качества трубопроводов напрямую зависит качество той продукции, которая по ним транспортируется.
Рассмотрим те характеристики товара, которые пока еще редко становятся предметом обсуждения между продавцом и покупателем сварных нержавеющих труб.

1.Стандарты производства DIN 17455, DIN 17457 и DIN 11850.

Подавляющее количество поставщиков нержавеющих сварных труб по умолчанию предлагает трубы, соответствующие DIN 17455. Конечно, уровень качества труб, изготовленных по данному стандарту весьма высок, однако трубы имеют одно немаловажное свойство: по DIN 17455 производятся «трубы…, рассчитанные на основе 80% применения допустимого расчетного напряжения в сварном шве». Другими словами, коэффициент сварного шва (V) не более 0.8 или, еще проще, прочностные свойства сварного шва не превышают 80% прочностных свойств основного материала трубы.
Напротив, по DIN 17457 производятся «трубы…, рассчитанные на использование на основе 100% применения допустимого расчетного напряжения в сварном шве». То есть, коэффициент сварного шва (V) равен 1.0 (прочностные свойства сварного шва идентичны прочностным свойствам основного материала трубы).
Цена труб по DIN 17455 на 8-10% ниже, чем у труб, произведенных по DIN 17457, но, соответственно, и потребительские свойства у труб по DIN 17455 существенно ниже, чем у труб по DIN 17457: трубы, маркированные DIN 17455, не могут быть применены в оборудовании, работающем под давлением. Эти трубы являются исключительно конструкционными или используются как трубопроводы для транспортировки жидкостей, без давления и при невысоких температурах. И тем более, трубы по DIN 17455 не могут быть использованы для трубопроводных систем в пищевой промышленности. Для этих целей должны использоваться только трубы по DIN 17457 дополнительно обработанные в соответствии с требованиями DIN 11850.
Стандарт DIN 11850 (трубы из нержавеющей стали для применения в пищевой промышленности) допускает применение в указанных отраслях труб, произведенных по DIN 17456 (бесшовные трубы) и DIN 17457. Данный стандарт определяет размеры применяемых труб, допуски на размеры, применяемые материалы, дополнительную термическую и химическую обработку, качество внутренней и внешней поверхности (шероховатость), маркировку, а также указывает допустимое рабочее давление.

2.Применяемые материалы (марки стали).

Некоторые российские поставщики настойчиво убеждают потребителей в том, что трубная продукция из стали AISI 430 (12Х17) также может быть использована в трубопроводах для пищевой промышленности. С нашей точки зрения, иначе как намеренным введением потребителя в заблуждение это назвать нельзя. Безусловно, как стойка, поручень или декоративный элемент трубы из стали 430 могут быть использованы. Но в качестве трубопровода… обратимся к уже упомянутому DIN 11850.
Пункт 4 DIN 11850 (Материалы) однозначно указывает, что в пищевой промышленности стандартно допускается применения только следующих сталей: AISI 304 (1.4301), AISI 304L (1.4307), AISI 316L (1.4404).
Таким образом, стали 400-ой группы (AISI 409, 430, 439 и т.д.) никак не могут использоваться в пищевой промышленности. Типичный пример использования стали AISI 439 – автомобильные глушители.

3. Способы сварки.

В производстве сварных труб из нержавеющих сталей применяются следующие основные способы сварки:

  • TIG (сварка вольфрамовым электродом в инертном газе, без присадочного металла)
  • Плазменная сварка (в сочетании с TIG)
  • HF (сварка токами высокой частоты)
  • Laser (лазерная сварка)
  • Electron beam (электронно-лучевая сварка)

В промышленной практике наиболее применяемыми являются первые три способа.
Лазерная технология, которая гарантирует высокий уровень качества, несмотря на значительные первоначальные капиталовложения, получает все более широкое распостранение.
Электронно-лучевая сварка применяется нерегулярно по причине сложности технологического процесса, который предполагает наличие установок глубокого вакуума в процессе всего цикла сварки.
Считается, что в настоящее время технология TIG или TIG в сочетании с плазменной сваркой составляют около 65% всех европейских сварочных производств, 30% приходится на сварку HF и остальное – на лазерную сварку.
В действительности не существует конкуренции между различными системами сварки, но, как правило, требования к технологии сварки зависят от сферы применения сварных труб.
Считаем необходимым обозначить в таблице 1 типичные сферы применения нержавеющих труб в зависимости от применяемой сварочной технологии.
Сравним две типичные технологии: TIG и HF.

3.1. Способ TIG (Tungset Inert Gas)

Этот способ более других употребляется для производства сварных труб высокого качества из нержавеющих сталей.
Источником генератора тепла для плавки краев служит дуга, которая образуется между вольфрамовым электродом и трубой. Защитный газ, направляемый на сварочную горелку, обволакивает зону плавки с наружной поверхности трубы и одновременно, но уже другим способом, подается внутрь трубы, чтобы защитить зону плавки и изнутри, удерживаясь там с помощью заглушки.
При способе сварки TIG по причине воздействия тепла только на наружную поверхность трубы зона плавления неизбежно окружается обширной зоной термического раздражения, вследствие чего шов оказывается более широким (см. рис.1). Но, по этой же самой причине, TIG-шов является более прочным и легче удаляется.

Рис.1

Рис. 1

Таблица 1. Рекомендуемые сферы применения труб с различными способами сварки.

Сфера применения Способ сварки
Декор, в т.ч. для зеркальной полировки
Конструкции, в т.ч. строительные
Транспорт (разгрузочные установки, кузова)
Высокочастотная (HF) / лазерная (Laser)
Пищевая промышленность TIG
Транспортировка малоагрессивных жидкостей TIG
TIG в сочетании с плазменной сваркой
Лазерная сварка
Транспортировка очень агрессиных жидкостей
Химическая, нефтехимическая, газовая, энергетическая, бумажная промышленности
TIG
TIG в сочетании с плазменной сваркой
Лазерная сварка
Теплообменники
Испарители
Опреснители
Фармацевтическая промышленность
TIG

При соблюдении же технологических параметров сварки не требуется даже дополнительной термической обработки для устранения возможных изменений микроструктуры сварных швов.
При этом скорость TIG-сварки невысока и, поэтому, цена готовой трубы будет выше, чем при использовании других видов сварки.
На рисунке 1 мы видим сварной шов, полученный методом TIG. Шов плотный, однородный, без пустот и раковин. Прочность сварного шва соответствует прочности основного материала трубы.
В директиве ЕС по оборудованию, работающему под давлением (PED – Pressure Equipment Directive), совершенно однозначно указано, что для оборудования, работающего под давлением свыше 0.5 бар могут применяться нержавеющие сварные трубы, произведенные только способом TIG (см. табл. 1)

3.2.Высокочастотная сварка (HF)

На первый взгляд, особенно с точки зрения микроструктуры, высокочастотная сварка (HF) имеет весьма интересные характеристики, благодаря тому, что зона плавления резко ограничена, а зона термического раздражения (прилегает к зоне плавления) практически отсутствует (см. рис. 2). Разогрев краев происходит равномерно по всей толщине, а скорость достижения температуры плавки – около одной сотой в секунду. С геометрической точки зрения высадка шва как внутри, так и снаружи оказывается прочной и прямой.

Рис.1

Рис. 2

Применение высокочастотной сварки в настоящее время находит все более широкое распостранение, в особенности в областях, связанных с декорированием, строительными конструкциями, промышленным машиностроением. В основном это связано с высокими скоростями, достигаемыми при сварке.
Производительность сварки до 20 раз выше, чем при использовании сварки TIG.
На первый взгляд может показаться, что технология HF выигрывает как с точки зрения качества, так и с точки зрения производственных затрат.
Что касается затрат – тут сомнений нет. Цена труб, произведенных сваркой HF на 10% ниже чем у труб, изготовленных с применением сварки TIG.
В отношении качества, однако, необходимо отметить, что наиболее ценное свойство, такое как сжатость зоны плавки, в действительности проявляет себя как слабый пункт, когда речь идет о продукции, требующей высокой надежности, такой как, например, химическое и нефтехимическое оборудование, оборудование для пищевой промышленности, теплообменники и т.д.
Действительно, совершенно очевидно, что необходимые свойства сварного шва могут быть достигнуты только при наличии гарантии сохранения условий и параметров процесса, которые не так легко достигаемы в высокоскоростном процессе HF-сварки. Более того, при недостаточной обработке кромок и ввиду контактного процесса сварки в сварном шве могут образовываться раковины и непровары.
Наглядно это показано на рисунке 2. Мы можем видеть, что сварной шов неплотный, в нем присутствуют пустоты, которые самым отрицательным образом сказываются на прочности сварного соединения.
Симптоматичен тот факт, что сферы применения техники высокочастотной сварки весьма ограничены и сведены к производству труб декоративного, структурного или механического назначения при полном исключении их применения в термоустановках, оборудовании пищевой, химической и нефтехимической, фармацевтической промышленности.

4.Качество поверхности, финишная обработка.

Качество наружной и внутренней поверхности является одним из самых существенных свойств трубной продукции, определяющей область ее применения, цену, сроки изготовления.
Сварные трубы производятся из холоднокатаного или из горячекатаного рулонного проката. Для нужд пищевой промышленности на финишной стадии производства трубы могут подвергаться термической обработке (например, светлый отжиг), химической обработке (травление) и механической обработке (шлифование внутренней поверхности до чистоты поверхности 0.5-0.8 мкм в области основного материала трубы и до 1.6 мкм в области сварного шва, шлифование наружной поверхности до чистоты менее 1.0 мкм).
Для каждого способа применения трубы может быть подобран оптимальный список финишных операций, который обеспечит наиболее полный набор полезных свойств трубы. Например, если при применении сварных труб необходимо их формоизменение (гибка, сплющивание и т.д.), то рекомендуется заказывать трубы с термической обработкой.
Весь набор финишных операций условно обозначается в маркировке, которая должна быть нанесена на каждую трубу (см. табл. 1).
Ниже показан пример маркировки пищевой сварной нержавеющей трубы:
ММ 52х 1 No.541854 1.4301 DIN 17457/11850 CC PK1, где ММ – торговый знак завода-производителя «Marcegaglia», Италия;
52х1 – диаметр (52) и толщина стенки (1) трубы в мм;
1.4301 – обозначение марки стали (AISI 304);
DIN 17457/11850 – обозначение стандартов, в соответствии с которыми произведена данная труба,
СС – обозначение качества поверхности трубы (по DIN 17457 и DIN 11850):
Труба изготовлена из холоднокатаного рулона с повышенным качеством поверхности, снаружи шов почти неразличим, поверхности протравлена.Изнутри труба протравлена, отшлифована до чистоты поверхности менее 0.8 м область сварного шва отшлифована до чистоты поверхности менее 1.6 мкм, шов ламинирован;
РК1 – труба испытана в соответствии с классом испытаний 1.

Таблица 2. Исполнение и обозначение видов обработки поверхности сварных нержавеющих труб для пищевой промышленности (DIN 11850)

Технология производства Наличие термической обработки Качество поверхности Сокращенное обозначение исполнения
Сварные по стандарту ДИН 17457 (Технические условия поставки) Термически обработанные Гладкая металлическая.
Сварной шов, начиная с номинального диаметра ДН 25, выровнен заподлицо со стенками; среднее значение шероховатости Ra = 2,5 мкм кроме зоны сварного шва
Гладкая металлическая по классу исполнения "k 2" или "k 3" по стандарту ДИН 17457 ВА
Термически не обработанные Гладкая металлическая по классу исполнения "k 0" или "k 1" по стандарту ДИН 17457 СА
Термически обработанные Шлифованная абразивом с зернистостью 400 или полированная ВВ
Термически не обработанные СВ
Термически обработанные Гладкая металлическая.
Среднее значение шерохо­ватости Ra = 0,5 мкм Зона сварного шва Ra = 1,6 мкм
Гладкая металлическая по классу исполнения "k3", ""l 1" или "l 2" по стандарту ДИН 17457 ВС
Термически не обработанные Гладкая металлическая по классу исполнения "k 0" или "k 1" по стандарту ДИН 17457 СС
Термически обработанные Шлифованная абразивом с зернистостью 400 или полированная BD
Термически не обработанные CD

© Италинокс Ариэль