Review of modern requirements for welding of pipe high-strength low-alloy steels

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

For many years, proven arc welding processes have been used to weld large pipes of oil and gas pipelines, the scope of which extends from manual arc welding with stick electrodes to the use of metal orbital welding machines. Introduction reflects that the creation of new steel compositions for oil and gas pipelines is an urgent task to ensure its high reliability. Research Methods. Low-carbon steels with ferrite-perlite structure are usually used in pipe production, but these steels are unable to meet the increased market demands. New grades of steel with bainitic structure are appearing. Results. The failure of welded joints of pipelines made of high-quality steel is becoming a serious problem for the pipeline industry. Discussion. This paper analyzes the characteristics of weld microstructure and its relationship with impact toughness. The prediction of impact toughness based on the microstructural characteristics of weld-seam metals is complicated due to a large number of parameters involved. The common practice linking this property to the microstructure of the last roll of a multi-pass weld turned out to be unsatisfactory because the amount of needle ferrite, the most desirable component, may not always be the main factor affecting the impact toughness. The present review reports on the most representative study regarding the microstructural factor in the welded seam of pipe steels. It includes a summary of the most important process variables, material properties, normative rule, as well as microstructure characteristics and mechanical properties of the joints. Conclusion. It is intended that this review will help readers with different backgrounds, from non-specialist welders or material scientists to specialists in various industrial applications and researchers.

About the authors

Y. I. Karlina

Email: jul.karlina@gmail.com
Ph.D. (Engineering), National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, jul.karlina@gmail.com

R. V. Kononenko

Email: istu_politeh@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, istu_politeh@mail.ru

V. V. Ivancivsky

Email: ivancivskij@corp.nstu.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, ivancivskij@corp.nstu.ru

M. A. Popov

Email: popovma.kvantum@gmail.com
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, popovma.kvantum@gmail.com

F. F. Deriugin

Email: deryugin040301@yandex.ru
Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, deryugin040301@yandex.ru

V. E. Byankin

Email: borck3420@gmail.com
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, borck3420@gmail.com

References

  1. Эфрон Л.И. Металловедение в «большой» металлургии. Трубные стали. – М.: Металлургиздат, 2012. – 696 с.
  2. Матросов Ю.И., Литвиненко С.А., Голованенко С.А. Сталь для магистральных трубопроводов. – М.: Металлургия, 1989. – 288 с.
  3. API Spec 5CT. Обсадные и насосно-компрессорные трубы. Технические условия. – 9-е изд. – Американский нефтяной институт, 2011. – 287 с.
  4. DSTU ISO 11960:2020. Petroleum and natural gas industries – Steel pipes for use as casing and tubing for wells. – Geneva, Switzerland: IOS, 2020.
  5. СТО Газпром 2-4.1-228–2008. Технические требования к насосно-компрессорным трубам для месторождений ОАО «Газпром». – М.: ОАО «Газпром», 2008. – 32 с.
  6. Oil and gas wells and their integrity: Implications for shale and unconventional resource exploitation / R.J. Davies, S. Almond, R.S. Ward, R.B. Jackson, C. Adams, F. Worrall, L.G. Herringshaw, J.G. Gluyas, M.A. Whitehead // Marine and Petroleum Geology. – 2014. – Vol. 56. – P. 239–254. – doi: 10.1016/j.marpetgeo.2014.03.001.
  7. Study of failure frequency and failure cases in oil & gas pipeline / J.H. Luo, F.P. Yang, K. Wang, L. Zhang, X.W. Zhao, C.Y. Huo // Heat Treatment of Metals. – 2015. – Vol. 40, S1. – P. 470–474.
  8. Numerical simulation method for strain capacity of girth welding joint on X80 pipeline with 1 422 mm diameter / H. Zhang, K. Wu, X. Liu, Y. Yang, Y. Sui, Z. Zhang // Oil & Gas Storage and Transportation. – 2020. – Vol. 39 (2). – P. 162–168.
  9. A strain-based fracture assessment for offshore clad pipes with ultra undermatched V groove weld joints and circumferential surface cracks under large-scale plastic strain / X. Zhao, L. Xu, H. Jing, Y.D. Han, L. Zhao // European Journal of Mechanics – A/Solids. – 2019. – Vol. 74. – P. 403–416. – doi: 10.1016/j.euromechsol.2018.12.002.
  10. Microstructures and mechanical properties in two X80 weld metals produced using similar heat input / A.R.H. Midawi, E.B.F. Santos, N. Huda, A.K. Sinha, R. Lazor, A.P. Gerlich // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 226. – P. 272–279. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.07.019.
  11. Sha Q., Li D. Microstructure, mechanical properties and hydrogen induced cracking susceptibility of X80 pipeline steel with reduced Mn content // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 585. – P. 214–221. – doi: 10.1016/j.msea.2013.07.055.
  12. Microstructure evolution of the semi-macro segregation induced banded structure in high strength oil tubes during quenching and tempering treatments / B. Li, M. Luo, Z. Yang, F. Yang, H. Liu, H. Tang, Z. Zhang, J. Zhang // Materials. – 2019. – Vol. 12 (20). – P. 3310. – doi: 10.3390/ma12203310.
  13. Study of mechanical properties of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2021. – Vol. 22. – P. 66–71. – doi: 10.17580/cisisr.2021.02.12.
  14. Investigation of macro and micro structures of compounds of high-strength rails implemented by contact butt welding using burning-off / M.G. Shtayger, A.E. Balanovskiy, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012190. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012190.
  15. Study of impact strength of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, Yu.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 24. – P. 67–73. – doi: 10.17580/cisisr.2022.02.10.
  16. Comparative analysis of structural state of welded joints rails using method of Barkhausen effect and ultrasound / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, V.V. Kondrat'ev, A.I. Karlina, A.S. Govorkov // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1118 (1). – P. 012006. – doi: 10.1088/1742-6596/1118/1/012006.
  17. Effects of Q&T parameters on phase transformation, microstructure, precipitation and mechanical properties in an oil casing steel / Q. Zhang, Q. Yuan, Z. Xiong, M. Liu, G. Xu // Physics of Metals and Metallography. – 2021. – Vol. 122 (14). – P. 1463–1472. – doi: 10.1134/S0031918X21140180.
  18. Effect of microstructure on the yield ratio and low temperature toughness of linepipe steels / Y.M. Kim, S.K. Kim, Y.J. Lim, N.J. Kim // ISIJ International. – 2002. – Vol. 42 (12). – P. 1571–1577. – doi: 10.2355/isijinternational.42.1571.
  19. Comparative evaluation of austenite grain in high-strength rail steel during welding, thermal processing and plasma surface hardening / A.D. Kolosov, V.E. Gozbenko, M.G. Shtayger, S.K. Kargapoltsev, A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.V. Sivtsov, S.A. Nebogin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – P. 012185. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012185.
  20. Determination of rail steel structural elements via the method of atomic force microscopy / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtaiger, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 23. – P. 86–91. – doi: 10.17580/cisisr.2022.01.16.
  21. Смирнов М., Пышминцев И., Борякова А. Классификация микроструктур низкоуглеродистых трубных сталей // Металлург. – 2010. – № 7. – С. 45–51.
  22. Ниобийсодержащие низколегированные стали / Ф. Хайстеркамп, К. Хулка, Ю.И. Матросов, Ю.Д. Морозов, Л.И. Эфрон, В.И. Столяров, О.Н. Чевская. – М.: Интермет Инжиниринг, 1999. – 94 с.
  23. Baker T.N. Microalloyed steels // Ironmaking & Steelmaking. – 2016. – Vol. 43 (4). – P. 264–307. – doi: 10.1179/1743281215Y.0000000063.
  24. Procedures, considerations for welding X80 line pipe established / H.G. Hillenbrand, G. Niederhoff Hauck, E. Perteneder, G. Wellnitz // Oil & Gas Journal. – 1997. – Vol. 37. – P. 47–56.
  25. Morrison W.B. Microalloy steels – the beginning // Materials Science and Technology. – 2009. – Vol. 25 (9). – P. 1066–1073. – doi: 10.1179/174328409X453299.
  26. Microstructure and mechanical properties of X80 pipeline steel joints by friction stir welding under various cooling conditions / G.M. Xie, R.H. Duan, P. Xue, Z.Y. Ma, H.L. Liu, Z.A. Luo // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2020. – Vol. 33. – P. 88–102. – doi: 10.1007/s40195-019-00940-0.
  27. Current challenges and opportunities in microstructure-related properties of advanced high-strength steels / D. Raabe, B. Sun, A. Kwiatkowski Da Silva, B. Gault, H.-W. Yen, K. Sedighiani, P.T. Sukumar, I.R. Souza Filho, S. Katnagallu, E. Jägle, P. Kürnsteiner, N. Kusampudi, L. Stephenson, M. Herbig, C.H. Liebscher, H. Springer, S. Zaefferer, V. Shah, S.-L. Wong, C. Baron, M. Diehl, F. Roters, D. Ponge // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2020. – Vol. 51. – P. 5517–5586. – doi: 10.1007/s11661-020-05947-2.
  28. New development of high grade X80 to X120 pipeline steels / J.Y. Yoo, S.S. Ahn, D.H. Seo, W.H. Song, K.B. Kang // Materials and Manufacturing Processes. – 2011. – Vol. 26 (1). – P. 154–160. – doi: 10.1080/10426910903202534.
  29. Moore P.L., Howse D.S., Wallach E.R. Development of Nd: YAG laser and laser/MAG hybrid welding for land pipeline applications // Welding and Cutting. – 2004. – Vol. 56 (3). – P. 186–191.
  30. Gook S., Gumenyuk A., Rethmeier M. Hybrid laser arc welding of X80 and X120 steel grade // Science and Technology of Welding and Joining. – 2014. – Vol. 19 (1). – P. 15–24. – doi: 10.1179/1362171813Y.0000000154.
  31. Influence of heat input and preheating on the cooling rate, microstructure and mechanical properties at the hybrid laser-arc welding of API 5L X80 steel / G. Turichin, M. Kuznetsov, A. Pozdnyakov, S. Gook, A. Gumenyuk, M. Rethmeier // Procedia CIRP. – 2018. – Vol. 74. – P. 748–751. – doi: 10.1016/j.procir.2018.08.018.
  32. Laser hybrid butt welding of large thickness naval steel / C. Churiaque, M. Chludzinski, M. Porrua-Lara, A. Dominguez-Abecia, F. Abad-Fraga, J.M. Sánchez-Amaya // Metals. – 2019. – Vol. 9. – P. 100. – doi: 10.3390/met9010100.
  33. Keitel S., Jasnau U., Neubert J. Applications of fiber laser based deep penetration welding in shipbuilding, rail car industries and pipe welding // 4th International Symposium on High-Power Laser and their Applications, June 24–26, 2008. – St. Petersburg, Russia, 2008.
  34. Kah P. Overview of the exploration status of laser-arc hybrid welding processes // Reviews on Advanced Materials Science. – 2012. – Vol. 30. – P. 112–132.
  35. Waveform Control Technology®: Surface Tension Transfer®. – Cleveland: The Lincoln Electric Company, 2006. – 4 p. – (Relatório Técnico, NX-2.20 – Nov/06).
  36. Ефименко Л.А., Рамусь А.А. Влияние морфологии структуры на сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений высокопрочных трубных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2015. – № 9 (723). – С. 41–45.
  37. Взаимосвязь структуры с фрактографическими характеристиками микромеханизма разрушения металла сварных соединений из высокопрочных трубных сталей / Л.А. Ефименко, А.А. Рамусь, Д.В. Пономаренко, Р.О. Рамусь // Металлург. – 2018. – № 7. – C. 69–74.
  38. Микроструктурные особенности низколегированных трубных сталей, определяющие ударную вязкость околошовной зоны сварных соединений / В.В. Судьин, П.П. Степанов, В.А. Боженов, М.М. Кантор, Л.Э. Эфрон, С.В. Жарков, А.В. Частухин, Д.А. Рингинен // Металлург. – 2021. – № 5. – C. 24–35. – doi: 10.52351/00260827_2021_05_24.
  39. Tensile strain limits of girth welds with surface-breaking defects. Part II. Experimental correlation and validation / Y.Y. Wang, D. Horsley, W. Cheng, A. Glover, M. McLamb, J. Zhou, R. Denys // Proceedings of the 4th International Conference on Pipeline Technology, American Society of Mechanical Engineers, Calgary, Alberta, Canada. – ASME, 2004. – P. 9–13.
  40. Effects of geometry, temperature, and test procedure on reported failure strains from simulated wide plate tests / Y.Y. Wang, M. Liu, Y. Chen, D. Horsley // International Pipeline Conference. – 2006. – Vol. 3. – P. 593–601.
  41. Sui Y. Girth welding on oil and gas pipeline projects in China // Advances in Materials Processing: Proceedings of Chinese Materials Conference 2017. – Springer, 2018. – P. 1143–1154. – doi: 10.1007/978-981-13-0107-0_109.
  42. Development of rolling procedures for pipes of K55 strength class at the laboratorial mill / R.R. Adigamov, K.A. Baraboshkin, P.A. Mishnev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 24. – P. 60–66. – doi: 10.17580/cisisr.2022.02.09.
  43. Adigamov R.R., Baraboshkin K.A., Yusupov V.S. Study of the phase transition kinetics in the experimental melting of rolled coils of K55 grade strength steel for pipes manufacturing // Steel in Translation. – 2022. – Vol. 52 (11). – P. 1098–1105.
  44. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – doi: 10.1007/s11015-022-01271-9.
  45. Modification of hydraulic hammers used in repair of metallurgical units / I.A. Zhukov, N.V. Martyushev, D.A. Zyukin, A.M. Azimov, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2023. – Vol. 66 (11–12). – P. 1644–1652. – doi: 10.1007/s11015-023-01480-w.
  46. Study of melting methods by electric resistance welding of rails / V.A. Rezanov, N.V. Martyushev, V.V. Kukartsev, V.S. Tynchenko, V.A. Kukartsev, A.V. Grinek, V.Yu. Skeeba, A.V. Lyosin, A.I. Karlina // Metals. – 2022. – Vol. 12. – P. 2135. – doi: 10.3390/met12122135.
  47. Morphological features of polycrystalline CdS1−xSex films obtained by screen-printing method / D.M. Strateichuk, N.V. Martyushev, R.V. Klyuev, V.A. Gladkikh, V.V. Kukartsev, Y.A. Tynchenko, A.I. Karlina // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (5). – P. 825. – doi: 10.3390/cryst13050825.
  48. Complex assessment of X-ray diffraction in crystals with face-centered silicon carbide lattice / I.I. Bosikov, N.V. Martyushev, R.V. Klyuev, V.S. Tynchenko, V.A. Kukartsev, S.V. Eremeeva, A.I. Karlina // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (3). – P. 528. – doi: 10.3390/cryst13030528.
  49. Strengthening of metallurgical equipment parts by plasma surfacing in nitrogen atmosphere / N.N. Malushin, R.A. Gizatulin, N.V. Martyushev, D.V. Valuev, A.I. Karlina, A.P. Kovalev // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1468–1475.
  50. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13 (6). – P. 1043. – doi: 10.3390/met13061043.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».