Tomáš Vlasák a, Jan Hakl a, Jiří Sochor b, Jan Čech b

Transkript

1 REDUKCE ŽÁRUPEVNOSTI SVAROVÉHO SPOJE OCELE P91VYROBENÉ VE ŽĎAS A.S. STRENGTH REDUCTION FACTOR FOR WELD JOINTS OF P91 STEEL PRODUCED IN ŽĎAS A.S. Tomáš Vlasák a, Jan Hakl a, Jiří Sochor b, Jan Čech b a SVÚM a.s., Podnikatelská 565, Praha 9 b ŽĎAS a.s., Strojírenská 6, Žďár nad Sázavou Abstrakt Martenzitická ocel P91, mezinárodně označovaná GX12CrMoVNbN91, obsahuje 9%Cr-1%Mo a dále je legována menším množstvím vanadu, niobu a kontrolovaným obsahem dusíku. Hlavní oblasti použití oceli P91 jsou v energetickém a chemickém strojírenství pro výrobu částí, jejichž aplikace se uvažuje při teplotách i nad 600 C. Technologie lité oceli P91 byla zvládn uta ve ŽĎAS a.s. tak, že užitné vlastnosti plně odpovídají požadavkům normy. Z hlediska aplikace oceli P91 je svařování nezbytnou technologickou operací. Svary jsou používány jednak při odstraňování vad odlitků, ale také jako konstrukční prvek. Svarové spoje ovšem představují slabé místo konstrukce. Pro potřeby konstruktérů energetických zařízení je nezbytné kvantifikovat redukci užitných vlastností svarových spojů. Předkládaná práce podává výsledky studia žárupevných vlastností svarových spojů ocele P91 při teplotách C.. Abstract Martenzitic steel P91, internationally marked GX12CrMoVNbN91, contain 9%Cr-1%Mo is also alloyed by minor amount of vanadium, niobium and controlled content of nitrogen. Main field of P91 steel application is in power and chemical engineering for producing of parts which considering application is at temperatures even above 600 C. Steel P91 technology of casting w as mastered in ŽĎAS a.s. on level of product manufacture qualities fully satisfying of standard request. Welding is fundamental technological operation at application of P91 steel. Welds are used for defect elimination of castings but also as constructional element. Weld joints of course represents weak location of structure. Quantification of weldments mechanical properties reduction is necessary for power plant designer. Presented contribution presents results of creep properties of P91 steel weldments study at temperatures C. 1. ÚVOD V technicky vyspělých státech patří 9%Cr-1%Mo ocel P91 mezi špičkové martenzitické žárupevné materiály a je již rozsáhle používána při výrobě kotlů a parních turbín. Má vynikající žárupevnost a odolnost proti korozi a díky tomu je aplikována i při teplotách přesahujících 600 C. O tomto materiálu je možno naléz t v literatuře spoustu informací. V tuzemských publikacích je množství údajů o vlastnostech kupř. v [1,2]. Podrobné informace o creepových vlastnostech podávají práce [3,4]. V naší předchozí práci [5] bylo prokázáno, že technologie odlévané oceli P91 ve ŽĎAS a.s. Žďár nad Sázavou je na takové úrovni, aby mechanické vlastnosti při pokojové teplotě i creepové vlastnosti byly plně dostačující. V rámci pokračování ověřování vlastností byl následně proveden i výzkum redukce žárupevnosti, ke které dochází u svarových spojů. Na tuto problematiku je zaměřena předkládaná práce. Je to informace zatím předběžná, neboť některé experimenty ještě probíhají. Jsme však toho názoru, že závěry po jejich ukončení nebudou rozdílné.

2 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Pro experimenty byl vyroben odlitek o minimální tloušťce stěny podle obr.1, jehož chemické složení je uvedeno v tab.1. Tento materiál byl tepelně zpracován postupem 1070 C/15 h/ rychlé ochlazení vzduchem+ 760 C/15 h/vzduch. Po odstranění nálitku byla deska použita pro výrobu zkušebních tyčí, charakterizující základní vlastnosti materiálu při pokojové teplotě a dále creepové vlastnosti základního materiálu i svaru. Základní mechanické vlastnosti uvádí tab.2. Svařování bylo provedeno ručně obalenou elektrodou Böhler FOX C9MV. Po svaření bylo provedeno tepelné zpracování postupem 740 C/12h/vzduch. Po této opera ci byl svařenec, tj. svarový kov, tepelně ovlivněná oblast, základní materiál, nedestruktivně kontrolován vizuálně, magnetickou kontrolou, ultrazvukovou kontrolou a RTG. Nebyly shledány žádné závady. Zkoušky tečení základního materiálu byly uskutečněny s měřenou deformací. Byly tedy snímány creepové křivky. Pro tyto zkoušky byly zhotoveny tyče s měrnými rozměry 6x30 mm (viz obr.2). Svarové spoje byly testovány pomocí tyčí, které měly svar uprostřed měrné délky a měly rozměry 8x40 mm (viz obr.3). V tomto případě byla zjišťována pouze doba do lomu Obr.1 Tvar experimentálního odlitku Fig.1 Shape of experimental cast Tab. 1 Chemické složení experimentálního odlitku Table 1 Chemical composition of experimental cast C Mn Si P S Cr Ni Mo V Nb Al N Min 0,08 0,30 0,20 8,00 0,85 8 0,05 0,03 Dle [7] Max 4 0,60 0,50 0,02 0,01 9,50 0,4 1,05 0,25 0 0,04 0,07 odlitek 1 0,52 0,40 0,018 0,002 8,95 0,33 0,98 0,21 0,079 0,01 0,0375 Tab. 2 Mechanické vlastnosti experimentálního odlitku při pokojové teplotě Table 2 Mechanical properties of experimental cast at RT R p0,2 (MPa) R m (MPa) A 5 (%) Z(%) KV(J) , 102, 99

3 Svarový kov (76) Ø6 R3 20 M12Se8 40 Ø9,7 Ø8 R2,5 9 4 (71) 4 9 Ø16 Obr.2 Vzorek pro zkoušky základního materiálu Fig.2 Specimen for tests of base material Obr.3 Vzorek pro zkoušky svarových spojů Fig.3 Specimen for tests of weldments 3. HODNOCENÍ EXPERIMENTU V prvé řadě byla pevnost při tečení, respektující základní materiál, porovnána s literaturou. K tomu účelu byly použity výsledky z roku 2005, hodnotící žárupevnost devíti litých taveb, zkoušených v rozsahu teplot C do časů 10 5 h [6]. Tyto výsledky, které byly původně vyhodnoceny metodou Manson-Haferd, jsme přepočítali a určili závislost napětí parametr Larson-Miller. Námi použitá volná konstanta měla hodnotu 30 tak, jak je to pro ocel P91 nejběžnější [viz kupř.7]. Tato závislost, reprezentující průběh středních hodnot lité oceli P91, je znázorněna na obr.4a plnou linií. Kromě toho je slabými čarami vyznačeno i rozptylové pole ±20% napětí. V tomto obrázku jsou navíc vyneseny i výsledky, dosažené na materiálu experimentální tavby. Z obr. 4a je zřejmé, že výsledky jsou okolo průběhu střední hodnoty rozloženy zcela náhodně a nepřesahují povolený rozptyl. Výsledky lomových tažností a kontrakcí základního materiálu byly vyneseny shodně (obr. 4b, 4c). Zde nám není znám žádný literární podklad pro srovnání a výsledky uvádíme pro informaci o úrovni těchto vlastností, dosahovaných ve ŽĎAS a.s Žďár nad Sázavou. Ale stejně jako v naší práci [5] mají obě plastické charakteristiky tendenci nejprve růst a pak klesat. Napětí [MPa] Experimentální data Pokračující exprimenty Obr.4a Porovnání provedených experimentů základního materiálu s literárními daty Fig.4a Performed experiments of base materials experiments in comparison to literature data

4 Tažnost [%] Obr.4b Lomová tažnost základního materiálu Obr.4b Rupture elongation of base material Obr.4c Lomová kontrakce základního materiálu Obr.4b Rupture reduction of area of base material Po tomto zhodnocení základního materiálu jsme mohli přistoupit k hodnocení redukce žárupevnosti vlivem svaru v konstrukci. Časové snižování žárupevnosti svarového spoje podle metodiky Evropského výboru pro creep [8] lze charakterizovat pevnostním součinitelem, který vyjadřuje poměr žárupevných vlastností svarového spoje a základního materiálu. K tomu se používá vztah WSF ( t) Ru ( w) / t / T, R / t / T kde WSF(t) je redukční součinitel pevnosti spoje, = (1) u R u (w)/t/t je mez pevnosti při tečení spoje při teplotě T a době do lomu t, R u /t/t je mez pevnosti při tečení základního materiálu při teplotě T a době do lomu t. Creepové výsledky základního materiálu a svarového spoje jsou graficky zpracovány na obr.5. Je zřejmé, že svarové spoje mají při nižších creepových parametrech srovnatelnou životnost jako základní materiál. Při vyšších parametrech však svarové spoje mají životnost nižší. Kontrakce [%]

5 1000 Pevnost při tečení pro 10 5 h při teplotě 600 C 575 C 625 C Napětí [MPa] Obr.5 Grafické znázornění vyhodnocení žárupevnosti základního materiálu ocele P91 a výsledků creepových zkoušek svarového spoje Fig.5 Graphical interpretation of creep properties evaluation of P91 steel base material of P91 steel and creep tests results of weldments 4. DISKUZE Spolehlivě hodnotit WSF(t) je možné pouze v případě, že tato časová a teplotní závislost se určuje na stejném materiálu, který byl použit pro studium jak základního materiálu tak i pro svarový spoj. Toto studium je časově a ekonomicky značně náročné. Proto je velmi obtížné v literatuře nalézt potřebné informace. V literatuře se nám podařilo nalézt hodnoty WSF(t) pouze pro tvářenou ocel P91 [9]. Srovnání redukce žárupevnosti s našimi experimenty je uvedeno v Tab.3. Je zřejmé, že rozdíly hodnot faktoru WSF(t) jsou minimální. Nižší hodnoty tvářené varianty mají zřejmě příčinu v tom, že vliv svaru na žárupevnost tvářené varianty je mírně významnější, neboť žárupevnost tvářené varianty je vyšší. Tab. 3 Hodnoty redukčních součinitelů WSF(t). Tab. 3 Values of reduction factor WSF(t) Doba expozice 10 5 (h) Teplota Vlastní experimenty 0,87 0,83 0,80 Podle [9] 0,87 0,79 0,74 5. ZÁVĚR Předložená práce shrnuje poznatky o žárupevnosti základního materiálu a svarových spojů lité oceli P91. Zhotovení základního materiálu i svařování bylo provedeno ve ŽĎAS a.s. Žďár nad Sázavou. Hlavní závěry je možné formulovat takto:

6 a) Základní materiál vykazoval žárupevnost srovnatelnou s creepovými vlastnostmi devíti litých taveb, testovaných při teplotě C do časů 10 5 h. b) Redukce žárupevnosti svarového spoje WSF(t) byla vyhodnocena postupem doporučeným ECCC. c) Redukce žárupevnosti svarového spoje je při krátkých časech a nižších teplotách nulová. Ale s rostoucí teplotou a dobou expozice narůstá. Při teplotě 625 C a době 10 5 h byla stanovena hodnota WSF(t)=0,80, která je podobná hodnotě pro tvářenou ocel WSF(t) =0,74 z literatury [9]. LITERATURA [1.] JAKOBOVÁ,A.-VELÍŠEK,J.-HUBÁČEK,M.-STANĚK,B.: Nová progresivní ocel 5 P91, její použití a zkušenosti s výrobou v a.s. Vítkovice. Sborník konference Progresivní materiály pro energetické a chemické strojírenství, str.iii 1-7. VTS Vítkovice, Soláň [2.] JAKOBOVÁ,A.-PURMENSKÝ,J.-FOLDYNA,V.: Vlastnosti výrobků z oceli P91 vyráběných v a.s. Vítkovice. Viz [1], str. III [3.] HAKL,J.-VLASÁK,T.: Creepové vlastnosti ocele P91 Sborník 2. konference Zvyšování životnosti komponent energetických zařízení v elektrárnách. str , Srní, [4.] HAKL,J.-VLASÁK,T.-KUDRMAN,J.: Creepové vlastnosti a struktura oceli P91. Sborník 17. Konference METAL 2008, Hradec nad Moravicí, referát C14, [5.] VLASÁK,T.-HAKL,J.-SOCHOR,J.-ČECH,J.: Vlastnosti lité oceli P91 vyráběné v ŽĎAS a.s. Sborník 5. Konference Zvyšování životnosti komponent energetických zařízení, str Srní, [6.] ECCC Data Sheets. Published by ETD. [7.] The book. Ferritic pipe for high temperature use in boilers and petrochemical applications. Vallourec Industries, France, [8.] ECCC Recommendation 2001: Creep data validation and assessment procedures, ERA Technology Ltd., UK, [9.] KIMURA, K. at all: Long-term Creep Strength Reduction Factor for Welded Joints of ASME Grades 91, 92 and 122 Type steels, Proc. Safety and Reliability of Welded Components in Energy and Processing Industry, July 2008, Graz, Austria.