VLASTNOSTI A MIKROSTRUKTURA SIMULOVANÝCH PÁSEM TOO SVAROVÉHO SPOJE OCELI T 24

Transkript

1 VLASTNOSTI A MIKROSTRUKTURA SIMULOVANÝCH PÁSEM TOO SVAROVÉHO SPOJE OCELI T 24 prof. Ing. Jaroslav Koukal, CSc., VŠB-TU Ostrava, Český svářečský ústav s.r.o. Ing. Martin Sondel, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, Český svářečský ústav s.r.o. doc. Ing. Drahomír Schwarz, CSc., VŠB-TU Ostrava, Český svářečský ústav s.r.o. Ing. Radek Sztefek, VŠB-TU Ostrava Anotace Cílem příspěvku je stanovit základní mechanické vlastnosti a provést mikrostrukturní rozbor jednotlivých pásem TOO svarového spoje oceli T24. Vzhledem k velmi malým šířkám jednotlivých pásem TOO reálných svarových spojů oceli T24 byla využita modelovací technika. Na základě měření teplotních cyklů jednotlivých pásem TOO byly definovány základní charakteristiky (rychlost ohřevu, maximální teplota cyklu, výdrž na maximální teplotě, čas ochlazování mezi 800 a 500 C) pro simulování jednonásobných teplotních cyklů na odporovém simulátoru Smitweld. Základní mechanické vlastnosti modelovaných pásem TOO byly hodnoceny pomocí hodnot R e, R m, A 5 a KV a byla měřena tvrdost HV10. Mikrostruktura jednotlivých simulovaných pásem TOO svarového spoje oceli T24 byla analyzována pomocí transmisní elektronové mikroskopie a byla provedena strukturně fázová analýza pro identifikaci jednotlivých typů minoritních fází a stanovení disperze částic precipitátu. 1. Úvod V parních kotlích energetických bloků se ve spalovacích komorách v současné době používá konstrukční řešení v podobě membránových stěn, které tvoří stěny výparníků. Membránová stěna je tvořena z trubek a tyto trubky jsou navzájem spojeny přes plochou ocel. Membránová stěna se vyrábí jako nerozebíratelný celek (svařovaná konstrukce), jednotlivé obvodové svary mezi trubkami se provádějí metodou 141 a spoje mezi plochou ocelí a trubkou se ve výrobě řeší svařováním metodou 121 (SAW). Při montáži kotle se plochá ocel přivařuje k trubkám rovněž metodou 141. Problematice svařitelnosti oceli T/P24 je v současné době věnována značná pozornost. Důvodem je vznik vad v průběhu výroby membránových stěn, při jejich dopravě na staveniště a v počátcích náběhu energetického bloku do provozu. Některé publikace poukazují na vznik teplých trhlin [5, 6], avšak vznik teplých trhlin je úzce spjat s procesem svařování, tudíž nelze tímto způsobem vysvětlit příčinu vzniku trhlin za provozu zařízení. Jako pravděpodobný mechanismus vzniku vad v membránových stěnách se kromě nízké teploty předehřevu, nedodržování teploty interpass, nedostatečné izolace svařovaného místa a nepopuštění svarových spojů, také uvádí sekundární vytvrzování a s tím spojené nízké hodnoty plastických vlastností [7, 8]. Problém sekundárního vytvrzování je úzce spjat s obsahem karbidotvorných a nitridotvorných prvků a s teplotou popouštění ocelí. Vlastnosti jednotlivých pásem TOO svarových spojů nelze s ohledem na jejich malé rozměry studovat klasickými metodami, ale pouze pomocí modelovací techniky. Nutnou podmínkou pro využití modelovací techniky je znalost teplotních cyklů, kterým jsou jednotlivá pásma TOO vystavena. Detailní studium jednotlivých oblastí svarového spoje umožní určit nejslabší místo svarového spoje jak z hlediska základních mechanických vlastností, tak i z hlediska

2 mikrostrukturních parametrů. Tyto znalosti pak mohou být využity pro optimalizaci technologie svařování, zvýšení životnosti a spolehlivosti energetických zařízení. 2. Experimentální materiál V rámci experimentálního programu byly na trubkách Ø42,8 x 7,1 mm z oceli T24 měřeny teplotní cykly v průběhu svařování obvodových svarových spojů, s cílem použít naměřené teplotní cykly pro simulaci jednotlivých pásem TOO. Svarový spoj byl zhotoven metodou 141 s předehřevem přibližně 180 C. Jako přídavný materiál byl použit svařovací drát typu WZ CrMo2VTi/Nb dle EN o průměru 2,4 mm, chemické složení je uvedeno v tabulce 1. V tabulce 2 jsou uvedeny požadované mechanické hodnoty trubek z oceli 7CrMoVTiB10-10 (T24) uváděné normou ČSN EN A2 [16]. Měření bylo provedeno pomocí termočlánků Ni NiCr o průměru 0,25 mm při teplotě předehřevu 180 C. Cílem měření teplotních cyklů svařování bylo získat detailní charakteristiky teplotních cyklů pro jednotlivá pásma TOO svarového spoje. Vzhledem k nedokonalosti při měření reálného svarového spoje byly naměřené charakteristiky validovány a následně upřesňovány pomocí numerických simulací svařování v softwaru Sysweld. Takto získané charakteristiky teplotních cyklů u jednotlivých pásem TOO jsou uvedené v tabulce 3. Hodnoty parametru t 8/5 jsou v souladu s hodnotami uvedenými v publikacích [17, 18, 19, 20]. Základní materiál T24 (standard) T24 základní materiál přídavný materiál Tab. 1 Chemické složení experimentální oceli T24 a přídavného materiálu (hmot. %) C Si Mn P S Al Cr Mo V Ti N B 0,05 0,10 0,15 0,45 0,30 0,70 max. 0,020 max. 0,010 max. 0,020 2,20 2,60 0,90 1,10 0,20 0,30 0,05 0,10 max. 0,010 0,0015 0,0070 0,078 0,29 0,55 0,017 0,0025 0,012 2,522 0,975 0,224 0,084 0,0098 0,0022 0,05 0,30 0, ,20 1,00 0,22 Ti/Nb 0, Tab. 2 Požadované vlastnosti pro trubky z oceli T24 [16] Ocel R e pro tl. stěny t 16 R m A min podél KV min při 20 C podél KV min při 20 C napříč T MPa MPa 17 % 40 J 27 J Charakteristiky změřených teplotních cyklů jednotlivých pásem TOO svarového spoje byly použity pro simulaci pásem TOO svarového spoje. Simulace byla prováděna na hranolcích o rozměrech 10,2x10,2x70 mm vyrobených ze základního materiálu, jehož chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Výchozí tepelné zpracování hranolků bylo normalizační žíhání a popouštění. Vlastní simulace byla realizována ve Výzkumném a zkušebním ústavu v Plzni na simulátoru Smitweld TCS 1405.

3 Tab. 3 Charakteristiky jednotlivých tepelných cyklů pásem TOO tupého svarového spoje Charakteristika Pásmo přehřátí Pásmo normalizace Pásmo interkritické (částečné překrystalizace) Počáteční teplota Rychlost ohřevu 180 C po dobu 30 sekund 60 C/sec Max. teplota cyklu T max 1350 C 1000 C 860 C Doba výdrže na T max Rychlost ochlazování mezi T max a 800 C 1 sec 24 C/sec 20 C/sec 10 C/sec Parametr t 8/5 36,5 sec 39 sec 43 sec Ochlazování pod 500 C vzduch Jedna část nasimulovaných vzorků byla ponechána bez tepelného zpracování (po svaření) a druhá část vzorků byla tepelně zpracována na teplotě 740 C po dobu 1 hodiny. Mikrostruktura v jednotlivých pásmech a v obou stavech byla tvořena bainitem, resp. popuštěným bainitem a liší se od sebe v základních rysech typických pro jednotlivé oblasti TOO svarového spoje. Podle normy ČSN EN ISO byly provedeny tahové zkoušky. Z kdého nasimulovaného pásma a z kdého stavu byly zkoušeny 2 vzorky při pokojové teplotě. Výsledky zkoušek jsou graficky zpracovány na obr Na obrázcích jsou vyneseny průměrné hodnoty ze dvou měření. Rovněž jsou na obrázcích pro informaci zakresleny minimálně požadované hodnoty jednotlivých vlastností pro trubky z oceli 7CrMoVTiB10-10 (T24) podle [16]. 3. Hodnoty tvrdosti simulovaných pásem TOO oceli T24 Hodnoty tvrdosti HV10 simulovaných pásem TOO byly stanoveny podle normy ČSN EN ISO se zatížením 98 N. Tvrdost základního experimentálního materiálu oceli T24 je 200 HV10. Naměřené hodnoty tvrdosti simulovaných pásem TOO v nepopuštěném a popuštěném stavu jsou znázorněny na obrázku 1.

4 Obr. 1 Hodnoty tvrdosti HV10 simulovaných pásem TOO oceli T24 Naměřené hodnoty tvrdosti pásma přehřátí v nepopuštěném stavu jsou vyšší než maximální přípustná tvrdost podle normy ČSN EN ISO Svarové spoje ocelí tohoto typu se však používají pouze v popuštěném stavu. Hodnoty tvrdosti naměřené ve všech pásmech TOO ve stavu po tepelném zpracování splňují požadavky dané ČSN EN ISO pro kvalifikace postupu svařování (max. 350 HV10). Splňují i požadavky na tvrdost popuštěného svarového kovu použitého přídavného materiálu pod 300 HV10. Naměřené hodnoty dokumentují, že nejtvrdším místem svarového spoje je pásmo přehřátí TOO. V tomto pásmu by měly být rovněž naměřeny největší hodnoty R m a R e a nejnižší hodnoty KV. Naměřené hodnoty tvrdosti tepelně zpracovaného pásma normalizace jsou jen o málo vyšší než hodnoty změřené v základním experimentálním materiálu. Hodnoty naměřené v tepelně zpracovaném interkritickém pásmu jsou nižší než v základním materiálu. Tomuto pásmu by měly odpovídat minimální hodnoty R m a R e a maximální hodnoty KV. 4. Základní mechanické vlastnosti modelovaných pásem TOO Základní mechanické vlastnosti simulovaných pásem TOO byly hodnoceny pomocí hodnot R e, R m, A 5 a KV. Pro jejich stanovení byly použity standardní platné normy. Tabulka 4 uvádí základní mechanické hodnoty zjištěné u experimentálního základního materiálu oceli T24. Tab. 4 Mechanické hodnoty experimentálního základního materiálu oceli T24 Ocel R e (MPa) R m (MPa) A 5min (%) KV (+20 C) (J) T

5 Naměřené hodnoty základních mechanických vlastností v simulovaných pásmech TOO jsou uvedeny na obrázcích 2 5. Pásmo přehřátí vykazuje nejvyšší hodnoty R e a R m a nejnižší hodnoty A 5. Interkritické pásmo vykazuje naopak nejnižší hodnoty R e, R m a nejvyšší hodnoty A 5. Požadavek na minimální hodnotu R e (450 MPa) nesplňuje interkritické pásmo. Obr. 2 Hodnoty R e simulovaných pásem TOO oceli T24 Obr. 3 Hodnoty R m simulovaných pásem TOO oceli T24 V nepopuštěném stavu není rozdíl v hodnotách tnosti A 5 mezi simulovanými pásmy TOO tak výrazný a všechna pásma nesplňují minimální požadovanou hodnotu 17%. Popuštěný stav zřetelně ukazuje rozdíly mezi jednotlivými pásmy. Minimální požadovanou hodnotu tnosti A 5 nesplňuje tepelně zpracované simulované pásmo přehřátí.

6 Obr. 4 Hodnoty tnosti A 5 simulovaných pásem TOO oceli T24 Obr. 5 Hodnoty KV simulovaných pásem TOO oceli T24 Požadavky na minimální hodnotu nárazové práce při teplotě okolí min. 40 J v podélném směru nesplňuje v nepopuštěném stavu pásmo přehřátí. V popuštěném stavu splňují požadované hodnoty na nárazovou práci všechna simulovaná pásma TOO. Požadavky na základní materiál oceli T24 splňují v popuštěném stavu z hlediska minimálně požadovaných hodnot R m a KV všechna simulovaná pásma TOO. Popuštěné interkritické pásmo nesplňuje požadavek na minimální hodnotu R e a popuštěné pásmo přehřátí pak nesplňuje požadavek na minimální hodnotu tnosti A 5. Kritické mohou být zejména nízké plastické vlastnosti pásma přehřátí v nepopuštěném stavu, které by mohly být příčinou porušení svarů. Je proto nezbytné svarové spoje co nejdříve po svaření tepelně zpracovat.

7 Dosené výsledky dokazují, že nejslabším místem TOO, které limituje její vlastnosti je z hlediska hodnot R e a R m interkritické pásmo a z hlediska hodnot A 5 a KV pásmo přehřátí. 5. Studium mikrostruktury simulovaných pásem TOO oceli T24 na elektronovém mikroskopu Elektronové mikroskopické studium bylo provedeno na prozařovacím mikroskopu JEM 2100, vybaveném ED analyzátorem. Při hodnocení mikrostruktury modelových pásem TOO pomocí elektronové mikroskopie byla provedena strukturně fázová analýza a identifikace jednotlivých typů minoritních fází. Pro účely stanovení disperzity precipitátu v jednotlivých vzorcích byly nasnímkovány soubory snímků z extrakčních uhlíkových replik. Identifikace minoritních fází byla provedena pomocí selekční elektronové difrakce a energiově disperzní RTG spektrální mikroanalýzy (EDX). Extrakční uhlíkové repliky jednotlivých pásem TOO oceli T24 po simulaci a po tepelném zpracování jsou uvedeny na obrázku 6 Pásmo přehřátí TOO Mikrostruktura pásma přehřátí po simulaci je hrubozrnná, čistě bainitická. V průběhu simulace došlo k úplné překrystalizaci výchozí popuštěné bainitické mikrostruktury a rozpuštění téměř všech částic minoritních fází, s výjimkou primárních částic MX titanem bohaté nitridy, příp. karbonitridy, které se v oceli vyloučily v průběhu solidifikace nebo dokonce i v tavenině (částečně). Tato fáze má ze všech fází typu MX nejvyšší teplotu rozpustnosti v austenitu. V nepopuštěném pásmu přehřátí identifikovány následující minoritní fáze: karbonitridy (příp. nitridy MX bohaté titanem), sulfidy mědi (příp. komplexní sulfidy mědi a titanu), velmi jemné částice cementitu. Pozorované částice precipitátu v popuštěném pásmu přehřátí vznikly v průběhu tepelného zpracování na teplotě 740 C. Hranice původních austenitických zrn byly lemovány nesouvislým síťovím částic precipitátu, minoritní fáze lze pozorovat i podél latěk bainitického feritu. Zvýšená leptatelnost hranic latěk bainitického feritu nasvědčuje, že tyto hranice jsou dekorovány velmi jemnými precipitáty. V mikrostruktuře popuštěného pásma přehřátí byly identifikovány následující minoritní fáze: karbidy M 23 C 6, M 7 C 3, karbidy (příp. karbonitridy) MX. Pásmo normalizace TOO Mikrostruktura pásma normalizace je plně bainitická, což svědčí o tom, že v průběhu simulace teplotních cyklů došlo k úplné reaustenitizaci. Distribuce zhrublých částic precipitátu nasvědčuje, že se jedná o řetízky částic, které se v průběhu předchozího tepelného zpracování na jakost vyloučily podél hranic původních austenitických zrn. Hranice austenitických zrn, vytvořených v průběhu simulace, nejsou dekorovány zhrublými částicemi precipitátu. Jemné části precipitátu jsou distribuovány relativně rovnoměrně v bainitické matrici. Lze předpokládat, že v průběhu normalizace došlo jednak k částečnému rozpuštění precipitátu a jednak k určitému zhrubnutí částic přítomných v kovové matrici po tepelném zpracování na jakost. V pásmu normalizace byly identifikovány následující minoritní fáze: karbidy M 23 C 6, M 7 C 3, karbidy (příp. karbonitridy) MX. Mikrostruktura simulovaného pásma normalizace po tepelném zpracování je plně bainitická, s relativně malou velikostí původního austenitického zrna, které se vytvořilo během

8 simulace normalizovaného pásma. Řetízky zhrublých částic pravděpodobně představují částice, které se vyloučily na hranicích původních austenitických zrn přítomných v mikrostruktuře během tepelného zpracování na jakost a nerozpustily se během simulačního žíhání. Rovněž jemné částice precipitátu, které byly distribuovány relativně rovnoměrně v bainitické matrici, zřejmě představují částice, které se nerozpustily během simulace. Lze předpokládat, že v průběhu krátkodobého popouštění na teplotě 740 C/1h došlo k dodatečné precipitaci převážně jemných částic. V pásmu normalizace po tepelném zpracování byly identifikovány následující minoritní fáze: karbidy M 23 C 6, M 7 C 3, karbidy (příp. karbonitridy) MX. Interkritické pásmo TOO Zpětná transformace útvarů austenitu, které vznikly během simulace interkritického pásma, vedla ke vzniku bainitu protože se jedná o nepopuštěnou strukturu. Uvnitř tohoto čerstvého bainitu jsou dobře pozorovatelné laťky bainitického feritu. Bainit, který byl přítomen ve struktuře během simulace, se rozpadl na feriticko-karbidickou složku. Většina částic precipitátu, byla zděděna z výchozí mikrostruktury (po tepelném zpracování na jakost). Lze předpokládat, že řetízky hrubých částic precipitátu lemovaly původní hranice austenitických zrn v mikrostruktuře po tepelném zpracování na jakost. Četnost jemného precipitátu ve feritu (interkriticky přežíhaný bainit) se jeví podstatně větší než v bainitu, který vznikl při vychlazování z teploty interkritického žíhání. Během simulačního žíhání zřejmě došlo k dodatečné precipitaci ve feritu. V mikrostruktuře interkritického pásma TOO byly identifikovány následující minoritní fáze: karbidy M 23 C 6, karbidy M 7 C 3, karbidy (příp. karbonitridy) MX. Po provedeném tepelném zpracování interkritického pásma na teplotě 740 C/1h jsou v mikrostruktuře stále patrné rozdíly mezi bainitem, který se v průběhu interkritického žíhání rozpadl na feriticko-karbidickou složku a bainitem, který vznikl během ochlazování z teploty interkritického žíhání. Velká část precipitátů byla zděděna z výchozí mikrostruktury po tepelném zpracování materiálu T24 na jakost, poněvadž teplota interkritického žíhání (860 C) byla příliš nízká pro jejich rozpuštění. Během žíhání na teplotě 740 C došlo k dodatečné precipitaci jak v bainitu, který byl přítomen v mikrostruktuře v průběhu interkritického žíhání, tak i v bainitu, který vznikl při rozpadu austenitu během ochlazování z teploty interkritického žíhání. Ve vzorku popuštěného interkritického pásma byly identifikovány následující minoritní fáze: karbidy M 23 C 6, karbidy M 7 C 3, karbidy (příp. karbonitridy) MX.

9 interkritické pásmo pásmo normalizace pásmo přehřátí Po simulaci Po TZ (740 C/1h) Obr. 6 Extrakční uhlíkové repliky simulovaných pásem TOO oceli T24 ve stavu po simulaci a po TZ (740 C/1h) 6. Závěr Výsledky uvedené v článku jsou příspěvkem k řešení svařitelnosti moderních nízkolegovaných žáropevných ocelí, které se vyvíjejí pro konstrukci energetických zařízení se superkritickými parametry páry a s vysokou účinností. Svařitelnost je řešena s využitím znalostí teplotních cyklů, kterým jsou jednotlivá pásma TOO svarových spojů vystavena a s využitím

10 modelovací techniky, která umožňuje detailní studium vlastností jednotlivých pásem TOO svarového spoje. Klasický způsob řešení svařitelnosti pomocí velkého počtu reálných svarových spojů toto studium neumožňuje a hodnotí svarové spoje jako celek. Dosené hodnoty základních mechanických vlastností a změny mikrostruktury potvrzené výsledky studia na elektronovém mikroskopu prokázaly nutnost tepelného zpracování svarových spojů oceli T/P24 po svaření. Teprve po provedeném tepelném zpracování bude mikrostruktura téměř ve stabilním stavu a dosáhneme požadované vlastnosti TOO svarových spojů. Literatura [1] PECHA, J., Zváranie moderných žiarupevných ocelí pre energetické zariadenia. 1. vydání. Bratislava: STU Bratislava, s., ISBN [2] MYSUYAMA et al., Development of a Tungsten Strengthened Low Alloy Steel with Improved Weldability. Proc. Conf. Materials of Advanced Power Engineering Eds. D Coutsouradis et al., Dordrecht, Netherlands, 1994, s [3] HUSEMANN, R. U., BENDICK, W., HAARMANN, K., The new 7CrMoVTiB10-10 (T24) Material for Boiůer Waterwalls.7ASME PWR- Vol. 34, s [4] KUBOŇ, Z. Aplikační vlastnosti svarů z oceli T24 pro membránové stěny. In PROMATTEN vydání. Ostrava: Flash Steel Power, a.s., s ISBN [5] ADAMIEC, J., BERNAS, A., WIECEK, M., BIJOK, H., Hot cracking of SAW welded joints of the 7CrMoVTiB10-10 steel. Proc. Conf. New methods of damage and failure analysis of structural parts. 1. vydání. Ostrava, September s [6] MRÁZ, L., BERNASOVSKÝ, P., ZIFČÁK, P., BRZIAK, P., KOTORA, J., KRAJČÍ, D., MRÁZ, M., PECHA, J., Skúsenosti s úžitkovými vlastnosťami ocele T24. In zváranie Svařování- ročník vydání. Bratislava, s [7] MOHYLA, P. Vliv teploty popouštění na mechanické vlastnosti svarových spojů nízkolegovaných žáropevných ocelí. In 20 th Intrnational Conference on Heat Treatment. Jihlava, listopad s ISBN [8] MOHYLA, P., KOUKAL, J. Příspěvek k výzkumu svařitelnosti moderních nízkolegovaných žáropevných ocelí. In Acta metallurgica Slovaca. 1. vydání. Košice, březen s ISSN [9] KOUKAL, J., SCHWARZ, D., HAJDÍK, J. Materiály a jejich svařitelnost. 1. vydání. Český svářečský ústav: Ostrava s. ISBN [10] ANTALFFY, L., WHIPPLE, R. The use of vanadium modified chrome molybdenum steel plates in pressure vessel fabrication. Proc. Conf. Dillinger pressure vesel colloquium. Dillinger 16/17th September [11] PRAGER, M. Chalenges for application of 2¼Cr1Mo¼V alloys in heavy wall hightemperature high-pressure hydro-processing equipment. Proc. Conf. Dillinger pressure vesel colloquium. Dillinger 16/17th September [12] CHAUVY, C., PILLOT, S. Prevention of weld metal reheat cracking during Cr-MoV heavy reactors fabrication. Proc. Conf. ASME Pressure vessels and piping division. Czech Republic: Praha, July 2009.

11 [13] TANINO, M., NISHIDA, T. On the secondary hardening on tempering in vanadium stells, Trans JIM. Vol s [14] BAIN, P., J., PAXTON, W., W. Alloying elements in steel. In 2 nd ed ASM s. [15] FAWAKHRY, K., A., MISHREKY, M., L., EISSA, M., M..Secondary hardening of vanadium and titanium microalloyed steels. Neue Hütte 35 Jahrgang. Heft 9. September s [16] ČSN EN A2. Bezešvé ocelové trubky pro tlakové nádoby a zařízení - Technické dodací podmínky - Část 2: Trubky z nelegovaných a legovaných ocelí se zaručenými vlastnostmi při zvýšených teplotách [17] XAVIER, C., R., DELGADO, H., G., CASTRO, J., A. Numerical evaluation of the weldability of the low alloy ferritic steels T/P23 and T/P24. In Materials Research. February s [18] CARON, J., HEINZE, C., SCHWENK, C., RENTHMEIER, M., BABU, S. S., LIPPOLD, J. Effect of contiuous cooling transformation variations on numerice calculation of welding-induced residual stresses. In welding journal, Vol. 89. July s [19] BONN, R. Experimentelle und numerische Ermittlung der thermo-mechanischen Beanspruchung des Wurzelbereichs austenitischer Rundnähteweldment. Stuttgart: Staatliche Materialprüfungsanstalt universität, Fakultät Energietechnik, Oktober 2001, 122 s. Dissertation Arbeit. [20] CERJAK, H., NAGEL, G., PRADER, R. Quantification of the toughness distribution in a heavy section submerged arc multilayer reactor pressure vessel weldment. In Nuclear Engineering and Design s [21] ČSN EN ISO Stanovení a kvalifikace postupů svařování kovových materiálů - Zkouška postupu svařování