Svařování creepu odolných ocelí

Transkript

1 Svařování creepu odolných ocelí Mechanizmus creepu. Zkoušení citlivosti na creep. Tlumení křehnutí, např. stupňové ochlazování. Typy creepu/teplotě odolných ocelí ISO/TR 15608, skupiny 4,5 a 6. Použitelné metody svařování. Přídavné materiály zvláštní chemické požadavky pro odolnost creepu. Problémy a opatření při svařování. Vliv tepelného zpracování. Řízení kvality svarových spojů. Normy (ISO, CEN a národní). doc. Ing. Jaromír MORAVEC, Ph.D.

2 Žárupevné oceli - použití Představují širokou skupinu materiálů, které jsou využívány pro práci za zvýšených a vysokých teplot v tzv. oblasti creepového namáhání. Jedná se o řadu strojních součástí zejména z oblasti energetiky (přehříváková a parovodní potrubí, kotle, výměníky, skříně a rotory parních i spalovacích turbín).

3 Definice žáruvzdornosti a žáropevnosti Žáruvzdornost: Žáruvzdornost je charakterizována jako schopnost materiálu dlouhodobě odolávat opalu. Oceli, které jsou schopné v oxidačním prostředí dlouhodobě odolávat za teplot zhruba nad 600 C, ale nejsou schopné přenášet větší mechanické namáhání, jsou označované jako žáruvzdorné (dříve i žárovzdorné). Jde převážně o oceli feritické nebo austenitické, s dobrou odolností proti oxidaci a účinkům horkých plynů a spalin při teplotách vyšších než 550 C. V oxidačním prostředí se vytvoří ochranná vrstva oxidů Cr, Si a Al na povrchu oceli. Tyto oxidy také snižují působení S. V redukční atmosféře, kde se nevytvářejí oxidy, zvýšený obsah Ni snižuje nauhličení i citlivost k působení S. Žárupevnost: Žáropevnost můžeme definovat jako schopnost materiálu dlouhodobě odolávat mechanickému namáhání za dané teploty. Měřítkem žáropevnosti je mez tečení či mez pevnosti při tečení. Oceli tohoto typu pracují v oblasti creepového namáhání. Žáropevné jsou hlavně martenzitické a austenitické oceli s dobrou odolností proti deformaci při dlouhodobém mechanickém namáhání a teplotách nad 500 C.

4 Žárupevné oceli - použití Elektrárny na fosilní paliva provozované v současnosti je možné rozdělit podle jejich provozních parametrů na: Podkritické (sub-critical) provozované při teplotách do 538 C a tlacích do 16,7 MPa, s účinností okolo 35%. Superkritické (SC) provozované při teplotách v rozmezí 540 až 566 C a tlacích do 25 MPa, s účinností okolo 46%. Ultra-superkritické (USC) provozované při teplotách v rozmezí 580 až 620 C a tlacích do 28 MPa, s účinností okolo 50%. Předpokládané vývojové tendence provozních parametrů uvažují růst teploty až k 700 C při provozních tlacích okolo 35 MPa. Tyto tendence současně předpokládají nástup nových materiálů především na bázi slitin Ni, s účinností přes 50%. U jaderných elektráren jsou jejich pracovní parametry závislé na typu použitého reaktoru. Kromě namáhání použitých materiálů za zvýšených teplot a tlaků je nezbytné v aktivní zóně reaktoru posuzovat i vliv záření. V současných tlakovodních jaderných reaktorech se parametry chladiva pohybují na výrazně nižších hodnotách, než jsou kritické parametry. Teplota nepřesahuje 350 C a tlak se drží do 16 MPa. Protože jsou uvedené provozní parametry nižší než u tepelných elektráren, nižší je také účinnost (32 až 38%).

5 Faktory mající vliv na žárupevnost ocelí Vývoj žárupevných ocelí se opírá o znalost mechanizmů creepové deformace a ve všech případech tyto mechanismy souvisí s pohybem dislokací. Na žárupevnost proto mají výrazný vliv faktory, zpevňující mřížku tuhého roztoku a tím omezující pohyb dislokací. Mezi základní faktory zpevnění mřížky patří: a) Typ mřížky základního tuhého roztoku. Oceli s austenitickou strukturou mají vyšší odolnost proti tečení než se strukturou feritickou. Důvodem je schopnost FCC mřížky vytvářet tzv. parciální dislokace s omezenou pohyblivostí mřížkou. b) Substituční zpevnění tuhého roztoku pomocí legujících prvků s velkým atomovým poloměrem způsobujících deformaci mřížky. S úspěchem se používá Mo a případně také W. Na zpevnění tuhého roztoku se podílí jen ta část Mo (W) v oceli, která není vázána ve formě sekundárních fází bohatých na tyto prvky. Proto není účelné zvyšovat obsah Mo a W v oceli nad mez rozpustnosti při pracovní teplotě. Účinek substitučního zpevnění se snižuje při tvorbě speciálních karbidů těchto prvků.

6 Faktory mající vliv na žárupevnost ocelí c) Přítomnost částic jemného precipitátu ve struktuře (karbidy, nitridy, karbonitridy legujících prvků jako jsou Cr, Mo, V, Ti, Nb. U nízkolegovaných CrMo a CrMoV ocelí, podobně jako u feritických Cr ocelí se jedná o různé typy tvrdých karbidů typu Cr 7 C 3, Cr 23 C 6, Mo 2 C, V 4 C 3, NbCpřípadně nitridů a karbomitridů typu VN, V(C, N), Nb (C, N), Ti (C, N), které účinně brání dislokačnímu pohybu pomocí tzv. Orowanova mechanismu. Jejich účinek se hodnotí podle tzv. střední vzájemné vzdálenosti částic L, která závisí na jejich počtu a jejich střední velikosti. Různé typy precipitátů (karbidy, nitridy, karbonitridy) mají různou termodynamickou stabilitu. Přednostně se tvoří ty, které mají nejnižší Gibbsovu energii (volnou entalpii). Prvky dle afinity k C jsou: Ti, Ta, Nb, Zr, V, Mo, W, Cr, Mn, Fe => stálost karbidů. Některé prvky tvoří složitější typ karbidů. Häggův velikostní faktor kritický 0,59. Nejvhodnější N, C, CN Ti, Nb, V, (W, Mo) L = f(n v d) -1/2 n v střední počet částic v jednotce objemu d střední průměr částice precipitátu

7 Svařitelnost žárupevných ocelí Žárupevné oceli se nejčastěji svařují metodami 111, 121, 131, 135, 141 a 311. Svařitelnost uhlíkových žárupevných ocelí Uhlíkové žárupevné oceli se svařují stejným způsobem jako nelegované uhlíkové oceli patřící dle ISO/TR do skupiny 1. Je však u nich třeba doplnit jedno kritérium související s přídavným materiálem, tedy že svarový kov, který se nataví z přídavného materiálu musí mít hodnotu meze pevnosti při tečení R mt stejnou nebo vyšší než svařovaný ZM. Nelegované uhlíkové žárupevné oceli jsou zejména jemnozrnné oceli s nízkým množstvím C, dezoxidované Al nebo Ti. Jsou použitelné pro nízkoteplotní okruhy parních kotlů s teplotou do cca 420 až 450 C. Jde např. o ocel (ekvivalent je ocel P235GH) nebo ocel (ekvivalent je ocel P265GH) požívané pro kotlové trubky.

8 Svařitelnost nízkolegovaných žárupevných ocelí Nízkolegované oceli mají vyšší Re a Rm za RT i vyšších teplot než nízkouhlíkové oceli. V rozmezí teplot 500 až 580 C mají také vyšší žárupevnost. Hlavními legujícími prvky jsou mimo C, Mn a Si především Cr, Mo a V. Moderní modifikované nízkolegované oceli mohou být legovány Nb, Ti, N, W, B. Součet legujících prvků zpravidla nepřekročí 5 hm. %. Dokonalá desoxidace se zajišťuje především Al. Vysoké hodnoty mechanických vlastností jsou tajištěny: Zpevněním tuhého roztoku (C, Mn a Mo). Precipitačním zpevněním (precipitace karbidy Cr 23 C 6, Cr 7 C 3, Mo 2 C, V 4 C 3 ; karbonitridy V(C,N), Nb(C,N), Ti(C,N) připadně nitridy VN). Mechanické vlastnosti a žárupevnost jsou závislé na velikosti, počtu a střední vzdálenosti precipitátů. Polotovary se dodávají ve stavu normalizace a popuštění, nebo kalení a popouštění. Popouští se z důvodu dosažení optimálního rozmístění částic a dosažení optimálního poměru pevnostních a plastických vlastností. Dislokačním zpevněním. Jemnozrnnou strukturou.

9 Svařitelnost nízkolegovaných žárupevných ocelí Prvky jako C, Mn, Cr, Mo a Ni snižují v ARA diagramu kritickou rychlost potřebnou pro dosažení martenzitu. Jejich rostoucí objem zvyšuje sklon k zakalení v TOO i svarovém kovu. Rostoucí podíl martenzitu nebo bainitu zvyšuje náchylnost ke vzniku studených vodíkem indukovaných trhlin ve svarových spojích. Proto se používají přídavné materiály stejné báze jako ZM, ovšem s nízkým obsahem difúzního vodíku. Ke snížení vneseného tepla se používají přídavné materiály menších průměrů. Svařuje se (až na výjimky) zásadně s předehřevem a hlídá se interpass teplota, která může ovlivnit precipitaci vytvrzujících částic. U větších tlouštěk se aplikuje dohřev dle ČSN EN

10 Svařitelnost nízkolegovaných žárupevných ocelí

11 Svařitelnost nízkolegovaných žárupevných ocelí Svarové spoje nízkolegovaných ocelí se po svařování obvykle pouze popouštějí. Účelem je snížit zbytková napětí, zlepšit strukturu spoje po svařování a stabilizovat rozměry svařence. Popouštěním se rozpadá martenzit na feriticko-karbidickou směs a ve svarovém kovu a TOO se obnovuje optimální rozložení vytvrzujících fází. Teplota popouštění se volí dostatečně vysoká, aby vytvrzující fáze precipitovaly především při popouštění a nedocházelo k jejich precipitaci při pracovních teplotách (tzv. sekundární vytvrzování). Sekundární vytvrzování způsobuje zvýšení tvrdosti a snížení plastických vlastností. Popouštěcí teploty většiny svarových spojů nízkolegovaných ocelí se pohybují mezi 680 až 720 C. Teplotní cyklus oceli T/P24

12 Svařitelnost nízkolegovaných žárupevných ocelí Doporučená doba výdrže na popouštěcí teplotě je cca 2 až 2,5 minuty na 1 mm tloušťky svarového spoje. Oceli této skupiny jsou náchylné na vznik žíhacích trhlin. Proto je nutné dodržovat maximální rychlost ohřevu na popouštěcí teplotu a maximální rychlost ochlazování z této teploty. Náchylnost roste s obsahem legur (zejména Cr) a s rostoucí tloušťkou žíhaných svarových spojů. Základní informace pro volbu rychlostí jsou obsaženy ve výrobkových normách, nebo v materiálových listech ocelí. Teplotní cyklus oceli T/P23

13 Svařitelnost martenzitických žárupevných ocelí Precipitačně zpevněné martenzitické oceli mají zpravidla obsah C okolo 0,1 hm. % a jsou legovány Cr, Ti, Nb, V, Mo, N a Al. Hlavním problémem při svařování je jejich prokalitelnost a náchylnost na tvorbu trhlin za studena. Svařují se v popuštěném, vyžíhaném, zušlechtěném nebo tvrdém stavu. Při jejich svařování se zásadně používá předehřev, kontroluje se interpass teplota a aplikuje se dohřev svarových spojů. Klasické 12 až 13 hm. % Cr oceli s C okolo 0,2 hm. % se doporučovalo svařovat s předehřevem nad M s (cca 400 C). Nově modifikované oceli jako P91 (X10CrMoVNb9-1) a P92 (X10CrWMoVNb9-2) s nižším obsahem C se doporučuje svařovat s předehřevem mezi M s a M f (cca 250 C). Při této teplotě předehřevu zůstává ve struktuře v průběhu svařování dostatečné množství austenitu, který je plastický a ve kterém se rozpouští difúzní vodík. Tím se zároveň částečně snižuje vnitřní napětí. Doporučuje se svařovat přídavnými materiály menších průměrů, aby následující vrstva vyžíhala v co největším objemu vrstvu předchozí. Teplota interpass se předepisuje v rozmezí M s T předehřevu. Účelem dohřevu je umožnit difúzi vodíku a zrovnoměrnit vnitřní napětí.

14 Svařitelnost martenzitických žárupevných ocelí ARA diagram materiálu G17CrMoV5-10

15 Svařitelnost martenzitických žárupevných ocelí ARA diagram materiálu GX23CrMoV12-1

16 Svařitelnost martenzitických žárupevných ocelí Ve svaru a pásmu přehřátí TOO je zpravidla limitující hodnotou vrubová houževnatost, proto je nezbytné svary martenzitických Cr ocelí tepelně zpracovat, zpravidla popouštěním při teplotách pod A c1. Důvodem je kromě snížení zbytkového napětí popustit martenzit. Návar na materiálu P91 bez tepelného zpracování

17 Svařitelnost martenzitických žárupevných ocelí U tuhých, tvarově členitých a tlustostěnných svařenců je nutné provést TZ ihned po svaření bez meziochlazení na teplotu okolí. Pokud to není možné, je třeba držet svařenec na mezioperační teplotě min. 100 C až do doby TZ. Svařenec je však nutné ochladit pod teplotu Mf, aby proběhla martenzitická transformace. I po ochlazení pod Mf však může ve struktuře (jako důsledek segregačních a likvačních procesů) zůstat určité množství zbytkového austenitu. Ten se při prvním žíhání rozpadá na martenzit a pro dosažení feriticko-karbidické mikrostruktury je nutné použít dvojnásobného žíhání. Vzhledem k vysoké vrubové citlivosti martenzitických ocelí je nutné se vyhnout všem vrubům (ostré přechody tlouštěk, neprůvary, zápaly, studené spoje atd.). Velká rychlost ohřevu na žíhací teplotu je příčinou vzniku velkého teplotního gradientu, který je příčinnou vzniku dodatečných termálních napětí. Interakcí napětí po svařování, strukturních a termálních napětí pak mohou při teplotách 200 až 300 C vzniknout nízkoteplotní žíhací trhliny. Doporučené rychlosti ohřevu na žíhací teplotu se obvykle pohybují mezi 80 až 120 C/h v závislosti na tuhosti a tvarové složitosti konstrukce.

18 Svařitelnost martenzitických žárupevných ocelí Teplotní cyklus ocelí P91 a P92

19 Svařitelnost martenzitických žárupevných ocelí Pokud nelze po svařování provést TZ (např. z důvodu nedostačujících rozměrů pece), doporučuje se svarové plochy vypolštářovat austenitickým PM. Martenzitické Cr oceli se svařují PM stejného chemického složení jako má ZM, ovšem s velmi nízkým obsahem difúzního vodíku. Pokud to požadavky na mez pevnosti svarového spoje dovolí, lze rovněž použít austenitické PM. Pro svařování velmi tuhých svařenců se doporučují Ni-Cr-Fe které nevytvrzují a zároveň mají výborné plastické vlastnosti. Pro svařování lze využít běžné technologie obloukového svařování, svařování plazmou a svařování elektrickým odporem. Doporučuje se použít tepelný příkon v rozsahu 0,5 až 1,5 kj.mm -1. Speciální skupinu martenzitických Cr ocelí (cca 13 hm. % Cr; 4 až 6 hm. % Ni; 0,4 až 1 hm. % Mo a 0,06 hm. % C) tvoří lité oceli určené na výrobu vodních turbín, čerpadel a komponent pro kryogenní aplikace. Martenzitická matrice těchto ocelí obsahuje až 25 % austenitu. Tyto oceli mají lepší svařitelnost než klasické martenzitické Cr oceli. Lépe odolávají korozi a kavitaci a mají vyšší hodnoty vrubové houževnatosti. Austenit ve struktuře rozpouští vodík difundující ze svarového kovu a tím snižuje náchylnost ke vzniku studených trhlin. Do tloušťky 8 mm se svařují bez předehřevu, větší tloušťky se svařují s předehřevem 100 až 200 C. Nejčastěji se používají PM stejného chemického složení jako má ZM.

20 Svařitelnost austenitických žárupevných ocelí Svařitelnost austenitických ocelí je detailně popsána v prezentaci týkající se austenitických vysokolegovaných ocelí. Zde pouze upřesněny požadavky na svařování nových žárupevných austenitických ocelí typu 347HFG, Super304H, 310N, HR3C a DMV304HCu. Mikrostruktura uvedených ocelí je plně austenitická, s velmi nízkým obsahem δ- feritu. Proto jsou svary náchylnější na tvorbu trhlin za horka. Svařuje se proto bez předehřevu s co nejmenším tepelným příkonem do svaru. Je nutné dodržovat interpass teplotu < 150 C. Pro snížení rizika tvorby trhlin se doporučuje vybrušovat koncové krátery housenek. Oceli typu 347HFG, Super304H, 310N, HR3C se doporučuje svařovat PM slitinami Ni typu Alloy 617, nebo Alloy 617 mod, protože meze pevnosti při tečení svarových kovů z těchto slitin jsou vyšší než je požadováno pro svařované oceli. Svarové spoje z oceli DMV304HCu se doporučují s PM typu 304H Cu. Dohřev se nepoužívá a svarové spoje se po svařování obvykle tepelně nezpracovávají.

21 Svařitelnost austenitických žárupevných ocelí Oceli typu 347HFG, Super304H, 310N, HR3C se doporučuje svařovat PM slitinami Ni typu Alloy 617, nebo Alloy 617 mod, protože meze pevnosti při tečení svarových kovů z těchto slitin jsou vyšší než je požadováno pro svařované oceli. Svarové spoje z oceli DMV304HCu se doporučují s PM typu 304H Cu. Dohřev se nepoužívá a svarové spoje se po svařování obvykle tepelně nezpracovávají.

22 Děkuji Vám za pozornost.