PROBLEMATICKÉ SVAROVÉ SPOJE MODIFIKOVANÝCH ŽÁROPEVNÝCH OCELÍ doc. Ing. Petr Mohyla, Ph.D. Fakulta strojní, VŠB TU Ostrava 1. Úvod Snižování spotřeby fosilních paliv a snižování škodlivých emisí vede k nutnosti zvyšovat účinnost nových tepelných elektráren. Hlavním způsobem jak zvýšit tepelnou účinnost je zvýšit parametry páry na tzv. nadkritické neboli super-kritické [1]. Tyto zvýšené parametry vyžadují vývoj nových žáropevných ocelí s vyšší mezí pevnosti při tečení, vynikající odolnost proti oxidaci a v neposlední řadě se zvýšenou odolností proti korozi za zvýšených teplot. Z těchto důvodů se začaly od osmdesátých let vyvíjet modifikované žáropevné oceli s martenzitickou matricí na bázi 9 až 12%Cr, určené především pro tělesa komor a parovody. Hlavními představiteli jsou v současné době oceli P91, P92, E911 a VM12. V oblasti nízkolegovaných ocelí byly následně vyvinuty modifikované žáropevné oceli s beinitickou matricí na bázi 2,25%Cr, určené především pro membránové stěny kotlů. Typickými představiteli jsou oceli T23 (7CrWVMoNb9-6) a T24 (7CrMoVTiB7-7). Ocel T24 byla vyvinuta pro výrobu membránových stěn. Základním požadavkem na tuto ocel byla vysoká odolnost proti tečení a zároveň možnost svařovat tuto ocel bez předehřevu a bez tepelného zpracování po svařování. Tuzemské zkušenosti se svařováním CrMoV oceli 15128, jejíž matrice je stejně jako u oceli T24 zpevněná částicemi MX, však jednoznačně prokazují nezbytnost tepelného zpracování svarových spojů po svaření. V Evropě se v současné době budují nadkritické (USC) bloky tepelných elektráren s využitím oceli T24. Výstavbu však provázejí zásadní problémy. Doposud se membránové stěny z oceli T24 svařují bez popouštění, avšak již v procesu výroby, nebo následně ve zkušebním provozu, dochází k masivnímu praskání svarových spojů. Rovněž ocel P92 provázejí značné problémy související s její nízkou korozní odolností při provozních parametrech. 2. Vlastnosti svarových spojů oceli T24 v průběhu vysokoteplotní expozice V rámci experimentálního programu byly zhotoveny zkušební svarové spoje na deskách z oceli T24 metodou 111. Jedna část svarových spojů byla popuštěna na 750 C, druhá část byla ponechána v nepopuštěném stavu (tzv. stav po svaření). Na připravených vzorcích byl simulován provoz při teplotě 500 C a 550 C a následně bylo provedeno měření tvrdosti v jednotlivých oblastech svarového spoje. Na obrázku 1 je srovnání průběhu tvrdosti popuštěného a nepopuštěného pásma přehřátí tepelně ovlivněné oblasti (TOO) v průběhu teplotní expozice při 500 C. V další fázi byly na vybraných vzorcích změřeny hodnoty vrubové houževnatosti KCV. Vliv popouštění po svařování na vrubovou houževnatost tepelně
ovlivněné oblasti oceli T24 je patrný z obrázku 2. Z naměřených hodnot jednoznačně vyplývá, že u nepopuštěného svarového spoje dochází k výrazné ztrátě plastických vlastností. Obr. 1: Průběh tvrdosti pásma přehřátí TOO, provozní teplota 500 C Obr. 2: Průběh vrubové houževnatosti pásma přehřátí TOO při provrozní teplotě 500 C
Z křivek průběhu tvrdosti je patrno, že u svarů které nebyly po svaření popuštěny, dochází ke značnému vytvrzení v relativně krátkém čase. Maximum tvrdosti bylo naměřeno ve svarovém kovu, a to 460 HV10. V pásmu přehřátí TOZ bylo naměřeno nejvíce 420 HV10. Hodnoty tvrdosti nepopuštěných svarových spojů jsou vyšší, než dovoluje norma ČSN EN ISO 15614-1 Stanovení a kvalifikace postupů svařování kovových materiálů Zkouška postupu svařování [4]. Naměřené hodnoty ukazují na přítomnost sekundárního vytvrzování svarových spojů oceli T24. Mechanismus vytvrzování je v souladu s pracemi [2, 3] dán procesy dodatečné precipitace disperzních částic MX. Z křivek průběhu houževnatosti vyplývá markantní rozdíl v úrovni hodnot vrubové houževnatosti u svarového spoje popuštěného a nepopuštěného. Zatímco v popuštěném stavu se vrubová houževnatost pásma přehřátí TOZ pohybuje v průběhu vysokoteplotní expozice kolem 180 J/cm 2, v nepopuštěném stavu jsou hodnoty KCV velmi nízké, kolem 20 J/cm 2. 3. Vlastnosti svarových spojů oceli P92 svařených automatem pod tavidlem V rámci experimentálního programu byly zhotoveny zkušební svarové spoje o tloušťce 40 mm metodou 121. Jeden svarový spoj byl ponechán bez tepelného zpracování, zbylé tři svarové spoje byly podrobeny tepelnému zpracování po svaření při teplotě 760, po dobu 2, 4, resp. 6 hodin. Na obrázku 3 jsou uvedeny průměrné hodnoty meze pevnosti svarového spoje pro jednotlivá tepelná zpracování, dále pro svarový spoj bez tepelného zpracování, a pro srovnání také pro popouštěný základní materiál. Pevnost svarových spojů popuštěných režimem 760 C/2, 4 resp. 6 hodin, je na velmi podobné úrovni. Svarový spoj bez tepelného zpracování dosahuje podobné pevnosti jako popouštěný základní materiál.
KV [J] Rm [MPa] 730 Rm při teplotě 20 C 720 719 716 710 700 690 680 679 677 680 670 660 650 Obr. 3: Srovnání průměrných hodnot meze pevnosti (zkušební teplota +20 C) ZM bez TZ 760 C/2hod. 760 C/4hod. 760 C/6hod. Zkoušky rázem v ohybu byly provedeny podle normy EN 875 při zkušení teplotě +20 C. Výsledky zkoušek byly dle ČSN EN 10216-2 a ČSN EN 13480-2 vyhovující, kromě svarového spoje bez popouštění po svařování. Na obrázku 4 je provedeno srovnání průměrných hodnot nárazové práce ve svarovém kovu. 80 VWT 0/2 dle TZ 70 66 70 67 60 50 40 30 20 10 10 0 bez TZ 760 C/2hod. 760 C/4hod. 760 C/6hod. Obr. 4: Srovnání hodnot nárazové práce ve svarovém kovu
HV10 Zkouška tvrdosti probíhala v souladu ČSN EN 1043-1, dle Vickerse se zatížením 10 kg (HV10). V případě vzorku bez tepelného zpracování po svaření dosahovaly tvrdosti pod povrchem až 487 HV10 a v kořenové oblasti až 452 HV10. Podle normy ČSN EN 15614-1 by měla tvrdost ve svaru dosahovat max. 350 HV10 [3]. Tato hodnota je sice platná pouze pro popuštěné svarové spoje, ale z praktického hlediska jsou naměřené tvrdosti u svarových spojů bez tepelného zpracování neakceptovatelné. Ostatní popuštěné vzorky dosahovaly vyhovujících hodnot tvrdosti, a to jak v kořené oblasti, tak i 2 mm pod povrchem. Srovnání naměřených hodnot v podpovrchové oblasti svarového spoje je uvedeno na obrázku 5. 500 HV10 2,0 mm pod povrchem 450 400 350 300 250 200 150 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Základní matetiál TOO Svarový kov TOO Základní materiál Obr. 5: Srovnání průběhu tvrdostí HV10 (2 mm pod povrchem) bez TZ 760 C/2hod. 760 C/4hod. 760 C/6hod. Na základě dosažených výsledků je možno konstatovat, že tepelné zpracování po svařování má velký vliv na mechanické vlastnosti svarových spojů oceli P92, zhotovených automatem pod tavidlem (121). Jako nejvhodnější tepelné zpracování se ukázal režim 760 C s výdrží 4 hodiny. Při prodloužení doby popouštění na 6 hodin dochází k poklesu hodnot vrubové houževnatosti a k nárůstu meze pevnosti svarového spoje. U nepopuštěného svarového spoje byla zjištěna nevyhovující vrubová houževnatost a tvrdost. Dosažené výsledky tedy potvrzují nutnost popouštět svarové spoje oceli P92 ihned po svaření.
4. Závěr U svarových spojů nízkolegovaných žáropevných ocelí zpevněných disperzí částic MX hrozí během dlouhodobé teplotní expozice za zvýšených teplot existence sekundárního vytvrzování. Velikost tohoto vytvrzení závisí na teplotě popouštění po svařování a době expozice. Z naměřených výsledků vyplývá, že u nepopuštěných svarových spojů dochází během následné dlouhodobé expozice při zvýšených teplotách k vytvrzení a k poklesu plastických vlastností. Na základě dosažených výsledků je možno konstatovat, že popouštění svarových spojů oceli T24 má velký význam především z hlediska dosažení dostatečných plastických vlastností. Vynechání popouštění po svařování při výrobě membránových stěn z oceli T24 se jeví v souvislosti s dosavadními provozními zkušenostmi jako velmi nebezpečné. Pro dosažení přípustné tvrdosti a dostatečné houževnatosti svarových spojů je možno doporučit teplotu popouštění 750 C. Rovněž při svařování oceli P92 má tepelné zpracování po svaření zásadní význam. Na základě dosažených výsledků je možno konstatovat, že pro dosažení optimálních mechanických vlastností svarového spoje oceli P92 o tloušťce 40 mm zhotoveného automatem pod tavidlem (121), bude vhodné zařadit ihned po svaření tepelné zpracování na teplotě 760 C. Tato práce vznikla za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci projektu FR-TI3/206. LITERATURA [1] CHEN Q., SCHEFFKNECHT G. Boiler design and materials aspects for advanced steam power plants. In: Proceedings of COST Programe part II: Materials for Advanced Power Engineering 2002, Vol. 21, ISBN: 3-89336-312-2 [2] MOHYLA, P. Změny mechanických vastností svarových spojů oceli 15 128 při dlouhodobé teplotní expozici v podcreepové oblasti, Sborník vědeckých prací VŠB TU Ostrava, 2001, část 2, str. 31 [3] MOHYLA, P. Změny mechanických vastností CrMoV svarových spojů při dlouhodobé teplotní expozici v podcreepové oblasti, doktorská disertační práce, VŠB TU Ostrava, 2001 [4] ČSN EN ISO 15614-1 Stanovení a kvalifikace postupů svařování kovových materiálů Zkouška postupu svařování Část 1: Obloukové a plamenové svařování ocelí a obloukové svařování niklu a slitin niklu (05 0313), Český normalizační institut, 2005