В рамках выполнения работ по строительству «Западно-Сибирского комплекса глубокой переработки углеводородного сырья (УВС) в полиолефины мощностью 2,0 млн. тонн в год с соответствующими объектами общезаводского хозяйства (ОХЗ). Установка пиролиза ЭП-1500» в г. Тобольске наша компания привлекала специалистов ООО «ТЭК-Консалтинг» для проведения аудита технологий сварки и термической обработки, контроля качества сварных соединений из сталей Т91/Р91 с официальной передачей заключений и рекомендаций и оказания консультационных услуг.
Сотрудники ООО «ТЭК-Консалтинг» прибыли на место проведение работ оперативно. Оказали всестороннюю помощь в представлении интересов нашей компании в разрешении технических спорных вопросов по указанному направлению. Сотрудники ООО «ТЭК-Консалтинг» поспособствовали защите интересов компании АО «Ренейссанс Хэви Индастрис», проявив себя как высококвалифицированные специалисты.
Рекомендуем ООО «ТЭК-Консалтинг» как надежного, ответственного и перспективного партнера. Будем рады сотрудничать в будущем.
Международная конференция по космосу 2014
12-14 ноября 2014 Исламабад — Пакистан
Мухаммад Хусейн (Muhammad Hussain), ведущий металлург TCR Arabia Company Ltd. Dammam – Саудовская Аравия
М. Шахид Халил (M. Shahid Khalil), Инженерно-механический отдел Инженерно-технологического университета г. Таксила (Taxila) — Пакистан
Введение
• Устойчивая к ползучести сталь, известная как ASME/ASTM класса 91стала популярной для применения на тепловых электростанциях, работающих на органическом топливе и нефтеперерабатывающих заводах.
• Удовлетворительные характеристики стали P91 критически зависят от получения правильной микроструктуры отпущенной мартенситной стали.
• Высокохромистые мартенситные стали рассматриваются как чудо стали для применения при высоких температурах.
• Контроль параметров сварки и термообработки после сварки имеет решающее значение
Современное использование P(T)91
• Резкое увеличение использования P91 на внутреннем рынке в последние несколько лет.• Использование в основном для комбинированного производства тепловой и электрической энергии.
• Повышение эффективности при техническом перевооружении, замене оборудования и строительстве новых объектов.
Основные материалы
| P91 | P92 | E911 | T23 | T24 | P122 | |
| Cr | 8,00-9,50 | 8,50-9,50 | 8,00-9,50 | 1,9-2,6 | 2,2-2,6 | 10,00-12,50 |
| Ni | <0,40 | <0,40 | (<0,40) | - | - | <0,50 |
| Cu | - | - | - | - | - | 0,30-1,70 |
| Mo | 0,85-1,05 | 0,30-0,60 | 0.90-1.10 | 0,05-0,30 | 0,90-1,10 | 0,25-0,60 |
| W | - | 1,50-2,00 | 0.90-1.10 | 1,45-1,75 | - | 1,50-2,50 |
| V | 0,18-0,25 | 0,15-0,25 | 0,15-0,25 | 0,20-0,30 | 0,20-0,30 | 0,15-0,30 |
| Nb | 0,06-0,10 | 0,04-0,09 | 0,06-0,10 | 0,02-0,08 | - | 0,04-010 |
| N | 0,030-0,070 | 0,030-0,070 | 0,030-0,080 | <0,030 | <0,012 | 0,040-010 |
| B | - | 10-60 ррм | - | 5-60 ррм | 15-70 ррм | <0,005 |
*ppm – частей на миллион
Процесс сварки
При сварке P91 используются следующие сварочные процессы:- Дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного (инертного) газа (GTAW).
- Дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG).
- Дуговая сварка металлическим (плавящимся) покрытым электродом (SMAW).
- Дуговая сварка под флюсом (SAW).
- Дуговая сварка металлическим (плавящимся) электродом в среде защитного газа (GMAW).
- Дуговая сварка металлическим (плавящимся) электродом в среде инертного газа (МIG).
А также
- Дуговая сварка порошковой проволокой в среде защитного газа (FCAW).
Сварочные материалы
| P91 | P92 | E911 | T23 | T24 | P122 | |
| SMAW |
Chromet 9B9 E9015-B9 |
Chromet 92* |
Chromet 91W Chromet 10MW |
Chromet 23м Chromet 23L |
Специальные* | Оформление потенциальных патентов |
| GTAW |
9CrMoV ER90S-B9 |
9CrWV* | ? | 2CrMoWV | Специальные* | |
| FCAW | Supercore F91 E91T1-B9 |
Supercore F92 * |
Cormet 10MW* |
Supercore F23* |
Не применимо | |
| SAW |
Chromet M91 9CrMoV EB9 |
9CrWV* | * | * | Специальные* |
Температура предварительного подогрева и между проходами
- Температура предварительного подогрева и между проходами должна быть в пределах 200-300°C (390-570°F).
- Согласно рекомендациям Vallourec & Mannesmann Tubes температура предварительного подогрева и между проходами должна быть в пределах 250°C (480°F).
- Сварка тонкостенных труб может выполняться при температурах ниже 200°C (390°F).
- В Японии температура между проходами составляет 170-200°C, чтобы минимизировать риск образования горячих трещин
Подогрев во время сварки
Варианты при прерывании процесса сварки:- Поддерживать постоянно температуру предварительного подогрева.
- Применять последующий подогрев, если охлаждение частично произошло.
Структура зоны термического влияния (ЗТВ), образующаяся при сварке ферритных сталей. Изменение размеров зерна в условиях равновесия.
Heat affected zone – зона термического влияния
Zone 1: solidified weld – затвердевший шовHeat affected zone – зона термического влияния
Zone 2: unmixed zone + remelted zone (fusion zone) – зона расслоения + зона переплава (зона сплавления)
Zone 3: coarse-grain HAZ – крупнозернистая зона термического влияния
Zone 4: fine-grain HAZ – мелкозернистая зона термического влияния
Zone 5: intercritical HAZ – межкритическая зона термического влияния
Zone 6: tempered HAZ – отпущенная зона термического влияния
Zone 7: unaffected base metal — основной металл, неподвергнутый термическому влиянию
Liquid – жидкий
Требования после сварки (до термообработки после сварки)
Температура предварительного подогрева (200°C мин.) выше температуры окончания мартенситного превращения (Mf).
— Температура окончания мартенситного превращения для сварных соединений из стали Р91 находится в области 120-150°C.
— Содержание никеля в сварочных материалах, как правило, должно быть в диапазоне 0,4-1,0% (в Европе).
— Исследования в OAK Ridge National Laboratory (CША) показали, когда содержание Ni находится у верхнего предела, примерно 18% аустенита остается при температуре 204°C (400°F).
— Согласно спецификации AWS (2005 г) содержание Ni должно быть < 0,8% (ранее было < 1,0%).
После сварки перед термической обработкой следует понизить температуру сварного соединения ниже 80-100°С (если сварное соединение не охлаждается до температуры окружающей среды) для завершения преобразования остаточного аустенита в мартенсит.
— Сварные соединения из P91 до толщины стенки до 80 мм (3,15 дюйма) могут быть охлаждены до комнатной температуры.
— Толстостенные поковки и отливки не должны охлаждаться до температуры ниже 80°C, чтобы избежать образования трещин.
Промежуточная тепловая обработка
• В Европе было отмечено, что твердость P91 в состоянии после сварки обычно составляет примерно 400HV (380HB).
— Примерно на 100HV (95HB) меньше в состоянии после сварки, чем широко используется.
• Таким образом, риск образования холодных трещин меньше для P91.
— Охлаждение до комнатной температуры возможно без промежуточной тепловой обработки.
• Для получения дополнительной гарантии против образования холодных водородных трещин желательно выдержать сварное соединение при температуре 250-300°C в течение 2-3х часов перед охлаждением до температуры окружающей среды.
— Также требуется частичное охлаждение, чтобы обеспечит преобразование оставшегося аустенита.
Коррозионное растрескивание под напряжением в состоянии после сварки
- Если существует задержка в проведении термообработки после сварки, то сочетание высокой твердости (400-420HV) и остаточных напряжений может потенциально стать причиной коррозионного растрескивания под напряжением.
- Для борьбы с риском коррозионного растрескивания под напряжением компания Вabcock & Wilcox указывает, что максимальное время после сварки до термообработки должно быть 14 дней.
- По данным компании Vallourec & Mannesmann Tubes срок хранения до термообработки не должен превышать одной недели.
- После сварки до термообработки рекомендуется хранение оборудования в помещениях в сухих условиях.
- Неразрушающий контроль должен выполняться до и после термообработки, чтобы гарантировать отсутствие трещин.
Коррозионное растрескивание под напряжением
Термическая обработка после сварки
- Термическая обработка после сварки является обязательной независимо от толщины стенки, чтобы снизить твердость, повысить пластичность и прочность шва и зоны термического влияния.
- Контроль правильности температуры и времени термообработки имеет решающее значение.
Термический цикл сварки и термообработки для P91
Термическая обработка после сварки
- Температура 750-760°С лучше всего подходит для термообработки стали Р91.
- Более низкая температура термообработки может привести к большим различиям в твердости между зоной типа IV, крупнозернистой структурой зоны термического влияния и металлом шва, что неблагоприятно влияет на аккумуляцию напряжений в слабой зоне типа IV и снижает сопротивление ползучести.
- Более высокая температура термообработки может привести к укрупнению осадков и более быстрому восстановлению дислокационной субструктуры, что в свою очередь приводит к снижению твердости и предела ползучести.
Влияние термообработки на твердость
- Температура термической обработки после сварки — 750°C.
- Снижает твердость металла шва.
- Снижает твердость зоны термического влияния.
- Показывает четкую ориентацию на зону Типа IV.
- Увеличение времени и температуры термообработки влияет на снижение твердости.
Термическая обработка после сварки
- Согласно ЕN 1599 температура термообработки после сварки должна быть в пределах 750-770°C.
- Согласно ASME температура термообработки должна быть 704-760°C (1300-1400°F).
- Согласно последних изменений ASME разрешает температуру термообработки 730-775°C (1350-1425°F)
для Р91, Р92 и других сталей с повышенным сопротивлением ползучести, если химический состав металла шва известен, то температура термообработки может быть повышена до:
790°C (1450°F) для 1.0<%(Ni+Mn)<1.5, или
800°C (1470°F) для %(Ni+Mn)<1.0 - Согласно AWS (Американское общество сварщиков) температура термообработки должна быть 730-760°C (1346- 1400°F).
- На практике температура термообработки должна быть значительно выше 730°C в течение разумного предела времени.
Проблемы по сварке – опыт работы
Известно, что образование горячих трещин является обычной проблемой при использовании методов сварки GTAW, SMAW and SAW
- обычно появляются в сварочных кратерах, необходимо зачистить и заполнить кратер.
-
некоторые пользователи указывают соотношение Mn:S>50 в сварочных материалах, как средство предотвращения горячих трещин.
Холодные водородные трещины не являются значительной проблемой для Р91 в случае наличия предварительного подогрева и контроля содержания водорода
-
это свидетельствует о хорошей свариваемости стали
-
примерами являются трещины при охлаждении частично заваренных швов
До термической обработки пластичность и вязкость неотпущенного мартенситного металла шва очень низкая….
-
риск хрупкого разрушения
-
склонность к коррозионным трещинам под напряжением, если имеется значительная задержка в проведении термообработки после сварки
Проблемы по сварке – термообработка после сварки
- Неправильные параметры отпуска в течение термообработки
-
Недогрев при термообработке (твердый и хрупкий шов и зона термического влияния)
-
Перегрев при термообработке (слабые зоны в швах)
-
Межкритический подогрев, например, нагрев выше точки Ас1
- Проблемы, возникающие вследствие:
-
Неправильного выбора температуры подогрева
-
Некорректный контроль температуры (термопары установлены в неправильных местах; подогрев газовым резаком)
-
Чрезмерное время нагрева
- Контроль правильности температуры и времени термообработки имеет решающее значение.
Требования к термообработке после сварки:
Оборудование должно обеспечивать точный контроль температуры
-
термопары должны быть соответствующим образом откалиброваны
-
термопары должны быть установлены в правильных местах
Различная толщина компонентов создает трудности например, швы приварки труб к коллектору
Перегрев во время термообработки после сварки
- Слабые зоны в швах трубопроводов
- Первоначальная микроструктура зоны термического влияния перегрета, демонстрируя некоторое ухудшение отпущенного мартенсита и крупные карбиды
- после 12000 часов эксплуатации были обнаружены феррит вдоль линии сплавления и явления ползучести в зоне термического влияния
Пределы твердости сварных соединений из P91
Минимальная твердость компонентов из P91, как правило, должна быть в пределах 190HV — 200HV (181НВ – 190НВ)Твердость металла шва (и крупнозернистой зоны термического влияния) должна быть 240-260HV (228-247НВ) после термообработки после сварки при температуре 750-760°C в течение 2-х часов (Vallourec&Mannesmann data book)
- твердость металла шва после термообработки при температуре 730°C (минимально разрешенной ASME) в течение 2-х часов должна быть 280-290HV (266-276НВ) (Vallourec&Mannesmann data book)
- относительная слабость зоны типа IV хуже при температуре термообработки 730°C
Типы трещин в сварных соединениях P91
Plan View – Вид сверху
Cross-Section – Поперечное сечение
Base metal – Основной металл
HAZ – Зона термического влияния
Weld metal – Металл сварного шва
Выводы
Устойчивая к ползучести сталь Р91 стала популярной для применения на тепловых электростанциях, работающих на органическом топливе.Вследствие использования этой стали при высоких температурах она стала рассматриваться как Чудо Сталь.
Эта сталь также используется в нефтехимической промышленности в оборудовании, работающем при высоких температурах, таком как дистилляция, крекинг и гидроочистка.
