Treten Sie dem unwahrscheinlichen Paar bei: Meine bitteren Lektionen: Schweißen von P91 auf 304H-Edelstahl

Sie haben jemals versucht, zwei Materialien miteinander zu verschweißen, metallurgisch gesehen, hassen uns absolut? Damit verdienen wir unseren Lebensunterhalt. Mein Name ist nicht wichtig, Aber ich schwinge seit dreißig Jahren einen Stachel und unterschreibe Röntgenaufnahmen. Kesselrohre, Überhitzerköpfe, Hauptdampfleitungen – was auch immer, Ich habe wahrscheinlich einen Stab daran verbrannt, oder zugesehen haben, wie die Schweißnaht eines anderen versagt hat, weil er nicht zugehört hat.

Diese Geschichte, das zum Schweißen von A335-P91-Chrom-Molybdän-Stahl mit TP304H-Edelstahl? Das ist eine mit Schweiß geschriebene Geschichte, ein paar Misserfolge, und eine besondere Nachtschicht in einem Kraftwerk in Louisiana, von der ich manchmal noch träume. Kalter Schweiß, Du weisst?

Wir sprechen von einer unähnlichen Metallschweißnaht, oder DMW. Es klingt klinisch. In Wirklichkeit, Es ist, als würde man einen Dieselmotor mit einer Strahlturbine verbinden und erwarten, dass die Kupplung vierzig Jahre hält. P91 ist Ihr hochfestes, Kriechfester Krieger für Hochdruck. 304H ist Ihre Oxidationsbeständigkeit, rostfreie Primadonna für hohe Temperatur. Sie dienen unterschiedlichen Zwecken. Aber manchmal, in der realen Welt der Nachrüstung und Reparatur, sie müssen eins werden.

Erste, Die Spieler: Warum sie nicht nett spielen

Lassen Sie uns die Grundlagen erläutern, aus meinem fettigen Feldnotizbuch, kein Lehrbuch.

A335-P91 ist ein martensitischer Stahl. 9% Chrom, 1% Molybdän, mit einer Prise Vanadium und Niob. Wir lieben es, weil es bei hohen Temperaturen – bis zu 600 °C oder so – eine enorme Festigkeit aufweist. Der “H” in 304H bedeutet lediglich, dass es sich um eine kohlenstoffreiche Version des Standards handelt 18-8 rostfrei, was ihm eine bessere Kriechfestigkeit verleiht. Es ist vollständig austenitisch, allesamt flächenzentrierte kubische Kristalle.

Auf Anhieb, Die Probleme starren dir direkt ins Gesicht:

• Nicht übereinstimmende Wärmeausdehnung: Das ist das Große. P91 hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca 13-14 x 10⁻⁶ /°C. 304H? Eher so 18-19 x 10⁻⁶ /°C. Sie erhitzen also dieses Rohr auf Betriebstemperatur, sagen wir 570°C. Die rostfreie Seite will fast wachsen 30% mehr als die P91-Seite. Dieses Differential versucht, die Schweißnaht direkt an der Schweißlinie aufzureißen. Bei jedem Hoch- und Herunterfahren der Anlage werden zyklische Spannungen erzeugt. Wir nennen das thermische Ermüdung bei niedrigen Zyklen.

• Kohlenstoffmigration: Bei Schweißtemperaturen, und das sogar bei Betriebstemperaturen, Kohlenstoff ist ein Zugvogel. Es liebt es, von dort zu fliegen, wo es viel davon gibt (der P91, das einen ordentlichen Kohlenstoffgehalt hat) dorthin, wo eine starke Anziehungskraft herrscht (der 304H, das viel Chrom enthält). Chrom ist ein Karbidbildner. Also packt der Carbon seine Koffer, bewegt sich über die Schweißnaht, und bildet direkt auf der rostfreien Seite der Schmelzlinie ein kontinuierliches Band aus Chromkarbiden. Dieses Band ist spröde wie Glas. Wir nennen es das “entkohlte Zone” auf der P91-Seite und der “aufgekohlte Zone” auf der rostfreien Seite. Es ist ein Bruch, der darauf wartet, passiert zu werden. Ich habe es gesehen. Es ist nicht schön.

• Oxidationsunterschiede: Auch P91 beruht auf der Bildung einer Chromoxidschicht, aber es ist dünner. Bei hohen Temperaturen, wenn Sie das Schweißprofil nicht genau richtig hinbekommen, Die P91-Seite kann direkt neben dem Edelstahl bevorzugt oxidieren, eine Kerbe erzeugen.

• Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) Alptraum: P91 erfordert PWHT, um die Härte zu mildern, spröder Martensit, der sich beim Abkühlen bildet. Sie müssen den gesamten Bereich einige Stunden lang auf etwa 760 °C erhitzen. Aber 304H? Wenn Sie es bei 760°C halten, schlimme Dinge passieren. Chromkarbide scheiden sich innerhalb der Körner und an den Korngrenzen aus – das ist Sensibilisierung. Es raubt dem Edelstahl seine Korrosionsbeständigkeit und macht ihn anfällig für einen schlimmen Fehler namens „ “Messerangriff” später. Du steckst also fest: Wärmebehandlung, um den P91 zu retten, und Sie beschädigen den 304H. Nicht wärmebehandeln, und die P91-Schweißnaht ist hart und spröde und wird im Betrieb reißen. Verdammt, wenn du das tust, Verdammt, wenn du es nicht tust.

Die Louisiana-Geschichte: Ein Misserfolg, der mir mehr beigebracht hat als jedes Seminar

Das war wieder da, Ich finde, 2007. Ein großes Blockheizkraftwerk außerhalb von Baton Rouge. Sie hatten einen Überhitzer-Auslasssammler, P91-Material, und sie banden einen neuen Ersatzabschnitt aus 304H-Rohr ein. Es war eine Nachrüstung, eine Feldschweißung. Das Ingenieurbüro, ein schickes Outfit aus dem hohen Norden, hatte ein standardmäßiges rostfreies Füllmetall 309L spezifiziert. Das ist das Übliche “Gehe zu” zum Verbinden von Edelstahl mit Kohlenstoff- oder niedriglegiertem Stahl. 309L hat einen höheren Legierungsgehalt, um die Verdünnung zu bewältigen.

Die Nachtschicht-Crew, Gute Jungs, Sie haben es zusammengeschweißt. Habe die Prozedur genau befolgt, so dachten sie zumindest. Die Schweißnaht sah wunderschön aus. Wunderschöne Mützen. Sie haben das PWHT gemacht, Erhitzen der gesamten Schweißnaht und der P91-Seite für zwei Stunden. Das Röntgenbild war perfekt. Keine Schlacke, keine Porosität. Alle gaben ein High-Five.

Sechs Monate später, Ich bekomme einen verzweifelten Anruf. Das Gerät war ausgefallen. Ein Leck. Ich bin da runtergefahren, und mein Herz sank, als ich es sah. Die Schweißnaht war in der Mitte nicht durchgefallen. Es war direkt an der Fusionslinie auf der P91-Seite ausgefallen. Eine saubere, umlaufender Riss, als hätte jemand ein Messer genommen und das Rohr direkt neben der Schweißnaht durchtrennt. Es war kein duktiler Riss. Es war spröde. Man konnte sehen, dass der Riss direkt durch die entkohlte Zone verlief, von der ich sprach.

Was ist schief gelaufen?? Der 309L-Füller, bei dieser PWHT-Temperatur, wirkte wie ein Kohlenstoffmagnet. Es hat den Kohlenstoff direkt aus dem P91 gesaugt, das schwach lassen, ferritische Zone. Der 309L selbst, nachdem es bei 760°C gehalten wurde, war wahrscheinlich auch nicht in bester Verfassung. Aber die Grundursache? Der falsche Schweißzusatz für hohe Temperaturen, zyklischer Dienst. 309L ist für statische Aufladung in Ordnung, Sachen mit niedrigerer Temperatur. Nicht hier. Wir brauchten einen Füllstoff auf Nickelbasis.

Am Ende haben wir das gesamte Spulenstück herausgeschnitten. A $50,000 Fehler in Material und Arbeit, Ganz zu schweigen von den entgangenen Einnahmen aus der Erzeugung. Der Werksleiter, ein Typ namens Mike, er schrie nicht. Er sah mich nur an und sagte, “Repariere es. Und stellen Sie sicher, dass es das letzte Mal ist.” Ich erinnere mich noch an diesen Blick.

Die Lösung: Die nickelbasierte Lösung und das reale Verfahren

Dieser Misserfolg hat die Lektion in mein Gehirn eingebrannt. Für P91 bis 304H, insbesondere im zyklischen Hochtemperaturbetrieb (welches ist 99% der Zeit), Sie verwenden einen Füllstoff auf Nickelbasis. Zeitraum. Der Industriestandard jetzt, und was wir für die Neuauflage verwendet haben, ist ERNiCr-3 (wie Inconel 82) für WIG-Wurzel- und Warmdurchgang, und ENiCrFe-3 (wie Inconel 182) zum Stabelektrodenschweißen.

Warum Nickel? Denn Nickel hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der genau in der Mitte zwischen P91 und 304H liegt. Es fungiert als Puffer. Noch wichtiger, Nickel hat keine hohe Affinität zu Kohlenstoff. Es bildet keine stabilen Karbide wie Chrom. Also das Problem der Kohlenstoffmigration? Es hört nicht ganz auf – Physik ist Physik –, aber der Füllstoff auf Nickelbasis erzeugt keine so scharfe Schärfe, kontinuierliches Karbidband. Der Kohlenstoffgradient ist viel sanfter.

Hier ist das eigentliche Verfahren, das, das wir nach diesem Job in Louisiana mit Blut geschrieben haben:

Schritt 1: Vorbereitung ist alles
Man kann nicht einfach fasen und schweißen. Die Fase ist eine zusammengesetzte Fase, Normalerweise beträgt der eingeschlossene Winkel etwa 20 Grad, mit einer Landung von etwa 1,5 mm. Aber der Schlüssel ist Sauberkeit. Edelstahl ist wählerisch. P91 ist wählerisch. Sie müssen mit speziellen Edelstahlrädern schleifen. Wenn Sie ein Rad verwenden, das Kohlenstoffstahl berührt, Sie werden Eisenpartikel in die Edelstahlfase einbetten. Diese Partikel werden später zu Ausgangspunkten für die Rissbildung. Ich habe es gesehen. Wir hatten einmal einen Monteur, guter Mann, aber er hat sich die falsche Mühle geschnappt. Wir ließen ihn das gesamte Rohr neu abschrägen. Er war sauer, aber ich hätte ihn lieber sauer als eine fehlgeschlagene Schweißnaht.

Schritt 2: Die Butterschicht (Die geheime Soße)
Hier übertrifft Erfahrung ein Lehrbuch. Anstatt zu versuchen, den P91 in einem Zug direkt mit dem 304H zu verschweißen, Wir “Butter” Zuerst die abgeschrägte P91-Fläche. Wir nehmen den WIG-Stab ERNiCr-3 und legen eine Schicht auf, vielleicht 3mm dick, direkt auf die vorbereitete P91-Fase. Dies geschieht, bevor das Rohr überhaupt befestigt wird.

Warum Butter? Mehrere Gründe.

• Erste, es ermöglicht uns, a “dazwischenliegend” PWHT. Nach dem Buttern, Wir legen den Rohrabschnitt P91 ein (nur dieses Ende) in einen lokalen Heizofen oder verwenden Sie Keramik-Heizkissen und führen Sie einen vollständigen PWHT-Zyklus bei 760 °C durch. Dadurch wird die vom Buttering-Durchgang herrührende Wärmeeinflusszone im P91 temperiert, und es entlastet die Butterschicht. Entscheidend, weil die Butterschicht dünn ist und das 304H noch nicht angebracht ist, Wir halten keine große Menge Edelstahl bei dieser sensibilisierenden Temperatur. Wir behandeln nur die P91-Seite.

• Zweite, es erstellt eine abgestufte Schnittstelle. Der erste Butterdurchgang verschmilzt mit dem P91, Schaffung einer dünnen Verdünnungszone. Anschließend wird diese Butterschicht wärmebehandelt. Als wir später das gebutterte P91 mit demselben Nickelstab an das 304H schweißten, Das Schweißgut besteht im Wesentlichen vollständig aus Nickel. Die Kohlenstoffmigration wird minimiert.

Schritt 3: Die Schweißparameter
Wir führten die erneute Schweißnaht mit WIG für die Wurzel und die nächsten beiden Durchgänge durch. Innenspülung mit reinem Argon. Sie müssen Edelstahl reinigen, sonst verzuckert das Innere (oxidiert) und bildet Ablagerungen, die später abbrechen und Turbinenschaufeln zerstören können.

Hier ist eine grobe Tabelle von diesem Job, auf ein Blatt Papier geritzt und später in das WPS eingegeben:

Wir beobachten die Temperatur zwischen den Gassen wie ein Falke. Wenn es zu hoch wird, Sie heizen im Grunde die gesamte Masse zu stark vor, Dies erhöht das Risiko von Heißrissen in der Nickellegierung und fördert eine stärkere Kohlenstoffmigration. Wir lassen es manchmal auf unter 100 °C abkühlen, bevor wir mit dem nächsten Durchgang beginnen. Langsam und stetig.

Schritt 4: Das PWHT-Dilemma (Wieder)
Nachdem die Schweißung abgeschlossen ist, Wir haben einen Joint mit gebuttertem P91, ein reines Nickel-Schweißzentrum, und der 304H. Behandeln wir das Ganze noch einmal einer Wärmebehandlung?? Der moderne Ansatz, und was wir gemacht haben, ist ein “Kompromiss” oder “Temperierung” PWHT. Wir erhitzen die gesamte Schweißnaht und ein Band auf beiden Seiten auf eine Temperatur, die unter der Standard-P91-Vergütung liegt, etwa 720-740°C, für kürzere Zeit, sagen wir eine Stunde. Dies sorgt für eine gewisse Temperierung des frischen Martensits, der sich in der HAZ P91 durch die letzten Schweißdurchgänge gebildet haben könnte, aber es minimiert die Zeit, die 304H im Sensibilisierungsbereich verbringt. Es ist nicht perfekt. Der 304H wird direkt neben der Schweißnaht immer noch etwas sensibilisiert sein. Aber es ist das Beste, was wir tun können. In einigen Spezifikationen ist für diese Verbindungen inzwischen sogar kein PWHT angegeben, wenn Sie Butter verwenden und die Wärmezufuhr streng kontrollieren, aber ich bin altmodisch. Ich mag das temperierende Bad.

Was die Codes und neuen Trends sagen

Codes wie ASME Abschnitt IX sind das Regelwerk. Sie erfordern, dass Sie einen Verfahrensqualifizierungsnachweis qualifizieren (PQR) mit Zug- und Biegeversuchen, und für diese Materialien, häufig Charpy-Aufpralltests an der P91 HAZ. Sie müssen nachweisen, dass Ihr Verfahren funktioniert.

Der große Trend jetzt, und ich habe das in einigen neuen Gasanlagen in Texas gesehen, setzt für diese kritischen DMWs automatisiertes orbitales WIG-Schweißen ein. Die Maschine steuert die Wärmezufuhr und die Fahrgeschwindigkeit perfekt, viel besser als eine menschliche Hand. Es verringert die Variabilität. Letztes Jahr haben wir Orbital für einen Job in Houston genutzt, Verbindung von P91 mit 304H auf einem Wasserstoffreformer. Die Konsistenz der Perle war etwas anderes. Aber selbst dann, die Grundlagen – das Buttern, die Wahl des Zusatzwerkstoffes, die PWHT – sie ändern sich nicht. Die Maschine ist nur ein Werkzeug.

Eine andere Sache, die auftaucht, ist die Verwendung von “kompositorisch abgestuft” Draht, aber das ist größtenteils noch in Laboren. Im Moment zu teuer für den Feldeinsatz.

Lektionen, die Sie nicht in einem Klassenzimmer lernen können

Also, Was ist das Fazit aus all dem?, vom Scheitern in Louisiana und den Arbeitsplätzen seitdem?

Erste, Dieser anfängliche Fehler war nicht wirklich ein Schweißfehler. Es war ein Fehler in der Materialtechnik. Jemand hat ein Zusatzmetall ausgewählt, das auf dem Papier gut aussah, für die realen Bedingungen von Temperaturwechsel und PWHT jedoch falsch war. Wir fühlen uns damit zu wohl “Standardpraxis.”

Zweite, Sie können die Metallurgie nicht besiegen. Du kannst es nur verwalten. Man kann Kohlenstoff nicht davon abhalten, sich zu bewegen, Sie können jedoch ein Zusatzmetall wählen (Nickel) Dadurch entsteht kein scharfes Hartmetallband. Sie können die Ausdehnungskoeffizienten nicht perfekt anpassen, Sie können aber mit Nickel eine Pufferzone schaffen, deren Koeffizient dazwischen liegt. Sie managen die Risiken. Sie beseitigen sie nicht. Jeder, der Ihnen sagt, dass er eine perfekte Schweißnaht hat, die ewig hält, lügt entweder oder hat das noch nicht lange genug gemacht, um zu sehen, was nach zehn Jahren und tausend thermischen Zyklen passiert.

Dritte, Ich habe gelernt, der visuellen Inspektion manchmal mehr zu vertrauen als dem Röntgen. Auf dieser Louisiana-Schweißnaht, Das Röntgenbild war perfekt. Aber ein wirklich scharfsichtiger Inspektor mit einem guten Endoskop könnte direkt an der Fusionslinie eine leichte Verfärbung gesehen haben, oder eine Änderung im Oxidschuppenmuster, Das deutete darauf hin, dass darunter etwas nicht stimmte. Jetzt, Ich verbringe viel Zeit damit, mir Schweißnähte vor und nach der Wärmebehandlung anzusehen. Manchmal kann man die Spannung im Metall fast spüren.

Wir haben die Nachschweißung erst spät in Betrieb genommen 2007. Ich habe es vor ein paar Jahren überprüft, während eines geplanten Ausfalls. Ich bin bis zu diesem Kopf hochgeklettert, fuhr mit meiner Hand über die Schweißkappe. Es war immer noch da. Immer noch solide. Eine kleine Verfärbung, Vielleicht, aber keine Risse. Dieses Gefühl, Dafür arbeiten Sie. Es ist nicht die Bezahlung. Es bedeutet zu wissen, dass man einen Fehler begangen hat, ein Misserfolg, und du hast es mit deinen eigenen beiden Händen und deinem Gehirn repariert, und dass es sich zurückhält 2000 psi überhitzter Dampf bei 1000 Grad. Das ist der Job. Es ist eine verdammt gute Sache.