Bergabung dengan Pasangan yang Tidak Mungkin: Pelajaran Pahit Saya Mengelas P91 hingga 304H Stainless

Anda pernah mencoba mengelas dua bahan itu, secara metalurgi, benar-benar membenci satu sama lain? Itulah yang kami lakukan untuk mencari nafkah. Namaku tidak penting, tapi saya sudah berusaha keras dan menandatangani X-ray selama tiga puluh tahun sekarang. tabung ketel, header superheater, pipa uap utama—sebut saja, Saya mungkin pernah membakar batangnya, atau menyaksikan lasan orang lain gagal karena mereka tidak mendengarkan.

Cerita ini, tentang pengelasan baja chrome-moly A335-P91 ke baja tahan karat TP304H? Itu adalah cerita yang ditulis dengan keringat, beberapa kegagalan, dan suatu shift malam di pembangkit listrik Louisiana yang terkadang masih saya impikan. Keringat dingin, Kamu tahu?

Kita berbicara tentang Las Logam Berbeda, atau DMW. Kedengarannya klinis. Pada kenyataannya, ini seperti menggabungkan mesin diesel dengan turbin jet dan mengharapkan koplingnya bertahan selama empat puluh tahun. P91 adalah kekuatan tinggi Anda, prajurit tahan merayap untuk tekanan tinggi. 304H adalah ketahanan oksidasi Anda, primadona stainless untuk suhu tinggi. Mereka melayani tujuan yang berbeda. Tapi terkadang, di dunia nyata retrofit dan perbaikan, mereka harus menjadi satu.

Pertama, Para Pemain: Mengapa Mereka Tidak Bermain Bagus

Mari kita bahas dasar-dasarnya, dari buku catatan lapanganku yang berminyak, bukan buku pelajaran.

A335-P91 adalah baja martensit. 9% Kromium, 1% Molibdenum, dengan taburan Vanadium dan Niobium. Kami menyukainya karena ia memiliki kekuatan yang luar biasa pada suhu tinggi—hingga 600°C atau lebih. Itu “H” dalam 304H berarti ini adalah versi standar karbon tinggi 18-8 tahan karat, yang memberikan kekuatan mulur yang lebih baik. Ini sepenuhnya austenitik, semua kristal kubik berpusat muka.

Langsung saja, masalah sedang menatap wajah Anda:

• Ketidaksesuaian Ekspansi Termal: Ini yang besar. P91 memiliki koefisien muai panas disekitarnya 13-14 x 10⁻⁶ /°C. 304H? Lebih tepatnya 18-19 x 10⁻⁶ /°C. Jadi Anda memanaskan pipa ini hingga suhu pengoperasian, katakanlah 570°C. Sisi anti karat ingin tumbuh hampir 30% lebih dari sisi P91. Diferensial itu mencoba merobek lasan tepat di garis fusi. Ini membentuk strain siklik setiap kali pabrik mulai hidup dan mati. Kami menyebutnya kelelahan termal siklus rendah.

• Migrasi Karbon: Pada suhu pengelasan, dan bahkan pada suhu layanan, karbon adalah burung yang bermigrasi. Ia senang terbang dari tempat yang banyak terdapatnya (P91, yang memiliki kandungan karbon yang layak) ke tempat yang memiliki daya tarik yang kuat (304H, yang banyak mengandung kromium). Kromium adalah pembentuk karbida. Jadi karbon mengemas tasnya, bergerak melintasi lasan, dan membentuk pita karbida kromium yang berkesinambungan tepat di sisi tahan karat dari garis fusi. Pita itu rapuh seperti kaca. Kami menyebutnya “zona dekarburisasi” di sisi P91 dan “zona karburasi” di sisi tahan karat. Ini adalah patah tulang yang menunggu untuk terjadi. Saya sudah melihatnya. Itu tidak cantik.

• Perbedaan Oksidasi: P91 juga mengandalkan pembentukan lapisan kromium oksida, tapi lebih tipis. Pada suhu tinggi, jika Anda tidak mendapatkan profil las yang tepat, sisi P91 dapat teroksidasi tepat di sebelah baja tahan karat, membuat takik.

• Perlakuan Panas Pasca Pengelasan (PWHT) Mimpi buruk: P91 membutuhkan PWHT untuk melunakkan hard, martensit rapuh yang terbentuk ketika didinginkan. Anda harus memanaskan seluruh area tersebut hingga sekitar 760°C selama beberapa jam. Tapi 304H? Saat Anda memegangnya pada suhu 760°C, hal buruk terjadi. Kromium karbida mengendap di dalam butiran dan di batas butiran—itulah sensitisasi. Ini merampas ketahanan korosi pada baja tahan karat dan membuatnya rentan terhadap kegagalan buruk yang disebut “serangan garis pisau” kemudian. Jadi, Anda terjebak: perlakuan panas untuk menghemat P91, dan Anda merusak 304H. Jangan memanaskan makanan, dan lasan P91 keras dan rapuh serta akan retak saat digunakan. Sial jika kamu melakukannya, terkutuk jika kamu tidak melakukannya.

Kisah Louisiana: Kegagalan Yang Mengajarkan Saya Lebih Dari Seminar Apapun

Ini sudah masuk kembali, Menurut saya, 2007. Pabrik kogenerasi besar di luar Baton Rouge. Mereka memiliki header outlet superheater, bahan P91, dan mereka sedang mengikat bagian pengganti baru dari pipa 304H. Itu adalah retrofit, las lapangan. Perusahaan teknik, beberapa pakaian mewah dari Utara, telah menentukan logam pengisi tahan karat standar 309L. Itu hal yang biasa “pergi ke” untuk menyambung baja tahan karat ke baja karbon atau baja paduan rendah. 309L memiliki kandungan paduan yang lebih tinggi untuk menangani pengenceran.

Kru shift malam, orang baik, mereka mengelasnya. Ikuti prosedur sampai ke surat, atau begitulah yang mereka pikirkan. Lasannya tampak indah. Topi cantik. Mereka melakukan PWHT, memanaskan seluruh lasan dan sisi P91 selama dua jam. X-ray kembali sempurna. Tidak ada terak, tidak ada porositas. Semuanya melakukan tos.

Enam bulan kemudian, Saya mendapat telepon dengan panik. Unitnya mati. Kebocoran. Saya berkendara ke sana, dan hatiku hancur saat melihatnya. Lasannya tidak gagal di tengah. Itu gagal tepat di garis fusi di sisi P91. Bersih, retakan melingkar, seperti seseorang mengambil pisau dan mengiris pipa tepat di sebelah las. Itu bukanlah robekan yang ulet. Itu rapuh. Anda dapat melihat retakan menembus zona dekarburisasi yang saya bicarakan.

Apa yang salah? Pengisi 309L, pada suhu PWHT tersebut, bertindak seperti magnet karbon. Ini menyedot karbon langsung dari P91, meninggalkan itu lemah, zona feritik. 309L itu sendiri, setelah ditahan pada suhu 760°C, mungkin juga tidak dalam kondisi bagus. Tapi akar permasalahannya? Logam pengisi yang salah untuk suhu tinggi, layanan siklik. 309L baik-baik saja untuk statis, barang bersuhu lebih rendah. Tidak di sini. Kami membutuhkan pengisi berbahan dasar nikel.

Kami akhirnya memotong seluruh bagian gulungan itu. A $50,000 kesalahan dalam material dan tenaga kerja, belum lagi pendapatan generasi yang hilang. Manajer pabrik, seorang pria bernama Mike, dia tidak berteriak. Dia hanya menatapku dan berkata, “Perbaiki. Dan pastikan ini yang terakhir kalinya.” Aku masih ingat tatapan itu.

Perbaikannya: Solusi Berbasis Nikel dan Prosedur Nyata

Kegagalan itu membakar pelajaran itu ke dalam otak saya. Untuk P91 hingga 304 jam, terutama dalam layanan siklik suhu tinggi (yang 99% waktu itu), Anda menggunakan pengisi berbahan dasar nikel. Periode. Standar industri sekarang, dan apa yang kami gunakan untuk pengerjaan ulang, adalah ERNiCr-3 (seperti Inconel 82) untuk root TIG dan hot pass, dan ENiCrFe-3 (seperti Inconel 182) untuk pengelasan elektroda tongkat.

Mengapa nikel? Pasalnya nikel memiliki koefisien muai panas yang berada tepat di tengah-tengah antara P91 dan 304H. Ini bertindak sebagai penyangga. Lebih penting lagi, nikel tidak memiliki afinitas yang tinggi terhadap karbon. Ia tidak membentuk karbida stabil seperti kromium. Sehingga masalah migrasi karbon? Ini tidak berhenti sepenuhnya—fisika adalah fisika—tetapi bahan pengisi berbahan dasar nikel tidak menghasilkan hasil yang setajam itu, pita karbida yang kontinu. Gradien karbon jauh lebih lembut.

Inilah prosedur sebenarnya, yang kami tulis dengan darah setelah pekerjaan di Louisiana itu:

Melangkah 1: Persiapan adalah Segalanya
Anda tidak bisa hanya melakukan bevel dan mengelas. Bevel adalah bevel majemuk, biasanya sekitar sudut 20 derajat, dengan pendaratan sekitar 1,5 mm. Tapi kuncinya adalah kebersihan. Stainless itu pilih-pilih. P91 pilih-pilih. Anda harus menggiling dengan roda baja tahan karat khusus. Jika Anda menggunakan roda yang disentuh baja karbon, Anda akan memasukkan partikel besi ke dalam bevel tahan karat. Partikel-partikel tersebut menjadi tempat inisiasi untuk cracking nantinya. Saya sudah melihatnya. Kami pernah menjadi bugar, pria baik, tapi dia mengambil penggiling yang salah. Kami membuatnya memiringkan kembali seluruh pipa. Dia kesal, tapi aku lebih suka membuatnya kesal daripada pengelasan yang gagal.

Melangkah 2: Lapisan Mentega (Saus Rahasia)
Di sinilah pengalaman mengalahkan buku teks. Daripada mencoba mengelas P91 langsung ke 304H sekaligus, Kami “mentega” wajah bevel P91 terlebih dahulu. Kami mengambil batang TIG ERNiCr-3 dan meletakkan lapisan, mungkin tebalnya 3mm, langsung ke bevel P91 yang telah disiapkan. Hal ini dilakukan bahkan sebelum pipa dipasang.

Kenapa mentega? Beberapa alasan.

• Pertama, itu memungkinkan kita untuk melakukan a “intermediat” PWHT. Setelah diolesi mentega, kami memasang bagian pipa P91 (hanya itu saja) ke dalam oven pemanas lokal atau gunakan pemanas bantalan keramik dan lakukan siklus PWHT penuh pada 760°C. Hal ini melemahkan zona yang terkena dampak panas di P91 dari jalur mentega, dan itu menghilangkan stres pada lapisan mentega. Yang terpenting, karena lapisan menteganya tipis dan 304Hnya belum menempel, kami tidak menyimpan sejumlah besar bahan tahan karat pada suhu sensitif tersebut. Kami hanya menangani sisi P91.

• Kedua, itu menciptakan antarmuka bertingkat. Butter pass pertama menyatu dengan P91, menciptakan zona pengenceran tipis. Kemudian lapisan mentega itu diberi perlakuan panas. Nanti kita las P91 yang sudah diolesi mentega ke 304H menggunakan batang nikel yang sama, logam las pada dasarnya semuanya berbahan dasar nikel. Migrasi karbon diminimalkan.

Melangkah 3: Parameter Pengelasan
Kami menjalankan pengelasan ulang dengan TIG untuk akar dan dua lintasan berikutnya. Pembersihan argon murni di bagian dalam. Anda harus membersihkan stainless, jika tidak, bagian dalamnya akan menjadi gula (teroksidasi) dan menciptakan kerak yang dapat mematahkan dan merusak bilah turbin nantinya.

Berikut tabel kasar dari pekerjaan itu, digoreskan pada selembar kertas dan kemudian dimasukkan ke dalam WPS:

Kami mengamati suhu persimpangan itu seperti elang. Jika itu menjadi terlalu tinggi, pada dasarnya Anda terlalu memanaskan seluruh adonan, yang meningkatkan risiko keretakan panas pada paduan nikel dan mendorong lebih banyak migrasi karbon. Terkadang kami membiarkannya dingin hingga di bawah 100°C sebelum memulai lintasan berikutnya. Lambat dan mantap.

Melangkah 4: Dilema PWHT (Lagi)
Setelah pengelasan selesai, kami memiliki sambungan dengan P91 yang diolesi mentega, pusat logam las nikel murni, dan 304H. Apakah kita memanaskan semuanya lagi? Pendekatan modern, dan apa yang kami lakukan, adalah “kompromi” atau “temper” PWHT. Kami memanaskan seluruh lasan dan pita di kedua sisinya ke suhu yang lebih rendah dari suhu standar P91, sekitar 720-740°C, untuk waktu yang lebih singkat, katakanlah satu jam. Hal ini memberikan beberapa temper terhadap martensit segar yang mungkin terbentuk di HAZ P91 dari lintasan pengelasan akhir, tapi ini meminimalkan waktu yang dihabiskan 304H dalam rentang sensitisasi. Itu tidak sempurna. 304H masih akan menjadi peka tepat di sebelah pengelasan. Tapi itu yang terbaik yang bisa kami lakukan. Beberapa spesifikasi sekarang bahkan mengatakan tidak ada PWHT untuk sambungan ini jika Anda mengolesi mentega dan mengontrol masukan panas dengan ketat, tapi aku sekolah tua. Saya suka rendaman tempering.

Apa Kata Kode dan Tren Baru

Kode seperti ASME Bagian IX adalah buku peraturannya. Mereka mengharuskan Anda untuk memenuhi syarat Catatan Kualifikasi Prosedur (PQR) dengan uji tarik dan tekuk, dan untuk bahan-bahan ini, sering kali pengujian dampak Charpy pada P91 HAZ. Anda harus membuktikan prosedur Anda berhasil.

Tren besar saat ini, dan saya pernah melihatnya di beberapa pabrik gas baru di Texas, menggunakan pengelasan TIG orbital otomatis untuk DMW kritis ini. Mesin mengontrol masukan panas dan kecepatan perjalanan dengan sempurna, jauh lebih baik daripada tangan manusia. Ini mengurangi variabilitas. Kami menggunakan orbital untuk pekerjaan di Houston tahun lalu, menggabungkan P91 ke 304H pada reformer hidrogen. Konsistensi maniknya adalah sesuatu yang lain. Tapi meski begitu, dasar-dasarnya—mentega, pilihan logam pengisi, PWHT—mereka tidak berubah. Mesin hanyalah sebuah alat.

Hal lain yang bermunculan adalah penggunaan “dinilai secara komposisi” kabel, tapi itu sebagian besar masih di laboratorium. Terlalu mahal untuk kerja lapangan saat ini.

Pelajaran yang Tidak Dapat Anda Pelajari di Kelas

Jadi, apa manfaat dari semua ini, dari kegagalan Louisiana dan pekerjaan sejak itu?

Pertama, kegagalan awal itu sebenarnya bukanlah kegagalan pengelasan. Itu adalah kegagalan rekayasa material. Seseorang memilih logam pengisi yang tampak tepat di atas kertas tetapi salah untuk kondisi siklus termal dan PWHT di dunia nyata. Kita merasa terlalu nyaman “praktik standar.”

Kedua, Anda tidak bisa mengalahkan metalurgi. Anda hanya bisa mengelolanya. Anda tidak bisa menghentikan keinginan karbon untuk berpindah, tapi Anda bisa memilih logam pengisi (nikel) itu tidak menghasilkan pita karbida yang tajam. Anda tidak dapat membuat koefisien muainya cocok dengan sempurna, tapi Anda bisa membuat zona penyangga dengan nikel yang memiliki koefisien di antaranya. Anda mengelola risikonya. Anda tidak menghilangkannya. Siapa pun yang memberi tahu Anda bahwa mereka memiliki lasan sempurna yang akan bertahan selamanya adalah berbohong atau belum melakukan hal ini cukup lama untuk melihat apa yang terjadi setelah sepuluh tahun dan seribu siklus termal..

Ketiga, Terkadang saya belajar untuk lebih memercayai inspeksi visual daripada rontgen. Di las Louisiana itu, hasil rontgennya sempurna. Namun inspektur yang bermata tajam dan memiliki borescope yang bagus mungkin akan melihat sedikit perubahan warna tepat di garis fusi., atau perubahan pola skala oksida, itu mengisyaratkan sesuatu yang salah di bawahnya. Sekarang, Saya menghabiskan banyak waktu hanya melihat lasan sebelum dan sesudah perlakuan panas. Terkadang Anda hampir bisa merasakan tekanan pada logam.

Kami terlambat melakukan pengelasan ulang 2007. Saya memeriksanya beberapa tahun yang lalu, selama pemadaman terencana. Saya naik ke header itu, mengusap tutup las dengan tanganku. Itu masih ada di sana. Masih kokoh. Sedikit perubahan warna, Mungkin, tapi tidak ada retak. Perasaan itu, untuk itulah Anda bekerja. Itu bukan bayarannya. Mengetahui bahwa Anda melakukan kesalahan, sebuah kegagalan, dan kamu memperbaikinya dengan kedua tangan dan otakmu sendiri, dan itu menghambatnya 2000 psi uap super panas di 1000 derajat. Itulah pekerjaannya. Ini adalah hal yang sangat buruk.