Unirsi alla coppia improbabile: Le mie amare lezioni di saldatura da P91 a 304H inossidabile

Hai mai provato a saldare due materiali così, metallurgicamente parlando, odiarci assolutamente a vicenda? Questo è ciò che facciamo per vivere. Il mio nome non è importante, ma sono ormai trent'anni che uso il pungiglione e approvo le radiografie per aver spinto. Tubi della caldaia, collettori del surriscaldatore, tubazione principale del vapore: lo chiami tu, Probabilmente ci ho bruciato sopra l'asta, o hanno visto fallire la saldatura di qualcun altro perché non hanno ascoltato.

Questa storia, quello sulla saldatura dell'acciaio al cromo-molibdeno A335-P91 sull'acciaio inossidabile TP304H? Questa è una storia scritta con il sudore, alcuni fallimenti, e un particolare turno di notte in una centrale elettrica della Louisiana che a volte sogno ancora. Sudori freddi, Sai?

Stiamo parlando di una saldatura di metalli dissimili, o DMW. Sembra clinico. In realtà, è come sposare un motore diesel con una turbina a reazione e aspettarsi che l’accoppiamento duri quarant’anni. P91 è il tuo punto forte, guerriero resistente allo scorrimento per l'alta pressione. 304H è il tuo resistente all'ossidazione, prima donna inossidabile per alta temperatura. Servono a scopi diversi. Ma a volte, nel mondo reale del retrofit e della riparazione, devono diventare uno.

Primo, I giocatori: Perché non giocano bene

Andiamo alle basi, dal mio unto quaderno da campo, non un libro di testo.

A335-P91 è un acciaio martensitico. 9% Cromo, 1% Molibdeno, con una spolverata di vanadio e niobio. Lo adoriamo perché ha una resistenza mostruosa alle alte temperature, fino a 600°C circa. IL “H” in 304H significa semplicemente che è una versione ad alto contenuto di carbonio dello standard 18-8 inossidabile, che gli conferisce una migliore resistenza allo scorrimento. È completamente austenitico, tutti cristalli cubici a facce centrate.

Subito, i problemi ti stanno guardando in faccia:

• Mancata corrispondenza della dilatazione termica: Questa è la cosa più importante. P91 ha un coefficiente di dilatazione termica intorno 13-14 x 10⁻⁶ /°C. 304H? Più simile 18-19 x 10⁻⁶ /°C. Quindi riscaldi questo tubo fino alla temperatura di esercizio, diciamo 570°C. Il lato inossidabile vuole quasi crescere 30% più del lato P91. Quel differenziale cerca di lacerare la saldatura proprio sulla linea di fusione. Imposta tensioni cicliche ad ogni accensione e spegnimento dell'impianto. La chiamiamo fatica termica a basso numero di cicli.

• Migrazione del carbonio: Alle temperature di saldatura, e anche alle temperature di servizio, il carbonio è un uccello migratore. Ama volare da dove ce n'è in abbondanza (il P91, che ha un discreto contenuto di carbonio) dove c’è una forte attrazione (il 304H, che ha molto cromo). Il cromo è un formatore di carburo. Quindi il carbonio fa le valigie, si muove attraverso la saldatura, e forma una fascia continua di carburi di cromo proprio sul lato inossidabile della linea di fusione. Quella fascia è fragile come il vetro. Lo chiamiamo il “zona decarburata” sul lato P91 e il “zona carburata” sul lato inossidabile. È una frattura pronta ad accadere. L'ho visto. Non è carino.

• Differenze di ossidazione: P91 si basa anche sulla formazione di uno strato di ossido di cromo, ma è più sottile. Ad alte temperature, se non ottieni il profilo di saldatura giusto, il lato P91 può ossidarsi preferenzialmente proprio accanto all'acciaio inossidabile, creando una tacca.

• Trattamento termico post saldatura (Pwht) Incubo: P91 richiede PWHT per temperare il duro, martensite fragile che si forma quando si raffredda. Devi riscaldare l'intera area a circa 760°C per un paio d'ore. Ma 304H? Quando lo tieni a 760°C, accadono cose brutte. I carburi di cromo precipitano all’interno dei grani e ai bordi dei grani: questa è sensibilizzazione. Priva l'acciaio inossidabile della sua resistenza alla corrosione e lo rende suscettibile a un brutto guasto chiamato “attacco con la linea del coltello” più tardi. Quindi sei bloccato: trattamento termico per salvare il P91, e danneggi il 304H. Non trattare termicamente, e la saldatura P91 è dura e fragile e si romperà durante l'uso. Che sia dannato se lo fai, dannato se non lo fai.

La storia della Louisiana: Un fallimento che mi ha insegnato più di qualsiasi seminario

Questo era di nuovo dentro, Penso, 2007. Un grande impianto di cogenerazione fuori Baton Rouge. Avevano un'intestazione di uscita del surriscaldatore, Materiale P91, e stavano collegando una nuova sezione sostitutiva del tubo 304H. È stato un retrofit, una saldatura sul campo. La società di ingegneria, qualche vestito elegante dal nord, aveva specificato un metallo d'apporto standard in acciaio inossidabile 309L. È la solita cosa “vai a” per unire acciaio inossidabile con acciaio al carbonio o bassolegato. 309L ha un contenuto di lega più elevato per gestire la diluizione.

L'equipaggio del turno di notte, bravi ragazzi, l'hanno saldato. Ho seguito la procedura alla lettera, o almeno così pensavano. La saldatura sembrava bellissima. Cappellini splendidi. Hanno fatto il PWHT, riscaldando l'intera saldatura e il lato P91 per due ore. La radiografia è risultata perfetta. Nessuna scoria, nessuna porosità. Tutti hanno dato il cinque.

Sei mesi dopo, Ricevo una chiamata frenetica. L'unità era inattiva. Una perdita. Ho guidato laggiù, e il mio cuore è sprofondato quando l'ho visto. La saldatura non era venuta a mancare nel mezzo. Aveva fallito proprio sulla linea di fusione sul lato P91. Un pulito, fessura circonferenziale, come se qualcuno avesse preso un coltello e avesse tagliato il tubo proprio accanto alla saldatura. Non era una lacrima duttile. Era fragile. Si vedeva che la fessura attraversava proprio quella zona decarburata di cui parlavo.

Cosa è andato storto? Il riempitore da 309 litri, a quella temperatura PWHT, agiva come un magnete al carbonio. Ha risucchiato il carbonio dal P91, lasciandolo debole, zona ferritica. Il 309L stesso, dopo essere stato mantenuto a 760°C, probabilmente non era neanche in gran forma. Ma la causa principale? Il metallo d'apporto sbagliato per una temperatura elevata, servizio ciclico. 309L va bene per statico, roba a temperatura più bassa. Non qui. Avevamo bisogno di un riempitivo a base di nichel.

Alla fine abbiamo tagliato l'intero pezzo di bobina. UN $50,000 errore nel materiale e nella manodopera, per non parlare delle entrate generate perdute. Il direttore dello stabilimento, un ragazzo di nome Mike, non ha urlato. Mi ha semplicemente guardato e ha detto, “Risolvilo. E assicurati che sia l'ultima volta.” Ricordo ancora quello sguardo.

La correzione: La soluzione a base di nichel e il procedimento reale

Quel fallimento ha impresso la lezione nel mio cervello. Per P91 fino a 304H, soprattutto nel servizio ciclico ad alta temperatura (che è 99% del tempo), usi un riempitivo a base di nichel. Periodo. Lo standard del settore ora, e cosa abbiamo usato per il rifacimento, è ERNiCr-3 (come Inconel 82) per TIG root e hot pass, ed ENiCrFe-3 (come Inconel 182) per la saldatura con elettrodo.

Perché il nichel? Perché il nichel ha un coefficiente di dilatazione termica che si trova proprio a metà tra P91 e 304H. Funziona come un buffer. Ancora più importante, il nichel non ha un’elevata affinità per il carbonio. Non forma carburi stabili come fa il cromo. Quindi quel problema della migrazione del carbonio? Non si ferma completamente (la fisica è fisica), ma il riempitivo a base di nichel non crea un effetto così nitido, banda continua di carburi. Il gradiente di carbonio è molto più delicato.

Ecco la vera procedura, quello che abbiamo scritto col sangue dopo quel lavoro in Louisiana:

Fare un passo 1: La preparazione è tutto
Non puoi semplicemente smussare e saldare. Lo smusso è uno smusso composto, solitamente attorno ad un angolo incluso di 20 gradi, con un atterraggio di circa 1,5mm. Ma la chiave è la pulizia. L'acciaio inossidabile è esigente. P91 è esigente. Devi macinare con mole dedicate in acciaio inox. Se usi una ruota che ha toccato l'acciaio al carbonio, incorporerai particelle di ferro nella smussatura inossidabile. Quelle particelle diventano siti di inizio per il cracking successivo. L'ho visto. Avevamo un montatore una volta, buon uomo, ma ha preso il macinino sbagliato. Gli abbiamo fatto rismussare l'intero tubo. Era incazzato, ma preferirei che fosse incazzato piuttosto che una saldatura fallita.

Fare un passo 2: Lo strato di burro (La salsa segreta)
È qui che l'esperienza batte un libro di testo. Invece di provare a saldare il P91 direttamente al 304H in una sola volta, Noi “burro” prima la superficie smussata P91. Prendiamo la bacchetta TIG ERNiCr-3 e stendiamo uno strato, forse 3 mm di spessore, direttamente sul bisello P91 preparato. Questo viene fatto prima ancora che il tubo venga incollato.

Perché il burro? Diversi motivi.

• Primo, ci permette di fare a “intermedio” Pwht. Dopo aver imburrato, inseriamo la sezione del tubo P91 (proprio quella fine) in un forno di riscaldamento locale o utilizzare riscaldatori in ceramica ed eseguire un ciclo PWHT completo a 760°C. Ciò tempera la zona influenzata dal calore nel P91 dal passaggio di imburrazione, e allevia lo stress dello strato di burro. Fondamentalmente, perché lo strato di burro è sottile e il 304H non è ancora attaccato, non conserviamo una quantità enorme di acciaio inossidabile a quella temperatura sensibilizzante. Stiamo solo trattando il lato P91.

• Secondo, crea un'interfaccia graduata. La prima passata di burro si fonde con il P91, creando una sottile zona di diluizione. Quindi quello strato di burro viene trattato termicamente. Quando successivamente saldiamo il P91 imburrato al 304H utilizzando la stessa bacchetta di nichel, il metallo saldato è essenzialmente tutto a base di nichel. La migrazione del carbonio è ridotta al minimo.

Fare un passo 3: I parametri di saldatura
Abbiamo eseguito la ripetizione della saldatura con TIG per la radice e i due passaggi successivi. Spurgo di argon puro all'interno. Devi spurgare l'acciaio inossidabile, altrimenti l'interno si zucchera (si ossida) e crea incrostazioni che possono rompersi e rovinare le pale delle turbine in seguito.

Ecco una tabella approssimativa di quel lavoro, graffiato su un pezzo di carta e successivamente inserito nel WPS:

Osserviamo la temperatura di interpass come un falco. Se diventa troppo alto, stai praticamente preriscaldando troppo l'intera massa, che aumenta il rischio di cricche a caldo nella lega di nichel e promuove una maggiore migrazione del carbonio. A volte lo lasciamo raffreddare fino a sotto i 100°C prima di iniziare il passaggio successivo. Lento e costante.

Fare un passo 4: Il dilemma del PWHT (Ancora)
Una volta completata la saldatura, abbiamo una canna con P91 imburrato, un centro di metallo saldato in nichel puro, e il 304H. Trattiamo di nuovo il tutto con il calore? L'approccio moderno, e cosa abbiamo fatto, è un “compromesso” O “tempera” Pwht. Riscaldiamo l'intera saldatura e una fascia su entrambi i lati a una temperatura inferiore alla tempra P91 standard, intorno ai 720-740°C, per un tempo più breve, diciamo un'ora. Ciò fornisce un certo rinvenimento a qualsiasi martensite fresca che potrebbe essersi formata nella HAZ P91 dai passaggi finali di saldatura, ma riduce al minimo il tempo che il 304H trascorre nell'intervallo di sensibilizzazione. Non è perfetto. Il 304H sarà ancora un po' sensibilizzato proprio accanto alla saldatura. Ma è il meglio che possiamo fare. Alcune specifiche ora dicono addirittura che non è previsto il PWHT per queste articolazioni se si imburra e si controlla rigorosamente l'apporto di calore, ma sono della vecchia scuola. Mi piace l'ammollo temperante.

Cosa dicono i codici e le nuove tendenze

Codici come ASME Sezione IX sono il regolamento. Richiedono di qualificare un record di qualificazione della procedura (PQR) con prove di trazione e flessione, e per questi materiali, spesso test di impatto Charpy sulla P91 HAZ. Devi dimostrare che la tua procedura funziona.

La grande tendenza ora, e l’ho visto in alcuni nuovi impianti di gas in Texas, sta utilizzando la saldatura TIG orbitale automatizzata per questi DMW critici. La macchina controlla perfettamente l'apporto di calore e la velocità di marcia, molto meglio di una mano umana. Riduce la variabilità. Abbiamo utilizzato l'orbital per un lavoro a Houston l'anno scorso, unendo P91 a 304H su un reformer di idrogeno. La consistenza della perla era un'altra cosa. Ma anche allora, i fondamenti: l'imburrazione, la scelta del metallo d’apporto, il PWHT: non cambiano. La macchina è solo uno strumento.

Un'altra cosa che sta emergendo è l'uso di “classificati compositivamente” filo, ma per lo più è ancora nei laboratori. Troppo costoso per il lavoro sul campo in questo momento.

Lezioni che non puoi imparare in una classe

COSÌ, qual è il risultato di tutto questo?, dal fallimento della Louisiana e dai posti di lavoro successivi?

Primo, quel fallimento iniziale non era realmente un fallimento della saldatura. È stato un fallimento dell'ingegneria dei materiali. Qualcuno ha scelto un metallo d'apporto che sembrava corretto sulla carta ma che era sbagliato per le condizioni reali del ciclo termico e del PWHT. Ci sentiamo troppo a nostro agio “pratica standard.”

Secondo, non puoi sconfiggere la metallurgia. Puoi solo gestirlo. Non puoi impedire al carbonio di volersi muovere, ma puoi scegliere un metallo d'apporto (nichel) ciò non crea una fascia di carburo tagliente. Non è possibile far corrispondere perfettamente i coefficienti di espansione, ma puoi creare una zona cuscinetto con il nichel che ha un coefficiente intermedio. Gestisci i rischi. Non li elimini. Chiunque ti dica di avere una saldatura perfetta che durerà per sempre o mente o non lo fa da abbastanza tempo per vedere cosa succede dopo dieci anni e mille cicli termici.

Terzo, A volte ho imparato a fidarmi dell’ispezione visiva più che della radiografia. Su quella saldatura della Louisiana, la radiografia era perfetta. Ma un ispettore molto attento e con un buon boroscopio potrebbe aver notato qualche leggero scolorimento proprio sulla linea di fusione, o un cambiamento nel modello della scaglia di ossido, che lasciava intendere che sotto c'era qualcosa che non andava. Ora, Trascorro molto tempo solo osservando le saldature prima e dopo il trattamento termico. A volte puoi quasi sentire lo stress nel metallo.

Abbiamo messo in servizio quella saldatura rifatta tardi 2007. L'ho controllato qualche anno fa, durante un'interruzione pianificata. Sono salito su quella testata, ho passato la mano sul tappo di saldatura. Era ancora lì. Ancora solido. Un po' di scolorimento, Forse, ma senza crepe. Quella sensazione, questo è ciò per cui lavori. Non è la paga. È sapere che hai commesso un errore, un fallimento, e l'hai risolto con le tue stesse mani e il tuo cervello, e che si sta trattenendo 2000 psi di vapore surriscaldato a 1000 gradi. Questo è il lavoro. È una cosa incredibile.