Menyertai Pasangan Tidak Mungkin: My Bitter Lessons Kimpalan P91 hingga 304H Tahan Karat

Anda pernah cuba mengimpal dua bahan itu, secara metalurgi, benar-benar benci antara satu sama lain? Itulah yang kami lakukan untuk hidup. Nama saya tidak penting, tetapi saya telah menghayun penyengat dan menandatangani X-ray kerana menolak tiga puluh tahun sekarang. Tiub dandang, pengepala superheater, paip wap utama-anda namakannya, Saya mungkin telah membakar batang di atasnya, atau melihat kimpalan orang lain gagal kerana mereka tidak mendengar.

cerita ini, satu tentang mengimpal keluli chrome-moly A335-P91 kepada keluli tahan karat TP304H? Itulah kisah yang ditulis dalam keringat, beberapa kegagalan, dan satu syif malam tertentu di loji kuasa Louisiana yang kadang-kadang saya impikan. Berpeluh sejuk, awak tahu?

Kami bercakap tentang Kimpalan Logam Tidak Sama, atau DMW. Bunyinya klinikal. Dalam realiti, ia seperti mengahwinkan enjin diesel dengan turbin jet dan mengharapkan gandingan bertahan selama empat puluh tahun. P91 ialah kekuatan tinggi anda, pahlawan tahan rayap untuk tekanan tinggi. 304H ialah tahan pengoksidaan anda, primadona tahan karat untuk suhu tinggi. Mereka mempunyai tujuan yang berbeza. Tetapi kadang-kadang, dalam dunia sebenar pengubahsuaian dan pembaikan, mereka harus menjadi satu.

Pertama, Para Pemain: Mengapa Mereka Tidak Bermain Baik

Mari kita turunkan perkara asas, dari buku nota lapangan saya yang berminyak, bukan buku teks.

A335-P91 ialah keluli martensit. 9% Chromium, 1% Molibdenum, dengan taburan Vanadium dan Niobium. Kami menyukainya kerana ia mempunyai kekuatan raksasa pada suhu tinggi—sehingga 600°C atau lebih. The “H” dalam 304H hanya bermakna ia adalah versi karbon tinggi bagi standard 18-8 tahan karat, yang memberikan kekuatan rayapan yang lebih baik. Ia austenit sepenuhnya, semua hablur padu berpusat muka.

Terus sahaja, masalah merenung anda di muka:

• Ketidakpadanan Pengembangan Terma: Ini yang besar. P91 mempunyai pekali pengembangan haba sekitar 13-14 x 10⁻⁶ /°C. 304H? Lebih suka 18-19 x 10⁻⁶ /°C. Jadi anda panaskan paip ini sehingga suhu operasi, katakan 570°C. Bahagian tahan karat mahu berkembang hampir 30% lebih daripada bahagian P91. Pembezaan itu cuba mengoyakkan kimpalan tepat pada garisan gabungan. Ia menetapkan ketegangan kitaran setiap kali tumbuhan bermula dan ditutup. Kami memanggilnya keletihan haba kitaran rendah.

• Migrasi Karbon: Pada suhu kimpalan, dan walaupun pada suhu perkhidmatan, karbon ialah burung yang berhijrah. Ia suka terbang dari tempat yang banyak (P91 itu, yang mempunyai kandungan karbon yang baik) ke mana terdapat tarikan yang kuat (304H, yang mempunyai banyak kromium). Chromium ialah pembentuk karbida. Jadi karbon membungkus begnya, bergerak melintasi kimpalan, dan membentuk jalur berterusan kromium karbida betul-betul pada bahagian tahan karat garis gabungan. Band itu rapuh seperti kaca. Kami memanggilnya “zon dekarburasi” pada bahagian P91 dan “zon berkarburasi” pada bahagian tahan karat. Ia adalah patah tulang yang menunggu untuk berlaku. Saya telah melihatnya. Ia tidak cantik.

• Perbezaan Pengoksidaan: P91 juga bergantung pada pembentukan lapisan kromium oksida, tetapi ia lebih nipis. Pada suhu tinggi, jika anda tidak mendapat profil kimpalan yang betul, bahagian P91 boleh mengoksida secara keutamaan betul-betul di sebelah tahan karat, mencipta takuk.

• Rawatan Haba Selepas Kimpalan (Pwht) Mimpi ngeri: P91 memerlukan PWHT untuk menahan yang keras, martensit rapuh yang terbentuk apabila ia sejuk. Anda perlu memanaskan seluruh kawasan itu kepada kira-kira 760°C selama beberapa jam. Tetapi 304H? Apabila anda memegangnya pada 760°C, perkara buruk berlaku. Karbida kromium memendakan dalam butiran dan pada sempadan butiran—itulah pemekaan. Ia merompak tahan karat rintangan kakisannya dan menjadikannya mudah terdedah kepada kegagalan buruk yang dipanggil “serangan garis pisau” di kemudian hari. Jadi anda tersekat: rawatan haba untuk menyelamatkan P91, dan anda merosakkan 304H. Jangan panaskan rawatan, dan kimpalan P91 adalah keras dan rapuh dan akan retak semasa diservis. Terkutuk jika anda berbuat demikian, terkutuk jika anda tidak.

Kisah Louisiana: Kegagalan Yang Mengajar Saya Lebih Daripada Mana-mana Seminar

Ini masuk semula, saya rasa, 2007. Loji kogenerasi besar di luar Baton Rouge. Mereka mempunyai pengepala alur keluar pemanas lampau, bahan P91, dan mereka sedang mengikat bahagian gantian baharu paip 304H. Ia adalah pengubahsuaian, kimpalan medan. Firma kejuruteraan, beberapa pakaian mewah dari utara, telah menetapkan logam pengisi tahan karat 309L standard. Itu perkara biasa “pergi-ke” untuk menyambung keluli tahan karat kepada karbon atau keluli aloi rendah. 309L mempunyai kandungan aloi yang lebih tinggi untuk mengendalikan pencairan.

Krew syif malam, lelaki baik, mereka mengimpalnya. Ikut prosedur ke surat, atau begitulah yang mereka fikirkan. Kimpalan itu kelihatan cantik. Tudung cantik. Mereka melakukan PWHT, memanaskan keseluruhan kimpalan dan bahagian P91 selama dua jam. X-ray kembali sempurna. Tiada sanga, tiada keliangan. Semua orang bertegur sapa.

Enam bulan kemudian, Saya mendapat panggilan panik. Unit itu turun. Kebocoran. Saya memandu ke bawah, dan hati saya sayu apabila saya melihatnya. Kimpalan tidak gagal di tengah. Ia telah gagal tepat di garisan gabungan di sebelah P91. A bersih, retak lilitan, seperti seseorang telah mengambil pisau dan menghiris paip betul-betul di sebelah kimpalan. Ia bukan koyakan mulur. Ia rapuh. Anda dapat melihat retakan itu mengalir melalui zon dekarburisasi yang saya maksudkan.

Apa yang salah? Pengisi 309L, pada suhu PWHT itu, bertindak seperti magnet karbon. Ia menyedut karbon terus daripada P91, meninggalkan yang lemah, zon ferit. 309L itu sendiri, selepas dipegang pada 760°C, mungkin juga tidak berada dalam keadaan yang baik. Tetapi punca utama? Logam pengisi yang salah untuk suhu tinggi, perkhidmatan kitaran. 309L adalah baik untuk statik, bahan bersuhu rendah. Bukan di sini. Kami memerlukan pengisi berasaskan nikel.

Kami akhirnya memotong keseluruhan kepingan gelendong itu. A $50,000 kesilapan dalam material dan buruh, apatah lagi hasil generasi yang hilang. Pengurus loji, seorang lelaki bernama Mike, dia tidak menjerit. Dia hanya memandang saya dan berkata, “Betulkan. Dan pastikan ia adalah kali terakhir.” Saya masih ingat pandangan itu.

Pembaikan: Penyelesaian Berasaskan Nikel dan Prosedur Sebenar

Kegagalan itu membakar pelajaran ke dalam otak saya. Untuk P91 hingga 304H, terutamanya dalam perkhidmatan kitaran suhu tinggi (iaitu 99% masa itu), anda menggunakan pengisi berasaskan nikel. Tempoh. Standard industri sekarang, dan apa yang kami gunakan untuk melakukan semula, ialah ERNiCr-3 (seperti Inconel 82) untuk akar TIG dan hantaran panas, dan ENiCrFe-3 (seperti Inconel 182) untuk kimpalan elektrod kayu.

Kenapa nikel? Kerana nikel mempunyai pekali pengembangan terma yang terletak betul-betul di tengah antara P91 dan 304H. Ia bertindak sebagai penampan. Yang lebih penting, nikel tidak mempunyai pertalian tinggi untuk karbon. Ia tidak membentuk karbida yang stabil seperti yang dilakukan oleh kromium. Jadi masalah migrasi karbon? Ia tidak berhenti sepenuhnya-fizik adalah fizik-tetapi pengisi berasaskan nikel tidak menghasilkan yang tajam, jalur karbida berterusan. Kecerunan karbon adalah lebih lembut.

Berikut adalah prosedur sebenar, yang kami tulis dalam darah selepas kerja Louisiana itu:

Langkah 1: Persediaan adalah Segala-galanya
Anda tidak boleh hanya serong dan mengimpal. Serong ialah serong kompaun, biasanya sekitar sudut disertakan 20 darjah, dengan pendaratan kira-kira 1.5mm. Tetapi kuncinya adalah kebersihan. Tahan karat adalah pemilih. P91 adalah pemilih. Anda perlu mengisar dengan roda keluli tahan karat khusus. Jika anda menggunakan roda yang disentuh keluli karbon, anda akan membenamkan zarah besi ke dalam serong tahan karat. Zarah tersebut menjadi tapak permulaan untuk retak kemudian. Saya telah melihatnya. Kami ada tukang cergas sekali, lelaki yang baik, tapi dia tersalah penggiling. Kami membuatnya menyerong semula seluruh paip. Dia marah, tetapi saya lebih suka dia marah daripada kimpalan yang gagal.

Langkah 2: Lapisan Mentega (Sos Rahsia)
Di sinilah pengalaman mengalahkan buku teks. Daripada cuba mengimpal P91 terus ke 304H sekali gus, kita “mentega” muka serong P91 dahulu. Kami mengambil rod ERNiCr-3 TIG dan meletakkan lapisan, mungkin 3mm tebal, terus ke serong P91 yang disediakan. Ini dilakukan sebelum paip dipasang.

Kenapa mentega? Beberapa sebab.

• Pertama, ia membolehkan kita melakukan a “perantaraan” Pwht. Selepas mentega, kami meletakkan bahagian paip P91 (hanya hujung itu) ke dalam ketuhar pemanasan tempatan atau gunakan pemanas pad seramik dan lakukan kitaran PWHT penuh pada 760°C. Ini meredakan zon terjejas haba dalam P91 daripada pas mentega, dan ia melegakan tekanan lapisan mentega. Secara penting, kerana lapisan mentega adalah nipis dan 304H belum dipasang lagi, kami tidak memegang sejumlah besar tahan karat pada suhu pemekaan itu. Kami hanya merawat bahagian P91.

• Kedua, ia mencipta antara muka berperingkat. Pas mentega pertama bercantum dengan P91, mewujudkan zon pencairan nipis. Kemudian lapisan mentega itu dirawat haba. Apabila kami kemudian mengimpal P91 yang disapu mentega ke 304H menggunakan rod nikel yang sama, logam kimpalan pada asasnya adalah berasaskan nikel. Penghijrahan karbon diminimumkan.

Langkah 3: Parameter Kimpalan
Kami menjalankan kimpalan semula dengan TIG untuk akar dan dua hantaran seterusnya. Pembersihan argon tulen di bahagian dalam. Anda perlu membersihkan tahan karat, jika tidak, bahagian dalam akan naik (mengoksida) dan mencipta skala yang boleh terputus dan merosakkan bilah turbin kemudian.

Berikut adalah jadual kasar daripada pekerjaan itu, diconteng pada sekeping kertas dan kemudian dimasukkan ke dalam WPS:

Kami memerhatikan suhu interpass itu seperti burung elang. Jika ia menjadi terlalu tinggi, anda pada dasarnya memanaskan keseluruhan jisim terlalu banyak, yang meningkatkan risiko keretakan panas dalam aloi nikel dan menggalakkan lebih banyak penghijrahan karbon. Kami membiarkannya sejuk hingga di bawah 100°C kadangkala sebelum memulakan hantaran seterusnya. Perlahan dan mantap.

Langkah 4: Dilema PWHT (sekali lagi)
Selepas kimpalan selesai, kami mempunyai sambungan dengan P91 yang disapu mentega, pusat logam kimpalan nikel tulen, dan 304H. Adakah kita memanaskan merawat semuanya lagi? Pendekatan moden, dan apa yang kami lakukan, ialah “kompromi” atau “pembiakan” Pwht. Kami memanaskan keseluruhan kimpalan dan jalur pada kedua-dua belah pada suhu yang lebih rendah daripada suhu standard P91, sekitar 720-740°C, untuk masa yang lebih singkat, katakan satu jam. Ini memberikan sedikit pembajaan kepada mana-mana martensit segar yang mungkin terbentuk dalam P91 HAZ daripada pas kimpalan akhir, tetapi ia meminimumkan masa yang diluangkan 304H dalam julat pemekaan. Ia tidak sempurna. 304H masih akan agak sensitif betul-betul di sebelah kimpalan. Tetapi ia adalah yang terbaik yang boleh kita lakukan. Sesetengah spesifikasi kini malah mengatakan tiada PWHT untuk sambungan ini jika anda mentega dan mengawal input haba dengan ketat, tetapi saya sekolah lama. Saya suka rendaman pembajaan.

Apa Kata Kod dan Aliran Baharu

Kod seperti ASME Bahagian IX ialah buku peraturan. Mereka memerlukan anda untuk melayakkan Rekod Kelayakan Prosedur (PQR) dengan ujian tegangan dan lentur, dan untuk bahan-bahan ini, selalunya ujian impak Charpy pada P91 HAZ. Anda perlu membuktikan prosedur anda berfungsi.

Trend besar sekarang, dan saya telah melihat ini di beberapa loji gas baharu di Texas, menggunakan kimpalan TIG orbital automatik untuk DMW kritikal ini. Mesin mengawal input haba dan kelajuan perjalanan dengan sempurna, jauh lebih baik daripada tangan manusia. Ia mengurangkan kebolehubahan. Kami menggunakan orbital untuk kerja di Houston tahun lepas, menyambung P91 hingga 304H pada pembaharu hidrogen. Konsistensi manik adalah sesuatu yang lain. Tetapi walaupun begitu, asas-asas mentega, pilihan logam pengisi, PWHT-mereka tidak berubah. Mesin hanyalah alat.

Perkara lain yang muncul ialah penggunaan “digredkan secara komposisi” wayar, tetapi itu kebanyakannya masih dalam makmal. Terlalu mahal untuk kerja lapangan sekarang.

Pelajaran yang Tidak Boleh Anda Pelajari dalam Bilik Darjah

Jadi, apa yang boleh diambil dari semua ini, daripada kegagalan Louisiana dan pekerjaan sejak itu?

Pertama, kegagalan awal itu sebenarnya bukan kegagalan kimpalan. Ia adalah kegagalan kejuruteraan bahan. Seseorang memilih logam pengisi yang kelihatan tepat di atas kertas tetapi salah untuk keadaan dunia sebenar kitaran haba dan PWHT. Kita terlalu selesa dengannya “amalan standard.”

Kedua, anda tidak boleh mengalahkan metalurgi. Anda hanya boleh menguruskannya. Anda tidak boleh menghalang karbon daripada mahu bergerak, tetapi anda boleh memilih logam pengisi (nikel) yang tidak menghasilkan jalur karbida yang tajam. Anda tidak boleh menjadikan pekali pengembangan sepadan dengan sempurna, tetapi anda boleh mencipta zon penampan dengan nikel yang mempunyai pekali di antaranya. Anda menguruskan risiko. Anda tidak menghapuskan mereka. Sesiapa yang memberitahu anda bahawa mereka mempunyai kimpalan sempurna yang akan kekal selama-lamanya sama ada berbohong atau tidak melakukan ini cukup lama untuk melihat apa yang berlaku selepas sepuluh tahun dan seribu kitaran haba.

Ketiga, Saya telah belajar untuk mempercayai pemeriksaan visual lebih daripada X-ray kadangkala. Pada kimpalan Louisiana itu, X-ray adalah sempurna. Tetapi pemeriksa yang benar-benar tajam dengan borescope yang baik mungkin telah melihat sedikit perubahan warna tepat pada garis gabungan, atau perubahan dalam corak skala oksida, yang membayangkan sesuatu yang tidak kena di bawahnya. Sekarang, Saya menghabiskan banyak masa hanya melihat kimpalan sebelum dan selepas rawatan haba. Anda hampir boleh merasakan tekanan dalam logam kadang-kadang.

Kami meletakkan kimpalan buat semula itu dalam perkhidmatan lewat 2007. Saya menyemaknya beberapa tahun lalu, semasa gangguan yang dirancang. Saya naik ke tajuk itu, berlari tangan saya ke atas penutup kimpalan. Ia masih ada. Masih padu. Sedikit perubahan warna, mungkin, tetapi tiada retak. perasaan itu, itulah tujuan anda bekerja. Ia bukan gaji. Ia mengetahui bahawa anda telah melakukan kesilapan, sebuah kegagalan, dan anda membetulkannya dengan dua tangan dan otak anda sendiri, dan bahawa ia menahan 2000 psi wap panas lampau pada 1000 darjah. Itulah kerjanya. Ia adalah satu perkara yang jahanam.