Juntando-se ao par improvável: Minhas lições amargas Soldagem P91 a 304H inoxidável

Você já tentou soldar dois materiais que, metalurgicamente falando, absolutamente nos odiamos? Isso é o que fazemos para viver. Meu nome não é importante, mas estou balançando um ferrão e assinando raios X por já ter passado dos trinta anos. Tubos de caldeira, cabeçalhos de superaquecedor, tubulação de vapor principal - você escolhe, Eu provavelmente queimei uma vara nele, ou assistiu a solda de outra pessoa falhar porque ela não ouviu.

Esta história, aquele sobre soldagem de aço cromo-molibdênio A335-P91 em aço inoxidável TP304H? Essa é uma história escrita com suor, algumas falhas, e um turno noturno específico em uma usina de energia da Louisiana com o qual ainda sonho às vezes. Suores frios, você sabe?

Estamos falando de uma solda de metal diferente, ou DMW. Parece clínico. Na realidade, é como casar um motor diesel com uma turbina a jato e esperar que o acoplamento dure quarenta anos. P91 é sua alta resistência, guerreiro resistente a rastejamento para alta pressão. 304H é o seu resistente à oxidação, prima donna inoxidável para Temperatura alta. Eles servem a propósitos diferentes. Mas às vezes, no mundo real de retrofit e reparo, eles têm que se tornar um.

Primeiro, Os jogadores: Por que eles não jogam bem

Vamos aprender o básico, do meu caderno de campo gorduroso, não é um livro didático.

A335-P91 é um aço martensítico. 9% Cromo, 1% Molibdênio, com uma pitada de Vanádio e Nióbio. Adoramos porque tem uma força monstruosa em altas temperaturas – até 600°C ou mais. O “H” em 304H significa apenas que é uma versão de alto carbono do padrão 18-8 inoxidável, o que lhe confere melhor resistência à fluência. É totalmente austenítico, todos os cristais cúbicos de face centrada.

Logo de cara, os problemas estão bem na sua cara:

• Incompatibilidade de expansão térmica: Este é o grande. P91 tem um coeficiente de expansão térmica em torno 13-14 x 10⁻⁶ /°C. 304H? Mais como 18-19 x 10⁻⁶ /°C. Então você aquece este tubo até a temperatura operacional, digamos 570°C. O lado inoxidável quer crescer quase 30% mais do que o lado P91. Esse diferencial tenta romper a solda bem na linha de fusão. Ele configura tensões cíclicas toda vez que a planta é iniciada e desligada. Chamamos isso de fadiga térmica de baixo ciclo.

• Migração de Carbono: Em temperaturas de soldagem, e mesmo em temperaturas de serviço, carbono é uma ave migratória. Ele adora voar de onde há muito (o P91, que tem um teor de carbono decente) para onde há uma forte atração (o 304H, que tem muito cromo). O cromo é um formador de carboneto. Então o carbono faz as malas, se move através da solda, e forma uma faixa contínua de carbonetos de cromo bem no lado inoxidável da linha de fusão. Essa banda é frágil como vidro. Nós chamamos isso de “zona descarbonetada” no lado P91 e no “zona carburada” no lado inoxidável. É uma fratura esperando para acontecer. eu já vi isso. Não é bonito.

• Diferenças de oxidação: P91 também depende da formação de uma camada de óxido de cromo, mas é mais fino. Em altas temperaturas, se você não conseguir o perfil de solda certo, o lado P91 pode oxidar preferencialmente próximo ao aço inoxidável, criando um entalhe.

• Tratamento térmico pós-solda (Pwht) Pesadelo: P91 requer PWHT para temperar o disco, martensita frágil que se forma quando esfria. Você tem que aquecer toda a área a cerca de 760°C por algumas horas. Mas 304H? Quando você o mantém a 760°C, coisas ruins acontecem. Carbonetos de cromo precipitam dentro dos grãos e nos limites dos grãos – isso é sensibilização. Ele rouba a resistência à corrosão do aço inoxidável e o torna suscetível a uma falha desagradável chamada “ataque com faca” mais tarde. Então você está preso: tratamento térmico para salvar o P91, e você danifica o 304H. Não faça tratamento térmico, e a solda P91 é dura e quebradiça e irá rachar em serviço. Dane-se se você fizer isso, dane-se se você não.

A história da Luisiana: Um fracasso que me ensinou mais do que qualquer seminário

Isso estava de volta, Eu penso, 2007. Uma grande planta de cogeração nos arredores de Baton Rouge. Eles tinham um coletor de saída de superaquecedor, Material P91, e eles estavam substituindo uma nova seção de tubo 304H. Foi uma reforma, uma solda de campo. A empresa de engenharia, alguma roupa chique do Norte, especificou um metal de adição inoxidável 309L padrão. Esse é o habitual “Vá para” para unir aço inoxidável com aço carbono ou aço de baixa liga. 309L tem maior teor de liga para lidar com a diluição.

A equipe do turno da noite, bons rapazes, eles soldaram isso. Seguiu o procedimento à risca, ou assim eles pensaram. A solda ficou linda. Bonés lindos. Eles fizeram o PWHT, aquecendo toda a solda e o lado P91 por duas horas. O raio X voltou perfeito. Sem escória, sem porosidade. Todos cumprimentaram.

Seis meses depois, Recebo uma ligação frenética. A unidade estava desligada. Um vazamento. Eu dirigi até lá, e meu coração afundou quando vi. A solda não falhou no meio. Ele falhou bem na linha de fusão do lado P91. Uma limpeza, fissura circunferencial, como se alguém tivesse pegado uma faca e cortado o cano bem próximo à solda. Não foi uma lágrima dúctil. Era frágil. Você podia ver que a rachadura atravessava aquela zona descarbonetada de que eu estava falando.

O que deu errado? O enchimento 309L, naquela temperatura PWHT, agiu como um ímã de carbono. Sugou carbono direto do P91, deixando aquele fraco, zona ferrítica. O próprio 309L, depois de ser mantido a 760°C, provavelmente também não estava em ótima forma. Mas a causa raiz? O metal de adição errado para alta temperatura, serviço cíclico. 309L é bom para estática, coisas de baixa temperatura. Aqui não. Precisávamos de um enchimento à base de níquel.

Acabamos cortando todo aquele pedaço do carretel. A $50,000 erro em material e mão de obra, sem mencionar a perda de receita de geração. O gerente da fábrica, um cara chamado Mike, ele não gritou. Ele apenas olhou para mim e disse, “Conserte. E certifique-se de que seja a última vez.” Ainda me lembro daquele olhar.

A correção: A solução baseada em níquel e o procedimento real

Esse fracasso queimou a lição em meu cérebro. Para P91 a 304H, especialmente em serviço cíclico de alta temperatura (qual é 99% da época), você usa um enchimento à base de níquel. Período. O padrão da indústria agora, e o que usamos para refazer, é ERNiCr-3 (como Inconel 82) para raiz TIG e passagem quente, e ENiCrFe-3 (como Inconel 182) para soldagem com eletrodo revestido.

Por que níquel? Porque o níquel tem um coeficiente de expansão térmica que fica bem no meio entre P91 e 304H. Ele atua como um buffer. Mais importante, o níquel não tem alta afinidade com o carbono. Não forma carbonetos estáveis ​​como o cromo. Então esse problema de migração de carbono? Não para completamente – física é física – mas o enchimento à base de níquel não cria aquela sensação nítida, banda contínua de carbonetos. O gradiente de carbono é muito mais suave.

Aqui está o procedimento real, aquele que escrevemos com sangue depois daquele trabalho na Louisiana:

Passo 1: Preparação é tudo
Você não pode simplesmente chanfrar e soldar. O bisel é um bisel composto, geralmente em torno de um ângulo incluído de 20 graus, com um pouso de cerca de 1,5 mm. Mas a chave é a limpeza. Inoxidável é exigente. P91 é exigente. Você tem que moer com rodas de aço inoxidável dedicadas. Se você usar uma roda que tocou aço carbono, você incorporará partículas de ferro no chanfro inoxidável. Essas partículas tornam-se locais de iniciação para rachaduras posteriores. eu já vi isso. Tivemos um montador uma vez, bom homem, mas ele pegou o moedor errado. Fizemos com que ele chanfrasse todo o tubo. Ele estava chateado, mas prefiro deixá-lo chateado do que uma solda falhada.

Passo 2: A camada de manteiga (O molho secreto)
É aqui que a experiência supera um livro didático. Em vez de tentar soldar o P91 diretamente ao 304H de uma só vez, nós “manteiga” a face chanfrada P91 primeiro. Pegamos a haste TIG ERNiCr-3 e colocamos uma camada, talvez 3mm de espessura, diretamente no chanfro P91 preparado. Isso é feito antes mesmo de o tubo ser pregado.

Por que manteiga? Vários motivos.

• Primeiro, nos permite fazer um “intermediário” Pwht. Depois de passar manteiga, colocamos a seção do tubo P91 (só esse fim) em um forno de aquecimento local ou use aquecedores de cerâmica e execute um ciclo PWHT completo a 760°C. Isso tempera a zona afetada pelo calor no P91 desde a passagem de manteiga, e alivia o estresse da camada de manteiga. Crucialmente, porque a camada de manteiga é fina e o 304H ainda não está colocado, não estamos segurando uma grande quantidade de aço inoxidável naquela temperatura sensibilizante. Estamos apenas tratando do lado P91.

• Segundo, cria uma interface graduada. A primeira passagem de manteiga se funde com o P91, criando uma zona de diluição fina. Então essa camada de manteiga é tratada termicamente. Mais tarde, quando soldarmos o P91 amanteigado ao 304H usando a mesma haste de níquel, o metal de solda é essencialmente todo à base de níquel. A migração de carbono é minimizada.

Passo 3: Os parâmetros de soldagem
Executamos a solda refeita com TIG para a raiz e os próximos dois passes. Purga de argônio puro por dentro. Você tem que limpar o aço inoxidável, caso contrário, o interior açucarará (oxida) e cria incrustações que podem quebrar e arruinar as pás da turbina mais tarde.

Aqui está uma tabela aproximada desse trabalho, riscado em um pedaço de papel e posteriormente inserido no WPS:

Observamos a temperatura entre passagens como um falcão. Se ficar muito alto, você está basicamente pré-aquecendo demais toda a massa, o que aumenta o risco de trincas a quente na liga de níquel e promove maior migração de carbono. Às vezes, deixamos esfriar abaixo de 100°C antes de iniciar a próxima passagem. Lento e constante.

Passo 4: O dilema do PWHT (De novo)
Depois que a solda estiver concluída, temos um baseado com manteiga P91, um centro de metal de solda de níquel puro, e o 304H. Vamos tratar tudo com calor novamente? A abordagem moderna, e o que fizemos, é um “compromisso” ou “têmpera” Pwht. Aquecemos toda a solda e uma faixa de cada lado a uma temperatura inferior à têmpera P91 padrão, cerca de 720-740°C, por um tempo mais curto, diga uma hora. Isto proporciona algum revenido a qualquer martensita fresca que possa ter se formado na ZTA P91 a partir dos passes finais de soldagem., mas minimiza o tempo que o 304H passa na faixa de sensibilização. Não é perfeito. O 304H ainda estará um pouco sensibilizado próximo à solda. Mas é o melhor que podemos fazer. Algumas especificações agora dizem que não há PWHT para essas juntas se você passar manteiga e controlar estritamente a entrada de calor, mas eu sou da velha escola. Eu gosto do molho temperado.

O que dizem os códigos e as novas tendências

Códigos como ASME Seção IX são o livro de regras. Eles exigem que você qualifique um Registro de Qualificação de Procedimento (PQR) com testes de tração e flexão, e para esses materiais, frequentemente testes de impacto Charpy no P91 HAZ. Você tem que provar que seu procedimento funciona.

A grande tendência agora, e eu vi isso em algumas novas usinas de gás no Texas, está usando soldagem TIG orbital automatizada para esses DMWs críticos. A máquina controla perfeitamente a entrada de calor e a velocidade de deslocamento, muito melhor que uma mão humana. Reduz a variabilidade. Usamos orbital para um trabalho em Houston no ano passado, juntando P91 a 304H em um reformador de hidrogênio. A consistência da conta era outra coisa. Mas mesmo assim, os fundamentos - a manteiga, a escolha do metal de adição, o PWHT - eles não mudam. A máquina é apenas uma ferramenta.

Outra coisa que está surgindo é o uso de “graduado em termos de composição” arame, mas isso ainda está principalmente em laboratórios. Muito caro para trabalho de campo agora.

Lições que você não pode aprender em sala de aula

Então, qual é a conclusão de tudo isso, do fracasso da Louisiana e dos empregos desde?

Primeiro, aquela falha inicial não foi realmente uma falha de soldagem. Foi uma falha de engenharia de materiais. Alguém escolheu um metal de adição que parecia correto no papel, mas era errado para as condições reais de ciclagem térmica e PWHT. Ficamos muito confortáveis ​​com “prática padrão.”

Segundo, você não pode derrotar a metalurgia. Você só pode gerenciá-lo. Você não pode impedir que o carbono queira se mover, mas você pode escolher um metal de adição (níquel) isso não cria uma banda de carboneto afiada. Você não pode fazer com que os coeficientes de expansão correspondam perfeitamente, mas você pode criar uma zona tampão com níquel que tenha um coeficiente intermediário. Você gerencia os riscos. Você não os elimina. Qualquer um que lhe diga que tem uma solda perfeita que durará para sempre está mentindo ou não faz isso há tempo suficiente para ver o que acontece depois de dez anos e mil ciclos térmicos.

Terceiro, Aprendi a confiar mais na inspeção visual do que no raio X às vezes. Naquela solda da Louisiana, o raio X foi perfeito. Mas um inspetor realmente perspicaz e com um bom boroscópio pode ter visto uma leve descoloração bem na linha de fusão., ou uma mudança no padrão de escala de óxido, que sugeriu algo errado por baixo. Agora, Passo muito tempo apenas olhando as soldas antes e depois do tratamento térmico. Você quase pode sentir o estresse no metal às vezes.

Colocamos aquela solda refeita em serviço tarde 2007. Eu verifiquei isso há alguns anos, durante uma interrupção planejada. Eu subi até aquele cabeçalho, passei a mão sobre a tampa de solda. Ainda estava lá. Ainda sólido. Um pouco de descoloração, talvez, mas sem rachaduras. Esse sentimento, é para isso que você trabalha. Não é o salário. É saber que você cometeu um erro, um fracasso, e você consertou com suas próprias mãos e seu cérebro, e que está se segurando 2000 psi de vapor superaquecido a 1000 graus. Esse é o trabalho. É uma coisa e tanto.