Присоединение к маловероятной паре: Мои горькие уроки сварки нержавеющей стали P91 и нержавеющей стали 304H

Вы когда-нибудь пытались соединить два материала, которые, металлургически говоря, абсолютно ненавидим друг друга? Это то, чем мы зарабатываем на жизнь. Моё имя не важно, но я махал жалом и подписался на рентген за то, что уже тридцать лет толкаю. Котельные трубы, коллекторы пароперегревателя, главный паровой трубопровод — что угодно, Я, наверное, сжег на нем стержень, или наблюдали, как чья-то сварка не удалась, потому что не послушали.

Эта история, речь идет о сварке хромомолибденовой стали A335-P91 с нержавеющей сталью TP304H.? Это история, написанная потом, несколько неудач, и одна особенная ночная смена на электростанции в Луизиане, о которой я до сих пор иногда мечтаю. Холодный пот, ты знаешь?

Мы говорим о сварном шве разнородных металлов., или ДМВ. Это звучит клинически. На самом деле, это все равно, что поженить дизельный двигатель и реактивную турбину и ожидать, что муфта прослужит сорок лет.. P91 — ваш высокопрочный, устойчивый к ползучести воин для высокого давления. 304H — ваша устойчивость к окислению, нержавеющая Примадонна для высокая температура. Они служат разным целям. Но иногда, в реальном мире модернизации и ремонта, они должны стать одним целым.

Первый, Игроки: Почему они не играют хорошо

Давайте разберемся с основами, из моего засаленного полевого блокнота, не учебник.

А335-П91 — мартенситная сталь.. 9% Хром, 1% Молибден, с добавлением ванадия и ниобия. Нам он нравится, потому что он обладает чудовищной прочностью при высоких температурах — до 600°C или около того.. The “ЧАС” в 304H просто означает, что это высокоуглеродистая версия стандарта 18-8 нержавеющий, что придает ему лучшую прочность на ползучесть. он полностью аустенитный, все гранецентрированные кубические кристаллы.

Сразу с места в карьер, проблемы смотрят тебе в лицо:

• Несоответствие теплового расширения: Это большой. P91 имеет коэффициент теплового расширения около 13-14 х 10⁻⁶ /°С. 304ЧАС? Больше похоже на 18-19 х 10⁻⁶ /°С. Так вы нагреете эту трубу до рабочей температуры, скажем 570°С. Нержавеющая сторона хочет вырасти почти 30% больше, чем сторона P91. Этот дифференциал пытается разорвать сварной шов прямо на линии сварки.. Он устанавливает циклические нагрузки каждый раз, когда установка запускается и останавливается.. Мы называем это малоцикловой термической усталостью..

• Углеродная миграция: При температуре сварки, и даже при рабочих температурах, углерод — перелетная птица. Любит летать оттуда, где его много (P91, который имеет приличное содержание углерода) туда, где есть сильное притяжение (304H, в котором много хрома). Хром является карбидообразователем.. Итак, углерод упаковывает свои сумки, перемещается поперек сварного шва, и образует непрерывную полосу карбидов хрома прямо на нержавеющей стороне линии сварки.. Эта группа хрупкая, как стекло.. Мы называем это “обезуглероженная зона” на стороне P91 и “науглероженная зона” со стороны нержавеющей стали. Это перелом, который ждет своего часа. я это видел. Это некрасиво.

• Различия в окислении: P91 также основан на формировании слоя оксида хрома., но он тоньше. При высоких температурах, если вы не получили правильный профиль сварного шва, сторона P91 может окисляться преимущественно рядом с нержавеющей сталью., создание выемки.

• Послесварочная термообработка (PWHT) Кошмар: P91 требует PWHT для закалки твердых материалов., хрупкий мартенсит, образующийся при остывании. Вам придется нагреть всю эту область примерно до 760°C в течение пары часов.. Но 304H? Когда вы держите его при температуре 760°C, плохие вещи случаются. Карбиды хрома выделяются внутри зерен и по границам зерен — это сенсибилизация.. Это лишает нержавеющую сталь ее коррозионной стойкости и делает ее подверженной неприятному сбою, называемому “нападение с применением ножа” позже. Итак, вы застряли: термообработка для сохранения P91, и вы повредите 304H. Не подвергать термической обработке, а сварной шов P91 твердый и хрупкий и при эксплуатации треснет.. Будь ты проклят, если ты это сделаешь, будь ты проклят, если ты этого не сделаешь.

История Луизианы: Неудача, которая научила меня большему, чем любой семинар

Это было еще в, Я думаю, 2007. Большая когенерационная электростанция недалеко от Батон-Руж.. У них был выходной патрубок пароперегревателя., Материал P91, и они привязывали новую сменную секцию трубы 304H.. Это была модернизация, полевая сварка. Инжиниринговая фирма, какой-нибудь модный наряд с севера, указал стандартный присадочный металл из нержавеющей стали 309L.. Это обычное дело “идти к” для соединения нержавеющей стали с углеродистой или низколегированной сталью. 309L имеет более высокое содержание сплава, что позволяет выдерживать разбавление..

Бригада ночной смены, хорошие ребята, они сварили это. Соблюдал процедуру в точности, или они так думали. Сварка выглядела красиво. Великолепные кепки. Они сделали PWHT, нагрев всего сварного шва и стороны Р91 в течение двух часов. Рентген показал себя идеально. Без шлака, нет пористости. Всем дай пять.

Шесть месяцев спустя, мне звонят в отчаянии. Устройство не работало. Утечка. я поехал туда, и у меня сердце замерло, когда я это увидел. Сварной шов не провалился посередине.. Он вышел из строя прямо на линии сварки со стороны P91.. Чистый, окружная трещина, как будто кто-то взял нож и разрезал трубу прямо возле сварного шва. Это была не пластичная слеза. Это было хрупко. Вы могли видеть, что трещина прошла прямо через ту обезуглероженную зону, о которой я говорил..

Что пошло не так? Наполнитель 309L, при этой температуре PWHT, действовал как угольный магнит. Он высосал углерод прямо из P91., оставив это слабым, ферритная зона. Сам 309L, после выдержки при 760°C, наверное, тоже был не в лучшей форме. Но основная причина? Неправильный присадочный металл для высоких температур., циклическое обслуживание. 309L подходит для статики, низкотемпературный материал. Не здесь. Нам нужен был наполнитель на основе никеля..

В итоге мы вырезали всю эту катушку.. А $50,000 ошибка в материале и работе, не говоря уже о потерянных доходах от генерации. Директор завода, парень по имени Майк, он не кричал. Он просто посмотрел на меня и сказал, “Исправь это. И убедитесь, что это в последний раз.” Я до сих пор помню этот взгляд.

Исправление: Решение на основе никеля и реальная процедура

Эта неудача запечатлела урок в моем мозгу.. Для P91 до 304H, особенно при высокотемпературной циклической эксплуатации (который 99% того времени), вы используете наполнитель на основе никеля. Период. Отраслевой стандарт сейчас, и что мы использовали для переделки, ЭРНиКр-3 (как Инконель 82) для TIG корня и горячего прохода, и ЭНиКрФе-3 (как Инконель 182) для сварки стержневым электродом.

Почему никель? Потому что никель имеет коэффициент теплового расширения, который находится посередине между P91 и 304H.. Он действует как буфер. Что еще более важно, никель не имеет высокого сродства к углероду. Он не образует стабильных карбидов, как хром.. Итак, проблема миграции углерода? Полностью не останавливается — физика есть физика — но наполнитель на основе никеля не создаёт такой резкости., сплошная полоса карбидов. Углеродный градиент намного мягче.

Вот настоящая процедура, тот, который мы написали кровью после той работы в Луизиане:

Шаг 1: Подготовка решает все
Вы не можете просто скосить и сварить. Фаска – это сложная фаска., обычно около 20 градусов внутреннего угла, с посадкой около 1,5мм. Но главное чистота. Нержавеющая сталь капризна. P91 требователен. Приходится шлифовать специальными кругами из нержавеющей стали.. Если вы используете колесо, соприкасающееся с углеродистой сталью, вы вставите частицы железа в фаску из нержавеющей стали. Эти частицы становятся местами инициирования дальнейшего растрескивания.. я это видел. У нас когда-то был установщик, хороший человек, но он взял не ту кофемолку. Мы заставили его перекосить всю трубу. Он был зол, но я бы предпочел, чтобы он разозлился, чем неудавшаяся сварка.

Шаг 2: Масляный слой (Секретный соус)
Здесь опыт лучше учебника. Вместо того, чтобы пытаться приварить P91 напрямую к 304H за один раз., мы “масло” сначала скошенная поверхность P91. Берем стержень TIG ЭРНиКр-3 и укладываем слой, возможно, толщиной 3 мм, непосредственно на подготовленный скос P91. Это делается еще до того, как труба будет закреплена..

Почему масло? Несколько причин.

• Первый, это позволяет нам сделать “средний” PWHT. После смазывания маслом, ставим отрезок трубы Р91 (только этот конец) в локальную нагревательную печь или используйте керамические пластинчатые нагреватели и выполните полный цикл термообработки при температуре 760°C.. Это закаляет зону термического влияния в Р91 от смазочного прохода., и это снимает стресс с масляного слоя. Крайне важно, потому что слой масла тонкий, а 304H еще не прикреплен, мы не храним огромное количество нержавеющей стали при такой сенсибилизирующей температуре.. Мы рассматриваем только сторону P91.

• Второй, он создает градуированный интерфейс. Первый проход масла сливается с P91, создание тонкой зоны разбавления. Затем этот слой масла подвергается термической обработке.. Когда позже мы приварим смазанный маслом P91 к 304H, используя тот же никелевый стержень., металл сварного шва практически полностью состоит из никеля. Миграция углерода сведена к минимуму.

Шаг 3: Параметры сварки
Мы выполнили повторную сварку TIG для корня и следующих двух проходов.. Продувка чистым аргоном изнутри. Вам необходимо очистить нержавеющую, иначе внутри засахарится (окисляет) и создает накипь, которая впоследствии может отколоться и разрушить лопатки турбины..

Вот примерная таблица с этой работы, нацарапал на листе бумаги и позже внес в WPS:

Мы следим за температурой между проходами, как ястреб.. Если он становится слишком высоким, по сути вы слишком сильно разогреваете всю массу, что увеличивает риск горячего растрескивания никелевого сплава и способствует большей миграции углерода.. Иногда перед началом следующего прохода мы даем ему остыть до температуры ниже 100°C.. Медленно и устойчиво.

Шаг 4: Дилемма PWHT (Снова)
После завершения сварки, у нас есть сустав с намазанным маслом Р91, центр сварочного металла из чистого никеля, и 304H. Будем ли мы снова подвергать все это термообработке?? Современный подход, и что мы сделали, это “компромисс” или “закалка” PWHT. Нагреваем весь сварной шов и ленту с обеих сторон до температуры ниже стандартного отпуска Р91., около 720-740°С, на более короткое время, скажем, один час. Это обеспечивает некоторую закалку любого свежего мартенсита, который мог образоваться в ЗТВ P91 в результате последних сварочных проходов., но это сводит к минимуму время, которое 304H проводит в диапазоне сенсибилизации.. Это не идеально. Сплав 304H по-прежнему будет несколько чувствителен непосредственно возле сварного шва.. Но это лучшее, что мы можем сделать. В некоторых спецификациях теперь даже указано отсутствие PWHT для этих соединений, если вы смазываете маслом и строго контролируете тепловложение., но я старой школы. мне нравится закалка.

Что говорят кодексы и новые тенденции

Такие нормы, как раздел IX ASME, являются сводом правил.. Они требуют, чтобы вы прошли квалификационную запись о квалификации процедуры. (PQR) с испытаниями на растяжение и изгиб, и для этих материалов, часто проводятся испытания на удар по Шарпи на P91 HAZ. Вы должны доказать, что ваша процедура работает..

Большой тренд сейчас, и я видел это на некоторых новых газовых заводах в Техасе, использует автоматизированную орбитальную сварку TIG для этих критических DMW. Машина идеально контролирует подачу тепла и скорость движения., намного лучше, чем человеческая рука. Это уменьшает изменчивость. В прошлом году мы использовали Orbital для работы в Хьюстоне., присоединение P91 к 304H в установке водородного риформинга. Консистенция бусины была чем-то другим.. Но даже тогда, основы — намазка, выбор присадочного металла, PWHT — они не меняются. Машина — это всего лишь инструмент.

Еще одна вещь, которая появляется, — это использование “композиционно оцененный” проволока, но это в основном все еще в лабораториях. Сейчас слишком дорого для полевых работ..

Уроки, которые невозможно выучить в классе

Так, какой вывод из всего этого, из-за провала в Луизиане и рабочих мест после?

Первый, этот первоначальный сбой на самом деле не был сбоем сварки. Это был провал в области материаловедения.. Кто-то выбрал присадочный металл, который выглядел правильно на бумаге, но не подходил для реальных условий термоциклирования и PWHT.. Нам становится слишком комфортно с “стандартная практика.”

Второй, металлургию не победить. Вы можете только управлять этим. Вы не можете остановить движение углерода, но вы можете выбрать присадочный металл (никель) это не создает острую карбидную полосу. Вы не можете добиться идеального совпадения коэффициентов расширения., но вы можете создать буферную зону с никелем, который имеет промежуточный коэффициент. Вы управляете рисками. Вы их не устраните. Любой, кто говорит вам, что у него идеальный сварной шов, который прослужит вечно, либо лжет, либо делает это недостаточно долго, чтобы увидеть, что произойдет через десять лет и тысячу термических циклов..

Третий, Я научился иногда доверять визуальному осмотру больше, чем рентгену.. На этой сварке в Луизиане, рентген был идеален. Но очень зоркий инспектор с хорошим бороскопом мог бы заметить небольшое изменение цвета прямо на линии слияния., или изменение рисунка оксидной окалины, это намекало на то, что внутри что-то не так. Сейчас, Я провожу много времени, просто рассматривая сварные швы до и после термообработки.. Иногда можно почти почувствовать напряжение в металле..

Мы поздно ввели эту повторную сварку в эксплуатацию. 2007. Я проверял это несколько лет назад, во время планового отключения. Я поднялся до этого заголовка, провел рукой по сварной заглушке. Это все еще было там. Все еще твердый. Небольшое изменение цвета, может быть, но без трещин. Это чувство, это то, ради чего ты работаешь. это не оплата. Это знание того, что ты допустил ошибку, неудача, и ты исправил это своими руками и своим мозгом, и что это сдерживает 2000 фунт на квадратный дюйм перегретого пара при 1000 степени. Это работа. Это чертовски важно.