Tham gia vào cặp đôi không chắc chắn: Bài học cay đắng của tôi khi hàn P91 với thép không gỉ 304H

Bạn đã bao giờ thử hàn hai vật liệu, nói về mặt luyện kim, cực kỳ ghét nhau? Đó là công việc chúng tôi làm để kiếm sống. Tên tôi không quan trọng, nhưng tôi đã vung vẩy một cái ngòi và đăng ký chụp X-quang vì đã vượt qua được ba mươi năm rồi. Ống nồi hơi, đầu quá nhiệt, đường ống hơi chính—bạn đặt tên cho nó, Có lẽ tôi đã đốt que trên đó, hoặc chứng kiến ​​mối hàn của người khác bị hỏng vì họ không nghe lời.

Câu chuyện này, bài về hàn thép mạ crôm A335-P91 với thép không gỉ TP304H? Đó là một câu chuyện được viết bằng mồ hôi, một vài thất bại, và một ca đêm đặc biệt ở nhà máy điện ở Louisiana mà đôi khi tôi vẫn mơ tới. Đổ mồ hôi lạnh, Bạn biết?

Chúng ta đang nói về Mối hàn kim loại không giống nhau, hoặc DMW. Nghe có vẻ lâm sàng. Trong thực tế, nó giống như việc kết hợp một động cơ diesel với một tuabin phản lực và mong đợi sự kết hợp này sẽ tồn tại được bốn mươi năm. P91 là sức mạnh cao của bạn, chiến binh chống leo cho áp suất cao. 304H là khả năng chống oxy hóa của bạn, prima donna không gỉ cho nhiệt độ cao. Chúng phục vụ các mục đích khác nhau. Nhưng đôi khi, trong thế giới thực của việc trang bị thêm và sửa chữa, họ phải trở thành một.

Đầu tiên, các cầu thủ: Tại sao họ không chơi đẹp

Hãy tìm hiểu những điều cơ bản, từ cuốn sổ tay đầy dầu mỡ của tôi, không phải sách giáo khoa.

A335-P91 là thép martensitic. 9% crom, 1% Molypden, với một chút Vanadi và Niobium. Chúng tôi yêu thích nó vì nó có sức mạnh khủng khiếp ở nhiệt độ cao—lên tới 600°C hoặc hơn. Các “H” trong 304H chỉ có nghĩa là đây là phiên bản tiêu chuẩn có hàm lượng carbon cao 18-8 không gỉ, mang lại cho nó sức mạnh leo tốt hơn. Nó hoàn toàn austenit, tất cả các tinh thể lập phương tâm mặt.

Ngay lập tức, những vấn đề đang nhìn chằm chằm vào bạn:

• Sự giãn nở nhiệt không phù hợp: Đây là cái lớn. P91 có hệ số giãn nở nhiệt xung quanh 13-14 x 10⁻⁶ /°C. 304H? Thích hơn 18-19 x 10⁻⁶ /°C. Vì vậy, bạn làm nóng đường ống này đến nhiệt độ hoạt động, nói là 570°C. Bên không gỉ muốn phát triển gần như 30% hơn bên P91. Bộ vi sai đó cố xé mối hàn ra ngay tại đường hàn. Nó thiết lập các dòng chu kỳ mỗi khi nhà máy khởi động và tắt. Chúng tôi gọi đó là hiện tượng mỏi nhiệt chu kỳ thấp.

• Sự di chuyển cacbon: Ở nhiệt độ hàn, và thậm chí ở nhiệt độ sử dụng, carbon là một loài chim di cư. Nó thích bay từ nơi có nhiều nó (P91, có hàm lượng carbon khá) đến nơi có sức hấp dẫn mạnh mẽ (304H, có nhiều crom). Crom là nguyên liệu cacbua. Vậy nên carbon đóng gói túi của nó, di chuyển qua mối hàn, và tạo thành một dải cacbua crom liên tục ngay trên mặt không gỉ của dây chuyền nhiệt hạch. Dải đó giòn như thủy tinh. Chúng tôi gọi nó là “vùng khử cacbon” về phía P91 và “vùng cacbon hóa” về phía không gỉ. Đó là một vết nứt đang chờ xảy ra. Tôi đã nhìn thấy nó. Nó không đẹp.

• Sự khác biệt oxy hóa: P91 cũng dựa vào việc hình thành lớp oxit crom, nhưng nó mỏng hơn. Ở nhiệt độ cao, nếu bạn không có được biên dạng mối hàn vừa phải, mặt P91 có thể oxy hóa tốt hơn ngay cạnh mặt không gỉ, tạo ra một notch.

• Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) Cơn ác mộng: P91 yêu cầu PWHT để tôi luyện cứng, martensite giòn hình thành khi nó nguội đi. Bạn phải làm nóng toàn bộ khu vực đó lên khoảng 760°C trong vài giờ. Nhưng 304H? Khi bạn giữ nó ở nhiệt độ 760°C, những điều tồi tệ xảy ra. Crôm cacbua kết tủa bên trong hạt và ở ranh giới hạt – đó là hiện tượng nhạy cảm. Nó làm mất đi khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ và khiến nó dễ bị hỏng hóc khó chịu gọi là “cuộc tấn công bằng dao” sau này. Thế là bạn bị mắc kẹt: xử lý nhiệt để cứu P91, và bạn làm hỏng 304H. Không xử lý nhiệt, và mối hàn P91 cứng, giòn và sẽ bị nứt khi sử dụng. Chết tiệt nếu bạn làm vậy, chết tiệt nếu bạn không.

Câu chuyện Louisiana: Một thất bại đã dạy tôi nhiều hơn bất kỳ cuộc hội thảo nào

Điều này đã trở lại, tôi nghĩ, 2007. Một nhà máy đồng phát lớn bên ngoài Baton Rouge. Họ có đầu cắm ổ cắm bộ tản nhiệt, Chất liệu P91, và họ đang buộc một đoạn thay thế mới của ống 304H. Đó là một trang bị thêm, một mối hàn hiện trường. Công ty kỹ thuật, một số trang phục lạ mắt từ phía Bắc, đã chỉ định kim loại phụ không gỉ 309L tiêu chuẩn. Đó là điều bình thường “đi tới” để nối thép không gỉ với thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp. 309L có hàm lượng hợp kim cao hơn để xử lý việc pha loãng.

Đội ngũ ca đêm, những người tốt, họ đã hàn nó lại. Thực hiện theo đúng quy trình trong thư, hoặc họ nghĩ vậy. Mối hàn trông đẹp. Mũ tuyệt đẹp. Họ đã làm PWHT, làm nóng toàn bộ mối hàn và mặt P91 trong hai giờ. X-quang trở lại hoàn hảo. Không có xỉ, không có độ xốp. Mọi người đập tay nhau.

Sáu tháng sau, Tôi nhận được một cuộc gọi điên cuồng. Đơn vị đã ngừng hoạt động. Một sự rò rỉ. Tôi đã lái xe xuống đó, và trái tim tôi thắt lại khi nhìn thấy nó. Mối hàn không bị hỏng ở giữa. Nó đã bị lỗi ngay tại dây chuyền nhiệt hạch bên P91. Sạch sẽ, vết nứt chu vi, giống như ai đó đã lấy dao cắt đường ống ngay cạnh mối hàn. Đó không phải là một vết rách dễ uốn. Nó giòn. Bạn có thể thấy vết nứt chạy xuyên qua vùng được giải phóng cacbon mà tôi đang nói đến.

Điều gì đã xảy ra? Chất độn 309L, ở nhiệt độ PWHT đó, hoạt động như một nam châm carbon. Nó hút carbon ngay từ P91, để lại sự yếu đuối đó, vùng ferritic. Bản thân 309L, sau khi được giữ ở 760°C, có lẽ cũng không ở trạng thái tốt. Nhưng nguyên nhân sâu xa? Kim loại phụ không phù hợp cho nhiệt độ cao, dịch vụ theo chu kỳ. 309L ổn cho tĩnh, vật có nhiệt độ thấp hơn. Không phải ở đây. Chúng tôi cần chất độn gốc niken.

Cuối cùng chúng tôi đã cắt bỏ toàn bộ đoạn ống chỉ đó. MỘT $50,000 sai sót về vật chất và nhân công, chưa kể đến doanh thu thế hệ bị mất. Người quản lý nhà máy, một chàng trai tên Mike, anh ấy không la hét. Anh ấy chỉ nhìn tôi và nói, “Sửa nó. Và hãy chắc chắn rằng đây là lần cuối cùng.” Tôi vẫn nhớ cái nhìn đó.

Cách khắc phục: Giải pháp dựa trên niken và quy trình thực tế

Thất bại đó đã khắc sâu bài học vào tâm trí tôi. Đối với P91 đến 304H, đặc biệt là trong dịch vụ tuần hoàn nhiệt độ cao (Đó là 99% của thời gian), bạn sử dụng chất độn gốc niken. Giai đoạn. Tiêu chuẩn công nghiệp hiện nay, và những gì chúng tôi đã sử dụng để làm lại, là ERNiCr-3 (như Inconel 82) cho TIG root và hot pass, và ENiCrFe-3 (như Inconel 182) để hàn điện cực dính.

Tại sao lại là niken? Bởi vì niken có hệ số giãn nở nhiệt nằm ngay giữa P91 và 304H. Nó hoạt động như một bộ đệm. Quan trọng hơn, niken không có ái lực cao với carbon. Nó không tạo thành cacbua ổn định như crom. Vì vậy vấn đề di chuyển carbon? Nó không dừng lại hoàn toàn—vật lý là vật lý—nhưng chất độn gốc niken không tạo ra độ sắc nét đó, dải cacbua liên tục. Độ dốc carbon nhẹ nhàng hơn nhiều.

Đây là quy trình thực tế, điều chúng ta đã viết bằng máu sau công việc ở Louisiana đó:

Bước chân 1: Sự chuẩn bị là tất cả
Bạn không thể chỉ vát và hàn. Góc xiên là một góc xiên ghép, thường là một góc bao gồm 20 độ, với độ hạ cánh khoảng 1,5mm. Nhưng quan trọng là sạch sẽ. Thép không gỉ kén chọn. P91 kén chọn. Bạn phải mài bằng bánh xe inox chuyên dụng. Nếu bạn sử dụng bánh xe chạm vào thép carbon, bạn sẽ nhúng các hạt sắt vào góc xiên không gỉ. Những hạt đó trở thành vị trí khởi đầu cho quá trình nứt sau này. Tôi đã nhìn thấy nó. Chúng tôi đã từng có một người thợ lắp ráp, người đàn ông tốt, nhưng anh ấy đã lấy nhầm máy xay. Chúng tôi bắt anh ta vát lại toàn bộ đường ống. Anh ấy đã tức giận, nhưng tôi thà làm anh ta tức giận còn hơn là mối hàn thất bại.

Bước chân 2: Lớp bơ (Nước sốt bí mật)
Đây là nơi kinh nghiệm đánh bại sách giáo khoa. Thay vì cố gắng hàn trực tiếp P91 với 304H trong một lần, chúng tôi “bơ” mặt vát P91 đầu tiên. Chúng tôi lấy thanh TIG ERNiCr-3 và đặt một lớp, có thể dày 3mm, trực tiếp lên góc xiên P91 đã chuẩn bị. Việc này được thực hiện trước khi đường ống được nối lại.

Tại sao bơ? Một số lý do.

• Đầu tiên, nó cho phép chúng tôi làm một “trung cấp” PWHT. Sau khi bơ, chúng tôi đặt đoạn ống P91 (chỉ có điều đó là kết thúc) vào lò sưởi cục bộ hoặc sử dụng lò sưởi đệm gốm và thực hiện chu trình PWHT đầy đủ ở 760°C. Điều này làm dịu vùng chịu ảnh hưởng nhiệt trong P91 từ đường bơ, và nó làm giảm căng thẳng cho lớp bơ. Điều quan trọng, vì lớp bơ mỏng và 304H chưa dính vào, chúng tôi không giữ một lượng lớn thép không gỉ ở nhiệt độ nhạy cảm đó. Chúng tôi chỉ đang xử lý phía P91.

• Thứ hai, nó tạo ra một giao diện được phân loại. Đường chuyền bơ đầu tiên kết hợp với P91, tạo vùng pha loãng mỏng. Sau đó lớp bơ đó được xử lý nhiệt. Sau này khi chúng tôi hàn P91 đã phết bơ vào 304H bằng cách sử dụng cùng một thanh niken, kim loại hàn về cơ bản đều được làm từ niken. Sự di chuyển carbon được giảm thiểu.

Bước chân 3: Các thông số hàn
Chúng tôi tiến hành hàn lại bằng TIG cho phần gốc và hai lần hàn tiếp theo. Thanh lọc argon tinh khiết ở bên trong. Bạn phải thanh lọc thép không gỉ, nếu không thì lượng đường bên trong sẽ tăng lên (oxy hóa) và tạo ra cặn có thể làm gãy và làm hỏng các cánh tuabin sau này.

Đây là một bảng thô từ công việc đó, gãi trên một mảnh giấy và sau đó nhập vào WPS:

Chúng tôi theo dõi nhiệt độ giao lộ đó như một con chim ưng. Nếu nó lên quá cao, về cơ bản là bạn đang làm nóng toàn bộ khối lượng quá nhiều, làm tăng nguy cơ nứt nóng trong hợp kim niken và thúc đẩy sự di chuyển cacbon nhiều hơn. Đôi khi chúng tôi để nhiệt độ nguội xuống dưới 100°C trước khi bắt đầu lượt tiếp theo. Chậm và ổn định.

Bước chân 4: Thế tiến thoái lưỡng nan của PWHT (Lại)
Sau khi hàn xong, chúng tôi có mối quan hệ với P91 bơ, một trung tâm kim loại hàn niken tinh khiết, và 304H. Chúng ta có xử lý nhiệt lại toàn bộ không? Cách tiếp cận hiện đại, và những gì chúng tôi đã làm, là một “thỏa hiệp” hoặc “ủ” PWHT. Chúng tôi làm nóng toàn bộ mối hàn và dải ở hai bên đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ P91 tiêu chuẩn, khoảng 720-740°C, trong thời gian ngắn hơn, nói một giờ. Điều này cung cấp một số nhiệt độ cho bất kỳ martensite mới nào có thể đã hình thành trong P91 HAZ từ các đường hàn cuối cùng., nhưng nó giảm thiểu thời gian 304H dành cho phạm vi nhạy cảm. Nó không hoàn hảo. 304H vẫn sẽ bị nhạy cảm phần nào ngay cạnh mối hàn. Nhưng đó là điều tốt nhất chúng ta có thể làm. Một số thông số kỹ thuật hiện nay thậm chí còn nói rằng không có PWHT cho các khớp nối này nếu bạn bơ và kiểm soát nhiệt đầu vào một cách nghiêm ngặt., nhưng tôi đã già rồi. Tôi thích ngâm ủ.

Các quy tắc và xu hướng mới nói lên điều gì

Các mã như ASME Phần IX là sách quy tắc. Họ yêu cầu bạn phải đủ tiêu chuẩn Hồ sơ Chứng nhận Thủ tục (PQR) với các thử nghiệm kéo và uốn, và đối với những vật liệu này, thường xuyên thử nghiệm tác động Charpy trên P91 HAZ. Bạn phải chứng minh quy trình của bạn hoạt động.

Xu hướng lớn hiện nay, và tôi đã thấy điều này ở một số nhà máy khí đốt mới ở Texas, đang sử dụng hàn TIG quỹ đạo tự động cho các DMW quan trọng này. Máy kiểm soát nhiệt lượng đầu vào và tốc độ di chuyển một cách hoàn hảo, tốt hơn nhiều so với bàn tay con người. Nó làm giảm sự biến động. Chúng tôi đã sử dụng quỹ đạo cho một công việc ở Houston năm ngoái, nối P91 với 304H trên máy cải cách hydro. Tính nhất quán của hạt là một cái gì đó khác. Nhưng ngay cả khi đó, những nguyên tắc cơ bản—sự bơ, sự lựa chọn kim loại phụ, PWHT—chúng không thay đổi. Máy chỉ là công cụ.

Một điều khác xuất hiện là việc sử dụng “được xếp loại theo thành phần” dây điện, nhưng phần lớn vẫn còn trong phòng thí nghiệm. Quá đắt cho công việc hiện trường ngay bây giờ.

Những bài học bạn không thể học trong lớp học

Vì thế, điều rút ra được từ tất cả điều này là gì, từ thất bại ở Louisiana và việc làm kể từ đó?

Đầu tiên, Thất bại ban đầu đó không thực sự là lỗi hàn. Đó là một thất bại về kỹ thuật vật liệu. Ai đó đã chọn một kim loại phụ trông có vẻ phù hợp trên giấy nhưng lại sai đối với các điều kiện thực tế của chu trình nhiệt và PWHT. Chúng ta quá thoải mái với “thực hành tiêu chuẩn.”

Thứ hai, bạn không thể đánh bại ngành luyện kim. Bạn chỉ có thể quản lý nó. Bạn không thể ngăn carbon muốn di chuyển, nhưng bạn có thể chọn kim loại phụ (niken) điều đó không tạo ra dải cacbua sắc nét. Bạn không thể làm cho các hệ số mở rộng khớp hoàn hảo, nhưng bạn có thể tạo vùng đệm bằng niken có hệ số ở giữa. Bạn quản lý rủi ro. Bạn không loại bỏ chúng. Bất cứ ai nói với bạn rằng họ có một mối hàn hoàn hảo sẽ tồn tại mãi mãi đều là nói dối hoặc chưa làm điều này đủ lâu để xem điều gì sẽ xảy ra sau mười năm và một nghìn chu kỳ nhiệt..

thứ ba, Đôi khi tôi đã học được cách tin tưởng vào việc kiểm tra bằng mắt hơn là chụp X-quang. Trên mối hàn Louisiana đó, tia X thật hoàn hảo. Nhưng một người kiểm tra thực sự tinh mắt với một chiếc kính soi tốt có thể đã nhìn thấy một số sự đổi màu nhẹ ngay tại dây chuyền nhiệt hạch, hoặc một sự thay đổi trong mô hình quy mô oxit, điều đó ám chỉ điều gì đó không ổn bên dưới. Hiện nay, Tôi dành nhiều thời gian chỉ để quan sát các mối hàn trước và sau khi xử lý nhiệt. Đôi khi bạn gần như có thể cảm nhận được lực căng trong kim loại.

Chúng tôi đưa mối hàn làm lại đó vào sử dụng muộn 2007. Tôi đã kiểm tra nó vài năm trước, trong thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch. Tôi đã leo lên đầu trang đó, tôi đưa tay chạm vào nắp hàn. Nó vẫn ở đó. Vẫn vững chắc. Một chút đổi màu, Có lẽ, nhưng không có vết nứt. Cảm giác đó, đó là công việc của bạn. Đó không phải là tiền lương. Đó là biết rằng bạn đã phạm sai lầm, một thất bại, và bạn đã sửa nó bằng chính đôi tay và bộ não của mình, và nó đang kìm hãm 2000 psi của hơi quá nhiệt tại 1000 độ. Đó là công việc. Đó là một điều tồi tệ.