P91 PWHT-diagram

P91-stål er et attraktivt materiale til kraftkedler og andre højtemperaturanvendelser, da det tilbyder fremragende kombinationer af mekaniske egenskaber ved højere temperaturer, såsom styrke, kryberesistens og Charpy-slagsejhed.

Nylige undersøgelser har vist, at forskellige betingelser for normalisering og anløbning (NT) af P91-stålsvejsninger kan give optimale mekaniske egenskaber i HAZ uden behov for varmebehandling efter svejsningen.

Hårdhed

SA 335 grade 91 er et modificeret højkrom-moly martensitisk stål designet til forhøjede temperaturer i kraftværker og andre højtydende anvendelser, som f.eks. svejsning. Det har god krybestyrke og sejhed samt korrosionsbestandighed og svejsbarhed; men under svejsning eller varmebehandling efter svejsning (PWHT) kan dets hårdhed falde, hvilket kan føre til revner eller tidlig svigt.

Undersøgelser af virkningerne af forskellige svejseprocesser, typer af tilsatsmaterialer og forvarmnings-/interpasstemperaturer på P91 var engang sjældne; men for nylig er det blevet mere udbredt at reparere P91-rørledninger med forskellige svejsninger ved hjælp af lignende svejseprocesser og tilsatsmaterialer som de oprindelige svejsninger; dette kræver, at HAZ-hårdhedsniveauerne er lavere end deres grundmetal; hvordan dette kan opnås inden for rimelig tid i PWHT, afventer yderligere undersøgelser.

Nogle kraftværksprojekter rapporterede om type IV-revner i deres svejsers HAZ under drift. Disse revner var sandsynligvis resultatet af utilstrækkelig PWHT. Vores undersøgelse konkluderede, at PWHT ved 750 grader i to timer er ideelt til at reducere hårdheden i svejsningens HAZ og samtidig give tilstrækkelig mikrostruktur og en acceptabel hårdhedsforskel i forhold til grundmetallet.

Krybestyrke

Krybestyrken i p91 måler, hvor meget stress et materiale kan modstå, før det deformeres, og krybemodstanden afhænger af faktorer som kornstørrelse og driftstemperatur samt den kemiske sammensætning, der påvirker transformationstemperaturer og andre egenskaber ved sammensætningen.

For at fastlægge krybegrænsen for et metal bruger designere et forhold mellem brudspænding og dets spændingsdeformationskurve, ekstrapoleret op til 100.000 timer, og beregnede minimumskrybehastigheder over denne tidsramme. Brudspænding måler både slutpunktets brudspænding og den nødvendige spænding for at nå dette punkt - det rapporteres som både spændings- og tidsværdier.

Martensitisk varmebestandigt p91-stål (9Cr-1Mo-V-Nb) anvendes ofte i kraftværker med fossile brændstoffer til kedelhoveder og andre komponenter på grund af dets fremragende modstandsdygtighed over for dampkorrosion, lave varmeudvidelseshastighed, høje varmeledningsevne og svejsbarhed; men der er rapporteret om fejl i komponenter konstrueret af dette metal efter relativt kort driftstid.

Fejl opstår på grund af reducerede krybestyrkeegenskaber på grund af finkornede områder i den varmepåvirkede zone (HAZ).

Charpy-styrke

P91-stål er ideelt til brug i langsigtede kraftværkskomponenter, der arbejder ved høje temperaturer, herunder dem, der er udsat for krybning og termisk belastningsmodstand, høj duktilitet og minimal termisk udvidelse. Da dets oxidationsmodstand falder til under 610 °C, bliver dets anvendelsesmuligheder inden for elproduktion begrænsede. Desuden begrænser den ringe slagsejhed brugen under dynamiske belastninger; for at forbedre denne egenskab yderligere anbefales det at varmebehandle efter svejsning (PWHT). DIN EN 288-3 indeholder mekaniske tests på ægte svejse-HAZ-prøver, hvor revnedannelse gennem hver delzone er forskellig afhængigt af dens mikrostruktur og resulterer i variationer i slagenergi mellem tests.

Lysbuesvejsninger med flere gennemløb af P91- og P22-stål giver dårlig slagsejhed i deres svejsefusionszoner (FGHAZ). Dette skyldes en ophobning af uhærdet martensit i dette område på grund af forkert PWHT.

Undersøgelser har vist effekten af det diffuse brintniveau og PWHT-varigheden på svejsningernes mekaniske egenskaber og hårdhedsgradient. Pandey et al. undersøgte denne faktors effekt på mikrostruktur og trækegenskaber for multi-pass svejsede P91-pladesvejsninger ved hjælp af SMAW med fire forskellige brintniveauer, hvilket viste, at højere diffusibel brint og PWHT-varighed resulterede i forbedrede trækegenskaber, men nedsat slagsejhed.

Modstandsdygtighed over for korrosion

Grad 91-stål er kendt for sin fremragende korrosionsbestandighed, men spændingsinduceret martensit og krybeskader kan forårsage korrosion. Varmebehandling efter svejsning (PWHT) kan hjælpe med at afbøde disse effekter, men denne metode er ikke altid gennemførlig eller omkostningseffektiv, især ikke ved reparationer under brug.

Som en del af målet om at udvikle svejsereparationsprocedurer for klasse 91 uden PWHT fokuserede forskningen i dette projekt på at undersøge materialernes metallurgiske opførsel under svejse- og varmebehandlingsprocesser ved at evaluere mikrostrukturer af svejse- og HAZ-prøver produceret efter svejsning; mekaniske tests blev derefter udført på rigtige svejsninger for at måle HAZ-sejheden.

Der blev også foretaget sammenligninger af forskellige svejseteknikker med fokus på deres effekt på forvarmnings-/interpass-temperaturer og svejsestrømme. Elektroder med diametre svarende til dem, der findes i kvalitet 91, viste sig at være mest velegnede til at udvikle svejseprocedurer uden PWHT; ved at bruge kombinationer af SMAW-elektroder med diametre på 3,2 mm (1/8 tommer, første lag) og 4,0 mm (5/32 tommer, andet lag) opnåede man en betydelig forfining, mens anløbningen var begrænset i HAZ.

Varmebehandling efter svejsning af TIG-svejsesamlinger mellem P22 og stålkvalitet 91 med Inconel 625 tilsatsmateriale udføres bedst ved 750 grader i 2 timer for at opnå et optimalt kompromis mellem grænsefladens hårdhed og svejsemetallets egenskaber, samtidig med at de høje mekaniske egenskaber bevares over et bredt temperaturspektrum.