Διάγραμμα PWHT P91

Ο χάλυβας P91 είναι ένα ελκυστικό υλικό για λέβητες ηλεκτρικής ενέργειας και άλλες εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας, προσφέροντας εξαιρετικούς συνδυασμούς μηχανικών ιδιοτήτων σε υψηλότερες θερμοκρασίες, όπως αντοχή, αντίσταση σε ερπυσμό και ανθεκτικότητα σε κρούση Charpy.

Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι διαφορετικές συνθήκες για την κανονικοποίηση και την εξίσωση (NT) των συγκολλήσεων χάλυβα P91 μπορούν να παράγουν βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες στο HAZ χωρίς να απαιτείται θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση.

Σκληρότητα

Ο βαθμός 91 του SA 335 είναι ένας τροποποιημένος μαρτενσιτικός χάλυβας υψηλού χρωμίου-μολύ, σχεδιασμένος για υψηλές θερμοκρασίες σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας και άλλες εφαρμογές υψηλής απόδοσης, όπως η συγκόλληση. Διαθέτει καλή αντοχή σε ερπυσμό και ανθεκτικότητα, καθώς και αντοχή στη διάβρωση και συγκολλησιμότητα- ωστόσο, κατά τη συγκόλληση ή τη θερμική κατεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT), η σκληρότητά του μπορεί να μειωθεί, οδηγώντας σε ρωγμές ή πρόωρη αστοχία.

Οι μελέτες σχετικά με τις επιδράσεις των διαφόρων διεργασιών συγκόλλησης, των τύπων συρμάτων πλήρωσης και των θερμοκρασιών προθέρμανσης/διέλευσης στο P91 ήταν κάποτε σπάνιες- ωστόσο, πρόσφατα έχει επικρατήσει η επισκευή αγωγών P91 με ανόμοιες συγκολλήσεις χρησιμοποιώντας παρόμοιες διεργασίες συγκόλλησης και μέταλλο πλήρωσης με τις αρχικές συγκολλήσεις- αυτό απαιτεί επίπεδα σκληρότητας των HAZ χαμηλότερα από το μητρικό τους μέταλλο- το πώς αυτό μπορεί να επιτευχθεί σε εύλογο χρονικό διάστημα σε PWHT αναμένει περαιτέρω έρευνα.

Ορισμένα έργα σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ανέφεραν ρωγμές τύπου IV στο HAZ της συγκόλλησής τους κατά τη λειτουργία. Αυτές οι ρωγμές ήταν πιθανότατα αποτέλεσμα ανεπαρκούς PWHT. Η έρευνά μας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η PWHT στους 750 βαθμούς Κελσίου για δύο ώρες είναι ιδανική για τη μείωση της σκληρότητας στο HAZ της συγκόλλησης, ενώ παρέχει επαρκή μικροδομή και αποδεκτή διαφορά σκληρότητας με το μητρικό μέταλλο.

Αντοχή σε ερπυσμό

Η αντοχή σε ερπυσμό του p91 μετράει πόση τάση μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν παραμορφωθεί, ενώ η αντοχή σε ερπυσμό εξαρτάται από παράγοντες όπως το μέγεθος των κόκκων και η θερμοκρασία λειτουργίας, καθώς και από τη χημική σύνθεση που επηρεάζει τις θερμοκρασίες μετασχηματισμού και άλλες ιδιότητες της σύνθεσής του.

Για να καθορίσουν το όριο ερπυσμού ενός μετάλλου, οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν έναν λόγο μεταξύ της τάσης θραύσης και της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης του, προεκτιμώμενο έως 100.000 ώρες, και υπολογίζονται οι ελάχιστοι ρυθμοί ερπυσμού σε αυτό το χρονικό διάστημα. Η τάση θραύσης μετρά τόσο την τάση θραύσης στο τελικό σημείο όσο και την αναγκαία τάση για να φτάσει σε αυτό το σημείο - αναφέρεται ως τιμή τάσης και χρόνου.

Ο μαρτενσιτικός θερμοανθεκτικός χάλυβας p91 (9Cr-1Mo-V-Nb) χρησιμοποιείται συνήθως σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα για κεφαλές λεβήτων και άλλα εξαρτήματα λόγω της εξαιρετικής αντίστασης στη διάβρωση από ατμό, του χαμηλού ρυθμού θερμικής διαστολής, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της συγκολλησιμότητάς του.

Οι αστοχίες συμβαίνουν λόγω μειωμένων ιδιοτήτων αντοχής σε ερπυσμό λόγω λεπτόκοκκων περιοχών στη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα (HAZ).

Ανθεκτικότητα Charpy

Ο χάλυβας P91 είναι ιδανικός για χρήση σε μακροχρόνια εξαρτήματα σταθμών ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που εκτίθενται σε αντίσταση σε ερπυσμό και θερμικό φορτίο, υψηλή ολκιμότητα και ελάχιστη θερμική διαστολή. Καθώς η αντοχή του στην οξείδωση πέφτει κάτω από τους 610 βαθμούς Κελσίου, οι εφαρμογές του για την παραγωγή ενέργειας περιορίζονται. Επιπλέον, η φτωχή ανθεκτικότητα σε κρούση περιορίζει τη χρήση του υπό δυναμικά φορτία- για την περαιτέρω ενίσχυση αυτής της ιδιότητας συνιστάται θερμική κατεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT). Το DIN EN 288-3 προβλέπει μηχανικές δοκιμές σε πραγματικά δοκίμια HAZ συγκόλλησης, στα οποία η διάδοση της ρωγμής μέσω κάθε υποζώνης διαφέρει ανάλογα με τη μικροδομή της και έχει ως αποτέλεσμα διαφοροποιήσεις στην ενέργεια κρούσης μεταξύ των δοκιμών.

Οι συγκολλήσεις τόξου θωρακισμένου μετάλλου πολλαπλών περασμάτων των χαλύβων P91 και P22 παράγουν χαμηλή αντοχή σε κρούση στις ζώνες σύντηξης της συγκόλλησης (FGHAZ). Αυτό οφείλεται στη συσσώρευση μη σκληρυμένου μαρτενσίτη στην περιοχή αυτή λόγω ακατάλληλης PWHT.

Μελέτες έχουν καταδείξει τις επιδράσεις του επιπέδου διάχυτου υδρογόνου και της διάρκειας της PWHT στις μηχανικές ιδιότητες των συγκολλήσεων και στη διαβάθμιση της σκληρότητας. Οι Pandey et al. διερεύνησαν την επίδραση αυτού του παράγοντα στη μικροδομή και τις εφελκυστικές ιδιότητες για συγκολλήσεις πλακών P91 με συγκόλληση πολλαπλών περασμάτων με χρήση SMAW με τέσσερα διαφορετικά επίπεδα υδρογόνου, δείχνοντας ότι το υψηλότερο διάχυτο υδρογόνο και η διάρκεια PWHT οδήγησαν σε βελτιωμένες εφελκυστικές ιδιότητες αλλά μειωμένη αντοχή σε κρούση.

Αντοχή στη διάβρωση

Ο χάλυβας βαθμού 91 είναι γνωστός για την εξαιρετική αντοχή του στη διάβρωση- ωστόσο, ο μαρτενσίτης που προκαλείται από την τάση και η βλάβη λόγω ερπυσμού μπορεί να προκαλέσουν διάβρωση. Η θερμική κατεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) μπορεί να βοηθήσει στον μετριασμό αυτών των επιπτώσεων- ωστόσο, η μέθοδος αυτή μπορεί να μην είναι πάντα εφικτή ή οικονομικά αποδοτική, ιδίως κατά τη διάρκεια επισκευών σε λειτουργία.

Στο πλαίσιο του στόχου του να αναπτύξει διαδικασίες επισκευής συγκολλήσεων για τον βαθμό 91 χωρίς PWHT, η έρευνα που διεξήχθη στο πλαίσιο αυτού του έργου επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της μεταλλουργικής συμπεριφοράς των υλικών κατά τη διάρκεια των διεργασιών συγκόλλησης και θερμικής κατεργασίας, με την αξιολόγηση της μικροδομής των δειγμάτων συγκόλλησης και HAZ που παράγονται μετά τη συγκόλληση- στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν μηχανικές δοκιμές σε πραγματικές συγκολλήσεις για τη μέτρηση της ανθεκτικότητας HAZ.

Πραγματοποιήθηκαν επίσης συγκρίσεις σε διαφορετικές τεχνικές συγκόλλησης, με έμφαση στην επίδραση των θερμοκρασιών προθέρμανσης/διέλευσης και των ρευμάτων συγκόλλησης. Τα ηλεκτρόδια με διαμέτρους που ταιριάζουν με αυτές που βρέθηκαν στην κατηγορία 91 αποδείχθηκαν πιο κατάλληλα για την ανάπτυξη διαδικασιών συγκόλλησης χωρίς PWHT- η χρήση συνδυασμών ηλεκτροδίων SMAW με διαμέτρους 3,2mm (1/8in, πρώτο στρώμα) και 4,0mm (5/32in, δεύτερο στρώμα) παρήγαγε σημαντική βελτίωση, ενώ η σκλήρυνση ήταν περιορισμένη εντός των HAZs.

Οι μετασυγκολλητικές θερμικές επεξεργασίες των συνδέσεων συγκόλλησης TIG μεταξύ χαλύβων P22 και βαθμού 91 με χρήση μετάλλου πλήρωσης Inconel 625 εκτελούνται καλύτερα στους 750 βαθμούς Κελσίου για 2 ώρες για να επιτευχθεί ο βέλτιστος συμβιβασμός μεταξύ της σκληρότητας της διεπιφάνειας και των ιδιοτήτων του μετάλλου συγκόλλησης, διατηρώντας παράλληλα υψηλές μηχανικές ιδιότητες σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.