Keevitusjärgne kuumtöötlus (PWHT) süsinikterase jaoks

Keevitusjärgne kuumtöötlemine ehk PWHT on keevitusprotsessi lahutamatu osa, mille eesmärk on leevendada keevitamisest põhjustatud jääkpingeid, karastades samal ajal kõvasid või potentsiaalselt hapraid mikrostruktuuri piirkondi.

PWHT võib toimuda elektri-, maagaasi- või naftatoitega ahjudes; käesolevas artiklis keskendume siiski sellele, milline temperatuur peab olema saavutatud, et saavutada optimaalsed tulemused süsinikterase PWHT-ga.

Termodünaamika

Keevitamine on üks levinumaid tehnilisi tootmisprotsesse. Pärast keevitamist võivad siiski tekkida jääkpinged, mis põhjustavad kasutamisraskusi. Nende sisepingete leevendamiseks võib keevitusjärgne kuumtöötlemine (PWHT) aidata jääkpingeid leevendada, pehmendades karastatud tsoone, parandades mikrostruktuuri ja keemilisi omadusi, vähendades vesinikusisaldust keevituspiirkonnas ja leevendades jääkpingeid; liiga kõrge või ebasobiv temperatuur või ooteaeg mõjutavad siiski mehaanilisi omadusi negatiivselt [1].

Süsinikterased ja madala legeeriga terased vajavad PWHT-d, et vähendada jääkpingeid, kontrollida materjali kõvadust ja suurendada mehaanilist tugevust. Iga konkreetse materjali nõuded PWHT-temperatuuridele sõltuvad selle kasutuskoodeksist; PWHT-temperatuurid teatud keemilise koostise või paksuse vahemike puhul, näiteks torude ja surveanumate terase puhul, mille kroomisisaldus on väiksem kui 1,5%, nõuavad tavaliselt temperatuuri, mis on määratletud koodeksi nõuetega, mis on kõrgem kui 1050degC. Näiteks selliste nõuetega torude ja surveanumate puhul, nagu näiteks 1,5% kroomisisaldusega teras, on PWHT-temperatuurid üle 1050degC, et suurendada mehaanilist tugevust, nagu on sätestatud koodide poolt kehtestatud nõuetega, mis reguleerivad PWHT toimimist ja nende eesmärkide tõhusat täitmist.

Üldised konstruktsiooniklassid, nagu BS 5400 sildade puhul, BS 5958 hoonete puhul ja EEMUA 158 avamerekonstruktsioonide puhul, lubavad siiski oluliselt paksemaid keevitatud paksuse piiranguid, mis on seotud suuremate Charpy energianõuetega. Need erinevused näivad olevat seotud selliste teguritega nagu eelsoojendustemperatuur, sulamite sisaldus ja martensiidi moodustumine - käesoleva artikli eesmärk on aidata lugejatel paremini mõista neid mõjusid PWHT-temperatuuri määramisel teie terase jaoks.

Mikrostruktuur

Mõned materjalid vajavad soovitud tugevuse ja plastilisuse saavutamiseks keevitusjärgset kuumtöötlemist (PWHT). PWHT hõlmab keevitatud valmististe kuumutamist 580 ja 620 kraadi vahel 1 tunni jooksul 25 mm paksuse kohta, et leevendada keevitamise käigus tekkinud jääkpingeid; see aitab tagada piisava tõmbetugevuse, Charpy löögitugevuse ja vähendatud purunemisohu.

STEM-mikroskoopiat kasutati MX-karbonitriidide nihestusstruktuuri ja muutuste uurimiseks erinevate PWHT-ajadega. Keevitatud proovi bainiitmaatriksis oli suur tihedus tugevalt segunenud nihestusi; sel etapil ei olnud võimalik tuvastada korrastatud struktuure, nagu nihestusvõrgud või alamkeraamika piirid. PWHT-aja suurendamisel vähenes nihestuste tihedus oluliselt; uued korrastatud struktuurid, nagu nihestusvõrgud või alamkera piirid, muutusid nähtavaks, nagu ka jämedamad MX-karbonitriidid, mis vähendasid nende kinnistavat mõju nihestustele; lõpuks muutusid alamkera piirid taas nähtavaks.

PWHT aegadel 8 ja 16 h paraneb keevitusmetalli morfoloogia väiksema nihestustihedusega; nihestustihedus jääb siiski palju suuremaks kui karastatud terase puhul. Lisaks sellele on MX-karbonitriidide Ostwaldi küpsemise tõttu terade ja alamkera piiridel sadestunud oluliselt, mille tulemuseks on suuremad osakesed terade/ alamkera piiridel kui terade sees.

Stressi leevendamine

Süsinik- ja süsinik-mangaanteraste PWHT on oluline samm pärast keevitamist, et vähendada rabedat purunemist. Selle protsessi käigus kuumutatakse keevitusala pikema aja jooksul kõrgetele temperatuuridele ja seejärel jahutatakse. Kõrgematel temperatuuridel muutub pingete jaotumine ühtlasemaks, vähendades seega jääkpingeid, samal ajal kui karastamine pehmendab alusmaterjali kõva mikrostruktuuri piirkondi, mis muidu võivad põhjustada pragunemist.

Keevitamine tekitab metallide, eriti paksemate keevisõmbluste puhul, suuri jääkpingeid. Kui need jäävpinged kombineeritakse koormuspingetega, võivad need jääkpinged põhjustada purunemiskindluse vähenemist ja vastuvõtlikkust pingekorrosioonipragunemisele (SCC - stress corrosion cracking). PWHT aitab leevendada neid jääkpingeid ja parandada kokku keevitatava ühenduse mehaanilisi omadusi.

PWHT nõuab struktuuride allutamist kõrgetele temperatuuridele pika aja jooksul, mis võib suuremate struktuuride valmistamisel olla keeruline ja kallis. Tagada keevituspiirkonna nõuetekohane isolatsioon ja kuumutamine koos täpse temperatuuri näitamisega digitaalsest registreerijast/kontrollerist.

Ebaõige PWHT võib vähendada materjali tugevust. Lisaks võib ebatõhus jahutuskiirus PWHT ajal põhjustada moonutusi ja vähendada materjali lõplikku tõmbetugevust.

Tugevus

Nagu eespool märgitud, kipub süsinikterase tõmbetugevus ja voolavuspiir temperatuuriga vähenema; selle plastilisus (KJc) aga suureneb, kuna karastamine tekitab suuremaid martensiidi-austeniidi komponente, mis suurendavad löögikindlusele vastupidavust.

Seetõttu on väga oluline, et PWHT-tingimused oleksid kohandatud mitte ainult tarnitud terase omadustele, vaid ka keevitatava komponendi eeldatavatele kasutustingimustele. Seetõttu peavad terasetootjad seda arvesse võtma, kui nad määravad oma valtsitud toodete karastamistemperatuuri.

Ehitusnormid ja -standardid (nagu BS 1113 ja ASME VIII ) näevad sageli ette PWHT-paksuse alampiiri. Need piirmäärad määratakse kindlaks eeldusel, et nii tõmbetugevus kui ka voolavuspiir jäävad pärast PWHT toimumist vastuvõetavatesse parameetritesse.

Loomulikult ei ole see alati võimalik ja seepärast peab iga vesinikuga töötamiseks mõeldud toru või anum läbima keevitusjärgse kuumtöötluse (PWHT). Nii temperatuur kui ka kestus tuleb hoolikalt valida, et saavutada soovitud metallurgilised muutused, järgides samal ajal kõiki asjakohaseid koodeksite/standardite/lepingute spetsifikatsioone; samuti tuleb küsida eksperdi nõu süsineterase tüübile omaste aegade ja temperatuuride kohta.