P91 PWHT-kaavio

P91-teräs on houkutteleva materiaali voimakattiloihin ja muihin korkean lämpötilan sovelluksiin, sillä se tarjoaa erinomaisen yhdistelmän mekaanisia ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa, kuten lujuutta, virumiskestävyyttä ja Charpy-iskunkestävyyttä.

Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että P91-teräksen hitsaussaumojen eri normalisointi- ja karkaisuolosuhteet (NT) voivat tuottaa optimaaliset mekaaniset ominaisuudet HAZ:ssa ilman hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä.

Kovuus

SA 335-luokka 91 on muunnettu korkeakrominen ja monimolybdeeninen martensiittinen teräs, joka on suunniteltu voimalaitosten korkeisiin lämpötiloihin ja muihin korkean suorituskyvyn sovelluksiin, kuten hitsaukseen. Sillä on hyvä virumislujuus ja sitkeys sekä korroosionkestävyys ja hitsattavuus; hitsauksen tai hitsauksen jälkeisen lämpökäsittelyn (PWHT) aikana sen kovuus voi kuitenkin laskea, mikä johtaa halkeiluun tai ennenaikaiseen rikkoutumiseen.

Tutkimukset eri hitsausprosessien, lisäainelankatyyppien ja esilämmitys-/välilämmityslämpötilojen vaikutuksista P91:een olivat aikoinaan harvinaisia; viime aikoina on kuitenkin yleistynyt P91-putkistojen korjaaminen erilaisilla hitseillä käyttäen samankaltaisia hitsausprosesseja ja lisäainemetallia kuin alkuperäiset hitsit; tämä edellyttää, että HAZ:n kovuus on alhaisempi kuin emämetallin; on vielä tutkittava tarkemmin, miten tämä voidaan toteuttaa kohtuullisessa ajassa PWHT:ssä.

Joissakin voimalaitoshankkeissa raportoitiin tyypin IV halkeamia hitsin HAZ:ssa käytön aikana. Nämä halkeamat olivat todennäköisesti seurausta riittämättömästä PWHT:stä. Tutkimuksessamme päädyttiin siihen, että kahden tunnin PWHT-kuumennus 750 asteen lämpötilassa on ihanteellinen keino vähentää hitsin HAZ:n kovuutta ja saada aikaan riittävä mikrorakenne ja hyväksyttävä kovuusero perusmetalliin nähden.

Virumislujuus

P91:n virumislujuus mittaa sitä, kuinka suuren rasituksen materiaali kestää ennen muodonmuutosta, ja virumiskestävyys riippuu tekijöistä, kuten raekoko ja käyttölämpötila, sekä kemiallisesta koostumuksesta, joka vaikuttaa muuntumislämpötiloihin ja koostumuksen muihin ominaisuuksiin.

Metallin virumisrajan määrittämiseksi suunnittelijat käyttävät murtumisjännityksen ja sen jännitys-muodonmuutoskäyrän välistä suhdetta, joka on ekstrapoloitu 100 000 tuntiin asti, ja laskettuja vähimmäisvirumisnopeuksia tällä aikavälillä. Murtumisjännitys mittaa sekä loppupisteen murtumisjännitystä että tämän pisteen saavuttamiseen tarvittavaa jännitystä - se ilmoitetaan sekä jännitys- että aika-arvoina.

Martensiittista lämmönkestävää p91-terästä (9Cr-1Mo-V-Nb) käytetään yleisesti fossiilisia polttoaineita käyttävissä voimalaitoksissa kattiloiden päädyissä ja muissa komponenteissa sen erinomaisen höyryn korroosionkestävyyden, alhaisen lämpölaajenemisnopeuden, korkean lämmönjohtavuuden ja hitsattavuuden vuoksi. Tästä metallista valmistettujen komponenttien käytönaikaisia vikoja on kuitenkin raportoitu suhteellisen lyhyen käyttöajan jälkeen.

Vikaantumiset johtuvat siitä, että virumislujuusominaisuudet ovat heikentyneet, mikä johtuu hienorakeisista alueista lämpövaikutusalueella (HAZ).

Charpy-kestävyys

P91-teräs soveltuu erinomaisesti käytettäväksi pitkäkestoisissa voimalaitoskomponenteissa, jotka toimivat korkeissa lämpötiloissa, mukaan lukien komponentit, jotka altistuvat virumis- ja lämpökuormitukselle, korkealle sitkeydelle ja vähäiselle lämpölaajenemiselle. Koska sen hapettumiskestävyys laskee alle 610 celsiusasteen, sen käyttökohteet sähköntuotannossa rajoittuvat. Lisäksi huono iskunkestävyys rajoittaa sen käyttöä dynaamisissa kuormituksissa; tämän ominaisuuden parantamiseksi suositellaan hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä (PWHT). DIN EN 288-3:ssa esitetään mekaanisia testejä todellisille hitsin HAZ-näytteille, joissa särön eteneminen kullakin osa-alueella vaihtelee sen mikrorakenteen mukaan, mikä johtaa iskuenergian vaihteluun testien välillä.

P91- ja P22-terästen monivaiheiset suojakaarihitsaukset tuottavat huonon iskunkestävyyden hitsin sulamisvyöhykkeillä (FGHAZ). Tämä johtuu karkaisemattoman martensiitin kertymisestä tälle alueelle, mikä johtuu epäasianmukaisesta PWHT:stä.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että hajoavan vedyn määrä ja PWHT:n kesto vaikuttavat hitsisaumojen mekaanisiin ominaisuuksiin ja kovuusgradienttiin. Pandey et al. tutkivat tämän tekijän vaikutusta mikrorakenteeseen ja veto-ominaisuuksiin monikerroshitsatuissa P91-levyhitsatuissa hitsatuissa kappaleissa SMAW:lla neljällä eri vetypitoisuudella ja osoittivat, että korkeampi hajoava vetypitoisuus ja PWHT:n kesto paransivat veto-ominaisuuksia, mutta heikensivät iskunkestävyyttä.

Korroosionkestävyys

Luokan 91 teräs tunnetaan erinomaisesta korroosionkestävyydestään; jännityksen aiheuttama martensiitti ja virumisvaurio voivat kuitenkin aiheuttaa korroosiota. Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) voi auttaa lieventämään näitä vaikutuksia; tämä menetelmä ei kuitenkaan aina ole toteutettavissa tai kustannustehokas, erityisesti käytönaikaisissa korjauksissa.

Osana tavoitetta kehittää hitsauksen korjausmenetelmiä luokan 91 hitsaukseen ilman PWHT:tä tässä hankkeessa tehdyssä tutkimuksessa keskityttiin tutkimaan materiaalien metallurgista käyttäytymistä hitsauksen ja lämpökäsittelyprosessien aikana arvioimalla hitsauksen jälkeen tuotettujen hitsaus- ja HAZ-näytteiden mikrorakenteita; sen jälkeen suoritettiin mekaanisia testejä todellisille hitseille HAZ:n sitkeyden mittaamiseksi.

Vertailuja tehtiin myös eri hitsaustekniikoiden välillä keskittyen niiden vaikutukseen esilämmitys-/välilämmityslämpötiloihin ja hitsausvirtoihin. Elektrodit, joiden halkaisijat vastasivat 91-luokassa esiintyviä halkaisijoita, osoittautuivat sopivimmiksi hitsausmenetelmien kehittämiseen ilman PWHT:tä; käyttämällä halkaisijaltaan 3,2 mm:n (1/8 tuumaa, ensimmäinen kerros) ja 4,0 mm:n (5/32 tuumaa, toinen kerros) halkaisijaltaan 3,2 mm:n (1/8 tuumaa, ensimmäinen kerros) ja 4,0 mm:n (5/32 tuumaa (5/32 tuumaa, toinen kerros) SMAW-elektrodeja, saatiin aikaan merkittävää hienontumista, kun taas karkaisu rajoittui vain HAZ:ien sisällä.

P22- ja 91-luokan terästen TIG-hitsausliitosten hitsauksen jälkeiset lämpökäsittelyt, joissa käytetään Inconel 625 -lisäainetta, on parasta suorittaa 750 °C:ssa 2 tunnin ajan, jotta saavutetaan optimaalinen kompromissi rajapinnan kovuuden ja hitsiaineen ominaisuuksien välillä ja säilytetään samalla korkeat mekaaniset ominaisuudet laajalla lämpötila-alueella.