P91 PWHT táblázat

Az SI-t azzal a feladattal bízták meg, hogy egy erőműben történt tűzeset után felmérje, vajon a hőnek volt-e káros hatása a P91-re; ehhez metallurgiai másolatokat vettek elemzés céljából, hogy megvizsgálják, történt-e lágyulás a hőhatásos zónákban.

Gressler kiemelte, hogy önmagában a keménység nem határozza meg az anyag állapotát. Ehelyett hatékony ellenőrzési módszer lenne a kúszási alakváltozás felhalmozódásának nyomon követése magas hőmérsékletű alakváltozásmérők segítségével, valamint mérnöki elemzések alkalmazása az élettartam előrejelzéséhez.

Keménység

A P91 acélcsalád egy 9-12% Cr ferritikus/martenzitikus rozsdamentes acél, amelyet atomerőművekben és erőművi környezetben használnak a magas hőmérsékleten elérhető kiváló mechanikai tulajdonságok biztosítása érdekében. Alacsony szén-, nióbium- és nitrogéntartalma miatt csökkenti a hegesztés okozta repedések kialakulásának kockázatát; azonban magasabb edzhetősége miatt túlzottan kemény hőhatású zóna (HAZ) alakulhat ki, ami hidrogén okozta repedésekhez vezethet – ez pedig mind a hegesztési varratok, mind az alkatrészek meghibásodását eredményezheti.

A Siemens gyár nemrég felkérte az SI-t, hogy egy tűzesetet követően értékelje egy nyomástartó edény szelepén végzett nagy léptékű hegesztési javítást, annak megállapítása érdekében, hogy az eset során előfordulhatott-e a specifikációtól eltérő anyag használata, és ha igen, akkor ezt a garancia lejárta előtt ki lehet-e javítani.

Az SI elvégezte az anyag elemzését, és megállapította, hogy annak puhasága nem a tűznek köszönhető, hanem valószínűleg a nem megfelelő PWHT-kezelés miatt alakult ki.

A PWHT hőmérséklete és időtartama döntő fontosságú az optimális mikroszerkezetű és keménységű, különböző anyagú hegesztési varratok kialakításában, mint például ebben a tanulmányban, amelyet Inconel 625-öt töltőanyagként használó, többmenetes védőgázas fémívhegesztéssel végeztek. Az eredmények kimutatták, hogy a 750 °C-on 2, 4 vagy 6 órán át végzett PWHT – mint előnyben részesített hőkezelési idő és hőmérséklet – mindkét célt elérte: hatékonyan csökkentette a keménységet a hőhatászónában (HAZ), miközben megőrizte a megfelelő mikroszerkezetet, amely magas hőmérsékleten is kiváló mechanikai tulajdonságokat biztosít.

Kitartás

A P91 acélt kifejezetten a IV. generációs atomerőművekben való felhasználásra fejlesztették ki. Magas krómtartalmának, valamint a vanádium és a nióbium ötvözőelemekként való hozzáadásának köszönhetően a P91 jelentősen nagyobb kúszásállóságot biztosít, mint a kevésbé ötvözött társaik.

Anyagjellemzők: ez az ötvözet kiválóan hegeszthető, és remek hőfáradási és korrózióállósággal rendelkezik, ugyanakkor hajlamos a hidrogén által előidézett repedésre (HAC). Mind a gáz-, mind a szilárdívú hegesztési módszerek alkalmazhatók; az optimális kúszási tulajdonságok elérése érdekében azonban hegesztés utáni hőkezelést kell végezni.

A P91-es hegesztett szerkezetekben előforduló HAC-t a helytelen hegesztési feltételek és a nem megfelelő hegesztőanyag-választás okozhatja, és ezt tovább súlyosbíthatja az egyenetlen hegesztési geometria, valamint a salak használata is. Ezenkívül a 91-es minőségű hegesztett szerkezetek és más hegeszthető anyagok – például a P22 vagy az Inconel 625 – közötti eltérő hegesztési eljárások alkalmazása esetén is előfordulhat.

Fontos megjegyezni, hogy jelenleg lehetetlen a 91-es minőségű alkatrészeket utólagos hőkezelés (PWHT) nélkül javítani, mivel a jelenlegi hegesztési javítási módszerek olyan hegesztési varratokat eredményeznek, amelyek hőhatászónájában (HAZ) a mikroszerkezet nem finomult, és csak korlátozott mértékű temperálás történik. Ezért további, kiterjedt hegesztési javítási kísérleteket és vizsgálatokat kell végezni a hőbefolyásolt zóna (HAZ) szilárdságára és a hegesztési varrat keresztirányú kúszási szilárdságára vonatkozóan, valamint elemezni kell a meghibásodások lehetséges okait, például a szemcseméret-növekedést és a mikroszerkezeti problémákat.

Rugalmassági modulus

A rugalmassági modulus azt mutatja, hogy az anyagok milyen könnyen nyújthatók vagy hajlíthatók, és úgy határozzák meg, hogy a feszültséget elosztják a alakváltozással. A feszültség–alakváltozás görbe vizsgálata felbecsülhetetlen értékű módszer e paraméter meghatározásához; apró, fokozatos alakváltozásokat alkalmaznak, majd ezeket ábrázolják egy grafikonon, amelyből kiderülnek a rugalmassági modulus értékei – ez elengedhetetlen az anyagok mechanikai tulajdonságainak kiszámításához!

A feszültség–nyúlás görbék általában lineáris viselkedést mutatnak, ami azt jelzi, hogy az anyagok rugalmasak. Ezt a viselkedést Hooke-törvénye magyarázza, amely szerint az anyagra ható feszültség arányosnak kell lennie annak nyúlásával; a Young-modulusz ezt az összefüggést fejezi ki, vagyis a feszültség és a nyúlás hányadosát méri.

A feszültség–nyúlás görbék jellemzően egy bizonyos ponton nemlineáris viselkedést mutatnak, amikor az anyag belép a plasztikus deformációs tartományba, jelezve ezzel a plasztikus deformációt. Ebben a szakaszban a feszültség és a alakváltozás már nem változik egymással fordítottan; ehelyett előre jelezhető módon reagálnak a feszültségekre. Az anyag rugalmasságát a görbe nemlineáris szakaszának meredeksége határozza meg; ezt az egyenlet adja meg: EDL L0 L L 0/D L 0/D

Korrózióállóság

A 91-es minőségű acél (EN-jelölés: X10CrMoVNb9-1) egy 9Cr-1Mo ötvözött acél, amely magas króm-, vanádium- és nióbiumtartalommal rendelkezik, és kiemelkedő kúszásállósággal büszkélkedhet. Ezt a 9Cr-1Mo acélminőséget gyakran használják atomerőművi gyűjtőcsövekhez, valamint egyéb burkolatokhoz és csővezetékekhez atomerőművekben; kiemelkedő sugárzásállósággal, valamint magas hőmérsékleten is kiváló oxidációs és korrózióállósággal rendelkezik.

A P91 és P22 acélokból kialakított, különböző anyagú, árnyékolt fémívhegesztésű (SMAW) varratok, amelyek P91 és P22 acélokból készülnek, gyenge ütésállóságot eredményezhetnek a hegesztési olvadási zónában kialakuló, nem edzett martenzit miatt, ezért a sikeres hegesztéshez optimális előmelegítési és hegesztés utáni hőkezelési (PWHT) hőmérsékleti tartomány kiválasztása szükséges.

A PWHT hőmérsékletek az acél összetételétől, valamint a mangán és a nikkel százalékos arányától függően változnak, különösen a Mn + Ni-tartalom figyelembevétele esetén; a magasabb százalékos arányok csökkentik a kritikus átalakulási hőmérsékletet.

Kutatásokat végeztek annak vizsgálatára, hogy a diffúziós hidrogénszint és a hőkezelési feltételek milyen hatással vannak a többrétegű, 91-es minőségű, védőgázas fémívhegesztéssel (SMAW) készült tompahegesztett szerkezetek mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira. A vizsgálatokhoz mezőemissziós pásztázó elektronmikroszkópiát, higanyos diffúziós hidrogénmérést, szobahőmérsékletű szakítóvizsgálatot, Charpy-vizsgálat és energiadiszperzív röntgenspektroszkópia segítségével. Az eredmények azt mutatták, hogy a szubkritikus hőkezelés (PWHT) normalizáló/lágyító kezelésekkel kombinálva optimális mikroszerkezetet eredményezett, amely jó szakítószilárdsági tulajdonságokkal, valamint Charpy-szilárdsággal rendelkezett.