1. Przegląd stali kriogenicznej
1) Wymagania techniczne dla stali niskotemperaturowej to ogólnie: wystarczająca wytrzymałość i wystarczająca udarność w środowisku o niskiej temperaturze, dobra wydajność spawania, wydajność przetwarzania i odporność na korozję itp. Wśród nich jest udarność w niskich temperaturach, czyli zdolność Najważniejszym czynnikiem jest zapobieganie występowaniu i rozszerzaniu się kruchego pękania w niskiej temperaturze. Dlatego też kraje zazwyczaj ustalają określoną wartość udarności w najniższej temperaturze.
2) Wśród składników stali niskotemperaturowej powszechnie uważa się, że pierwiastki takie jak węgiel, krzem, fosfor, siarka i azot pogarszają wytrzymałość w niskich temperaturach, a fosfor jest najbardziej szkodliwy, dlatego należy przeprowadzić wczesną defosforację w niskiej temperaturze wykonywane podczas wytapiania. Pierwiastki takie jak mangan i nikiel mogą poprawić wytrzymałość w niskich temperaturach. Na każdy 1% wzrost zawartości niklu można obniżyć krytyczną temperaturę przejścia kruchego o około 20°C.
3) Proces obróbki cieplnej ma decydujący wpływ na strukturę metalograficzną i wielkość ziaren stali niskotemperaturowej, co wpływa również na udarność stali w niskich temperaturach. Po hartowaniu i odpuszczaniu wyraźnie poprawia się wytrzymałość w niskich temperaturach.
4) Według różnych metod formowania na gorąco stal niskotemperaturową można podzielić na staliwo i stal walcowaną. Ze względu na różnicę w składzie i strukturze metalograficznej stal niskotemperaturową można podzielić na: stal niskostopową, stal 6% niklową, stal niklową 9%, stal austenityczną chromowo-manganową lub chromowo-manganowo-niklową oraz austenityczną stal nierdzewną chromowo-niklową Czekać. Stal niskostopowa jest powszechnie stosowana w zakresie temperatur około -100°C do produkcji sprzętu chłodniczego, sprzętu transportowego, magazynów winylu i sprzętu petrochemicznego. W Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii, Japonii i innych krajach stal o zawartości 9% niklu jest szeroko stosowana w konstrukcjach niskotemperaturowych w temperaturze 196°C, takich jak zbiorniki magazynujące do przechowywania i transportu skroplonego biogazu i metanu, urządzenia do magazynowania ciekłego tlenu oraz wytwarzanie ciekłego tlenu i ciekłego azotu. Austenityczna stal nierdzewna jest bardzo dobrym materiałem konstrukcyjnym niskotemperaturowym. Ma dobrą wytrzymałość w niskich temperaturach, doskonałą wydajność spawania i niską przewodność cieplną. Jest szeroko stosowany w polach niskotemperaturowych, takich jak cysterny transportowe i zbiorniki magazynujące ciekły wodór i ciekły tlen. Ponieważ jednak zawiera więcej chromu i niklu, jest droższy.
2. Przegląd konstrukcji spawanych ze stali niskotemperaturowych
Przy wyborze metody spawania konstrukcji i warunków konstrukcyjnych stali niskotemperaturowej problem skupia się na dwóch aspektach: zapobieganiu pogorszeniu się udarności złącza spawanego w niskich temperaturach oraz zapobieganiu powstawaniu pęknięć spawalniczych.
1) Obróbka skosu
Kształt rowka złączy spawanych ze stali niskotemperaturowej zasadniczo nie różni się od kształtu zwykłej stali węglowej, stali niskostopowej lub stali nierdzewnej i można go traktować jak zwykle. Jednak w przypadku 9Ni Gang kąt otwarcia rowka wynosi korzystnie nie mniej niż 70 stopni, a tępa krawędź korzystnie wynosi nie mniej niż 3 mm.
Wszystkie stale niskotemperaturowe można ciąć palnikiem acetylenowo-tlenowym. Tyle, że prędkość cięcia jest nieco mniejsza przy cięciu gazowym stali 9Ni niż przy cięciu gazowym zwykłej węglowej stali konstrukcyjnej. Jeżeli grubość stali przekracza 100mm, krawędź tnącą można przed cięciem gazowym podgrzać do temperatury 150-200°C, jednak nie wyższej niż 200°C.
Cięcie gazowe nie ma negatywnego wpływu na obszary narażone na działanie ciepła spawania. Jednak ze względu na właściwości samoutwardzalne stali zawierającej nikiel, cięta powierzchnia stwardnieje. Aby zapewnić zadowalającą wydajność złącza spawanego, najlepiej przed spawaniem przeszlifować powierzchnię ciętej powierzchni do czysta za pomocą tarczy szlifierskiej.
Żłobienie łukowe można zastosować, jeśli podczas spawania konstrukcji ma zostać usunięty ścieg spoiny lub metal nieszlachetny. Jednakże powierzchnię nacięcia należy nadal przeszlifować do czysta przed ponownym nałożeniem.
Nie należy stosować żłobienia płomieniem acetylenowo-tlenowym ze względu na niebezpieczeństwo przegrzania stali.
2) Wybór metody spawania
Typowe metody spawania dostępne dla stali niskotemperaturowej obejmują spawanie łukowe, spawanie łukiem krytym i spawanie łukiem stopionej elektrody argonem.
Spawanie łukowe jest najczęściej stosowaną metodą spawania stali niskotemperaturowej i można je spawać w różnych pozycjach spawania. Dopływ ciepła spawania wynosi około 18-30 KJ/cm. Jeśli zostanie zastosowana elektroda o niskiej zawartości wodoru, można uzyskać całkowicie zadowalające połączenie spawane. Nie tylko właściwości mechaniczne są dobre, ale także wytrzymałość na karb jest całkiem dobra. Ponadto spawarka łukowa jest prosta i tania, a inwestycja w sprzęt jest niewielka i nie ma na nią wpływu położenie i kierunek. korzyści, takie jak ograniczenia.
Dopływ ciepła podczas spawania łukiem krytym stali niskotemperaturowej wynosi około 10-22 KJ/cm. Ze względu na proste wyposażenie, wysoką wydajność spawania i wygodną obsługę jest szeroko stosowany. Jednakże, ze względu na właściwości termoizolacyjne topnika, szybkość chłodzenia zostanie zmniejszona, zatem istnieje większa tendencja do powstawania pęknięć na gorąco. Ponadto zanieczyszczenia i Si mogą często przedostawać się do metalu spoiny z topnika, co dodatkowo pogłębia tę tendencję. Dlatego też podczas spawania łukiem krytym należy zwrócić uwagę na dobór drutu spawalniczego i topnika oraz postępować ostrożnie.
Złącza spawane metodą spawania w osłonie gazu CO2 mają niską wytrzymałość, dlatego nie są stosowane do spawania stali w niskich temperaturach.
Spawanie łukiem wolframowo-argonowym (spawanie TIG) jest zwykle wykonywane ręcznie, a ciepło doprowadzone do spawania jest ograniczone do 9-15 KJ/cm. Dlatego chociaż złącza spawane mają w pełni zadowalające właściwości, to zupełnie nie nadają się, gdy grubość stali przekracza 12mm.
Spawanie MIG jest najpowszechniej stosowaną metodą spawania automatycznego lub półautomatycznego przy spawaniu stali w niskich temperaturach. Jego dopływ ciepła spawania wynosi 23-40KJ/cm. Ze względu na metodę przenoszenia kropli można ją podzielić na trzy typy: proces przenoszenia zwarciowego (mniejsze doprowadzenie ciepła), proces przenoszenia strumieniowego (większy dopływ ciepła) i proces przenoszenia strumieniem impulsowym (największy dopływ ciepła). W przypadku spawania metodą zwarciową metodą MIG występuje problem niewystarczającej penetracji i może wystąpić defekt związany ze słabym wtopieniem. Podobne problemy występują w przypadku innych topników MIG, ale w różnym stopniu. Aby łuk był bardziej skoncentrowany i osiągał zadowalającą penetrację, można infiltrować od kilku do kilkudziesięciu procent CO2 lub O2 w postaci czystego argonu jako gazu osłonowego. Odpowiednie wartości procentowe należy określić poprzez badanie konkretnej spawanej stali.
3) Dobór materiałów spawalniczych
Materiały spawalnicze (w tym pręt spawalniczy, drut spawalniczy i topnik itp.) powinny zasadniczo opierać się na stosowanej metodzie spawania. Forma złącza i kształt rowka oraz inne niezbędne cechy do wyboru. W przypadku stali niskotemperaturowych najważniejszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest to, aby metal spoiny miał wystarczającą udarność w niskich temperaturach, aby odpowiadał metalowi nieszlachetnemu i minimalizował zawartość w nim dyfundującego wodoru.
Spawanie Xinfa ma doskonałą jakość i dużą trwałość. Aby uzyskać szczegółowe informacje, sprawdź:https://www.xinfatools.com/welding-cutting/
(1) Stal odtleniona aluminium
Stal odtleniona aluminium jest gatunkiem stali bardzo wrażliwym na wpływ szybkości chłodzenia po spawaniu. Większość elektrod stosowanych do ręcznego spawania łukowego stali odtlenionej aluminium to elektrody niskowodorowe Si-Mn lub elektrody 1,5% Ni i 2,0% Ni.
Aby zmniejszyć dopływ ciepła spawania, w stali odtlenionej aluminium na ogół stosuje się spawanie wielowarstwowe cienkimi elektrodami o średnicy ≤¢ 3 ~ 3,2 mm, dzięki czemu wtórny cykl cieplny górnej warstwy spoiny może zostać wykorzystany do rozdrobnienia ziaren.
Udarność metalu spoiny spawanej elektrodą serii Si-Mn gwałtownie spadnie przy 50℃ wraz ze wzrostem wprowadzonego ciepła. Na przykład, gdy dopływ ciepła wzrośnie z 18 KJ/cm do 30 KJ/cm, wytrzymałość spadnie o ponad 60%. Elektrody spawalnicze serii 1,5%Ni i 2,5%Ni nie są na to zbyt wrażliwe, dlatego do spawania najlepiej wybierać ten rodzaj elektrody.
Spawanie łukiem krytym jest powszechnie stosowaną metodą automatycznego spawania stali odtlenionej aluminium. Drut spawalniczy stosowany do spawania łukiem krytym jest korzystnie drutem zawierającym 1,5 ~ 3,5% niklu i 0,5 ~ 1,0% molibdenu.
Według literatury, przy zastosowaniu drutu spawalniczego o zawartości 2,5%Ni – 0,8%Cr – 0,5%Mo lub 2%Ni, dobranego z odpowiednim topnikiem, średnia wartość udarności Charpy’ego metalu spoiny w temperaturze -55°C może osiągnąć 56-70J (5,7 ~7,1 kgf.m). Nawet jeśli stosuje się drut spawalniczy z zawartością 0,5% Mo i podstawowy topnik ze stopu manganu, o ile dopływ ciepła jest kontrolowany poniżej 26 KJ/cm, nadal można wytworzyć metal spoiny o ν∑-55=55J (5,6 Kgf.m).
Przy doborze topnika należy zwrócić uwagę na dopasowanie Si i Mn w stopiwie. Dowód testowy. Różna zawartość Si i Mn w stopiwie znacznie zmienia wartość wytrzymałości Charpy'ego. Zawartość Si i Mn o najlepszej wartości wytrzymałości wynosi 0,1 ~ 0,2% Si i 0,7 ~ 1,1% Mn. Wybierając drut spawalniczy i pamiętaj o tym podczas lutowania.
Spawanie łukiem wolframowo-argonowym i spawanie łukiem argonowym z metalem są rzadziej stosowane w przypadku stali odtlenionej aluminium. Powyższe druty spawalnicze do spawania łukiem krytym można również stosować do spawania łukiem argonowym.
(2) Stal 2,5Ni i 3,5Ni
Spawanie łukiem krytym lub spawanie metodą MIG stali 2,5 Ni i stali 3,5 Ni można ogólnie spawać tym samym drutem spawalniczym, co materiał podstawowy. Ale jak pokazuje wzór Wilkinsona (5), Mn jest pierwiastkiem hamującym pękanie na gorąco w przypadku stali niskotemperaturowych o niskiej zawartości niklu. Utrzymywanie zawartości manganu w stopiwie na poziomie około 1,2% jest bardzo korzystne, ponieważ pozwala zapobiegać pęknięciom na gorąco, takim jak pęknięcia kraterowe łukowe. Należy to wziąć pod uwagę przy wyborze kombinacji drutu spawalniczego i topnika.
Stal 3,5Ni ma tendencję do odpuszczania i kruchości, więc po obróbce cieplnej po spawaniu (na przykład 620°C x 1 godzina, a następnie ochłodzeniu w piecu) w celu wyeliminowania naprężeń szczątkowych, ν∑-100 gwałtownie spadnie z 3,8 Kgf.m do 2,1 Kgf.m nie może już spełniać wymagań. Metal spoiny powstały w wyniku spawania drutem spawalniczym serii 4,5%Ni-0,2%Mo ma znacznie mniejszą tendencję do kruchości odpuszczania. Używanie tego drutu spawalniczego pozwala uniknąć powyższych trudności.
(3) Stal 9Ni
Stal 9Ni jest zwykle poddawana obróbce cieplnej poprzez hartowanie i odpuszczanie lub dwukrotną normalizację i odpuszczanie, aby zmaksymalizować jej wytrzymałość w niskich temperaturach. Jednak stopiwa tej stali nie można poddać obróbce cieplnej jak powyżej. Dlatego trudno jest uzyskać metal spoiny o wytrzymałości w niskich temperaturach porównywalnej z wytrzymałością metalu rodzimego, jeśli stosuje się materiały spawalnicze na bazie żelaza. Obecnie stosuje się głównie materiały spawalnicze o wysokiej zawartości niklu. Spoiny utworzone przez takie materiały spawalnicze będą całkowicie austenityczne. Chociaż ma wady w postaci niższej wytrzymałości niż materiał bazowy ze stali 9Ni i bardzo drogiej ceny, kruche pękanie nie stanowi już dla niego poważnego problemu.
Z powyższego można wiedzieć, że ponieważ metal spoiny jest całkowicie austenityczny, wytrzymałość metalu spoiny stosowanego do spawania elektrodami i drutami w niskich temperaturach jest całkowicie porównywalna z wytrzymałością metalu nieszlachetnego, ale wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności są niższy niż metal nieszlachetny. Stal zawierająca nikiel jest samoutwardzalna, dlatego w większości elektrod i drutów należy zwracać uwagę na ograniczenie zawartości węgla, aby uzyskać dobrą spawalność.
Mo jest ważnym pierwiastkiem wzmacniającym w materiałach spawalniczych, natomiast Nb, Ta, Ti i W są ważnymi pierwiastkami wzmacniającymi, którym poświęcono pełną uwagę przy doborze materiałów spawalniczych.
Gdy do spawania używany jest ten sam drut spawalniczy, wytrzymałość i ciągliwość metalu spoiny przy spawaniu łukiem krytym jest gorsza niż przy spawaniu MIG, co może być spowodowane spowolnieniem szybkości stygnięcia spoiny i możliwą infiltracją zanieczyszczeń lub Si od strumienia.
3. Spawanie rur ze stali niskotemperaturowej A333-GR6
1) Analiza spawalności stali A333-GR6
Stal A333–GR6 należy do stali niskotemperaturowych, minimalna temperatura pracy wynosi -70 ℃ i zwykle dostarczana jest w stanie znormalizowanym lub znormalizowanym i odpuszczonym. Stal A333-GR6 ma niską zawartość węgla, więc tendencja do hartowania i pękania na zimno są stosunkowo małe, materiał ma dobrą wytrzymałość i plastyczność, ogólnie nie jest łatwo wytworzyć defekty związane z hartowaniem i pękaniem oraz ma dobrą spawalność. Drutu do spawania łukowego argonem ER80S-Ni1 można używać z elektrodą W707Ni, należy stosować spawanie argonowo-elektryczne lub stosować drut do spawania łukiem argonowym ER80S-Ni1 i spawać łukiem pełnym argonem, aby zapewnić dobrą wytrzymałość połączeń spawanych. Marka drutu i elektrody do spawania łukowego argonem może również wybierać produkty o tych samych parametrach, jednak można je stosować wyłącznie za zgodą właściciela.
2) Proces spawania
Szczegółowe metody procesu spawania można znaleźć w instrukcji procesu spawania lub WPS. Podczas spawania stosuje się złącze doczołowe typu I i spawanie łukiem pełnym argonem dla rur o średnicy mniejszej niż 76,2 mm; dla rur o średnicy większej niż 76,2 mm wykonuje się rowki w kształcie litery V i stosuje się metodę kombinowanego spawania argonowo-elektrycznego z gruntowaniem łukowym argonem i wypełnieniem wielowarstwowym lub metodą pełnego spawania łukowego argonem. Konkretna metoda polega na wybraniu odpowiedniej metody spawania zgodnie z różnicą w średnicy rury i grubości ścianki rury w WPS zatwierdzonych przez właściciela.
3) Proces obróbki cieplnej
(1) Podgrzewanie przed spawaniem
Gdy temperatura otoczenia jest niższa niż 5 ° C, należy podgrzać konstrukcję spawaną, a temperatura podgrzewania wstępnego wynosi 100-150 ° C; zakres podgrzewania wstępnego wynosi 100 mm po obu stronach spoiny; podgrzewa się go płomieniem acetylenowo-tlenowym (płomień neutralny) i dokonuje się pomiaru temperatury Pióro mierzy temperaturę w odległości 50-100 mm od środka spoiny, a punkty pomiaru temperatury są równomiernie rozłożone, aby lepiej kontrolować temperaturę .
(2) Obróbka cieplna po spawaniu
Aby poprawić udarność stali niskotemperaturowej, powszechnie stosowane materiały zostały poddane hartowaniu i odpuszczaniu. Niewłaściwa obróbka cieplna po spawaniu często pogarsza jego właściwości użytkowe w niskich temperaturach, na co należy zwrócić szczególną uwagę. Dlatego też, z wyjątkiem warunków dużej grubości spoiny lub bardzo trudnych warunków utwierdzenia, obróbki cieplnej po spawaniu zwykle nie przeprowadza się w przypadku stali niskotemperaturowych. Przykładowo spawanie nowych rurociągów LPG w CSPC nie wymaga obróbki cieplnej po spawaniu. Jeżeli w niektórych projektach rzeczywiście wymagana jest obróbka cieplna po spawaniu, szybkość nagrzewania, czas stałej temperatury i szybkość chłodzenia podczas obróbki cieplnej po spawaniu muszą być ściśle zgodne z następującymi przepisami:
Gdy temperatura wzrośnie powyżej 400 ℃, szybkość ogrzewania nie powinna przekraczać 205 × 25/δ ℃/h i nie powinna przekraczać 330 ℃/h. Czas utrzymywania stałej temperatury powinien wynosić 1 godzinę na grubość ścianki 25 mm i nie mniej niż 15 minut. W okresie stałej temperatury różnica temperatur pomiędzy najwyższą i najniższą temperaturą powinna być mniejsza niż 65 ℃.
Po stałej temperaturze szybkość chłodzenia nie powinna być większa niż 65 × 25/δ ℃/h i nie powinna być większa niż 260 ℃/h. Naturalne chłodzenie jest dozwolone poniżej 400 ℃. Urządzenia do obróbki cieplnej typu TS-1 sterowane komputerowo.
4) Środki ostrożności
(1) Ściśle rozgrzej wstępnie zgodnie z przepisami i kontroluj temperaturę międzywarstwową, a temperatura międzywarstwowa jest kontrolowana na poziomie 100-200 ℃. Każdy szew spawalniczy należy zgrzewać jednorazowo, a w przypadku jego przerwania należy zastosować powolne schładzanie.
(2) Surowo zabrania się zarysowania powierzchni konstrukcji spawanej przez łuk. Krater łukowy należy wypełnić, a ubytki przeszlifować ściernicą przy zamkniętym łuku. Połączenia pomiędzy warstwami spoiny wielowarstwowej powinny być przesunięte.
(3) Ściśle kontroluj energię linii, stosuj mały prąd, niskie napięcie i szybkie spawanie. Długość spawania każdej elektrody W707Ni o średnicy 3,2 mm musi być większa niż 8 cm.
(4) Należy przyjąć tryb pracy z krótkim łukiem i bez wahań.
(5) Należy zastosować proces pełnej penetracji i przeprowadzić go ściśle według wymagań specyfikacji procesu spawania i karty procesu spawania.
(6) Wzmocnienie spoiny wynosi 0 ~ 2 mm, a szerokość każdej strony spoiny wynosi ≤ 2 mm.
(7) Badania nieniszczące można przeprowadzić co najmniej 24 godziny po uznaniu wizualnej kontroli spoiny. Spoiny czołowe rurociągów podlegają normie JB 4730-94.
(8) Norma „Zbiorniki ciśnieniowe: badania nieniszczące zbiorników ciśnieniowych”, kwalifikacja klasy II.
(9) Naprawę spoiny należy przeprowadzić przed obróbką cieplną po spawaniu. Jeżeli po obróbce cieplnej konieczna jest naprawa, spoinę należy po naprawie ponownie podgrzać.
(10) Jeżeli wymiar geometryczny powierzchni spoiny przekracza normę, dopuszcza się szlifowanie, a grubość po szlifowaniu nie powinna być mniejsza niż wymagana projektowo.
(11) W przypadku ogólnych wad spawalniczych dopuszczalne są maksymalnie dwie naprawy. Jeżeli obie naprawy są nadal niekwalifikowane, spoinę należy odciąć i ponownie zespawać zgodnie z pełnym procesem spawania.
Czas publikacji: 21 czerwca 2023 r
