1. Огляд кріогенної сталі
1) Технічними вимогами до низькотемпературної сталі, як правило, є: достатня міцність і достатня в'язкість у низькотемпературному середовищі, хороші зварювальні характеристики, ефективність обробки та корозійна стійкість тощо. Серед них низькотемпературна в'язкість, тобто здатність запобігання виникненню та розширенню крихкого руйнування при низькій температурі є найважливішим фактором. Тому країни зазвичай обумовлюють певне значення ударної в'язкості при найнижчій температурі.
2) Серед компонентів низькотемпературної сталі зазвичай вважають, що такі елементи, як вуглець, кремній, фосфор, сірка та азот, погіршують низькотемпературну в'язкість, а фосфор є найбільш шкідливим, тому раннє низькотемпературне дефосфорування повинно бути виконується під час плавки. Такі елементи, як марганець і нікель, можуть покращити міцність при низьких температурах. З кожним збільшенням вмісту нікелю на 1% температуру критичного переходу крихкості можна знизити приблизно на 20°C.
3) Процес термічної обробки має вирішальний вплив на металографічну структуру та розмір зерна низькотемпературної сталі, що також впливає на низькотемпературну в'язкість сталі. Після загартування та відпустки в'язкість при низькій температурі очевидно покращилася.
4) Відповідно до різних методів гарячого формування, низькотемпературну сталь можна розділити на литу сталь і сталевий прокат. Відповідно до різниці складу та металографічної структури, низькотемпературну сталь можна розділити на: низьколеговану сталь, 6% нікелеву сталь, 9% нікелеву сталь, хромомарганцеву або хромомарганцево-нікелеву аустенітну сталь і хромонікелеву аустенітну нержавіючу сталь чекати. Низьколегована сталь зазвичай використовується в температурному діапазоні близько -100°C для виробництва холодильного обладнання, транспортного обладнання, складських приміщень для вінілу та нафтохімічного обладнання. У Сполучених Штатах, Великобританії, Японії та інших країнах 9% нікелева сталь широко використовується в низькотемпературних конструкціях при 196°C, таких як резервуари для зберігання та транспортування зрідженого біогазу та метану, обладнання для зберігання рідкого кисню. , а також виробництво рідкого кисню та рідкого азоту. Аустенітна нержавіюча сталь є дуже хорошим низькотемпературним конструкційним матеріалом. Він має хорошу низькотемпературну в'язкість, відмінні зварювальні характеристики та низьку теплопровідність. Він широко використовується в низькотемпературних полях, таких як транспортні танкери та резервуари для зберігання рідкого водню та рідкого кисню. Однак, оскільки він містить більше хрому та нікелю, він дорожчий.
2. Огляд конструкцій з низькотемпературного зварювання сталі
При виборі методу зварювання та умов виготовлення низькотемпературної сталі основна увага приділяється двом аспектам: запобіганню погіршення низькотемпературної в’язкості зварного з’єднання та запобіганню виникненню зварювальних тріщин.
1) Обробка скосу
Форма канавки зварних з'єднань з низькотемпературної сталі принципово не відрізняється від звичайної вуглецевої сталі, низьколегованої сталі або нержавіючої сталі, і її можна обробляти як звичайно. Але для 9Ni Gang кут розкриття канавки переважно становить не менше 70 градусів, а тупий край переважно не менше 3 мм.
Усі низькотемпературні сталі можна різати оксиацетиленовим пальником. Просто при газовому різанні сталі 9Ni швидкість різання трохи нижча, ніж при газовому різанні звичайної вуглецевої конструкційної сталі. Якщо товщина сталі перевищує 100 мм, ріжучу кромку перед газовим різанням можна попередньо нагріти до 150-200 °C, але не вище 200 °C.
Газове різання не має негативного впливу на зони впливу тепла зварювання. Однак завдяки властивостям самозатвердіння нікельвмісної сталі поверхня різу затвердіє. Щоб забезпечити задовільну роботу зварного з’єднання, найкраще використовувати шліфувальний круг, щоб відшліфувати поверхню розрізаної поверхні перед зварюванням.
Дугове довбання можна використовувати, якщо зварювальний шов або основний метал необхідно видалити під час зварювання. Однак перед повторним нанесенням поверхню виїмки слід відшліфувати.
Не слід застосовувати оксиацетиленову стружку через небезпеку перегріву сталі.
2) Вибір способу зварювання
Типові методи зварювання, доступні для низькотемпературної сталі, включають дугове зварювання, зварювання під флюсом і аргонодугове зварювання розплавленим електродом.
Дугове зварювання є найпоширенішим методом зварювання низькотемпературної сталі, і його можна зварювати в різних положеннях зварювання. Потужність зварювального тепла становить близько 18-30 кДж/см. Якщо використовується електрод з низьким вмістом водню, можна отримати цілком задовільний зварний з'єднання. Не тільки хороші механічні властивості, але й міцність надрізу також досить хороша. Крім того, апарат дугового зварювання простий і дешевий, а інвестиції в обладнання невеликі, і на нього не впливає положення та напрямок. переваги, такі як обмеження.
Тепловіддача при зварюванні під флюсом низькотемпературної сталі становить близько 10-22 кДж/см. Завдяки простому обладнанню, високій ефективності зварювання та зручній експлуатації він широко використовується. Однак через теплоізоляційний ефект флюсу швидкість охолодження буде сповільнена, тому існує більша тенденція до утворення гарячих тріщин. Крім того, домішки та Si можуть часто потрапляти в метал шва з флюсу, що ще більше сприятиме цій тенденції. Тому, використовуючи зварювання під флюсом, зверніть увагу на вибір зварювального дроту та флюсу та обережно дійте.
З'єднання, зварені зварюванням в захисному газі CO2, мають низьку в'язкість, тому їх не використовують при низькотемпературному зварюванні сталі.
Аргонодугове зварювання вольфрамом (TIG) зазвичай виконується вручну, і його зварювальне теплопостачання обмежене 9-15 кДж/см. Тому, хоча зварні з'єднання мають цілком задовільні властивості, вони абсолютно непридатні, якщо товщина сталі перевищує 12 мм.
Зварювання MIG є найбільш широко використовуваним автоматичним або напівавтоматичним методом зварювання при низькій температурі зварювання сталі. Його зварювальна теплоємність становить 23-40 кДж/см. Відповідно до методу краплинного перенесення його можна розділити на три типи: процес передачі короткого замикання (нижче теплопостачання), процес струминного переносу (більше теплопостачання) та процес імпульсного струминного переносу (найбільше теплопостачання). Зварювання MIG при короткому замиканні має проблему недостатнього проплавлення, і може виникнути дефект поганого плавлення. Подібні проблеми існують і з іншими потоками MIG, але в іншому ступені. Щоб зробити дугу більш концентрованою для досягнення задовільного проникнення, від кількох відсотків до десятків відсотків CO2 або O2 можна проникнути в чистий аргон як захисний газ. Відповідні відсотки повинні бути визначені шляхом випробування конкретної сталі, що зварюється.
3) Вибір зварювальних матеріалів
Зварювальні матеріали (включаючи зварювальний пруток, зварювальний дріт і флюс тощо), як правило, повинні залежати від використовуваного методу зварювання. Форма з’єднання та форма канавки та інші необхідні характеристики на вибір. Для низькотемпературної сталі найголовніше, на що слід звернути увагу, - це зробити метал шва таким, щоб мати низьку температурну в'язкість, щоб відповідати основному металу, і мінімізувати вміст у ньому дифузійного водню.
Зварювання Xinfa має відмінну якість і високу довговічність, для деталей, будь ласка, перевірте:https://www.xinfatools.com/welding-cutting/
(1) Розкислена алюмінієва сталь
Алюмінієва розкислена сталь - це марка сталі, дуже чутлива до впливу швидкості охолодження після зварювання. Більшість електродів, які використовуються при ручному дуговому зварюванні алюмінієвої розкисленої сталі, являють собою Si-Mn електроди з низьким вмістом водню або 1,5% Ni та 2,0% Ni електроди.
Щоб зменшити споживання тепла при зварюванні, розкислена алюмінієва сталь зазвичай використовує лише багатошарове зварювання тонкими електродами ≤¢3~3,2 мм, щоб вторинний тепловий цикл верхнього шару зварного шва міг використовуватися для очищення зерен.
Ударна в'язкість металу шва, звареного електродом серії Si-Mn, різко знизиться при 50 ℃ зі збільшенням підведення тепла. Наприклад, коли підведення тепла збільшується з 18 кДж/см до 30 кДж/см, міцність втрачається більш ніж на 60%. Зварювальні електроди серії 1,5%Ni і 2,5%Ni не надто чутливі до цього, тому для зварювання краще вибирати саме такий електрод.
Зварювання під флюсом є широко використовуваним методом автоматичного зварювання алюмінієвої розкисленої сталі. Для зварювання під флюсом краще використовувати зварювальний дріт, що містить 1,5-3,5% нікелю та 0,5-1,0% молібдену.
Відповідно до літератури, зі зварювальним дротом 2,5% Ni—0,8%Cr—0,5%Mo або 2%Ni з відповідним флюсом середнє значення в'язкості за Шарпі металу шва при -55°C може досягати 56-70 Дж (5,7 ~7,1 кгс.м). Навіть якщо використовується зварювальний дріт з вмістом 0,5 % Mo та базовий флюс із марганцевого сплаву, за умови, що підведення тепла контролюється нижче 26 КДж/см, наплавлений метал із ν∑-55=55 Дж (5,6 кгс.м) все одно може бути виготовлений.
При виборі флюсу слід звернути увагу на відповідність Si і Mn в металі шва. Тестовий доказ. Різний вміст Si та Mn у наплавленому металі значно змінить значення в'язкості за Шарпі. Вміст Si та Mn із найкращим значенням міцності становить 0,1–0,2% Si та 0,7–1,1% Mn. Вибираючи зварювальний дріт, пам’ятайте про це під час паяння.
Аргонодугове зварювання вольфрамом і аргонодугове зварювання металу менше використовуються для розкисленої алюмінію сталі. Перераховані вище зварювальні дроти для зварювання під флюсом можна також використовувати для аргонодугового зварювання.
(2) Сталь 2,5Ni та 3,5Ni
Зварювання під флюсом або MIG сталі 2,5Ni та сталі 3,5Ni зазвичай можна зварювати тим самим зварювальним дротом, що й основний матеріал. Але, як показує формула Вілкінсона (5), марганець є інгібітором гарячого розтріскування для низькотемпературної сталі з низьким вмістом нікелю. Підтримання вмісту марганцю в наплавленому металі на рівні близько 1,2% є дуже корисним для запобігання гарячим тріщинам, таким як тріщини дугового кратера. Це слід враховувати при виборі комбінації зварювального дроту і флюсу.
Сталь 3,5Ni схильна до відпуску та крихкості, тому після термічної обробки після зварювання (наприклад, 620°C×1 година, потім охолодження печі) для усунення залишкової напруги ν∑-100 різко впаде з 3,8 кгс·м до 2,1 кгс.м більше не відповідає вимогам. Метал шва, утворений зварюванням зварювальним дротом серії 4,5% Ni-0,2% Mo, має набагато меншу тенденцію до відпускної крихкості. За допомогою цього зварювального дроту можна уникнути перерахованих вище труднощів.
(3) сталь 9Ni
Сталь 9Ni зазвичай піддається термічній обробці шляхом загартування та відпустки або подвійної нормалізації та відпустки, щоб максимізувати її міцність при низьких температурах. Але зварний метал цієї сталі не можна термічно обробити, як зазначено вище. Тому важко отримати зварювальний метал із низькотемпературною в’язкістю, порівнянною з основним металом, якщо використовуються зварювальні матеріали на основі заліза. В даний час для зварювання в основному використовуються високонікелеві матеріали. Зварні шви, наплавлені такими зварювальними матеріалами, будуть повністю аустенітними. Хоча він має такі недоліки, як нижча міцність, ніж базовий матеріал зі сталі 9Ni, і дуже дорогі ціни, крихке руйнування більше не є для нього серйозною проблемою.
З вищесказаного можна знати, що оскільки метал шва є повністю аустенітним, низькотемпературна в’язкість металу шва, який використовується для зварювання електродами та дротом, цілком порівнянна з міцністю основного металу, але міцність на розрив і межа текучості є нижче основного металу. Сталь, що містить нікель, самотвердіє, тому більшість електродів і дроту звертають увагу на обмеження вмісту вуглецю, щоб досягти гарної зварюваності.
Mo є важливим зміцнюючим елементом у зварювальних матеріалах, тоді як Nb, Ta, Ti і W є важливими зміцнюючими елементами, яким приділялася повна увага при виборі зварювальних матеріалів.
Коли для зварювання використовується той самий зварювальний дріт, міцність і в’язкість металу шва під флюсом гірші, ніж при зварюванні MIG, що може бути спричинено уповільненням швидкості охолодження зварного шва та можливим проникненням домішок або Si від потоку.
3. Низькотемпературне зварювання сталевих труб A333-GR6
1) Аналіз зварюваності сталі A333-GR6
Сталь A333–GR6 відноситься до низькотемпературних сталей, мінімальна робоча температура становить -70 ℃, і зазвичай вона поставляється в нормалізованому або нормалізованому та відпущеному стані. Сталь A333-GR6 має низький вміст вуглецю, тому тенденція до загартування та тенденція до холодного розтріскування є відносно невеликою, матеріал має хорошу в’язкість і пластичність, як правило, нелегко виробляти загартування та дефекти тріщин, і має хорошу зварюваність. Аргонодуговий зварювальний дріт ER80S-Ni1 можна використовувати з електродом W707Ni, аргоно-електричним зварюванням, або аргонодуговим зварювальним дротом ER80S-Ni1 і повністю аргонодуговим зварюванням, щоб забезпечити хорошу міцність зварних з’єднань. Марка аргонодугового зварювального дроту і електрода також може підібрати вироби з однаковими характеристиками, але використовувати їх можна тільки за згодою власника.
2) Процес зварювання
Щоб отримати докладні відомості про методи процесу зварювання, зверніться до посібника з процесу зварювання або WPS. При зварюванні труб діаметром менше 76,2 мм застосовують стикове двотаврове з'єднання і аргонодугове зварювання; для труб діаметром більше 76,2 мм виконуються V-подібні канавки і використовується метод комбінованого аргоно-електрозварювання з аргонодуговим заливкою і багатошаровим заповненням або метод аргонодугового зварювання. Конкретний метод полягає у виборі відповідного методу зварювання відповідно до різниці в діаметрі труби та товщині стінки труби в WPS, затвердженому власником.
3) Процес термічної обробки
(1) Попереднє нагрівання перед зварюванням
Коли температура навколишнього середовища нижче 5 ° C, зварний виріб потрібно попередньо нагріти, а температура попереднього нагріву становить 100-150 ° C; діапазон попереднього нагріву 100 мм з обох сторін шва; його нагрівають оксиацетиленовим полум'ям (нейтральне полум'я), і вимірюють температуру. Ручка вимірює температуру на відстані 50-100 мм від центру зварного шва, а точки вимірювання температури розподіляються рівномірно для кращого контролю температури .
(2) Термообробка після зварювання
Щоб підвищити ударну в'язкість низькотемпературної сталі, матеріали, які зазвичай використовуються, були загартовані та відпущені. Неправильна термічна обробка після зварювання часто погіршує його низькотемпературні характеристики, на що слід звернути достатню увагу. Тому, за винятком умов великої товщини зварного шва або дуже суворих обмежень, термообробка після зварювання зазвичай не проводиться для низькотемпературної сталі. Наприклад, зварювання нових газопроводів на ЦГПК не вимагає термообробки після зварювання. Якщо в деяких проектах справді потрібна термічна обробка після зварювання, швидкість нагріву, час постійної температури та швидкість охолодження після зварювальної термічної обробки повинні суворо відповідати наступним правилам:
Коли температура піднімається вище 400 ℃, швидкість нагріву не повинна перевищувати 205 × 25/δ ℃/год і не повинна перевищувати 330 ℃/год. Тривалість постійної температури повинна становити 1 годину на 25 мм товщини стіни і не менше 15 хвилин. Протягом періоду постійної температури різниця температур між найвищою та найнижчою температурою має бути менше 65 ℃.
Після постійної температури швидкість охолодження не повинна перевищувати 65 × 25/δ ℃/год і не повинна перевищувати 260 ℃/год. Природне охолодження допускається нижче 400 ℃. Обладнання термообробки типу ТС-1 з комп'ютерним керуванням.
4) Запобіжні заходи
(1) Строго попередньо розігрійте відповідно до правил і контролюйте температуру прошарку, а температура проміжного шару контролюється на рівні 100-200 ℃. Кожен зварювальний шов повинен бути зварений одночасно, і якщо він переривається, необхідно вжити заходів повільного охолодження.
(2) Суворо забороняється подряпати дугою поверхню зварного шва. При замкнутій дузі кратер дуги необхідно зашпаклювати, а дефекти зашліфувати шліфувальним кругом. Стики між шарами багатошарового зварювання повинні розташовуватися в шаховому порядку.
(3) Суворо контролюйте енергію лінії, використовуйте малий струм, низьку напругу та швидке зварювання. Довжина зварювання кожного електрода W707Ni діаметром 3,2 мм повинна бути більше 8 см.
(4) Необхідно прийняти режим роботи за короткою дугою та без розгойдування.
(5) Має бути прийнятий повний процес проплавлення, і він повинен виконуватися в суворій відповідності до вимог специфікації процесу зварювання та картки процесу зварювання.
(6) Посилення зварного шва становить 0 ~ 2 мм, а ширина кожної сторони зварного шва становить ≤ 2 мм.
(7) Неруйнівний контроль можна проводити щонайменше через 24 години після кваліфікованого візуального огляду зварного шва. Стикові зварні шви трубопроводів повинні відповідати JB 4730-94.
(8) Стандарт «Посудини під тиском: неруйнівний контроль посудин під тиском», кваліфікація класу II.
(9) Ремонт зварних швів слід проводити перед термообробкою після зварювання. Якщо ремонт необхідний після термічної обробки, зварний шов слід повторно нагріти після ремонту.
(10) Якщо геометричний розмір поверхні зварного шва перевищує стандартний, допускається шліфування, а товщина після шліфування не повинна бути меншою за проектні вимоги.
(11) Для загальних дефектів зварювання допускається не більше двох ремонтів. Якщо два ремонти все ще є некваліфікованими, зварний шов необхідно відрізати та знову зварити відповідно до повного процесу зварювання.
Час публікації: 21 червня 2023 р
