Kako toplinska obrada nakon zavarivanja stopa hlađenja od 400 stepeni do 200 stepeni utiče na opuštanje zaostalog naprezanja i otpornost na udubljenje završnih kapica grijača od nehrđajućeg čelika 316

Prozor kritične temperature za oslobađanje od stresa bez senzibilizacije

Tehnika zavarivanja krajnjeg poklopca stvara zaostala vlačna naprezanja u električnim grijaćim cijevima omotanim od nehrđajućeg čelika 316, što može uzrokovati pucanje od korozije pod naprezanjem (SCC) i umanjiti otpornost na točenje u uvjetima klorida. Ova zaostala naprezanja se često eliminišu termičkom obradom nakon -zavarivanja (PWHT) na 400-450 stepeni u trajanju od 1-2 h. Međutim, brzina hlađenja od PWHT temperature do 200 stepeni ima značajan, ali generalno zanemaren uticaj kako na stepen relaksacije napona tako i na otpornost materijala na koroziju. Standard 316 će istaložiti karbide bogate hromom na granicama zrna (senzibilizacija) ako se polako hladi u rasponu od 300-450 stepeni. Brzo hlađenje (gašenje zrakom ili vodom) zadržava strukturu smanjenu na stres bez preosjetljivosti. Veza između PWHT brzine hlađenja, smanjenja zaostalog naprezanja i otpornosti na udubljenje je kvantificirana u ovom članku, nudeći okvir specifikacije za optimiziranu obradu nakon zavarivanja.

Protivpovoljni efekti oslobađanja od stresa i senzibilizacije

Dvije termički aktivirane reakcije se dešavaju istovremeno tokom PWHT na 400-450 stepeni u 316 nerđajućem čeliku. Prvi je oslobađanje od stresa. Preostala naprezanja zbog zavarivanja (obično 100-300 MPa) se relaksiraju pomjeranjem i obnavljanjem dislokacije. Proces je logaritamski i 70-80% zaostalog naprezanja se oslobađa nakon 1 sata na 450 stepeni. Druga faza je taloženje karbida: iznad temperatura od oko 450 stepeni, hrom karbidi mogu nukleirati, iako je precipitacija spora. Kako se materijal hladi od PWHT temperature, on ponovo prolazi kroz opseg senzibilizacije (450-850 stepeni). Međutim, pošto je PWHT temperatura (400-450 stepeni) ispod opsega senzibilizacije, dodatni karbidi se ne talože tokom zadržavanja. Rizik nastaje kada se peć sporo hladi i temperatura materijala poraste iznad 450 stepeni tokom hlađenja? Nije – PWHT se izvodi na 400-450 stepeni pa će hlađenje početi ispod opsega senzibilizacije. Pravi rizik je za PWHT na 500-600 stepeni (koji se ponekad koristi za temeljitije oslobađanje od stresa) kada postepeno hlađenje na 450-850 stepeni proizvodi senzibilizaciju. Tokom PWHT od 400-450 stepeni, ključna briga nije senzibilizacija, već ponovno uvođenje zaostalih naprezanja zbog diferencijalnog hlađenja. Svako neujednačeno hlađenje (jedna strana šava se hladi brže od druge) može stvoriti nova termička naprezanja od 50-100 MPa koja u velikoj mjeri negiraju prednost držanja za smanjenje naprezanja.

Kvantifikacija uticaja brzine hlađenja na otpornost na piting i zaostalo naprezanje

Konačno zaostalo naprezanje procijenjeno je difrakcijom X- zraka, a otpornost na pitting je procijenjena ispitivanjem kritične temperature rupice (CPT) u 1 M NaCl, u rasponu brzina hlađenja od 450 stepeni, 1 sat PWHT zavarenih 316 završnih kapa (debljina zida 1,5 mm) u kontroliranim testovima. Rezultati otkrivaju da tempo hlađenja ima mali utjecaj na senzibilizaciju (svi uzorci su ostali neosjetljivi jer maksimalna temperatura nikada nije prešla opseg senzibilizacije), ali snažan učinak na konačno zaostalo naprezanje zbog efekata toplinskog gradijenta.

PWHT Metoda hlađenja od 450 stepeni Procijenjena brzina hlađenja (450 stepeni do 200 stepeni) Konačno zaostalo naprezanje pri zavarivanju (MPa) Efikasnost otklanjanja napona (% -napona zavarenog) Kritična temperatura udubljenja (stepen) (1 M NaCl) Preporučeno za usluge hlorida
Hladna peć (isključeno)5-10 stepeni/sat 60-80 60-70 % 52-56 Ne (nije efikasno)
Mirni vazduh hladan (horizontalno) 100-200 stepeni/sat 40-60 70-80 % 54-58 Pogodno za umerene hloride
Ventilator prinudnog vazduha 300-500 stepeni/sat 30-45 80-85 % 55-59 Da
Gašenje vodom (uranjanje) 1000-2000 stepeni/sat 20-30 85-90% 56-60Da, najbolji visoki hloridi
Bez PWHT (kao-zavareni) N/A 150-250 0 % 50-54 Nije za servis klorida
Specijalni slučaj PWHT na 500-600 stepeni

In some situations where more comprehensive stress relief is required (e.g. heaters for high pressure duty or severe thermal cycling), PWHT at 500-600 °C for 1-2 hours is occasionally specified. Stress reduction efficiency at these temperatures is 90-95 % however the material is passed through the sensitisation range during heating and cooling. Severe sensitisation is seen in standard 316 (max 0.08 % C) with CPT decreasing to 35-40 °C and slow cooling from 550 °C, inappropriate for any chloride service. For these PWHT temperatures, the cooling rate is crucial. Water quenching from 550 °C (cooling rate >1000 stepeni/sat do 850-450 stepeni) potiskuje senzibilizaciju u tankozidnoj cevi, održavajući CPT oko 55-60 stepeni. Međutim, toplinski udar od vode koja gasi zavareni dio može izazvati izobličenje ili lomljenje. Poželjno rješenje za bilo koji grijač koji zahtijeva PWHT iznad 480 stepeni je da se koristi 316L (maksimalno 0,03 % C). 316L je znatno manje podložan senzibilizaciji i ima jedva neznatne taloženje karbida čak i kada se polako hladi od 550 stepeni.

Praktične preporuke za PWHT hlađenje

Za većinu od 316 obloženih grijača u vodenoj upotrebi, predloženi PWHT je 450 stepeni u trajanju od 1 sata nakon čega slijedi prisilno hlađenje zraka (brzina hlađenja od 300-500 stepeni/sat). Ovaj tretman smanjuje zaostala naprezanja za 80-85 % i ne proizvodi senzibilizaciju, jer je maksimalna dostignuta temperatura ispod opsega senzibilizacije. Gašenje vodom nudi nešto veće smanjenje stresa, ali je vjerojatnije da će se izobličiti i rijetko je neophodno. Tabela u nastavku služi kao vodič za donošenje odluke za odabir PWHT temperature, brzine hlađenja i razreda materijala u zavisnosti od korozivnosti u radu.

Servisno okruženje Nivo hlorida (ppm) Maksimalna temperatura (stepen) Preporučena brzina hlađenja PWHT Razred materijala
Suhi (ne-hlorid) Bilo Bilo Bilo Ništa (kao -zavareni) N/A 316L
Niska količina hlorida<200 <80 450°C, 1 hour Forced air 316 
Umjereni hlorid 200-500<80 450°C, 1 hour Forced air or water quench Preferred 316L
Visok nivo hlorida 500-1500<70 450°C, 1 hour Water quench 316L necessary
Very high chloride >1500 <60 500-550oC, 1 hour Water quench 316L (or upgrade to duplex)
Učinkovitost PWHT-a na verifikaciji na terenu

Za-uslužne grijače, gdje je historija PWHT nepoznata, mogu se koristiti dvije metode da se utvrdi da li su zaostala naprezanja dovoljno otpuštena. Prvi je ASTM G38 U-test savijanja, u kojem se mali uzorak iz pravog dijela grijača savija za 180 stepeni i stavlja u kipući magnezijum hlorid. Ako se pucanje razvije prije 100 sati, zaostala naprezanja prelaze 100 MPa. Drugi način je da se kvantifikuje zaostali napon na zavaru difrakcijom X{9}} zraka, ali to zahtijeva posebnu opremu. Ovo je realno rješenje za većinu kupaca. Stavite PWHT specifikacije na narudžbenicu i tražite verifikaciju da li je ispoštovana procedura (vrijeme, temperatura, način hlađenja).

Zaključak: Specifikacija brzine hlađenja kao dijela PWHT-a za hloridnu uslugu

Za krajnje poklopce grijača od nehrđajućeg čelika 316, termička obrada nakon -zavarivanja na 450 stepeni u trajanju od 1 sata praćena prisilnim hlađenjem zraka daje 80-85% ublažavanje naprezanja bez senzibilizacije, značajno povećavajući otpornost na SCC i pitting u hloridnim sredinama. Ne preporučuje se sporo hlađenje (u peći) jer bi to umanjilo efikasnost ublažavanja stresa. Gašenje vodom omogućava maksimalno smanjenje stresa, ali i povećava složenost i rizik. 316L treba navesti i gašenje vodom je potrebno za PWHT na višim temperaturama (500-600 stepeni) kako bi se spriječila senzibilizacija. Za servis hlorida, inženjeri koji specificiraju PWHT takođe moraju definisati temperaturu zadržavanja i metod hlađenja. Metodologija koja je ovdje data omogućava kupcima da odaberu PWHT parametre koji maksimiziraju otpornost na koroziju, dok istovremeno sprječavaju neželjenu senzibilizaciju koja bi se mogla pojaviti pri neodgovarajućem hlađenju, povezujući brzinu hlađenja sa zaostalim naprezanjem i otpornošću na točenje.