2.14

Naziv predmeta: MATERIJALI I NJIHOVO

PONAANJE PRI ZAVARIVANJU

Broj dok.: 2.14.

Datum: maj, 2004.

Autor: Mirjana Smiljani, dipl. Ing. Niskolegirani elici otporni

na puzanje

Revizija: 1

Septembar, 2004.

Neovlaeno umnoavanje nije dozvoljeno

PROGRAM

Mehanizam otpornosti na puzanje, ispitivanje otpornosti na puzanje, predvianje preostalog veka, otpornost na oksidaciju, pregled vrsta elika otpornih na puzanje i visoke temperature, primenjivi postupci zavarivanja, dodatni materijali, problemi zavarivanja i mere predostronosti, kontrola kvaliteta zavarenih spojeva, krtost na 475 C, standardi.

Broj dok.: 2.14

Naziv dokumenta:

Niskolegirani elici otporni na puzanje

Strana 1 od 6


UVOD Puzanje Puzanjem se naziva proces plastine deformacije elika na povienim temperaturama u uslovima vremenskog optereenja, ija je krajnja posledica lom usled termikog zamora. Pri ispitivanju elika na zatezanje na okolnoj temperaturi odreuju se nazivne vrednosti za ocenu konstrukcionog elika. Proraun konstrukcije se zasniva uglavnom na osnovu napona teenja (Re). Poveanjem temperature ispitivanja nastaju promene mehanikih osobina na zatezanje, koje se pri viim temperaturama manifestuju opadanjem vrednosti vrstoe i napona teenja, i porastom karakteristika deformabilnosti (sl. 1). Ako je radna temperatura iznad okolne temperature u proraun se uvodi granica teenja na toj temperaturi, pri emu se mora uzeti u obzir da se pod optereenjem elik vremenski plastino deformie, odnosno da nastaje proces puzanja.

Slika 1. Promene zateznih karakteristika u zavisnosti od temperature

Za ocenu konstrukcionih karakteristika elika za rad na povienim temperaturama primenjuje se ispitivanje u vremenu trajanja optereenja, npr. 10.000 asova na odreenoj temperaturi, pri emu se odreuju dve vrednosti: vremenska vrstoa (Rm/10.000), tj. optereenje pri kome kod date temperature npr.posle 10.000h nastaje lom, i vremenski napon teenja (Rp0,2/10.000), tj. ono optereenje koje kod ispitne temperature posle 10.000h ne prelazi jednu odreenu vrednost. Tako, ako vremenska vrstoa Rm/10.000 pri 550 C iznosi 150N/mm2, to znai da za taj elik moe da se rauna na optereenje od150N/mm2 u vremenu od 10.000 asova rada. Ako Rp0,2/10.000 na 520 C iznosi 100N/mm2 to znai da taj elik pri optereenju od 100N/mm2 posle 10.000 h pokazuje izduenje od 0,2%.

Vremenski tok istezanja na odreenoj povienoj temperaturi pod odreenim optereenjem karakterie krivu puzanja za ispitivani elik, koja ematski izgleda kao na slici 2. Kriva puzanja ima karakteristina tri podruja. U podruju I brzina puzanja je velika, u podruju II je priblino konstantna, dok u podruju III ponovo dolazi do brzog porasta i loma. Veliina pojedinih podruja puzanja zavisi od vrste elika i uslova ispitivanja (optereenje, temperatura).

Broj dok.: 2.14

Naziv dokumenta:


Strana 2 od 6


Slika 2. ematski prikaz krive puzanja

Odreivanjem dijagrama vreme - izduenje za razliita optereenja moe se odrediti vreme ii ukupno izduenje za nastanak loma. Tako se odreuje granica vremenskog napona teenja i kidanja, odnosno vremenska vrstoa. Sa porastom temperature granica vremenskog napona teenja i vrstoa opadaju razliitom brzinom, da bi se kod jedne granine temperature njihove krive presecale u jednoj taki. Taka preseka krivih vremenskog napona teenja i vrstoe kod toplopostojanih niskolegiranih elika je izmeu 350 i 550 C.

Otpornost na puzanje Otpornost na puzanje, odnosno toplotna postojanost niskolegiranih C-Mn elika se zasniva na vrstom rastvoru legirajuih elemenata u metalnoj matrici ime se postie njeno ojaavanje i oteavanje difuzionih procesa pri povienim temperaturama.

Legiranjem sa hromom, i posebno sa molibdenom i vanadijumom, obrazuju se specijalni i kompleksni karbidi tih elemenata koji imaju povienu postojanost na izluivanje i koagulaciju pri zagrevanju. Oni koe kretanje dislokacija i time smanjuju proces puzanja metalne matrice. Dalje poveanje otpornosti na puzanje se postie disperznom raspodelom ovih karbida u metalnoj matrici, a koja se obezbeuje termikom obradom poboljanja (Q). Iz tog razloga legiranjem sa karbidoobrazujuim elementima (Cr, Mo, V, W)) i termikom obradom poboljanjem toplotna postojanost elika se pomera ka viim temperaturama. Dugotrajnom upotrebom na povienim temperaturama dolazi do koagulacije i izluivanja karbida po granicama zrna, smanjenje otpornosti na puzanje metalne matrice i smanjenje deformabilnosti granica zrna, a manifestuje se ubrzanjem procesa puzanja, nastankom prslina i loma usled termikog zamora. Na radnim temperaturama oko 600 C nastaje proces pojaane termike oksidacije, te je osim toplotne postojanosti neophodna i postojanost na termiku oksidaciju. Iz tih razloga i iz razloga poveanja mehanikih osobina (smanjenje dimenzija odnosno poveanja radnih karakteristika energetskih postrojenja) koriste se visokolegirani martenzitni i austenitni elici dodatno legirani sa karbidoobrazujuim elementima Mo, V, W.

Predvianje preostalog veka energetske opreme u eksploataciji Ubrzan proces puzanja oekuje se posebno na zavarenim spojevima, u metalu ava i zoni uticaja toplote (ZUT) izloenoj visokim temperaturama u procesu zavarivanja, i naruenom polaznom strukturnom stanju osnovnog materijala. Iz tih razloga zavareni spojevi su posebno pod kontrolom, u procesu izrade kao i pod periodinom kontrolom u eksploataciji energetske opreme.

Broj dok.: 2.14

Naziv dokumenta:


Strana 3 od 6


Za utvrivanje stepena oteenja usled puzanja na zavarenim spojevima opreme u eksploataciji obino se preporuuje primena sledeih metoda ispitivanja: - vizuelna kontrola; - merenje deformacije (promena prenika ili debljine zida); - ispitivanje bez razaranja metodama ultrazvuka, magneta ili penetrantskih tenosti; - odreivanje kavitacijskih oteenja povrinskih slojeva i mikrostrukturna analiza optikim ili

skanirajuim elektronskim mikroskopom. Za uoavanje brzine promena nastalih u vremenu izmeu periodinih kontrola bitno je poreenje rezultata ispitivanja sa poetnim, odnosno prethodnim stanjem. Za procenu preostalog veka opreme u eksploataciji koriste se rezultati ispitivanja trenutnog stanja i ponovljeni proraun veka korienjem realno utvrenih stvarnih podataka o radnim uslovima (temperatura i pritisak) i vremenu njihovog uticaja.

Za dijagnostiku i predvianje preostalog veka zavarenih spojeva danas dominiraju metode zasnovane na analizama akustine emisije koja se javlja u materijalima u procesu njihove deformacije.

Vrste elika otpornih na puzanje Podela elika za rad na povienim temperaturama je prema osnovnim legirajuim elementima, stepenu legiranosti, i time nameni za rad u odreenom temperaturnom podruju: - nelegirani C-Mn, sitnozrni normalizaciono areni (N) i sitnozrni mikrolegirani poboljani (Q)

elici za radne temperature do 400 (350) C; - niskolegirani Mn, Mo, Cr-Mo normalizaciono areni (N) elici za radne temperature do 450

(500) C; - niskolegirani Cr-Mo i CrMo-V poboljani (Q) elici za radne temperature do 550 C; - visokolegirani martenzitni 9-12%Cr - Mo -V za radne temperature do 600 C; - visokolegirani austenitni Cr-Ni, Cr-Ni-Mo elici, nestabilizovani za radne temperature do 700 C

i stabilizovani za radne temperature do 750 C. Proizvode se kao toplovaljani proizvodi (limovi i cevi), kao otkovci i odlivci. Primenjuju se u izradi posuda i cevovoda pod pritiskom (procesna oprema) i energetskih postrojenja (kotlovska postrojenja i parovodi).

NISKOLEGIRANI TOPLOPOSTOJANI ELICI Standardizovani kvaliteti niskolegiranih toplopostojanih elika za limove obuhvaeni su u JUS EN 100282:2004 (tab.1), dok su za beavne cevi (tab.2) jo u upotrebi nacionalni standardi za kotlovska postrojenja (JUS C.B4.014; DIN 17 175 koji obuhvata i visokolegirani, martenzitni elik X20CrMoV12 1), a u pripremi je pr.EN10 216. Tabela 1. Vrste niskolegiranih toplopostojanih elika za ravne proizvode (JUS EN 100 28-2)

Oznaka Termiko stanje Glavni legirajui elementi (%) Rm(N/mm2) min (+20C)

Rp0,2(N/mm2) min(+20C)

16Mo3 (.7100) N C-0,12-0,20; Mo-0,25-0,35 460-430 275-220 13 CrMo4-5 (.7400)

N+T, QA, QL C-0,08-0,18; Cr-07-1,15; Mo-0,4-0,6

450-600 430-580 300-255

10CrMo9-10 (.7401)

N+T, QA, QL C-0,08-0,14; Cr-2-2,5; Mo-0,9-1,1

480-630 470-620 310-250

11CrMo9-10 N+T, QA, QL C-0,08-0,15; Cr-2-2,5; Mo-0,9-1,1 520-670 310

N-normalizaciono areni; T-otputeni;QA-kaljeni na vazduhu, otputeni; QL-kaljeni u ulju, otputeni

Broj dok.: 2.14

Naziv dokumenta:


Strana 4 od 6


Tabela 2. Vrste niskolegiranih toplopostojanih elika za beavne cevi (DIN 17 175)) Oznaka Termiko stanje Rm(N/mm2)min(+20C) Rp0,2(N/mm2) min(+20C)

15Mo3 N 450 275-260 13CrMo4-4 Q 440 290-280 10CrMo9-10 Q 450 280-270 14MoV6-3* Q 460 320-310 *Hemiski sastav 14MoV63:0,10-0,18%C; 0,3-0,6%Cr; 0,5-0,7%Mo; 0,22-0,32%V

elici otporni na vodonik pod pritiskom Posebnu grupu toplopostojanih elika ine elici otporni na prsline u uslovima poviene temperature i pritiska u atmosferi vodonika (vodonina korozija), koji se sreu u postrojenjima za procese kao to su za hidriranje naftnih derivata, za sintezu amonijaka, metilalkohola i sl. Radi se o pritiscima preko 100 bara i temperaturama do 600 C. Kod povienog pritiska, zbog male veliine atoma vodonik difunduje u elik gde reaguje sa prisutnim ugljenikom i stvara metan (CH4). Veliina molekula metana veoma smanjuje njegovu sposobnost difuzije te ostaje u eliku akumuliran po granicama zrna i na mestima praznina, blokirajui kretanje dislokacija. Nastali visoki naponi uzrokuju nastanak plikova, mikroprslina i konano interkristalnih prslina. Ova opasnost se spreava dodatkom u eliku elemenata koji vezuju slobodan C u stabilne karbide kao to je Cr, koji u koliini do 6% u prisustvu C od 0,1 do 0,3% gradi veoma stabilne karbide. Poseban uticaj sadraja Cr proizilazi iz Nelsonovog dijagrama (sl.3).

Slika 3. Granini uslovi upotrebljivosti tipa elika zavisno od parcijalnog pritiska vodonika

Da bi se zadrala i neophodna toplotna postojanost ovim Cr elicima dodaju se jo i do 1,1%Mo ili W i 0,1-0,85%V. Na dobru otpornost prema vodoninoj koroziji moe se raunati ako su karbidi ravnomerno rasporeeni u metalnoj matrici to je sluaj kod visokootputenog termikog stanja. Ouvanje prisustva karbida, spreavanje njihovog rastvaranja, je neophodno ne samo pri termikoj obradi materijala (Q) ve i kod termike obrade posle zavarivanja primenom visokog otputanja. Uobiajeno stanje isporuke je poboljano. Kod sadraja Cr>6% zakaljivanje nije mogue jer je posle austenitizacije izoterma u stepenu perlitne transformacije. Zato ovi elici imaju niu Reh i Rm i posle zavarivanja se samo otputaju.

Broj dok.: 2.14

Naziv dokumenta:


Strana 5 od 6


Za visoke temperature i pritiske nalaze primenu austenitni toplopostojani elici iji visok sadraj Cr obezbeuje dobru otpornost na interkristalnu koroziju izazvanu vodonikom pod pritiskom.Tipini elici su dati u tabeli 3. Tabela 3.elici otporni na vodonik pod pritiskom

elik Termiko stanje Re (N/mmm2 ) cca Rm (N/mm2) cca 25CrMo4 24CrMo10 10CrMo11 20CrMoV 13 5 12CrMo 19 5 12CrMo 19 5 X12CrMo 7 X12 CrMo 9 1

Q Q Q Q Q J J J

350 450 220 600 180 400 220 250

550-700 650-800 450-550 750-900 420-600 600-700

450 450

Q-poboljano; J-izotermalna transformacija

SPOSOBNOST ZAVARIVANJA NISKOLEGIRANIH TOPLOPOSTOJANIH ELIKA Visok stepen istoe i dezoksidacije (potpuno umireni elici), nizak procenat ugljenika i legirajuih elemenata obezbeuju dobru sposobnost zavarivanja ovih elika. Uticaj hemijskog sastava na ocenu sposobnosti zavarivanja i primenu predgrevanja pri zavarivanju ocenjuje se veliinom ugljeninog ekvivalenta izraunatom preko IIW formule:

1556CuNiVMoCrMnCCEV ++++++=

Primenjuju se elektroluni postupci zavarivanja: TIG (za tanke avove i zavare korena), E, MAG-M. Najea je upotreba E postupka uz primenu bazinih suenih elektroda. Kod elika 13CrMo44 i 10CrMo9-10 preporuke su da se koreni zavar izvodi TIG postupkom. Za tanje debljine elika 15Mo3 mogua je primena i gasnog postupka zavarivanja. Kriterijumi za izbor dodatnog materijala za zavarivanje su mehanike osobine istog metala ava i vrsta i stepen legiranosti usaglaeni sa osnovnim materijalom. Kod avova veih debljina za zavare korena povoljna je upotreba dodatnog materijala neto nie legiranosti. Kod upotrebe E postupka primena je bazinih suenih elektroda. Smatra se da je primena predgrevanja neophodna u koliko je vrednost CEV>0,48. Predgrevanje je obavezno ako se zavarivanje izvodi na okolnoj temperaturi nioj od +5 C i kod upotrebe rutilnih elektroda za korene zavare.

Temperature predgrevanja i meuslojna temperatura zavise od vrste elika (stepena legiranosti ) i debljina (tab.4).

Obavezno se zahteva termika obrada zavarenih spojeva posle zavarivanja (TOPZ) u cilju otputanja struktura kaljenja i /ili smanjenja napona usled zavarivanja. Brzina zagrevanja i hlaenja kod termike obrade posle zavarivanja zavisi od vrste elika i debljine (toplotna provodljivost), a kod elika sklonih prslinama usled ponovnog zagrevanja posebno se regulie u odreenom intervalu temperatura krtosti otputanja. Temperatura i vreme otputanja/arenja su ogranieni zbog spreavanja preteranog otputanja kod Q termikog stanja i spreavanja procesa koagulacije i izluivanja karbida legirajuih elemenata. Temperatura arenja/otputanja je obino u podruju donje granice temperature otputanja osnovnog materijala. Vreme zagrevanja na temperaturi arenja/otputanja je obino 2min/mm debljine. Minimalno vreme (male debljine) za dovoljno otputanje napona, i maksimalno vreme arenja, za spreavanje pada vrstoe i izluivanja karbida, je ogranieno i zavisi od tipa elika i debljine. Blie odredbe za termiki ciklus zavarivanja i termiku obradu posle zavarivanja za izradu kotlovskih postrojenja date su u EN12952-5:2001

Broj dok.: 2.14

Naziv dokumenta:


Strana 6 od 6


Tabela 4.Opte preporuke za predgrevanje i termiku obradu posle zavarivanja

Vrsta elika Debljina-d (mm) Predgrevanje Tp i Tm(C) min. TOPZ (C),

16Mo3; 15Mo3 1530

100 150 600-650

13CrMo4-4; 13CrMo4-5 830

150 200 680-720

10CrMo9-10; 11CrMo9-10 830

200 250 730-780

14MoV63 15 >15

150 200 690-720

elici otporni na vodonik pod pritiskom imaju sposobnost zavarivanja kao odgovarajui CrMo toplopostojani elici. Pri veem sadraju C odgovarajue je i vei sadraj Cr te je sposobnost zavarivanja loija. Uopteno, predgrevaju se na temperaturi 200-350 C. Posle zavarivanja primenjuje se otputanje na temperaturi 600-750 C zavisno od sadraja Cr.

Zavarivanje spojeva razliitih tipova niskolegiranih toplopostojanih elika U principu spojevi razliitih niskolegiranih toplopostojanih elika izvode se sa dodatnim materijalom za osnovni materijal nie legiranosti, a na temperaturi predgrevanja za vie legiran elik. Temperatura arenja/otputanja je na gornjoj granici temperatura nielegiranog elika. Tvrdoa na strani vielegiranog elika treba da se dogovori.

Prsline usled ponovnog zagrevanja Prsline usled ponovnog zagrevanja, ponekad pod nazivom krtost otputanja, javljaju se usled smanjenja ilavosti u ZUT Cr-Mo elika. Osnovni razlog nastanka ovih prslina kod elika sa niim sadrajem Mo i viim sadrajem Cr su segregacije fosfora (P) po granicama austenitnog zrna. Ovoj grupi pripadaju elici sa 1,25Cr-0,5Mo i 2,25Cr-1Mo. Rezultati istraivanja ukazuju da do segregacija fosfora dolazi jo u zavarenom stanju, pre TOPZ, i da je izazvana / transformacijom do koje dolazi u toku termikog ciklusa pri zavarivanju (transformacijom indukovana segregacija). Uticaj obogaenja granica zrna segregacijama fosfora na nastanak krtosti je neminovna pojava te su pravci istraivanja usmereni na poveanje istoe, kako osnovnog tako i dodatnog materijala, i optimizaciju sadraja Cr i Mo i prateih elemenata. Sklonost pojavi RC prslina je i kod elika 14MoV63, posebno kod debelozidnih cevi, usled taloenja karbida V po granicama zrna. Iz tog razloga poveanjem brzine zagrevanja vreme zagrevanja treba da je to krae u podruju 550-650 C, kao i uvoenje meuarenja ispod kritinog podruja, na temperaturi 480-500 C. Literatura: [1] Becket:Kompedijum der Schweisstechnik, Band 3: Eignung metalischer Werkstoffe zum Schweissen; DVS 1997. [2] Dr.G.Gnirs: Zavarivanje modernih kotlovskih elika; IIW doc.XI-725/00; Prevod na srpski jezik, asopis Zavarivanje i zavarene konstrukcije, br.2/2002; DUZS, Beograd [3] ..: a U; , 1979, [4] SLV skripta Munchen, 1999. [5] Koreaki Tamaki i drugi: Mehanizam segregacije fosfora u ZUT Cr-Mo elika i njen uticaj na pojavu prslina usled ponovnog zagrevanja: Zavarivanje i zavarene konstrukcije, br.3/2003; DUZS, Beograd

Sadraj2.12.22.32.42.52.62.72.82.92.102.112.122.132.142.152.162.172.182.192.202.212.222.232.242.252.26

VsfPvcuApfPVsfP%S$

2.14

Documents

Transcript of 2.14