UTJECAJ SADRŽAJA VODIKA NA ZAVARLJIVOST ČELIKA API 5L X80
Obrana doktorskog rada
Mentor: Pristupnica:Prof.dr.sc. Slobodan Kralj Tanja Tomić Kovačević, dipl.ing.
Zagreb, 2012.1
Pregled doktorskog rada
1. Uvod2. Pregled i analiza dosadašnjih istraživanja3. Eksperimentalni rad4. Rezultati, analiza i rasprava5. Zaključak6. Literatura
2
Predgovor
• Predmet mnogih istraživanja je degradacija materijala uzrokovana vodikom u proizvodnji i eksploataciji
• Ulazak vodika u metal ovisi o vrsti metala, o koncentraciji vodika i kemijskom obliku u kojem se nalazi, o topljivosti vodika, naprezanju
• Veću izloženost degradacijskim mehanizmima uzrokovanim vodikom pokazuju C-Mn čelici u čiju skupinu pripada čelik API 5L X80 proizveden TMCP (Thermo Mechanical Controlles Process) tehnologijom
3
4
Proizvodnja TMCP čelikaAPI 5L X80
5
Motivacija istraživanja• Utvrditi uvjete zavarivanja pri kojima neće doći
do pojave hladnih pukotina• Utvrditi kritičnu koncentraciju vodika pri kojoj
nastaju pukotine na čeliku API 5L X80• Definirati matematičke modele za uvjete
zavarivanja unosa topline i temperature predgrijavanja u ispitivanom području
• Analizirati mikrostrukturu metala zavara i zone utjecaja topline s ciljem određivanja njezine osjetljivosti prema vodikom induciranim pukotinama u eksploataciji
6
Hipoteze rada
• Moguće je odrediti količinu unesenog vodika koja ovisi o unosima topline pri zavarivanju i temperaturama predgrijavanja prema zakonitostima modela difuzije vodika
• Moguće je utvrditi uvjete za nastanak hladnih pukotina, te povezati nastanak hladnih pukotina sa sadržajem unesenog vodika pri zavarivanju
• Moguće je utvrditi uvjete zavarivanja s najmanjim unosom vodika i najmanje opasnosti od pojave hladnih pukotina
7
Sustav i organizacija istraživanja
8
Pregled dosadašnjih spoznaja
• Vodik u materijal ulazi u atomarnom stanju• U materijalu se može nalaziti u atomarnom H (ili
ioniziranom stanju H+) ili molekularnom stanju H2
(plinski uključci)• Vodik može uzrokovati lom visokočvrstih materijala i
pojavu mjehurića (engl. blister) i unutrašnje pucanje materijala na mjestima uz uključke
• Poznate su različite teorije o mehanizmima djelovanja vodika ali ne postoji univerzalan model koji bi mehanizam objasnio
9
Sažetak rada
• Osnovni materijal: čelik API 5L X80• FCAW postupak, zaštitni plin M21 prema HRN EN 439• 3 različita dodatna materijala u obliku praškom
punjenih žica• Glicerinska metoda JIS Z 3118:1992• Implant test ISO 17642-3:2005• Centralno kompozitni plan pokusa (14 stanja pokusa
sa 6 ponavljanja u centru)• Nezavisne utjecajne varijable: E (kJ/cm) i Tp (⁰C)
10
• Oblikovanje eksperimenta: – Polazna točka je definiranje plana pokusa s ciljem
mogućnosti kontrole utjecajnih faktora u istraživanom procesu
– Metodologija odzivne površine (RSM – Response Surface Methodology): 2 nezavisne varijable, 2 odziva
Y1 (Y2)=f(X1, X2) +
Eksperimentalni rad
11
• Jednadžba plana pokusa glasi:
HD, RIK = f(E, Tp) +
Eksperimentalni rad
Gdje su: HD – količina difundiranog vodika, ppm ili ml H2 / 100 g zavaraRIK – kritično implant naprezanje, N/mm2
E – unos topline, kJ/cmTp – temperatura predgrijavanja, °C - Šum ili pogreška
12
• Odabran je centralno kompozitni plan pokusa
Plan pokusa
Prikaz parametara zavarivanja prema stanjima pokusa i CCD plan pokusa za 2 faktora
13
• Stanja pokusa i odgovarajući parametri zavarivanja
Stanja pokusa
14
• Pregled parametara zavarivanja prema stanjima pokusa
Parametri zavarivanja
15
• Specifikacija dodatnog materijala
Specifikacija osnovnog i dodatnog materijala
• Specifikacija osnovnog materijala – kemijski sastav
16
• Specifikacija osnovnog materijala – mehanička svojstva
Specifikacija osnovnog i dodatnog materijala
17
Pregled opreme za eksperimentalni rad
• Oprema za zavarivanje – uređaj i sustav za automatsko zavarivanje
18
19
Pregled opreme za eksperimentalni rad
• Oprema za predgrijavanje
Laserski digitalni termometar
Pregled opreme za eksperimentalni rad
• Oprema za mjerenje količine difundiranog vodika prema JIS Z 3118:1992
20
21
Ispitivanje zavarljivosti implant testom
• Oprema za implant test prema normi ISO 17642-3:2005
• Preuzeto iz norme ISO 17642-3:2005
22
Osnovna ploče i implant epruveta
• Izgled pripremljenog implant uzorka od API 5L X80 materijala
23
Implant uzorak
Strojno obrađen cilindrični umetak točno definiranog promjera, oznake metričkog normalnog navoja M8
• Slike prikazuju zavare s 3 različite žice
24
Prikaz zavara na implant pločama
Rutilna A Rutilna B Bazična A
25
Rezultati mjerenja HD
Prikaz rezultata mjerenja količine difunidranog vodika HD
26
Rezultati mjerenja HD za sve uzorkepri Tp = 100 °C
Stanja pokusa za sve uzorke
RIK, N/mm2
RP BP MP
1 511,53 549,88 560,55
2 522,20 581,89 560,55
3 549,88 592,56 571,22
4 549,88 592,56 522,20
5 549,88 592,56 571,22
6 549,88 592,56 522,20
7 549,88 592,56 500,87
8 549,88 592,56 500,87
9 549,88 609,57 511,53
10 571,22 581,89 438,29
11 549,88 609,57 581,89
12 581,89 609,57 500,87
13 522,20 598,90 609,57
14 581,89 598,90 522,20 27
Rezultati ispitivanja RIK za sve uzorke
• Mjerenje tvrdoće provedeno je na makroizbruscima iz implant epruveta
• API standard navodi kako vrijednosti tvrdoće za ovu vrstu materijala ne smije prelaziti vrijednosti od 345 HV10
• Prema normi HRN EN 10208-2:1996 utvrđena je oznaka čelika, prema stanju isporuke materijala – L555MB
• Prema normi CEN ISO/TR 20179-2009 (norma za rastvrstavanje čelika) čelik X80 pripada skupini 2.2
• Prema normi HRN EN ISO 15614-1 tvrdoća čelika ne smije prelaziti vrijednost u 380 HV10
28
Mjerenje tvrdoće HV10
• Na slici je prikazan raster mjerenja tvrdoće
29
Mjerenje tvrdoće HV10
• HV10 za rutilnu žicu A
30
Rezultati mjerenja tvrdoće HV10
• HV10 za bazičnu žicu A
31
Rezultati mjerenja tvrdoće HV10
• HV10 za rutilnu žicu B
32
Rezultati mjerenja tvrdoće HV10
• Matematički model HD za rutilnu žicu A glasi:
33
Statistička analiza i izrada matematičkog modela za HD
Gdje su:
HD – Količina difundiranog vodika, ml H2 / 100 g zavaraTp – Temperatura predgrijavanja, °CE – unos topline, kJ/cm
• Matematički model RIK za rutilnu žicu A glasi:
34
Statistička analiza i izrada matematičkog modela za RIK
Gdje su:
HD – Količina difundiranog vodika, ml H2 / 100 g zavaraTp – Temperatura predgrijavanja, °CE – unos topline, kJ/cm
• Matematički model HD za bazičnu žicu A glasi:
35
Statistička analiza i izrada matematičkog modela za HD
Gdje su:
HD – Količina difundiranog vodika, ml H2 / 100 g zavaraTp – Temperatura predgrijavanja, °CE – unos topline, kJ/cm
36
Statistička analiza i izrada matematičkog modela za RIK
• Matematički model RIK za bazičnu žicu nije utvrđen jer su odstupanja između rezultata mjerenja vrlo mala
• Zakonitost bi se mogla utvrditi eventualno sofisticiranijom metodologijom i konceptom
• Ovi rezultati, prema iznosima RIK, upućuju na dobru otpornost materijala prema pojavi hladnih pukotina jer je RIK > Rp0,2
• Matematički model HD za rutilnu žicu B glasi:
37
Statistička analiza i izrada matematičkog modela za HD
Gdje su:
HD – Količina difundiranog vodika, ml H2 / 100 g zavaraTp – Temperatura predgrijavanja, °CE – unos topline, kJ/cm
• Matematički model RIK za rutilnu žicu B glasi:
38
Statistička analiza i izrada matematičkog modela za RIK
Gdje su:
HD – Količina difundiranog vodika, ml H2 / 100 g zavaraTp – Temperatura predgrijavanja, °CE – unos topline, kJ/cm
• Analiza uključka
39
Metalografska analiza
Zamka za vodik!
Uključak kemijskog sastava O, Mg i SiPovršina uključka 1120 µm2
B6 uzorakTp = 100 ⁰CE = 12 kJ/cm
• Analiza uključka
40
Metalografska analiza
-Uključak s kemijskim elementima Ca, Si i O-Zamka za vodik
Uzorak M4E = 12 kJ/cm i Tp = 100 ⁰C
41
Hladne pukotine
M1E = 12 kJ/cm i bez predgrijavanja
M1Tp = 20 °CE = 12 kJ/cmHD = 2,283 ml H2 / 100 g
42
Hladne pukotine
Uzorak M9E =16 kJ/cm i Tp = 45 ⁰CHD = 2,746 ml H2 / 100 g
• API 5L X80 – feritno perlitna struktura
43
Analiza mikrostruktue
44
Mikrostruktura metala zavara i zone utjecaja topline za rutilnu žicu A
45
Mikrostruktura metala zavara i zone utjecaja topline za bazičnu žicu A
46
Mikrostruktura metala zavara i zone utjecaja topline za rutilnu žicu B
• Na svim uzrocima uočen je žilavi lom• Lom je nastupio u osnovnom materijalu
47
Analiza površine loma implantepruveta
RP BP MP
Primjer za: E = 12 kJ/cm ; bez predgrijavanja
• Mjerenjem količine difundiranog vodika glicerinskom metodom utvrđeno je kako difuzija vodika ima svoju zakonitost
• Na temelju rezultata moguće je bilo odrediti matematičke modele
• Optimalno područje rada na svim uzorcima je s unosom topline od 12 kJ/cm i pri temperaturi predgrijavanja 100 °C
48
Zaključak
• Snažniji utjecaj na model ponašanja difuzije vodika ima unos topline
• Matematički modeli za sve skupine uzoraka međusobno se razlikuju zbog različitog kemijskog sastava dodatnog materijala
• Uključci (na bazi Mn, Si, O i S) veličine oko 3 µm i nehomogenosti u materijalu mogu predstavljati zamke za vodik u eksploataciji
49
Zaključak
• Za čelik s ekvivalentom ugljika (pcm) 0,19 utvrđena kritična koncentracija difundiranog vodika kod koje može doći do pojave pukotina iznosi 2,3 ml H2 / 100 g zavara, pa je potrebno provesti predgrijavanja na minimalno 50 °C
50
Zaključak
• Težnja ka stvaranju univerzalnog matematičkog modela za predviđanje unosa količine difundiranog vodika
• Analiza kemijskih spojeva u materijalu koji bi djelovali kao zamke za vodik, te utvrditi njihovu energiju vezivanja vodika
• Provesti ispitivanje zavarljivosti implant metodom uz sofisticiraniju mjernu skalu
51
Prijedlozi za nastavak istraživanja
52
Hvala na pažnji!