In che modo la notevole tenacità dell'acciaio 9Ni alle basse temperature ne aumenta l'utilità in settori critici come l'aerospaziale e l'ingegneria navale? Il processo di saldatura dell'acciaio 9Ni, particolarmente importante per le applicazioni nel settore petrolifero e del gas, garantisce la forza e la resistenza alla corrosione da stress dei solfuri. Questo articolo esplora le tecniche meticolose e le misure preventive necessarie per la saldatura dell'acciaio 9Ni, fornendo approfondimenti sulle sue proprietà, le sfide e le soluzioni per evitare difetti e garantire la qualità in condizioni estreme. Padroneggiando queste pratiche di saldatura, gli ingegneri possono ottenere giunti durevoli e affidabili in ambienti difficili.
Grazie alle sue eccellenti proprietà globali e ai vantaggi in termini di costi, l'acciaio 9Ni è ampiamente utilizzato in diversi settori industriali, come quello aerospaziale, petrolifero, chimico, navale, dell'ingegneria navale, dell'energia elettrica, della metallurgia, dei macchinari, dell'energia nucleare e altri ancora.
Questo articolo si concentra sulla costruzione del progetto di un modulo per petrolio e gas situato sotto sale. In questo progetto, l'acciaio 9Ni deve possedere non solo un'elevata resistenza e un'eccezionale tenacità alle basse temperature, ma anche una resistenza alla SSC (corrosione da stress da solfuro) in condizioni specifiche di petrolio e gas. Pertanto, l'acciaio processo di saldatura del sistema di tubi in acciaio 9Ni è in fase di studio.
L'acciaio 9Ni è stato sviluppato dalla Inco negli Stati Uniti negli anni Quaranta. Si tratta di un acciaio di media lega contenente nichel 9%, che gli consente di presentare una tenacità a bassa temperatura fino a -196 ℃.
Rispetto all'acciaio inossidabile austenitico e alla lega austenitica ferro-nichel, l'acciaio 9Ni ha una maggiore resistenza e un costo inferiore. Inoltre, l'acciaio 9Ni vanta proprietà meccaniche complessive migliori rispetto alla lega di alluminio.
Tuttavia, il materiale è soggetto a magnetizzazione ed è difficile da smagnetizzare. Inoltre, tecnologia di saldatura richiede un'aderenza rigorosa a requisiti specifici.
Questo articolo analizzerà il saldabilità di acciaio 9Ni.
È improbabile che si verifichino cricche da freddo quando si salda l'acciaio 9Ni con elettrodi ad alto o medio tenore di nichel. Tuttavia, quando si utilizzano elettrodi a basso tenore di nichel e ad alto tenore di manganese con condizioni di saldatura non corrette, come bassa energia di linea ed elettrodi umidi, possono verificarsi cricche da freddo. La generazione di cricche da freddo presenta tre aspetti:
2.1.1 Comparsa di uno strato indurito nella zona di fusione. Sebbene il contenuto di carbonio dell'acciaio 9Ni non sia elevato (≤ 0,10%), si può produrre una struttura indurita se materiale di saldatura con un elevato contenuto di carbonio. Ciò è dovuto a un aumento della contenuto di carbonio risultante dalla fusione e dalla diffusione.
2.1.2. La presenza di una quantità eccessiva di idrogeno, che si accumula nello strato indurito a causa di impurità (come olio e ruggine) in prossimità della scanalatura di saldatura.
2.1.3. La concentrazione di sollecitazioni di giunti saldatiche comprende le sollecitazioni strutturali, le sollecitazioni termiche e le sollecitazioni di contenimento.
Quando si salda l'acciaio 9Ni, crepe calde possono verificarsi indipendentemente dal fatto che si utilizzi un elettrodo di tipo ad alto nichel, medio nichel o basso nichel e alto manganese. Tuttavia, l'uso di un elettrodo ad alto tenore di nichel può provocare le cricche più gravi.
Ciò è dovuto al fatto che la lega contiene elementi come S e P, che possono facilmente formare eutettiche a basso punto di fusione con il nichel. Di conseguenza, può verificarsi una segregazione intergranulare. Inoltre, anche elementi come il C e il Si possono favorire la segregazione di S e P.
In particolare, quando la struttura si trova in una condizione di pura austenite la distribuzione delle impurità sul bordo del grano può essere continua.
La riduzione della tenacità a bassa temperatura è influenzata principalmente da due fattori:
2.3.1 Influenza dei materiali di saldatura:
La composizione chimica del metallo saldato e della zona di fusione è legata ai materiali di saldatura utilizzati. Se i materiali di saldatura hanno un elevato contenuto di carbonio, o se la corrispondenza tra Ni Cr equivalente dei materiali di saldatura e il metallo di base dopo la fusione rientra nella zona contenente martensite nell'organigramma dell'acciaio inossidabile, la tenacità alle basse temperature si riduce.
2.3.2 Linea di saldatura Energia e temperatura interstrato:
L'energia della linea di saldatura e la temperatura dell'intercalare possono alterare il valore di picco e la temperatura del ciclo termico di saldatura, influenzando così la struttura metallografica della zona colpita dal calore. Se la temperatura di picco è troppo alta, può portare a una riduzione della temperatura inversa. austenite e la formazione di bainite grossolana, che possono determinare una riduzione della tenacità a bassa temperatura.
I parziali magnetici possono causare una scarsa fusione della saldatura e influire significativamente sulla qualità della saldatura.
L'acciaio 9Ni ha un'elevata permeabilità e intensità di induzione di remanenza, che lo rende suscettibile ai parziali magnetici durante la saldatura.
In generale, quando si utilizza il metodo DC (saldatura ad arco manuale DC, saldatura manuale DC saldatura ad arco di argon) per la saldatura di supporto di tubi magnetici, i parziali di soffio magnetico sono comuni nella posizione iniziale della saldatura di supporto, ma non sono tipicamente presenti durante la saldatura di riempimento e copertura.
Le cause delle cricche fredde in saldatura sono lo stress, la struttura indurita e il contenuto di idrogeno diffusivo del metallo saldato. La generazione di cricche termiche è legata alle sollecitazioni, alle impurità e alla composizione chimica. Pertanto, la scelta dei materiali di saldatura appropriati è fondamentale.
Dopo aver analizzato le proprietà dei diversi materiali di saldatura, è emerso che il materiale di saldatura nicrmo-3 è molto vantaggioso per la saldatura dell'acciaio 9Ni.
3.1.1 Il coefficiente di espansione lineare della lega di nichel nel materiale di saldatura nicrmo-3 è simile a quello dell'acciaio 9Ni sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura. Questa somiglianza consente di evitare le sollecitazioni termiche causate da dilatazioni e contrazioni non uniformi.
3.1.2 Il contenuto di Ni del materiale di saldatura nicrmo-3 è elevato, compreso tra 55% e 65%, mentre il contenuto di carbonio è simile a quello dell'acciaio 9Ni. Entrambi i materiali appartengono al tipo a basso tenore di carbonio. Anche con l'effetto di diluizione del metallo di base, la struttura dell'austenite è ancora sufficientemente elevata da evitare la formazione di una cintura di martensite dura e fragile sulla linea di fusione.
3.1.3 Il materiale di saldatura nicrmo-3 presenta le seguenti caratteristiche: basso tenore di carbonio (contenuto di carbonio ≤ 0,1%), un piccolo "intervallo di temperatura fragile" nel diagramma di fase della lega F-C, elevata purezza (S ≤ 0,03%, P ≤ 0,02%) e basso contenuto di idrogeno. L'uso del materiale di saldatura nicrmo-3 può quindi fornire le condizioni di base necessarie per ridurre la tendenza alle cricche a freddo e a caldo nelle saldature di acciaio 9Ni.
Pertanto, sotto il rigoroso controllo del contenuto di idrogeno diffusivo, la scelta del materiale di saldatura nicrmo-3 può evitare efficacemente la tendenza alla formazione di cricche a freddo e a caldo nella saldatura dell'acciaio 9Ni.
I giunti saldati sono costituiti dalla saldatura, dalla linea di fusione e dalla zona termicamente alterata.
La tenacità a bassa temperatura dei giunti saldati si verifica generalmente nel metallo saldato, nella zona di fusione e nella zona a grana grossa.
La tenacità a bassa temperatura del metallo saldato è influenzata soprattutto dalla tipo di saldatura materiale utilizzato.
Quando si salda l'acciaio 9Ni con materiali che hanno la stessa composizione dell'acciaio 9Ni, la tenacità a bassa temperatura del metallo saldato è tipicamente scarsa, principalmente a causa dell'elevato contenuto di ossigeno nel metallo saldato.
Pertanto, gli elettrodi a base di Ni e Fe-Ni sono solitamente impiegati per la saldatura dell'acciaio 9Ni.
Quando l'acciaio 9Ni viene saldato con materiale di saldatura nicrmo-3, la composizione chimica e la struttura metallografica di ciascuna area differiscono.
Il metallo saldato è austenitico e presenta un'eccellente tenacità alle basse temperature.
Nella zona di fusione, il contenuto di carbonio del materiale di saldatura è essenzialmente uguale a quello dell'acciaio 9Ni, con un contenuto di Ni superiore a 55%, impedendo efficacemente la migrazione del carbonio ed evitando una struttura fragile nella zona di fusione, garantendo così la tenacità della zona di fusione a bassa temperatura.
Nella zona interessata dal calore, sotto il ciclo termico di una temperatura di picco superiore a 1100 ℃, si generano strutture di martensite e bainite grossolane, che invertono la riduzione dell'austenite e diminuiscono la tenacità a bassa temperatura.
Pertanto, l'energia della linea deve essere controllata il più possibile e la saldatura multipass deve essere utilizzata per ridurre al minimo il tempo di permanenza ad alta temperatura.
Pertanto, quando si salda l'acciaio 9Ni con il materiale di saldatura nicrmo-3, la tenacità a bassa temperatura del giunto saldato è ampiamente influenzata dal materiale di saldatura. calore di saldatura e la velocità di raffreddamento del processo di cristallizzazione del metallo saldato.
3.3.1. Modificare la posizione del filo di terra per il metallo di base:
Per ridurre al minimo l'anello di corrente formato dalla corrente sul metallo di base, il filo di messa a terra deve essere condotto direttamente vicino alla scanalatura o posizionato sulla scanalatura. Non deve essere collegato al metallo di base a grande distanza.
3.3.2. Creare temporaneamente diverse saldature di fissaggio sopra la scanalatura (non alla radice della scanalatura) per cortocircuitare il campo magnetico su entrambi i lati della scanalatura. Quando si esegue l'adescamento in questa posizione, utilizzare una smerigliatrice per rimuovere le saldature di fissaggio.
L'acciaio 9Ni (355,6 mm di diametro e 50,8 mm di spessore della parete) prodotto da Hengyang Valin Steel Pipe Co., Ltd. è stato utilizzato come materiale di base per il test.
Vedere la tabella 1 per la composizione chimica e la tabella 2 per le proprietà meccaniche.
Tabella 1 composizione chimica del tubo in acciaio 9Ni (wt%)
Tipo | C | Si | Mn | Cr | Mo | Cu | Ni |
Acciaio 9Ni | 0.05 | 0.21 | 0.57 | 0.045 | 0.056 | 0.035 | 9.24 |
Al | S | P | |||||
0.02 | 0.004 | 0.006 |
Tabella 2 proprietà meccaniche del tubo in acciaio 9Ni
Resistenza alla trazione Rm/MPa | Resistenza allo snervamento Rp0.2/MPa | Allungamento A/% | Energia d'impatto (-195 ℃)KV/J | Rapporto di resistenza allo snervamento % |
750 | 698 | 27.5 | 108, 112,107 | 93 |
In base ai requisiti specifici del prodotto, il tungsteno argon saldatura ad arco (GTAW) per la saldatura di fondo, mentre la saldatura ad arco manuale (SMAW) è impiegata per la saldatura di riempimento e di copertura. Inoltre, durante il processo di saldatura viene utilizzato il materiale di saldatura nicrmo-3.
Per la composizione chimica specifica, vedere la Tabella 3.
Tabella 3 composizione chimica dei materiali di saldatura (wt%)
Tipo | C | Si | Mn | Cr | Mo | Cu | Ni | Mo |
ERNiCrMo-3 | 0.01 | 0.04 | 0.03 | 0.004 | 0.004 | 22.2 | 64.3 | 9.3 |
ENiCrMo-3 | 0.02 | 0.36 | 0.4 | 0.005 | 0.006 | 22.7 | 63.6 | 8.8 |
5.1.1 Il taglio e la lavorazione delle scanalature dei tubi in acciaio 9Ni dovrebbero preferibilmente utilizzare il metodo di lavorazione meccanica. Tuttavia, taglio a gas o la tranciatura al plasma e la preparazione delle scanalature.
La scanalatura lavorata o tagliata deve essere lucidata.
5.1.2 A causa dell'elevato spessore delle pareti del tubo utilizzato in questa valutazione, è necessario progettare un tipo di scanalatura adatto.
Considerando la riduzione dell'area della scanalatura e della deformazione di saldatura, il miglioramento dell'efficienza di saldatura e la riduzione dei costi di consumo dei materiali di saldatura a base di Ni, si è deciso di adottare il tipo di scanalatura illustrato nella Fig. 1. La scanalatura deve avere uno spazio di 24 mm e un bordo smussato di 02 mm.
5.1.3 Una volta completata la lavorazione delle scanalature, l'aspetto deve essere ispezionato per verificare che non vi siano crepe o delaminazioni. Se si riscontrano tali difetti, è necessario ripararli.
5.1.4 Per pulire la superficie della scanalatura e l'area entro 20 mm su entrambi i lati, è necessario utilizzare metodi meccanici e solventi organici per rimuovere olio, ruggine, trucioli metallici, pellicole di ossido e qualsiasi altra sporcizia presente sulla superficie.
Fig. 1 Dettagli della scanalatura
Lo strato di supporto è stato saldato con saldatura ad arco di argon.
Per garantire la formazione della radice cordone di saldatura per evitare il fenomeno della bruciatura durante il riempimento con saldatura ad arco manuale, è necessario applicare almeno due strati di saldatura di supporto, con uno spessore minimo di 6 mm, e riempire con saldatura ad arco manuale.
Per la sequenza di disposizione degli strati di saldatura, fare riferimento alla Figura 2.
Fig. 2 disposizione dei cordoni di saldatura
L'apporto termico si riferisce alla quantità di energia ricevuta dalla saldatura per unità di lunghezza ed è il fattore principale che influenza il ciclo termico di saldatura. Pertanto, il controllo dell'apporto termico è essenziale per garantire le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione da stress da solfuro (SSC) durante i test.
Vedere la Tabella 4 per le specifiche parametri di saldatura.
Tabella 4 parametri di saldatura
Cordone di saldatura No | Metodo di saldatura | Modello di materiale di saldatura | Specifiche (mm) | Corrente (A) | Tensione (V) | Velocità di saldatura (mm/min) |
1~2 | GTAW | ERNiCrMo-3 | 2.4 | 110~130 | 15~16 | 50~70 |
3~61 | SMAW | ENiCrMo-3 | 3.2 | 80~100 | 19~23 | 110~160 |
5.3.1: Poiché il punto di fusione del metallo saldato con materiali di saldatura a base di nichel è di circa 100℃ inferiore a quello dell'acciaio 9Ni, può facilmente causare difetti, come una fusione incompleta tra il bordo della scanalatura e il cordone di saldatura. Pertanto, è vietato colpire un arco Durante il processo di saldatura, l'arco non deve essere scoccato al di fuori della scanalatura per evitare di danneggiare il metallo di base.
5.3.2: Durante la saldatura ad arco, è importante riempire il cratere e rimanere sull'arco per un po' di tempo per evitare cricche da cratere. In caso di cricche da cratere, è necessaria una lucidatura immediata.
5.3.3: Per garantire la tenacità a bassa temperatura e i risultati dei test SSC dell'acciaio 9Ni, è fondamentale controllare l'apporto di calore di saldatura e la corrente di saldatura non deve essere eccessiva. È consigliabile utilizzare una saldatura multipass veloce per ridurre al minimo il surriscaldamento del cordone di saldatura e affinare il grano grazie all'effetto di riscaldamento della saldatura multipass.
Durante la saldatura a più passate, è necessario regolare la temperatura dell'intercalare e utilizzare un piccolo apporto di calore per la saldatura. L'apporto di calore deve essere controllato al di sotto di 20KJ/cm. La temperatura interstrato della saldatura multistrato deve essere mantenuta inferiore a 100℃ per evitare il surriscaldamento del giunto.
Dopo la saldatura, il pezzo di prova è stato sottoposto a un'ispezione visiva che non ha rivelato sottosquadri, pori superficiali, cricche, inclusioni di scorie o altri difetti sia nella zona saldata che in quella interessata dal calore.
Il rinforzo della saldatura misurava tra 0,5 e 1,5 mm e la saldatura e il metallo base presentavano una transizione omogenea.
L'ispezione radiografica non ha evidenziato cricche, fusione incompleta, penetrazione incompleta, inclusioni di scorie o altri difetti nel pezzo di prova, confermando che la qualità del giunto saldato soddisfa i requisiti standard.
Durante una prova di trazione, il campione viene fissato su una macchina di prova universale WE-100. Il provino viene quindi sottoposto a una sollecitazione di trazione che ne provoca l'allungamento assiale fino a raggiungere il punto di rottura. Questo è il principale indicatore utilizzato per misurare la resistenza dei materiali.
I risultati del test sono riportati nella Tabella 5.
Tabella 5 risultati delle prove di trazione
Pezzo di prova n. | Resistenza alla trazione (MPA) | Posizione della frattura |
1 | 761 | metallo di base |
2 | 764 | metallo di base |
Sulla base dei risultati dei test, è evidente che la prova di trazione soddisfa i requisiti delle specifiche.
La prova di flessione valuta la capacità dei materiali di resistere alla deformazione.
Utilizzando la macchina di prova universale WE-100, vengono testati i campioni di piegatura standard lavorati.
Per eseguire il test, vengono prelevati quattro campioni di piegatura laterale secondo le specifiche e viene utilizzato un penetratore di 63,5 mm di diametro. Il angolo di curvatura è impostato a 180°.
Dopo la prova di piegatura, sulla superficie dei campioni non devono essere presenti crepe o difetti di lunghezza superiore a 3 mm in qualsiasi direzione.
In base ai risultati del test, soddisfa i requisiti delle specifiche.
Lo scopo della prova d'urto è quello di determinare le prestazioni d'urto di un giunto saldato misurando la quantità di energia d'urto consumata per unità di superficie nel punto in cui si rompe la scanalatura sulla superficie del giunto. Per eseguire questa prova, un campione viene posto su una macchina per prove d'urto JB-30B, che applica il carico d'urto necessario per rompere la scanalatura.
Per questa particolare prova d'urto, viene utilizzato un impatto Charpy a una temperatura di -196 ℃. I campioni vengono prelevati da una posizione distante circa 1 o 2 mm dalla superficie della saldatura.
Le posizioni di intaglio sono situate in vari punti del giunto, tra cui il centro della saldatura, la linea di fusione, la linea di fusione di 1 mm, la linea di fusione di 2 mm e la linea di fusione di 5 mm.
I risultati del test sono riportati nella Tabella 6.
Tabella 6 risultati della prova d'urto
Posizione della tacca | Valore di impatto singolo (J) | Valore d'impatto medio (J) |
Centro di saldatura | 89, 78, 76 | 81 |
Linea Meld | 80, 82, 76 | 79 |
Linea di fusione+1 mm | 104, 91, 111 | 104 |
Linea di fusione+2 mm | 78, 99, 85 | 87 |
Linea di fusione+5 mm | 112, 98, 104 | 104 |
Sulla base dei risultati dell'impatto, si può notare che i valori di impatto soddisfano i requisiti di specifica (-196℃ ≥ 41J).
Dopo aver condotto un'ispezione in macrosezione della saldatura, è stato determinato che la saldatura è completamente saldata senza cricche o altri difetti. La Figura 3 mostra il campione macro.
Fig. 3 foto macro campione
6.5.2 Misurare la durezza del metallo saldato, zona colpita dal calore e il metallo base dei giunti saldati, rispettivamente.
I valori di durezza sono riportati nella Tabella 7.
Tabella 7 risultati della prova di durezza
Posizione di campionamento | Valore di durezza (HV10) |
Saldare il metallo | 219~247 |
Zona interessata dal calore | 253~290 |
Metallo di base | 230~256 |
Tre campioni standard a forma di piastra sono stati prelevati e riempiti continuamente con una soluzione di 99,2% CO2, 0,8% H2S e acido acetico (pH iniziale=3) a 25 ℃. I campioni sono stati poi caricati con una resistenza allo snervamento di 80% mediante flessione a 4 punti (σS=698 MPa) e messi a bagno per 720 ore. È stato osservato che i campioni non si sono rotti.
Esaminando i campioni con una lente d'ingrandimento 10x, non sono state rilevate crepe. Inoltre, il test di corrosione da stress al solfuro di questo lotto di campioni è risultato conforme agli standard specificati (si veda la Figura 4).
Fig. 4 morfologia superficiale del campione sottoposto a stress da compressione dopo la corrosione per immersione
7.1 Con l'utilizzo della saldatura ad arco di tungsteno ad argon per il supporto, della saldatura ad arco manuale per il riempimento e la copertura e della saldatura dell'acciaio 9Ni con filo di saldatura ERNiCrMo-3 e bacchetta di saldatura ERNiCrMo-3, l'alto livello di resistenza alla corrosione è stato raggiunto.saldatura di qualità è possibile ottenere giunti in condizioni di processo di saldatura adeguate.
7.2 Il test di qualificazione della procedura di saldatura ha soddisfatto tutti gli indici di prestazione e i requisiti tecnici. Abbiamo acquisito la padronanza della tecnologia di saldatura TIG, della saldatura ad arco manuale di riempimento e della saldatura del sistema di tubazioni per l'acciaio 9Ni, che ci fornirà una preziosa esperienza per guidare la produzione futura.