Kako stopa hlađenja toplinske obrade nakon -zavarivanja od 400 stupnjeva do 200 stupnjeva utječe na popuštanje zaostalog naprezanja i otpornost na udubljenje završnih kapa grijača od nehrđajućeg čelika 316

Prozor kritične temperature za ublažavanje stresa bez senzibilizacije

Tehnika zavarivanja završne kapice stvara zaostala vlačna naprezanja u električnim grijaćim cijevima omotanim od nehrđajućeg čelika 316, što može uzrokovati pucanje od korozije pod naponom (SCC) i smanjiti otpornost na točku u uvjetima klorida. Ova zaostala naprezanja često se uklanjaju toplinskom obradom nakon-zavarivanja (PWHT) na 400-450 stupnjeva tijekom 1-2 h. Međutim, brzina hlađenja od PWHT temperature do 200 stupnjeva ima značajan, ali općenito zanemaren učinak i na stupanj popuštanja napona i na otpornost materijala na koroziju. Standard 316 će istaložiti karbide bogate kromom na granicama zrna (senzibilizacija) ako se polako hladi u rasponu od 300-450 stupnjeva. Brzo hlađenje (kašenje zrakom ili vodom) zadržava strukturu smanjenu naprezanja bez senzibilizacije. Povezanost između PWHT brzine hlađenja, smanjenja zaostalog naprezanja i otpornosti na piting kvantificirana je u ovom članku, nudeći specifikacijski okvir za optimiziranu obradu nakon zavarivanja.

Učinci suprotstavljanja stresu i senzibilizaciji

Dvije toplinski aktivirane reakcije odvijaju se istovremeno tijekom PWHT na 400-450 stupnjeva u nehrđajućem čeliku 316. Prvi je oslobađanje od stresa. Zaostala naprezanja uslijed zavarivanja (obično 100–300 MPa) popuštaju se putem dislokacijskog gibanja i oporavka. Proces je logaritamski i 70-80% zaostalog naprezanja otpušta se nakon 1 sata na 450 stupnjeva. Druga faza je taloženje karbida: iznad temperatura od oko 450 stupnjeva, kromovi karbidi mogu nukleirati, iako je taloženje sporo. Kako se materijal hladi od PWHT temperature, ponovno prolazi kroz raspon osjetljivosti (450-850 stupnjeva). Međutim, budući da je PWHT temperatura (400-450 stupnjeva) ispod raspona osjetljivosti, nema dodatnih taloženja karbida tijekom zadržavanja. Rizik se javlja kada se peć sporo hladi i temperatura materijala poraste iznad 450 stupnjeva tijekom hlađenja? Ne radi – PWHT se provodi na 400-450 stupnjeva, stoga će hlađenje započeti ispod raspona osjetljivosti. Pravi rizik je za PWHT na 500-600 stupnjeva (koji se ponekad koristi za temeljitije oslobađanje od stresa) kada postupno hlađenje do 450-850 stupnjeva proizvodi senzibilizaciju. Tijekom PWHT 400-450 stupnjeva, ključna briga nije senzibilizacija, već ponovno uvođenje zaostalih naprezanja zbog diferencijalnog hlađenja. Svako neravnomjerno hlađenje (jedna strana zavara se hladi brže od druge) može generirati nova toplinska naprezanja od 50-100 MPa koja uvelike poništavaju prednost držanja za smanjenje naprezanja.

Kvantifikacija utjecaja brzine hlađenja na otpornost na piting i zaostalo naprezanje

Konačno zaostalo naprezanje procijenjeno je difrakcijom X-zraka, a otpornost na piting je procijenjena ispitivanjem kritične temperature pitinga (CPT) u 1 M NaCl, u rasponu brzina hlađenja od 450 stupnjeva, 1-satna PWHT zavarenih završnih kapa 316 (1,5 mm debljine stjenke) u kontroliranim testovima. Rezultati otkrivaju da tempo hlađenja ima manji učinak na senzibilizaciju (svi su uzorci ostali nesenzibilizirani jer maksimalna temperatura nikada nije prešla raspon senzibilizacije), ali snažan učinak na konačno zaostalo naprezanje zbog učinaka toplinskog gradijenta.

PWHT metoda hlađenja od 450 stupnjeva Procijenjena brzina hlađenja (450 stupnjeva do 200 stupnjeva ) Završno zaostalo naprezanje na zavarivanju (MPa) Učinkovitost otpuštanja naprezanja (% od -naprezanja pri zavarivanju) Kritična piting temperatura (stupnjevi) (1 M NaCl) Preporučeno za usluge klorida
Ohladite peć (isključeno) 5-10 stupnjeva/sat 60-80 60-70 % 52-56 Ne (nije učinkovito)
Hladan mirni zrak (vodoravno) 100-200 stupnjeva/sat 40-60 70-80 % 54-58 Prikladno za umjerene kloride
Prisilni ventilator 300-500 stupnjeva/sat 30-45 80-85 % 55-59 Da
Gašenje vodom (uronjenje) 1000-2000 stupnjeva/sat 20-30 85-90% 56-60Da, najbolji visoki kloridi
Bez PWHT (kao -zavareno) N/A 150-250 0 % 50-54 Nije za rad s kloridom
Poseban slučaj PWHT na 500-600 stupnjeva

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 stupnjeva / sat do 850-450 stupnjeva ) suzbija preosjetljivost u cijevima tankih stijenki, održavajući CPT oko 55-60 stupnjeva . Toplinski šok od vode koja gasi zavareni dio, međutim, može izazvati izobličenje ili lomljenje. Preferirano rješenje za bilo koji grijač koji zahtijeva PWHT iznad 480 stupnjeva je korištenje 316L (maksimalno 0,03 % C). 316L je znatno manje osjetljiv na preosjetljivost i ima jedva malo taloženje karbida čak i kada se polako hladi od 550 stupnjeva.

Praktične preporuke za PWHT hlađenje

Za većinu od 316 obloženih grijača u vodenoj upotrebi, predložena PWHT je 450 stupnjeva tijekom 1 sata nakon čega slijedi prisilno hlađenje zrakom (brzina hlađenja od 300-500 stupnjeva/sat). Ovaj tretman smanjuje zaostala naprezanja za 80-85 % i ne izaziva preosjetljivost, jer je maksimalna postignuta temperatura ispod raspona preosjetljivosti. Kaljenje vodom nudi nešto veće smanjenje naprezanja, ali je vjerojatnije da će doći do izobličenja i rijetko je bitno. Donja tablica služi kao vodič za odabir PWHT temperature, brzine hlađenja i stupnja materijala ovisno o radnoj korozivnosti.

Radna okolina Razina klorida (ppm) Maksimalna temperatura (stupnjevi) Preporučena PWHT brzina hlađenja Vrsta materijala
Suho (ne-kloridno) Bilo koje Bilo koje Ništa (kao-zavareno) N/A 316L
Niska razina klorida<200 <80 450°C, 1 hour Forced air 316 
Umjereni klorid 200-500<80 450°C, 1 hour Forced air or water quench Preferred 316L
Visoki klorid 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 na verifikaciju na terenu

Za-grijače u radu, kod kojih je povijest PWHT nepoznata, mogu se koristiti dvije metode za određivanje jesu li zaostala naprezanja dovoljno otpuštena. Prvi je ASTM G38 U-test savijanja, u kojem se maleni uzorak iz ravnog dijela grijača savija za 180 stupnjeva i stavlja u kipući magnezijev klorid. Ako se pukotine razviju prije 100 sati, zaostala naprezanja prelaze 100 MPa. Drugi način je kvantificiranje zaostalog naprezanja na zavaru difrakcijom X{-zraka, ali to zahtijeva posebnu opremu. Ovo je realno rješenje za većinu kupaca. Stavite PWHT specifikacije na narudžbenicu i tražite potvrdu da je postupak (vrijeme, temperatura, metoda hlađenja) ispoštovan.

Zaključak: Specifikacija brzine hlađenja kao dijela PWHT za uslugu klorida

Za završne kape grijača od nehrđajućeg čelika 316, toplinska obrada nakon -zavarivanja na 450 stupnjeva tijekom 1 sata nakon čega slijedi prisilno hlađenje zrakom daje 80-85 % smanjenja naprezanja bez senzibilizacije, uvelike povećavajući otpornost na SCC i piting u kloridnim okruženjima. Ne preporučuje se sporo hlađenje (u peći) jer bi to umanjilo učinkovitost ublažavanja stresa. Kaljenje vodom osigurava maksimalno smanjenje naprezanja, ali također povećava složenost i rizik. 316Trebalo bi biti specificirano L i potrebno je kaljenje vodom za PWHT na višim temperaturama (500-600 stupnjeva) kako bi se spriječila senzibilizacija. Za uslugu klorida, inženjeri koji specificiraju PWHT moraju također definirati temperaturu zadržavanja i metodu hlađenja. Ovdje navedena metodologija omogućuje kupcima odabir PWHT parametara koji maksimiziraju otpornost na koroziju dok istovremeno sprječavaju neželjenu osjetljivost do koje bi moglo doći neodgovarajućim hlađenjem, povezujući brzinu hlađenja s preostalim naprezanjem i otpornošću na udubljenja.