Zavarivanje čelika od 2,25%, 3,5%, 5%, 9% nikla za kriogene usluge

What is meant by cryogenic service?

Cryogenic work is generally understood as work involving temperatures below -50°C. Steels intended for cryogenic work are called cryogenic steels.

Steels generally lose their toughness as the temperature is lowered, sometimes showing a sharp drop across a narrow temperature zone called the transition region.

Kriogeni čelik mora imati prijelaznu temperaturu žilavosti loma ispod predviđene radne temperature. Drugim riječima, mora dati minimalnu Charpy-V vrijednost udara od 20 J ili 15 ft-lbs. (ponekad i više) na radnoj temperaturi.

Čimbenici koji pomažu sniziti prijelaznu temperaturu čelika su:

1. Minimalni ugljik,
2. Deoksidacija ili temeljito ubijanje,
3. Fina veličina zrna,
4. Normaliziranje ili gašenje i
5. Kaljenje, i
6. Legiranje s niklom.

Među njima, posljednji faktor je najučinkovitiji. S povećanjem količine nikla u čeliku, raspon kriogene radne temperature se proširuje kako slijedi:

Sadržaj Ni u čeliku (%)	Najniža radna temperatura (°C)
2¼ %	-60°C
3½ %	-100°C
5%	-130°C
9%	-196°C

Uvjet toplinske obrade također je važan za 3,5 Ni čelik. U vruće valjanom stanju, čelik daje široko raspršene vrijednosti udara.

Normaliziranje poboljšava otpornost na udar, uglavnom kroz pročišćavanje zrna. Kaljenje i popuštanje je još učinkovitije jer osim što proizvodi finu veličinu zrna, povoljnije raspoređuje čestice karbida u legiranoj matrici.

Međutim, uz sve najbolje moguće čimbenike, uslužna primjena Ni čelika ne može se produžiti ispod -196°C.

Za tako ekstremno niske temperature idealan je austenitni Cr-Ni nehrđajući čelik (tip 304), jer ovaj materijal ne pokazuje raspon prijelaza žilavosti i održava vrhunsku udarnu čvrstoću do najniže temperature ispitivanja od -270°C.

This unique property of Cr-Ni austenitic steel can be attributed to its face-centered cubic crystal structure. However, its relatively low yield strength at room temperature is sometimes a disadvantage.

Iako Al pomaže u proizvodnji deoksidiranog (potpuno ubijenog) i fino zrnatog čelika, zaostali Al veći od oko 0,05% ima negativan učinak na otpornost na lom ispod nule. S i P također treba ograničiti na niže razine od onih koje se nalaze u čelicima za normalne radne temperature.

Sadržaj ugljika također je važan. Specifikacije za čelike od nikla određuju relativno niske razine ugljika, a ipak proizvođač čelika mora održavati postotak ugljika što je moguće nižim uz poštivanje navedenih razina čvrstoće. Za određeni čelik, udarna čvrstoća pada kako se debljina povećava.

Jaka hladna obrada (više od 3%) može utjecati na žilavost, više ako je čelik osjetljiv na deformacijsko otvrdnjavanje.

Kriogeni čelici uglavnom se koriste u izradi postrojenja za zadržavanje ukapljenih plinova, u kojem slučaju radna temperatura je vrelište ukapljenog plina.

Najčešće korišteni kriogeni materijali navedeni su u donjoj tablici.

Vrelišta komercijalnih plinova

Vrelišta uobičajenih komercijalnih plinova navedena su dolje u °C:

• LPG (tekući naftni plin): -20°C (pod tlakom)
• Amonijak: -30°C
• Butan: -32°C
• Propan: -42°C
• Ugljični dioksid: -80°C
• Etilen: -105°C
• LNG (ukapljeni prirodni plin, uglavnom metan): -162°C
• Metan: -165°C
• Kisik: -183°C
• Dušik: -196°C
• Vodik: -253°C
• Helij: -269°C

Welding of 2.25% Ni steel (ASTM A203)

2,25% Ni čelik (ASTM A203) sastoji se od dva razreda. Stupanj A ima granice postotka ugljika od 0,17, 0,20 i 0,23 za debljine ploča do 51 mm, preko 51 do 102 mm, odnosno preko 102 mm.

Stupanj B ima maksimalnu razinu ugljika od 0,21, 0,24 i 0,25% za iste raspone ploča. Stupanj B ima više razine čvrstoće i prirodno ga je teže zavarivati ​​od razreda A. Čelik se obično isporučuje u normaliziranom stanju.

Naširoko se koristi za skladištenje i transport tekućeg butana i propana. Za prijevoz ovih materijala u prekooceanske brodove ugrađeni su voluminozni teretni tankovi.

Zavarivanje Elektrode za punjenje za zavarivanje čelika s 2,25% Ni

2,25% Ni čelik (ASTM A203) zavaren je elektrodama AWS klase E8016-C1 ili E8018-C1 koje talože

približno 2,5% Ni čelika, korištenjem temperature predgrijanja od 100-125°C. Ako je razina ugljika iznad 0,20% ili je spoj jako ograničen, preporučuje se predgrijavanje od 150°C.

Standardni propisi obično zahtijevaju da se zavarene tlačne posude ili tlačni cjevovod za kriogenu upotrebu rasterete na oko 625°C.

Zavarivanje 3,5% Ni čelika (ASTM A203/A300)

3,5% Ni čelik (ASTM A203/300): Ovaj čelik također ima dva razreda D i E, pri čemu potonji ima više razine ugljika za različite debljine.

Obično se isporučuje u normaliziranom stanju, iako se daljnje poboljšanje žilavosti može postići kaljenjem nakon normalizacije ili kaljenjem nakon kaljenja.

Welding Filler electrodes for welding steel with 3.5% Ni

Čelik je zavaren elektrodama AWS klase E8016-C2 ili E8018-C2 uz predgrijavanje u temperaturnom rasponu od 100-125°C. Zavar se mora osloboditi naprezanja na oko 625°C.

Kao što je ranije spomenuto, utvrđeno je da je čelik s 3,5% Ni prikladan za radne temperature do -100°C.

Kako bi se osigurala njegova prikladnost za rukovanje ukapljenim etilenom, koji ima vrelište od -105°C i koji se sve više koristi u proizvodnji plastike, podvrgava se gašenju i popuštanju, što pomiče prijelaznu temperaturu čelika ispod -105°C.

Međutim, poboljšanje elektrode klase E80XX-C2 kako bi se uskladila s ovom razinom žilavosti nije bilo moguće, a specifikacija AWS A5.5 i dalje navodi minimalnu udarnu vrijednost naslaga zavara od 27 J (20 ft-lb) na -73° C. Trenutačno se za uslugu tekućeg etilena prikladnijom smatra elektroda od nehrđajućeg čelika (E309) ili Inconel.

Da bi se postigla odgovarajuća žilavost kod zavarivanja pod praškom, praksa je bila da se koristi posebna 3,0% Ni-1% Mn-0,25% Mo žica i tehnika zavarivanja u više prolaza s relativno niskom stopom unosa topline. MIG zavarivanje s istom žicom, ali s dodatkom Al bilo je prilično uspješno.

Zavarivanje 5% Ni čelika (ASTM A645)

5% Ni čelik (ASTM A645): Ovaj je čelik prvi put uveden u Europi za servisne primjene do -130°C, ali nije bio prihvaćen u SAD-u, vjerojatno jer nije nudio dovoljnu prednost u odnosu na 3,5% Ni čelik za opravdati svoju višu cijenu.

Također, utvrđeno je da odgovarajući dodatni metal od 5% Ni nije prikladan, jer je metal za zavarivanje bio ozbiljno sklon pucanju.

Stoga su se morale koristiti elektrode od austenitnog nehrđajućeg čelika ili elektrode na bazi nikla, čiji zavareni sloj ima relativno nižu čvrstoću na sobnoj temperaturi.

Nedavno je čelik unaprijeđen kako bi postao prikladan za radne temperature do -162° C, tako da se može koristiti za rukovanje ukapljenim prirodnim plinom (LNG).

Tipičan čelik je Armco cryonic 5. To je u biti čelik s niskim udjelom ugljika, 5% Ni s dodatkom približno 0,25% Mo. Mn i Si normalni su za legirane čelike, ali P i S održavaju se na niskim razinama kako bi se osigurao maksimalni zarez žilavost.

Ključna značajka cryonic 5 je nova toplinska obrada u tri koraka koja proizvodi izvrsnu kombinaciju svojstava. Ova obrada uključuje konvencionalno kaljenje, kaljenje i reverzijsko žarenje.

Ova posljednja dva tretmana uključuju zagrijavanje do određenih temperaturnih raspona u dvofaznom (a+) području i hlađenje odatle određenim brzinama.

Oni pročišćavaju mikrostrukturu kontroliranjem količine stabilnog austenita, ferita i niskougljičnog kaljenog martenzita. Ova struktura predstavlja kombinaciju visoke čvrstoće, duktilnosti i izuzetne žilavosti zareza.

Zavarivanje Dodatne elektrode za zavarivanje čelika s 5% Ni

Čelik je zavaren dodatnim metalima i postupcima zavarivanja za koje je utvrđeno da su prikladni za 9% Ni čelik (na primjer, Inconel 92 dodatni metal koji odgovara AWS klasi ERNICrFe-b za MIG zavarivanje ili elektroda Inco-Weld B AWS klase ENiCrFe- 4 za ručno zavarivanje).

Popis elektroda za zavarivanje koje se koriste za različite kriogene čelike dan je u donjoj tablici.

Zavarivanje 9% Ni čelika (ASTM A353/A553)

9% Ni čelik (ASTM A353/A553) ili A353 odnosi se na čelik isporučen u dvostruko normaliziranom i poboljšanom stanju, a A553 na onaj koji se isporučuje u kaljenom i popuštenom stanju.

Oba razreda pokazuju izuzetno dobru otpornost na zarez na -196° C, ali A553 ima višu granicu tečenja (minimalno 85 ksi ili 585 N/mm²) u usporedbi s A353 (minimalno 75 ksi ili 515 N/mm²). Oba imaju raspon vlačne čvrstoće od 100-120 ksi (690-825 N/mm²) i zahtijevaju identične postupke zavarivanja.

Obično nije potrebno prethodno zagrijavanje, ali kako se debljina ploče povećava i ograničenje spoja postaje sve jače, preporučljivo je prethodno zagrijavanje u temperaturnom rasponu od 100-200°C kako bi se spriječilo pucanje.

Welding Filling electrodes for 9% Ni steel Welding

Čelične elektrode od 9% Ni nisu prikladne, jer talože metal za zavarivanje nedovoljne žilavosti koji je sklon jakom pucanju. Elektrode klase E310 (tip nehrđajućeg čelika 25 Cr/20 Ni) daju odgovarajuću žilavost metala zavara na -196°C, ali je vlačna čvrstoća mnogo niža.

Elektrode od legure nikla AWS klase ENiCrFe2 ili ENiCrFe3 (na primjer, Incoweld ‘A’ ili Inconel 182) su bolji izbor, jer metal za zavarivanje nanesen ovim elektrodama ima približno 95% učinkovitosti čvrstoće spoja, osim dobre žilavosti zareza na -196 °C.

MIG welding can be satisfactorily performed using Ni AWS grade ERNICr-3 or ERNICr-6 wires. Ferritic steel wires of appropriate chemical composition have also been found to be suitable for MIG welding in Japan, provided the Ni content is raised to about 10.5% and the S and P levels are kept very low in the parent plates (each below 0.015%) and in traces in the weld deposit (each below 0.006%).

Za zavarivanje pod praškom, 65% Ni-27% Mo žica koja se koristi u kombinaciji s osnovnim praškom pokazala se prikladnom.

Nedavno je u Japanu razvijena žica za elektrolučni luk modificiranog kemijskog sastava (75% Ni-20% Mo-3% W), za koju se tvrdi da u kombinaciji s aglomeriranim fluksom s malo silicijevog dioksida taloži metal za zavarivanje odgovarajuće čvrstoće i žilavosti, odgovarajući osnovni metal.

Također je razvijena ručna elektroda donekle sličnog sastava. Proizvodi od 9% Ni čelika koriste se u zavarenom stanju bez naknadne toplinske obrade čak i za rad na -196°C.

Dok je tvrdoća 9% Ni čelika u kaljenom stanju u rasponu od C-22 do C-26 Rockwell, povećava se na približno C-38 do C-40 u točki oko 1 mm od linije taljenja u HAZ-u. .

Unatoč ovom povećanju tvrdoće, nema značajnog smanjenja žilavosti u ZUT-u. Neki proizvođači inzistiraju na ograničavanju ugljika u matičnoj ploči na maksimalno 0,08% tako da tvrdoća ZUT-a ne prelazi C-36.

Open this in UX Builder to add and edit content