La saldatura di acciai a bassa temperatura richiede una conoscenza approfondita delle proprietà del materiale, poiché le condizioni estreme possono portare a rotture fragili. L'articolo illustra i requisiti tecnici degli acciai per basse temperature, sottolineando l'importanza della tenacità alle basse temperature e il ruolo dei vari elementi e trattamenti termici per ottenerla. Inoltre, vengono trattati i metodi di saldatura, la selezione dei materiali e le pratiche specifiche per la saldatura di diversi tipi di acciaio a bassa temperatura, come l'A333-GR6. I lettori potranno così capire come garantire la qualità della saldatura e prevenire i difetti in queste applicazioni critiche.
1) I requisiti tecnici critici per gli acciai per basse temperature comprendono una resistenza sufficiente, un'ampia tenacità in condizioni criogeniche, un'eccellente saldabilità, una buona lavorabilità e una resistenza alla corrosione superiore.
Tra queste, la tenacità alle basse temperature, ovvero la capacità di resistere alla frattura fragile a temperature inferiori allo zero, è fondamentale. Di conseguenza, la maggior parte degli standard nazionali specifica valori minimi di tenacità all'urto alle temperature di servizio più basse, tipicamente misurati con test Charpy V-notch.
2) Nella composizione degli acciai a bassa temperatura, elementi come carbonio, silicio, fosforo, zolfo e azoto sono generalmente dannosi per la tenacità a bassa temperatura, con il fosforo che è il più deleterio.
Per mitigare questo problema, la rimozione del fosforo è prioritaria nelle prime fasi della produzione dell'acciaio, spesso attraverso processi di metallurgia secondaria come il degasaggio sotto vuoto. Al contrario, elementi come il manganese e il nichel migliorano la tenacità a bassa temperatura. Ogni aumento di 1% nel contenuto di nichel può abbassare la temperatura di transizione duttile-fragile (DBTT) di circa 20°C, principalmente stabilizzando la fase austenite e affinando la struttura dei grani.
3) Il processo di trattamento termico svolge un ruolo cruciale nel determinare la microstruttura e la dimensione dei grani dell'acciaio a bassa temperatura, influenzando in modo significativo la sua tenacità criogenica. I trattamenti di tempra e rinvenimento, se ottimizzati, possono migliorare notevolmente la tenacità alle basse temperature producendo una struttura martensitica o bainitica a grana fine con precipitazione controllata di carburi.
4) In base ai metodi di formatura primaria, gli acciai a bassa temperatura possono essere classificati in acciai fusi e acciai battuti (laminati).
A seconda della composizione e delle caratteristiche microstrutturali, gli acciai a bassa temperatura sono classificati come: acciai basso-legati (ad esempio, ASTM A353, A553), acciai al Ni 3.5%, acciai al Ni 5%, acciai al Ni 6%, acciai al Ni 9%, acciai austenitici al Cr-Mn o al Cr-Mn-Ni e acciai inossidabili austenitici al Cr-Ni.
Gli acciai basso-legati sono tipicamente impiegati in applicazioni criogeniche moderate fino a circa -100°C, per la produzione di apparecchiature di refrigerazione, recipienti per il trasporto criogenico, serbatoi di stoccaggio di etilene in superficie e apparecchiature per la lavorazione petrolchimica.
In paesi come gli Stati Uniti, il Regno Unito e il Giappone, l'acciaio 9% Ni (ad esempio, ASTM A353) è ampiamente utilizzato nelle strutture a bassa temperatura più esigenti, come i serbatoi per lo stoccaggio e il trasporto di gas naturale liquefatto (LNG) a -162°C, lo stoccaggio di ossigeno liquido a -183°C e nella fabbricazione di unità di separazione dell'aria per la produzione di ossigeno e azoto liquidi.
Gli acciai inossidabili austenitici, in particolare i gradi 304L, 316L e 347, sono eccellenti materiali strutturali criogenici, in quanto offrono un'eccezionale tenacità alle basse temperature, una saldabilità superiore e una bassa conduttività termica. Questi acciai mantengono la loro duttilità fino alle temperature dell'elio liquido (-269°C) e sono ampiamente utilizzati in applicazioni a bassa temperatura, tra cui serbatoi per il trasporto e lo stoccaggio di idrogeno liquido (-253°C) e ossigeno liquido, nonché nei criostati dei magneti superconduttori. Tuttavia, il loro maggiore contenuto di cromo e nichel li rende più costosi, rendendo necessaria un'attenta analisi costi-benefici per ogni applicazione.
Nella scelta dei metodi e delle condizioni di costruzione della saldatura per gli acciai a bassa temperatura, l'attenzione è rivolta a prevenire il deterioramento della tenacità a bassa temperatura nei giunti di saldatura e ad evitare crepe da saldatura.
Non c'è alcuna differenza fondamentale tra le forme delle scanalature di giunti di saldatura per l'acciaio a bassa temperatura, l'acciaio al carbonio ordinario, l'acciaio a bassa lega o l'acciaio inossidabile; possono essere lavorati in modo standard. Tuttavia, per 9Ni acciaio, l'angolo della scanalatura non dovrebbe essere inferiore a 70 gradi e il bordo smussato non dovrebbe essere inferiore a 3 mm.
Tutti gli acciai a bassa temperatura possono essere tagliati con la fiamma ossiacetilenica. Tuttavia, quando si taglia a gas l'acciaio 9Ni, la velocità di taglio deve essere leggermente inferiore a quella del normale acciaio strutturale al carbonio. Se lo spessore dell'acciaio supera i 100 mm, il taglio può essere preriscaldato a 150-200℃ prima del taglio a gas, ma non deve superare i 200℃.
Il taglio del gas non ha effetti negativi sulle aree interessate da calore di saldatura. Tuttavia, a causa delle proprietà autoindurenti dell'acciaio contenente nichel, la superficie di taglio si indurisce.
Per garantire una prestazione soddisfacente del giunto saldatoÈ meglio usare una mola per levigare e pulire la superficie di taglio prima della saldatura.
Durante la costruzione delle saldature, se è necessario rimuovere il cordone di saldatura o materiale di base, si può ricorrere alla scanalatura ad aria compressa. Tuttavia, prima della rilavorazione, la superficie della scanalatura deve essere pulita e lucidata.
La scriccatura con fiamma ossiacetilenica non deve essere utilizzata perché rischia di surriscaldare l'acciaio.
Gli acciai a bassa temperatura possono essere saldati con i metodi tipici quali saldatura ad arco, saldatura ad arco sommerso e saldatura ad arco di gas metallico.
La saldatura ad arco è il metodo più comunemente utilizzato per gli acciai a bassa temperatura e può essere applicata in varie posizioni di saldatura. L'apporto di calore è di circa 18~30KJ/cm.
Utilizzando elettrodi a basso contenuto di idrogeno, è possibile ottenere giunti di saldatura completamente soddisfacenti, che non solo presentano buone proprietà meccaniche, ma anche un'eccellente tenacità dell'intaglio.
Inoltre, la saldatura ad arco presenta i vantaggi di saldatrici semplici e poco costose, di un minore investimento in attrezzature e di nessuna limitazione di posizione o direzione.
L'apporto termico della saldatura ad arco sommerso per gli acciai a bassa temperatura è di circa 10~22KJ/cm. È ampiamente utilizzata per la sua semplicità, l'elevata efficienza di saldatura e la facilità di funzionamento.
Tuttavia, a causa dell'effetto isolante del flusso, esso rallenta il raffreddamento, portando ad una maggiore tendenza alla formazione di crepe calde.
Inoltre, impurità e silicio possono entrare nel metallo saldato dal flusso, aggravando questa tendenza. Pertanto, quando si utilizza la saldatura ad arco sommerso, la scelta del filo e del flusso deve essere considerata con attenzione e le operazioni devono essere eseguite meticolosamente.
CO2 La saldatura schermata con gas produce giunti con una minore tenacità e pertanto non viene utilizzata per la saldatura di acciai a bassa temperatura.
La saldatura a gas inerte di tungsteno (TIG) è tipicamente azionata manualmente e il suo apporto di calore è limitato a un intervallo di 9~15KJ/cm. Sebbene il giunto di saldatura prodotto abbia prestazioni soddisfacenti, questo metodo non è applicabile quando lo spessore dell'acciaio supera i 12 mm.
La saldatura ad arco con gas metallici (MIG) è il metodo di saldatura automatico o semiautomatico più utilizzato per gli acciai a bassa temperatura, con un apporto termico di 23~40KJ/cm.
In base al metodo di trasferimento delle gocce, si può suddividere in trasferimento a corto circuito (minore apporto di calore), trasferimento globulare (maggiore apporto di calore) e trasferimento a spruzzo pulsato (maggiore apporto di calore). La saldatura MIG a corto circuito potrebbe avere una profondità di fusione insufficiente, con conseguenti difetti di fusione incompleta.
Anche altre modalità di saldatura MIG possono presentare problemi simili, ma in misura diversa. Per ottenere una profondità di fusione soddisfacente rendendo l'arco più concentrato, è possibile introdurre da poche a diverse decine di punti percentuali di CO2 o O2 nell'argon puro utilizzato come gas di schermatura.
La percentuale appropriata deve essere determinata sperimentalmente, sulla base della specifica tipo di acciaio saldato.
Materiali per la saldatura (compresi elettrodi, fili di saldatura e flussanti), devono essere scelti in base al metodo di saldatura adottato, alla forma del giunto, alla forma della scanalatura e ad altre caratteristiche necessarie.
Per gli acciai a bassa temperatura, la cosa più importante è garantire che il metallo saldato abbia una tenacità a bassa temperatura pari a quella del metallo madre e ridurre al minimo la quantità di idrogeno diffuso.
(1) Acciaio caricato con alluminio
L'acciaio caricato con alluminio è molto sensibile alla velocità di raffreddamento post-saldatura. Gli elettrodi utilizzati nella saldatura manuale ad arco per l'acciaio caricato con alluminio sono in genere del tipo Si-Mn a basso contenuto di idrogeno o del tipo 1,5% Ni, 2,0% Ni.
Per ridurre l'apporto di calore della saldatura, l'acciaio con alluminio adotta solitamente la saldatura multistrato con elettrodi sottili di 3~3,2 mm. In questo modo è possibile utilizzare il ciclo di calore secondario della passata di saldatura superiore per affinare i grani.
La tenacità all'urto del metallo saldato con elettrodi di Si-Mn a 50℃ diminuisce drasticamente all'aumentare dell'apporto termico. Ad esempio, quando l'apporto termico aumenta da 18KJ/cm a 30KJ/cm, la tenacità perde più di 60%. Gli elettrodi di tipo 1.5% Ni e 2.5% Ni non sono sensibili a questo fenomeno e sono quindi la scelta migliore per la saldatura.
La saldatura ad arco sommerso è un metodo di saldatura automatica comune per gli acciai con alluminio. La composizione migliore per il filo di saldatura utilizzato nella saldatura ad arco sommerso contiene 1,5~3,5% di nichel e 0,5~1,0% di molibdeno.
Secondo la letteratura, con l'uso di un filo di saldatura 2,5%Ni-0,8%Cr-0,5%Mo o 2%Ni e il flusso appropriato, il valore medio di tenacità del metallo saldato a -55℃ può raggiungere 56-70J (5,7~7,1Kg/fm). Anche con il filo di saldatura 0,5%Mo e il flusso alcalino in lega di manganese, purché l'apporto di calore sia controllato al di sotto di 26KJ/cm, è possibile ottenere un metallo saldato con 55J (5,6Kg/f.m).
Nella scelta del flussante, prestare attenzione alla corrispondenza tra Si e Mn nel metallo saldato. I test hanno dimostrato che un diverso contenuto di Si e Mn nel metallo saldato può influenzare notevolmente la sua tenacità. La tenacità ottimale si ottiene con 0,1~0,2% Si e 0,7~1,1% Mn. Questo dato va tenuto presente nella scelta dei fili di saldatura e dei flussi.
La saldatura a gas inerte di tungsteno (TIG) e a gas inerte metallico (MIG) è meno comunemente utilizzata per l'acciaio alluminato. I fili di saldatura sopra citati per la saldatura ad arco sommerso possono essere utilizzati anche per Saldatura TIG.
(2) Acciaio 2,5Ni e Acciaio 3,5Ni
Per la saldatura ad arco sommerso o MIG di acciai 2,5Ni e 3,5Ni, è generalmente possibile utilizzare fili di saldatura dello stesso materiale del metallo madre. Tuttavia, come indicato nella formula di Wilkinson, il Mn è un inibitore della cricca a caldo per gli acciai a bassa temperatura e a basso tenore di nichel.
Mantenere il contenuto di manganese nel metallo saldato intorno a 1,2% è utile per prevenire le cricche da arco e altre cricche a caldo. Questo aspetto deve essere considerato prioritario nella scelta della combinazione di filo di saldatura e flusso.
La tendenza all'infragilimento da tempera dell'acciaio 3,5Ni è elevata, pertanto dopo il trattamento termico post-saldatura per sollecitazione residua (ad esempio, 620℃×1 ora, poi raffreddamento in forno), la tenacità diminuirà drasticamente da 3,8Kg/f.m a 2,1Kg/f.m e non sarà conforme alle specifiche.
La tendenza all'infragilimento da tempra del metallo saldato con il filo di saldatura 4,5%Ni-0,2%Mo è molto più contenuta e l'utilizzo di questo filo permette di evitare le difficoltà sopra citate.
(3) Acciaio 9Ni
L'acciaio 9Ni viene solitamente sottoposto a un trattamento termico di tempra o di doppia normalizzazione per massimizzare la sua tenacità a bassa temperatura. Tuttavia, il metallo saldato di questo acciaio non può essere sottoposto al suddetto trattamento termico.
Pertanto, l'utilizzo di materiali di saldatura in ferrite rende difficile ottenere un metallo saldato con una tenacità a bassa temperatura paragonabile a quella del metallo madre. I più utilizzati sono i materiali di saldatura ad alto tenore di nichel.
Il metallo saldato di questi materiali è una struttura austenitica completa. Nonostante gli svantaggi della minore resistenza rispetto all'acciaio 9Ni e del costo elevato, la frattura fragile non è più un problema serio.
Da quanto detto sopra, sappiamo che:
Poiché il metallo saldato è interamente austenitico, la tenacità a bassa temperatura del metallo saldato con gli elettrodi e i fili di saldatura utilizzati può competere pienamente con il metallo madre, sebbene la sua resistenza alla trazione e il suo punto di snervamento siano inferiori al metallo madre.
L'acciaio contenente nichel ha caratteristiche di autoindurimento, per cui la maggior parte degli elettrodi e dei fili di saldatura hanno adottato misure per limitare la contenuto di carbonio per ottenere una buona saldabilità.
Nei materiali di saldatura, Mo è un importante elemento di rinforzo, mentre Nb, Ta, Ti e W sono importanti elementi di tempra. La loro importanza è stata pienamente riconosciuta nella selezione e nella configurazione dei materiali di saldatura.
Quando si utilizza lo stesso filo di saldatura, la resistenza e la tenacità del metallo saldato con la saldatura ad arco sommerso sono leggermente inferiori a quelle della saldatura MIG. Ciò potrebbe essere dovuto alla più lenta velocità di raffreddamento della saldatura e alle possibili impurità o infiltrazioni di Si dal flusso.
L'acciaio A333-GR6 è un acciaio a bassa temperatura, con una temperatura di utilizzo minima di -70℃, solitamente fornito allo stato normalizzato o normalizzato più temprato. L'acciaio A333-GR6 ha un basso contenuto di carbonio, quindi presenta una ridotta tendenza all'indurimento e alla criccatura a freddo, una buona tenacità e plasticità.
In genere non produce facilmente difetti di indurimento e di fessurazione, e ha una buona saldabilità.
ER80S-Ni1 saldatura ad arco di argon Si può utilizzare il filo con elettrodi W707Ni, applicando la saldatura combinata argon-elettrica, oppure il filo per saldatura ad arco di argon ER80S-Ni1 per la saldatura ad arco di argon completo, per garantire una buona tenacità del giunto di saldatura.
La marca del filo e dell'elettrodo per saldatura ad arco di argon può essere scelta tra prodotti con le stesse prestazioni, ma prima dell'uso è necessario ottenere l'approvazione del proprietario.
Durante la saldatura, per i tubi di diametro inferiore a 76,2 mm, si utilizza un giunto di testa a I e la saldatura ad arco pieno di argon; per i tubi di diametro superiore a 76,2 mm, si apre una scanalatura a V e si utilizza il metodo della radice ad arco di argon e della saldatura argon-elettrica a riempimento multistrato o della saldatura ad arco pieno di argon.
Le pratiche specifiche dipendono dal diametro del tubo e dallo spessore della parete approvati dal proprietario.
(1) Preriscaldamento prima della saldatura
Quando la temperatura ambiente è inferiore a 5℃, è necessario un preriscaldamento della saldatura.
Il temperatura di preriscaldamento è di 100~150℃; l'intervallo di preriscaldamento è di 100 mm su entrambi i lati della saldatura; per il riscaldamento si utilizza la fiamma ossiacetilenica (fiamma neutra) e la temperatura viene misurata a 50~100 mm di distanza dal centro della saldatura da una penna termosensibile, con punti di temperatura uniformemente distribuiti per un migliore controllo della temperatura.
(2) Trattamento termico post-saldatura
Per migliorare la tenacità dell'intaglio degli acciai a bassa temperatura, i materiali generalmente utilizzati sono già stati sottoposti a tempra e rinvenimento. Un trattamento termico post-saldatura inadeguato spesso deteriora le prestazioni a bassa temperatura, che dovrebbero essere oggetto di sufficiente attenzione.
Pertanto, ad eccezione delle condizioni in cui lo spessore della saldatura è maggiore o le condizioni di vincolo sono molto severe, gli acciai a bassa temperatura di solito non vengono sottoposti a trattamento termico post-saldatura.
Ad esempio, la saldatura della nuova condotta per GPL di CSPC non richiede un trattamento termico post-saldatura.
Se in alcuni progetti è effettivamente necessario un trattamento termico post-saldatura, la velocità di riscaldamento, il tempo di temperatura costante e la velocità di raffreddamento del trattamento termico post-saldatura devono essere rigorosamente eseguiti secondo le seguenti disposizioni:
Il tempo di temperatura costante deve essere di 1 ora per 25 mm di spessore della parete e non inferiore a 15 minuti. La differenza di temperatura tra la temperatura più alta e quella più bassa durante il periodo di temperatura costante deve essere inferiore a 65℃.
Dopo la temperatura costante, la velocità di raffreddamento non deve essere superiore a 65×25/δ ℃/h, e non più di 260℃/h. Al di sotto dei 400℃, il raffreddamento naturale è accettabile. È opportuno utilizzare apparecchiature per il trattamento termico a controllo computerizzato.
(1) Preriscaldamento rigoroso secondo le norme, controllando la temperatura dell'intercalare entro 100~200℃. Ogni saldatura deve essere completata in una sola volta; in caso di interruzione, è necessario adottare misure di raffreddamento lento.
(2) I graffi da arco sulla superficie della saldatura sono severamente vietati. Dopo lo spegnimento dell'arco, il cratere deve essere riempito e i difetti devono essere eliminati con una mola. I giunti tra gli strati nella saldatura multistrato devono essere sfalsati.
(3) L'energia di linea deve essere rigorosamente controllata, utilizzando piccole correnti, basse tensioni e saldature rapide. Per gli elettrodi W707Ni con diametro di 3,2 mm, la lunghezza di saldatura per elettrodo deve essere superiore a 8 cm.
(4) È necessario adottare un funzionamento ad arco corto e non oscillante.
(5) Saldatura a penetrazione totale e deve seguire rigorosamente i requisiti delle specifiche del processo di saldatura e della scheda del processo di saldatura.
(6) Il rinforzo della saldatura deve essere di 0~2 mm e l'allargamento della saldatura deve essere di ≤2 mm su ciascun lato.
(7) Dopo aver superato il controllo dell'aspetto della saldatura, i controlli non distruttivi possono essere eseguiti solo dopo almeno 24 ore. Lo standard JB 4730-94 dovrebbe essere applicato a saldatura di testa cuciture del tubo.
(8) Lo standard "Pressure Vessel: Prove non distruttive dei recipienti a pressione", e deve essere conseguita la qualifica di livello II.
(9) Le riparazioni delle saldature devono essere eseguite prima del trattamento termico post-saldatura. Se le riparazioni sono necessarie dopo il trattamento termico, la saldatura deve essere trattata nuovamente con il calore dopo la riparazione.
(10) Se le dimensioni geometriche della superficie di saldatura non sono conformi, è consentito rettificarla, purché lo spessore dopo la rettifica non scenda al di sotto dei requisiti di progetto.
(11) Per le questioni di carattere generale difetti di saldaturaÈ consentito un massimo di due riparazioni. Se dopo due riparazioni non passa ancora, la saldatura deve essere tagliata e risaldata secondo la procedura completa. processo di saldatura.
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