Сварка низкотемпературной стали требует глубокого понимания свойств материала, поскольку экстремальные условия могут привести к хрупкому разрушению. В статье рассматриваются технические требования к низкотемпературной стали, подчеркивается важность низкотемпературной вязкости и роль различных элементов и термической обработки в ее достижении. Кроме того, рассматриваются методы сварки, выбор материала и особенности сварки различных типов низкотемпературных сталей, таких как A333-GR6. Читатели получат представление об обеспечении качества сварки и предотвращении дефектов в этих критических областях применения.
1) Важнейшие технические требования к низкотемпературной стали включают в себя достаточную прочность, достаточную вязкость в криогенных условиях, отличную свариваемость, хорошую обрабатываемость и превосходную коррозионную стойкость.
Среди них первостепенное значение имеет низкотемпературная вязкость - способность противостоять хрупкому разрушению при отрицательных температурах. Поэтому в большинстве национальных стандартов указаны минимальные значения ударной вязкости при самых низких температурах эксплуатации, которые обычно измеряются с помощью испытаний Шарпи с V-образным надрезом.
2) В составе низкотемпературной стали такие элементы, как углерод, кремний, фосфор, сера и азот, обычно негативно влияют на низкотемпературную вязкость, причем фосфор является наиболее вредным.
Для смягчения этой проблемы удаление фосфора является приоритетным на ранних стадиях выплавки стали, часто с помощью процессов вторичной металлургии, таких как вакуумная дегазация. Напротив, такие элементы, как марганец и никель, повышают низкотемпературную вязкость. Каждое увеличение содержания никеля на 1% может снизить температуру перехода вязкости в хрупкость (DBTT) примерно на 20°C, в основном за счет стабилизации аустенитной фазы и улучшения структуры зерна.
3) Процесс термической обработки играет решающую роль в определении микроструктуры и размера зерна низкотемпературной стали, существенно влияя на ее криогенную вязкость. Закалка и отпуск, если их оптимизировать, могут заметно повысить низкотемпературную вязкость за счет получения мелкозернистой мартенситной или бейнитной структуры с контролируемым осаждением карбидов.
4) По методам первичного формования низкотемпературную сталь можно разделить на литую и кованую (прокатную).
В зависимости от состава и микроструктурных характеристик низкотемпературные стали подразделяются на: низколегированные стали (например, ASTM A353, A553), стали с никелем 3,5%, стали с никелем 5%, стали с никелем 6%, стали с никелем 9%, аустенитные Cr-Mn или Cr-Mn-Ni стали, а также аустенитные Cr-Ni нержавеющие стали.
Низколегированные стали обычно используются в умеренных криогенных условиях при температуре до -100°C, для производства холодильного оборудования, криогенных транспортных емкостей, наземных резервуаров для хранения этилена и оборудования для нефтехимической переработки.
В таких странах, как США, Великобритания и Япония, сталь 9% Ni (например, ASTM A353) широко используется в более требовательных низкотемпературных конструкциях, таких как резервуары для хранения и транспортировки сжиженного природного газа (СПГ) при -162°C, хранилища жидкого кислорода при -183°C, а также при изготовлении воздухоразделительных установок для производства жидкого кислорода и азота.
Аустенитные нержавеющие стали, особенно такие марки, как 304L, 316L и 347, являются превосходными конструкционными материалами для криогенной техники, обладая исключительной низкотемпературной вязкостью, превосходной свариваемостью и низкой теплопроводностью. Эти стали сохраняют свою пластичность вплоть до температуры жидкого гелия (-269°C) и широко используются в экстремальных низкотемпературных приложениях, включая резервуары для транспортировки и хранения жидкого водорода (-253°C) и жидкого кислорода, а также в криостатах со сверхпроводящими магнитами. Однако более высокое содержание хрома и никеля делает их более дорогими, что требует тщательного анализа затрат и выгод для каждой области применения.
При выборе методов и условий сварки низкотемпературной стали основное внимание уделяется предотвращению ухудшения низкотемпературной вязкости в сварных соединениях и недопущению сварочные трещины.
Нет принципиальной разницы между формами канавок сварные швы для низкотемпературной стали, обычной углеродистой стали, низколегированной стали или нержавеющей стали; они могут быть обработаны стандартным способом. Однако для 9Ni стали, угол паза в идеале должен быть не менее 70 градусов, а тупая кромка - не менее 3 мм.
Все низкотемпературные стали можно резать с помощью оксиацетиленового пламени. Однако при газовой резке стали 9Ni скорость резки должна быть немного ниже, чем при газовой резке обычной углеродистой конструкционной стали. Если толщина стали превышает 100 мм, перед газовой резкой ее можно предварительно нагреть до 150-200℃, но температура не должна превышать 200℃.
Газовая резка не оказывает негативного воздействия на районы, подверженные сварочное тепло. Однако из-за самозакаливающих свойств никельсодержащей стали поверхность среза затвердевает.
Для обеспечения удовлетворительной работы сварное соединениеПеред сваркой лучше всего использовать шлифовальный круг, чтобы сгладить и очистить поверхность среза.
Во время сварочных работ, если необходимо удалить сварная шайба или основного материала, можно использовать дуговую воздушную строжку. Однако перед повторной обработкой поверхность канавки следует очистить и отполировать.
Оксиацетиленовая пламенная строжка не должна использоваться, так как это чревато перегревом стали.
Низкотемпературную сталь можно сваривать обычными методами, такими как дуговая сваркаДуговая сварка под флюсом и газовая дуговая сварка.
Дуговая сварка является наиболее распространенным методом для низкотемпературной стали, и может применяться в различных положениях сварки. Ее тепловая мощность составляет примерно 18-30 КДж/см.
При использовании электродов с низким содержанием водорода можно получить вполне удовлетворительные сварные соединения, которые обладают не только хорошими механическими свойствами, но и превосходной вязкостью надреза.
Кроме того, преимущества дуговой сварки заключаются в простоте и дешевизне сварочных аппаратов, меньших затратах на оборудование и отсутствии ограничений по положению и направлению.
Тепловой поток при дуговой сварке под флюсом для низкотемпературной стали составляет около 10~22 КДж/см. Она широко используется благодаря своей простоте, высокой эффективности сварки и легкости в эксплуатации.
Однако из-за изолирующего эффекта флюса он замедляет охлаждение, что приводит к повышенной склонности к образованию горячие трещины.
Кроме того, из флюса в металл шва могут попасть примеси и кремний, что может усугубить эту тенденцию. Поэтому при использовании дуговой сварки под флюсом следует тщательно подходить к выбору проволоки и флюса, а также тщательно выполнять все операции.
CO2 При сварке в защитном газе получаются соединения с пониженной прочностью, поэтому ее не применяют для сварки низкотемпературных сталей.
Сварка вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG) обычно выполняется вручную, а подача тепла ограничена диапазоном 9~15 КДж/см. Хотя получаемое сварное соединение имеет удовлетворительные характеристики, этот метод не применим, если толщина стали превышает 12 мм.
Газо-металлическая дуговая сварка (MIG) - наиболее широко используемый метод автоматической или полуавтоматической сварки низкотемпературной стали с тепловой нагрузкой 23~40 КДж/см.
По способу переноса капель сварку можно разделить на короткозамкнутую (с меньшим тепловыделением), шаровидную (с большим тепловыделением) и импульсно-распылительную (с наибольшим тепловыделением). При сварке MIG с коротким замыканием глубина проплавления может быть недостаточной, что может привести к дефектам неполного проплавления.
Другие режимы MIG-сварки также могут иметь подобные проблемы, но в разной степени. Чтобы добиться удовлетворительной глубины проплавления за счет большей концентрации дуги, в чистый аргон, используемый в качестве источника питания, можно ввести от нескольких до нескольких десятков процентов CO2 или O2. защитный газ.
Соответствующее процентное соотношение должно быть определено экспериментально, исходя из конкретного тип стали сваривается.
Сварочные материалы (включая электроды, сварочную проволоку и флюсы), как правило, выбираются в зависимости от принятого метода сварки, формы шва, формы канавки и других необходимых характеристик.
Для низкотемпературной стали самое главное - обеспечить низкотемпературную вязкость металла шва, соответствующую материнскому металлу, и свести к минимуму количество диффундирующего водорода.
(1) Сталь, обработанная алюминием
Сталь с алюминиевым покрытием очень чувствительна к скорости охлаждения после сварки. Электроды, используемые при ручной дуговой сварке стали с алюминиевым покрытием, как правило, Si-Mn с низким содержанием водорода или 1,5% Ni, 2,0% Ni.
Для снижения тепловыделения при сварке стали с алюминиевым покрытием обычно используется многослойная сварка тонкими электродами 3~3,2 мм. Это позволяет использовать вторичный тепловой цикл верхнего прохода сварки для измельчения зерен.
Ударная вязкость металла шва, сваренного электродами Si-Mn при температуре 50℃, резко снижается с увеличением подводимого тепла. Например, при увеличении подачи тепла с 18КДж/см до 30КДж/см ударная вязкость снизится более чем на 60%. Электроды Ni типа 1,5% и Ni типа 2,5% не чувствительны к этому, поэтому они являются лучшим выбором для сварки.
Дуговая сварка под флюсом является распространенным методом автоматической сварки стали с алюминием. Лучший состав сварочной проволоки, используемой при дуговой сварке под флюсом, содержит 1,5~3,5% никеля и 0,5~1,0% молибдена.
Согласно литературным данным, при использовании сварочной проволоки 2,5%Ni-0,8%Cr-0,5%Mo или 2%Ni и соответствующего флюса среднее значение вязкости металла шва при температуре -55℃ может достигать 56-70J (5,7~7,1Kg/fm). Даже при использовании сварочной проволоки 0,5%Mo и щелочного флюса из марганцевого сплава, при условии, что подача тепла контролируется ниже 26KJ/см, можно получить металл шва с прочностью 55J (5,6Kg/f.m).
При выборе флюса обратите внимание на соответствие содержания Si и Mn в металле шва. Испытания показали, что различное содержание Si и Mn в металле шва может сильно повлиять на его вязкость. Оптимальная прочность достигается при содержании 0,1~0,2% Si и 0,7~1,1% Mn. Это следует учитывать при выборе сварочных проволок и флюсов.
Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) и сварка металлическим электродом в среде инертного газа (MIG) реже используется для сварки стали с алюминиевым покрытием. Вышеупомянутые сварочные проволоки для дуговой сварки под флюсом также могут использоваться для Сварка TIG.
(2) 2,5-никелевая сталь и 3,5-никелевая сталь
Для дуговой сварки под флюсом или MIG-сварки сталей 2,5Ni и 3,5Ni, как правило, можно использовать сварочную проволоку из того же материала, что и основной металл. Однако, как показано в формуле Уилкинсона, Mn является ингибитором горячего растрескивания для низконикелевой низкотемпературной стали.
Поддержание содержания марганца в металле шва на уровне 1,2% благоприятно для предотвращения трещин в дуговой яме и других горячих трещин. Это должно быть приоритетным при выборе комбинации сварочной проволоки и флюса.
Склонность к охрупчиванию при отпуске у стали 3.5Ni высокая, поэтому после послесварочной термообработки для остаточное напряжение (например, 620℃ × 1 час, затем охлаждение в печи), прочность резко снизится с 3,8 кг/ф.м до 2,1 кг/ф.м и не будет соответствовать спецификации.
Склонность к отпускному охрупчиванию металла шва, выполненного сварочной проволокой 4,5%Ni-0,2%Mo, значительно меньше, и использование этой проволоки позволяет избежать вышеупомянутых трудностей.
(3) Сталь 9Ni
Сталь 9Ni обычно подвергается закалке-темперированию или двойной нормализации-темперированию для повышения ее низкотемпературной вязкости. Однако металл шва из этой стали не может подвергаться вышеупомянутой термической обработке.
Поэтому использование ферритовых сварочных материалов затрудняет получение металла шва с низкотемпературной вязкостью, сопоставимой с родительским металлом. Наиболее часто используются высоконикелевые сварочные материалы.
Металл шва таких сварочных материалов представляет собой полную аустенитную структуру. Несмотря на такие недостатки, как более низкая прочность по сравнению с родительской сталью 9Ni и высокая стоимость, хрупкое разрушение больше не является для нее серьезной проблемой.
Из вышесказанного мы знаем, что:
Поскольку металл шва полностью аустенитный, низкотемпературная вязкость металла шва, сваренного используемыми электродами и сварочной проволокой, может полностью конкурировать с основным металлом, хотя его предел прочности и текучести ниже, чем у основного металла.
Никельсодержащая сталь обладает свойствами самозакаливания, поэтому в большинстве электродов и сварочных проволок приняты меры по ограничению содержание углерода для достижения хорошей свариваемости.
В сварочных материалах Mo является важным усиливающим элементом, а Nb, Ta, Ti и W - важными упрочняющими элементами. Их важность полностью признана при выборе и настройке сварочных материалов.
При использовании одной и той же сварочной проволоки прочность и вязкость металла шва, полученного дуговой сваркой под флюсом, несколько уступают таковым при сварке MIG. Это может быть связано с более медленной скоростью охлаждения шва и возможным попаданием примесей или Si из флюса.
Сталь A333-GR6 - это низкотемпературная сталь, с самой низкой температурой использования -70℃, обычно поставляется в нормализованном или нормализованном плюс закаленном состоянии. Сталь A333-GR6 имеет низкое содержание углерода, поэтому она обладает небольшой склонностью к закалке и холодному растрескиванию, хорошей вязкостью и пластичностью.
Как правило, он не образует дефектов закалки и растрескивания и обладает хорошими свариваемость.
ER80S-Ni1 аргонодуговая сварка проволока с электродами W707Ni может быть использована, применяя комбинированную аргонно-электрическую сварку, или проволока для аргонодуговой сварки ER80S-Ni1 может быть использована для полной аргонодуговой сварки, чтобы обеспечить хорошую прочность сварочного соединения.
Марку проволоки и электрода для аргонодуговой сварки можно выбрать из продуктов с такими же характеристиками, но перед использованием необходимо получить разрешение владельца.
При сварке для труб диаметром менее 76,2 мм используется I-образное стыковое соединение и полная аргонодуговая сварка; для труб диаметром более 76,2 мм открывается V-образная канавка и используется метод аргонодуговой сварки корня и многослойного заполнения аргоноэлектрической сваркой или полная аргонодуговая сварка.
Конкретные методы зависят от диаметра трубы и толщины стенки, утвержденных владельцем.
(1) Предварительный нагрев перед сваркой
Если температура окружающей среды ниже 5℃, требуется предварительный подогрев сварного шва.
Сайт температура предварительного нагрева 100~150℃; диапазон предварительного нагрева составляет 100 мм с обеих сторон шва; для нагрева используется оксиацетиленовое пламя (нейтральное пламя), а температура измеряется на расстоянии 50~100 мм от центра шва термочувствительной ручкой, с равномерно распределенными температурными точками для лучшего контроля температуры.
(2) Послесварочная термическая обработка
Для повышения вязкости низкотемпературной стали с надрезом обычно используются материалы, прошедшие закалку и отпуск. Неправильная послесварочная термообработка часто ухудшает низкотемпературные характеристики, поэтому ей следует уделять достаточное внимание.
Поэтому, за исключением случаев, когда толщина сварного шва больше или условия ограничения очень жесткие, низкотемпературная сталь обычно не подвергается послесварочной термической обработке.
Например, сварка нового трубопровода СУГ в ЦСПК не требует послесварочной термообработки.
Если послесварочная термообработка действительно необходима в некоторых проектах, скорость нагрева, время поддержания постоянной температуры и скорость охлаждения послесварочной термообработки должны строго соответствовать следующим положениям:
Время поддержания постоянной температуры должно составлять 1 час на толщину стенки 25 мм и не менее 15 минут. Разница температур между самой высокой и самой низкой температурой в течение периода постоянной температуры должна быть менее 65℃.
После установления постоянной температуры скорость охлаждения не должна превышать 65×25/δ ℃/ч, и не более 260℃/ч. При температуре ниже 400℃ допустимо естественное охлаждение. Следует использовать оборудование для термообработки с компьютерным управлением.
(1) Строгий предварительный нагрев в соответствии с правилами, контроль температуры межслойного шва в пределах 100~200℃. Каждый сварной шов должен быть завершен за один проход, если он прерывается, необходимо принять меры по медленному охлаждению.
(2) Царапины от дуги на поверхности сварного шва строго запрещены. После погасания дуги кратер должен быть заполнен, а все дефекты зашлифованы шлифовальным кругом. Швы между слоями при многослойной сварке должны быть ступенчатыми.
(3) Энергию линии необходимо строго контролировать, используя малые токи, низкое напряжение и быструю сварку. Для электродов W707Ni диаметром 3,2 мм длина сварки одного электрода должна превышать 8 см.
(4) Необходимо использовать короткодуговую, не раскачивающуюся операцию.
(5) Сварка с полным проплавлением необходимо использовать процесс, который должен строго соответствовать требованиям спецификации и технологической карты сварочного процесса.
(6) Усиление сварного шва должно составлять 0~2 мм, а расширение шва должно быть ≤2 мм с каждой стороны.
(7) После прохождения контроля внешнего вида сварного шва неразрушающий контроль может быть проведен только по истечении не менее 24 часов. Стандарт JB 4730-94 должен применяться для стыковая сварка швы трубы.
(8) Стандарт "Сосуды под давлением: Неразрушающий контроль сосудов под давлением" должен соблюдаться, и должна быть достигнута квалификация уровня II.
(9) Ремонт сварного шва должен выполняться до послесварочной термообработки. Если ремонт требуется после термообработки, сварной шов должен быть повторно обработан теплом после ремонта.
(10) Если геометрический размер поверхности сварного шва не соответствует требованиям, допускается его шлифовка, при условии, что толщина после шлифовки не будет ниже проектных требований.
(11) Для общего дефекты сваркиДопускается не более двух ремонтов. Если после двух ремонтов сварной шов по-прежнему не проходит, его следует отрезать и заварить заново в соответствии с полным процесс сварки.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
NL 
PT