Технические новинки Vol.25

Vol.25: Сварочные материалы серии B91 для сталей марки 91

Сварочные материалы серии B91 для сталей марки 91

1.Предисловие

Иллюстрация 1: Давление и температура пара на ТЭС в Японии

Иллюстрация 1: Давление и температура пара на
ТЭС в Японии

Самая большая проблема тепловой энергетики - это сокращение эмиссий углекислого газа. При этом самый лучший способ ее решения заключается в том, чтобы повысить эффективность выработки электроэнергии, а это требует подачи высокотемпературного пара и давления в электротурбины. На Иллюстрации 1 показаны тенденции изменения параметров пара (температуры и давления) на ТЭС в Японии в течение нескольких десятков лет.

Следовательно, для ТЭС требуются особые стали, которые можно эксплуатировать в течение долгого времени в условиях высоких температур и давления, такие, как жаропрочная ферритная высокохромистая сталь с содержанием хрома (Cr) в 9-12%. Сталь марки 91 (Gr. 91) - это основной тип ферритной высокохромистой стали, используемой в бойлерах тепловых электростанций по всему миру. Компания KOBE STEEL, LTD. (KSL) разработала и представила на рынке сварочные материалы серии 9Cb и B9 для сталей марки 91, получившие высокую оценку многих производителей бойлеров в стране и за рубежом.

С другой стороны, общее содержание марганца и никеля (Mn+Ni) в ферритных высокохромистых сталях постепенно становилось предметом регулирования. В частности, такие международные органы стандартизации, как ASME и AWS стали уделять большее внимание этому вопросу.

Сварочные материалы серии B91, разработанные с учетом этих требований, будут рассмотрены с позиции соответствия стандартам AWS.


2.Международные стандарты

В последние годы международные органы стандартизации постоянно модифицировали требования как к содержанию Mn+Ni, так и к температуре послесварочной тепловой обработки (PWHT).

В Таблицах 1 и 2 показаны тенденции стандартов ASME B31.1 и AWS B9/B91 соответственно.


Таблица 1: Тенденции стандарта ASME B31.1
Год Общее содержание Mn+Ni (% массы) Верхний предел температуры PWHT в реальном процессе (℃) Справка (Год пересмотра)
Рекомендуемое условие Обязательное условие
2008 и ранее Не регулируется 760 Основной металл Ac1: около 800 Таблица 132 P-No. 5B
Группа No. 1→ Группа No. 2
2009-2013 Наплавной металл неизвестен 775 Ac1 основного металла: около 800 Таблица 132 P-No. 15E Группа No. 1 (2009)
1,0 наплавной металл < 1,5 790
Наплавной металл < 1,0 800
2014 и позже Наплавной металл < 1,2 775 Ac1 основного металла: около 800 и A1 или A c1*2 наплавного металла Таблица 132 P-No. 15E Группа No. 1 (2014)
< 1.0 *1 125.1.3 (2014) Для ремонта отливки

Примечание: *1 B9: SMAW, SAW, GTAW и FCAW
*2 A1 или Ac1 в наплавных металлах определятся либо путем анализа и расчетов, либо прямым замером


Таблица 2: Тенденция стандарта AWS B9/B91
Год Верхний предел содержания Mn+Ni в наплавленном металле (% массы) *1 Верхний предел температуры PWHT, установленный для тестирования (℃) Справка (Год пересмотра) *2
До 2004 Не регулируется *3 759 (SMAW) или 760 B9: SMAW, GMAW, GTAW (1996), SAW (1997)
2005-2010 1,5 или 1,50 775 B9: GMAW, GTAW(2005)
SMAW (2006)
SAW (2007)
FCAW (2010)
С 2010 1.40 775 B9 удалено → B91 заново установлено
B91: SAW (2011), FCAW (2012), SMAW (2014) *4

Примечание: *1) Химический состав проволоки или прутка при сварке GMAW и GTAW
*2) Нумерация Спецификаций AWS.: SMAW: A5.5; SAW: A5.23; GMAW & GTAW: A5.28; FCAW: A5.36
*3) Установленный высший предел общего содержания Mn и Ni - 2,25
*4) Пересмотр данных для процессов GMAW и GTAW обсуждается по состоянию на май 2018

Обе таблицы свидетельствуют о том, что верхний допустимый предел содержания Mn+Ni последовательно снижался в обоих стандартах. Это позволило при сварке сталей Gr. 91 смягчить в сторону повышения требования к верхнему пределу температуры послесварочной тепловой обработки PWHT, что очень важно для снижения остаточного напряжения после сварки. С оптимальной PWHT, сварочный металл Gr. 91 демонстрирует отпущенную мартенситную структуру, что дает отличную устойчивость к высоким температурам и прочность. Однако хорошо известно, что как только температура PWHT превышает точку перехода Ac1, новый мартенсит переходит обратно в аустенит, а во время охлаждения снова превращается в новый мартенсит, что приводит к снижению характеристик ползучести и прочности. Поэтому содержание Mn и Ni должно оставаться низким, так как эти элементы приводят к снижению точки перехода Ac1. (См. Илл. 2)


3.Химический состав и точка перехода Ac1 сварочных материалов серии B91

Хотя сварочные материалы серии 9Cb не в полной мере соответствуют спецификациям AWS, так как они спроектированы с относительно высоким содержанием Mn+Ni, они успешно применяются в Японии и за рубежом в проектах с относительно низкой температурой PWHT. Однако в тех случаях, когда соответствие спецификациям AWS обязательно, в частности, в зарубежных проектах, эти материалы не могут применяться.

Kobe Steel первой разработала и представила на рынке сварочные материалы серии B9, соответствующие стандартам AWS. Сварочные материалы серии B91 были разработаны позднее для того, чтобы соответствовать более строгим требованиям AWS 2012 от года, в особенности ужесточенным ограничениям на общее содержание Mn+Ni.

В Таблице 3 представлены типичные химические составы и точки перехода Ac1 наплавленных металлов, а в Таблице 4 - типичные механические свойства после тепловой послесварочной обработки PWHT для сварочных материалов серий 9Cb и B91. Очевидно, что сварочные материалы серии B91 разработаны для получения определенных механических свойств после обработки PWHТ, тогда как содержание Mn+Ni в них контролируется на уровне равном или меньшем 1,0%, что ниже показателя для материалов серии 9Cb. На Иллюстрации 2 показано взаимоотношение между содержанием Mn+Ni и реально замеренными точками перехода Ac1. Видно, что типичная точка перехода Ac1, замеренная для сварочных материалов серии B91, составляет 800 ℃ или выше. Таким образом очевидно, что могут применяться более высокие температуры PWHT.

Таблица 3: Типичные химические составы и Ac1сварочного металла
Процесс Полярность Сварочные материалы Химический состав сварочного металла (% массы) Ac1(℃)
C Si Mn Ni Cr Mo Nb V Co N Mn+Ni
SMAW DCEP CM-9Cb 0.05 0.26 1.38 0.97 9.21 1.10 0.02 0.21 - 0.04 2.35 733
SAW AC PF-200S/US-9Cb 0.07 0.13 1.55 0.67 8.54 0.89 0.04 0.22 - 0.03 2.22 750
GTAW DCEN TG-S9Cb (100%Ar) 0.07 0.18 1.01 0.69 8.63 0.91 0.04 0.18 - 0.02 1.70 765
GMAW DCEP MG-S9Cb (Ar-20%CO2) 0.08 0.27 1.29 0.38 8.86 0.98 0.03 0.19 - 0.02 1.67 -
SMAW DCEP CM-95B91 0.09 0.23 0.71 0.10 8.40 0.99 0.06 0.21 0.42 0.03 0.81 809
SAW AC PF-200S/US-90B91 0.09 0.29 0.74 0.16 8.64 1.03 0.04 0.20 0.40 0.04 0.90 808
GTAW DCEN TG-S90B91 (100%Ar) 0.09 0.27 0.73 0.11 8.61 1.02 0.06 0.19 0.40 0.03 0.84 820
GMAW DCEP MG-S90B91 (Ar-5%CO2) 0.12 0.24 0.64 0.15 8.47 0.98 0.05 0.18 0.41 0.04 0.79 813

Таблица 4: Типичные механические свойства сварочных материалов серии 9Cb и B91 после PWHT
Процесс Полярность Торговая марка Условия PWHT 0.2%OS(MPa) TS(MPa) vE+20℃(J)
SMAW DCEP CM-9Cb 750℃x5h 593 756 129
SAW AC PF-200S
/US-9Cb
740℃x8h 584 709 95
GTAW DCEN TG-S9Cb
(100%Ar)
740℃x8h 701 777 > 260
GMAW DCEP MG-S9Cb
(Ar-20%CO2)
740℃x8h 568 698 120

Процесс Полярность Торговая марка Условия PWHT 0.2%OS(MPa) TS(MPa) vE+20℃(J)
SMAW DCEP CM-95B91 760℃x2h 593 730 70
SAW AC PF-200S
/US-90B91
760℃x4h 578 719 62
GTAW DCEN TG-S90B91
(100%Ar)
763℃x4h 579 713 216
GMAW DCEP MG-S90B91
(Ar-5%CO2)
760℃x8h 529 689 74

Иллюстрация 2: Соотношение между содержанием Mn+Ni и Ac1

Иллюстрация 2: Соотношение между содержанием
Mn+Ni и Ac1



Еще одна особенность сварочных материалов серии B91 - добавление в них кобальта (Co). Как видно из Иллюстрации 2, существует тенденция к снижению точки перехода Ac1 по мере увеличения содержания Mn+Ni. Хотя сварочные материалы серии B91 содержат кобальт, этот элемент, по всей вероятности, не оказывает влияния на точку перехода Ac1, ведь в сварочных материалах, не содержащих кобальта, точка перехода также снижается по мере повышения содержания Mn+Ni. Более того, кобальт добавляется из других соображений - для сдерживания формирования дельта-феррита. Помимо точки перехода Ac1 еще один важный фактор для сталей Gr. 91 - это формирование дельта-ферритной структуры. Поскольку желательно, чтобы в сварочном шве не было дельта-ферритной структуры и содержалось 100% мартенситной, Научно-исследовательский институт электроэнергии (EPRI) в своем докладе No. 1023199 "Нормы и требования для высоконадежных ТЭС" рекомендовал индекс баланса Cr-Ni (CNB) меньший чем 10%. Формула CNB следующая:

CNB = (эквивалент Cr) – (эквивалент Ni)
= (Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Cb+9Ti+12Al) –(40C+30N+4Ni+2Mn+1Cu) < 10% (% массы)


Хотя Mn и Ni известны как аустенитообразующие элементы, и формула CNB также показывает, что они могут предотвратить формирование дельта-феррита, избыточное содержание Mn и Ni не допускается спецификацией AWS и в связи с точкой перехода Ac1. По этой причине кобальт, еще один аустенитообразующий элемент, добавляется, чтобы сдержать формирование дельта-феррита без изменения точки перехода Ac1.

Иллюстрация 3: Микроструктура CM-95B91

Иллюстрация 3: Микроструктура CM-95B91

На Иллюстрации 3 показана микроструктура одного из сварочных материалов серии В91 - проволоки TRUSTARC™ CM-95B91 (AWS A5.5 E9015-B91). Легко распознается полностью отпущенная мартенситная структура.



4.Механические свойства сварочных материалов серии B91

Иллюстрация 4: соотношение между L.M.P. и 0,2% PS., TS

Иллюстрация 4: соотношение между L.M.P. и 0,2%
PS., TS

На Иллюстрации 4 показано соотношение между прочностью на разрыв (TS), смещенным пределом текучести в 0,2% (0,2%OS) или условным пределом текучести в 0,2% (0,2%PS), а также параметром тепловой обработки, называемым параметром Ларсона-Миллера (L.M.P.), для проволоки CM-95B91, TRUSTARC™ TG-S90B91 (AWS A5.28 ER90S-B9) и TRUSTARC™ PF-200S/US-90B91 (AWS A5.23 F9PZ-EB91-B91).

Очевидно, что эти сварочные материалы в полной мере соответствуют требованиям к механическим свойствам сталей Gr. 91 (0,2% PS равно или больше 415MPa и TS равно или больше 585MPa) даже при L.M.P.=22,0 x 103 эквивалентном параметрам PWHT при 780℃ x 8 часов (т.е. при высокой температуре и продолжительном времени).



На Иллюстрации 5 показано соотношение между L.M.P. и ударной вязкостью при +20℃.

Тогда как ударная вязкость отличается для разных сварочных материалов, все материалы проявляют более высокую ударную вязкость при большем L.M.P. В случаях, когда L.M.P. превышает 21,0 x 103, полученные значения ударной вязкости достаточны для практического применения.

На Иллюстрации 6 показаны характеристики длительной прочности CM-95B91 и TG-S90B91.

Иллюстрация 5: Соотношение между L.M.P. и vE+20℃

Иллюстрация 5: Соотношение между L.M.P. и vE+20℃

Иллюстрация 6: Результаты испытаний на длительную прочность CM-95B91 и TG-S90B91

Иллюстрация 6: Результаты испытаний на длительную
прочность CM-95B91 и TG-S90B91



Это подтверждает, что данные сварочные материалы обладают более высокими характеристиками длительной прочности по сравнению с материалами в стыковых соединениях (пунктирная линия) даже при температуре PWHT, достигающей 780℃. Проводятся испытания этих материалов на длительную прочность в условиях продолжительного времени и 600℃ x 100MPa. Так, испытания CM-95B91 и TG-S90B91 уже прошли 26.000 и 21.000 часов соответственно и до сих пор продолжаются.



5.Применимость сварочных материалов серии B91

Иллюстрация 7:  Внешний вид валика сварного шва, полученного при сварке SAW с проволокой B9в сочетании с усовершенствованным флюсом и обычным флюсом

Иллюстрация 7: Внешний вид валика сварного шва,
полученного при сварке SAW с проволокой B9в
сочетании с усовершенствованным флюсом и
обычным флюсом

Применимость сварочных материалов серии B91 также повысилась. Что касается покрытых электродов для сварки SMAW, обычно применяются сплавные сердечники для стабилизации качества легирующего элемента в сварочных швах высокохромистых ферритных сталей; однако при сварке часто наблюдается сгорание электрода, особенно при использовании постоянного тока (DC). Проволока CM-95B91 спроектирована для снижения сгорания электрода и может давать сварочное соединение даже при более широком спектре значений сварочного тока, чем обычная проволока TRUSTARC™ CM-9Cb.

Проблема, отличающая материалы для сварки SAW высокохромистых ферритных сталей, а именно, налипание сгоревшего шлака на поверхность сварного валика, также была отчасти решена. На Иллюстрации 7 показано сравнение внешнего вида сварных валиков, полученных при сварке SAW с применением проволоки B91 в сочетании с усовершенствованным флюсом и обычным флюсом. Видно, что налипание шлака на поверхность валика значительно меньше при применении усовершенствованного флюса SAW.



6.Замечания по применению

При том, что материалы серии B91 дают высокохромистые ферритные сварочные металлы с высокой степенью самозакаливания, по сравнению с хром-молибденовыми сталями 1,25Cr-0,5Mo и 2.25Cr-1M, их сварочные металлы в значительной мере подвержены задержанному растрескиванию. Поэтому очень важно строго контролировать ход сварочных процессов. Если температуры предварительного нагрева и межпроходные температуры контролируются должным образом, можно предотвратить образование задержанных трещин и получить прочный сварочный металл. В общем рекомендуются температуры предварительного нагрева и межпроходные температуры в 250-350℃.

Содержание примесей, таких как фосфор P и сера S в сварочных материалах серии B91 должно удерживаться на максимально низком уровне, чтобы предотвратить образование горячих трещин в процессе сварки.

Поскольку сварочные металлы, получаемые при использовании сварочных материалов серии B91, в большей степени подвержены горячему растрескиванию и отличаются большей областью сосуществования жидкой и твердой фаз по сравнению со сварочными металлами хром-молибденовых сталей 1,25Cr-0.5Mo и 2,25Cr-1Mo, их сварка не должна проводиться при избыточно высоком сварочном токе и скорости. Что касается условий PWHT, то они должны быть тщательно подобраны с учетом требований к прочности на разрыв и ударной вязкости, хотя материалы серии B91 и могут применяться при высоких температурах в 760-780℃.



7.Послесловие

Сварочные материалы серии B91 отличают три особенности. Первая - соответствие международным стандартам, в частности, ASME и AWS.

Вторая - возможность применения высоких температур послесварочной тепловой обработки PWHT благодаря высокой точке перехода Ac1. И третья особенность - то, что они спроектированы для обеспечения отличных характеристик длительной прочности даже при высоких температурах PWHT. В Таблице 5 приведено сравнение характеристик сварочных материалов серий B91 и 9Cb.

Таблица 5: Характеристики сварочных материалов серии B91 и 9Cb
Серия B91 Серия 9Cb
Спецификация AWS ◎ (Mn+Ni 1.0%) G grade (Mn+Ni>1.5%)
Рекомендуемая температура PWHT 760-780℃ 740-760℃
Температура Ac1 Около 800℃ Около 740℃
Характеристики ползучести

Примечание: ◎: отлично ○: хорошо

В будущем мы продолжим удовлетворять потребности пользователей в широком спектре товаров, сохраняя при этом высокую надежность нашей продукции и поддерживая свои передовые возможности в области разработки сварочных материалов.


[Справочная литература]
(1) Наплавные металлы из жаропрочной ферритной высокохромистой стали для бойлеров ТЭС: KOBELCO WELDING TODAY
(2) ASME B31.1: ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА ПОСЛЕ СВАРКИ, 132.1 (2014)
(3) ASME Секция II Часть C, SFA-5.5 (2015)
(4) ASME Секция II Часть C, SFA-5.23 (2015)
(5) ASME Секция II Часть C, SFA-5.28 (2015)
(6) ASME Секция II Часть C, SFA-5.36 (2015)
(7) EPRI 1023199: Нормы и требования для высоконадежных ТЭС (2011)

ТОВАРЫ

Cварка руководство Технические новинки промышленность видео Paisaje Japonés KOBELCO ARC over the last decade (2008~)