1. Überblick über kryogenen Stahl
1) Die technischen Anforderungen an Tieftemperaturstahl sind im Allgemeinen: ausreichende Festigkeit und ausreichende Zähigkeit in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen, gute Schweißleistung, Verarbeitungsleistung und Korrosionsbeständigkeit usw. Dazu gehört die Tieftemperaturzähigkeit, also die Fähigkeit Der wichtigste Faktor ist die Verhinderung des Auftretens und der Ausbreitung von Sprödbrüchen bei niedrigen Temperaturen. Daher schreiben Länder in der Regel einen bestimmten Schlagzähigkeitswert bei der niedrigsten Temperatur vor.
2) Unter den Komponenten von Niedertemperaturstahl wird allgemein angenommen, dass Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Schwefel und Stickstoff die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen verschlechtern, und Phosphor ist am schädlichsten, weshalb eine frühzeitige Entphosphorung bei niedrigen Temperaturen erfolgen sollte beim Schmelzen durchgeführt. Elemente wie Mangan und Nickel können die Tieftemperaturzähigkeit verbessern. Mit jeder Erhöhung des Nickelgehalts um 1 % kann die kritische Sprödigkeitsübergangstemperatur um etwa 20 °C gesenkt werden.
3) Der Wärmebehandlungsprozess hat einen entscheidenden Einfluss auf die metallografische Struktur und Korngröße von Tieftemperaturstahl, was sich auch auf die Tieftemperaturzähigkeit von Stahl auswirkt. Nach der Abschreck- und Anlassbehandlung wird die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen offensichtlich verbessert.
4) Nach den unterschiedlichen Warmumformverfahren kann Tieftemperaturstahl in Gussstahl und Walzstahl unterteilt werden. Je nach unterschiedlicher Zusammensetzung und metallografischer Struktur kann Niedertemperaturstahl unterteilt werden in: niedriglegierter Stahl, 6 % Nickelstahl, 9 % Nickelstahl, austenitischer Chrom-Mangan- oder Chrom-Mangan-Nickel-Stahl und austenitischer Chrom-Nickel-Edelstahl Warten. Niedriglegierter Stahl wird im Allgemeinen in einem Temperaturbereich von etwa -100 °C für die Herstellung von Kühlgeräten, Transportgeräten, Vinyllagerräumen und petrochemischen Geräten verwendet. In den Vereinigten Staaten, im Vereinigten Königreich, in Japan und anderen Ländern wird 9 % Nickelstahl häufig in Tieftemperaturkonstruktionen bei 196 °C verwendet, beispielsweise in Lagertanks für die Lagerung und den Transport von verflüssigtem Biogas und Methan sowie in Geräten für die Lagerung von flüssigem Sauerstoff und Herstellung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff. Austenitischer Edelstahl ist ein sehr gutes Tieftemperatur-Strukturmaterial. Es verfügt über eine gute Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, eine hervorragende Schweißleistung und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Es wird häufig in Niedertemperaturbereichen eingesetzt, beispielsweise in Transporttankern und Lagertanks für flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff. Da es jedoch mehr Chrom und Nickel enthält, ist es teurer.
2. Überblick über die Schweißkonstruktion von Niedertemperaturstahl
Bei der Auswahl der Schweißkonstruktionsmethode und der Konstruktionsbedingungen von Tieftemperaturstahl liegt der Schwerpunkt des Problems auf den folgenden zwei Aspekten: Verhinderung der Verschlechterung der Tieftemperaturzähigkeit der Schweißverbindung und Verhinderung des Auftretens von Schweißrissen.
1) Abschrägungsbearbeitung
Die Rillenform von Schweißverbindungen aus Niedertemperaturstahl unterscheidet sich grundsätzlich nicht von der von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl, niedriglegiertem Stahl oder Edelstahl und kann wie üblich behandelt werden. Bei 9Ni Gang beträgt der Öffnungswinkel der Nut jedoch vorzugsweise nicht weniger als 70 Grad und die stumpfe Kante beträgt vorzugsweise nicht weniger als 3 mm.
Alle Stähle mit niedriger Temperatur können mit einem Autogenbrenner geschnitten werden. Es ist nur so, dass die Schnittgeschwindigkeit beim Brennschneiden von 9Ni-Stahl etwas langsamer ist als beim Brennschneiden von gewöhnlichem Kohlenstoffbaustahl. Wenn die Stahldicke 100 mm überschreitet, kann die Schneidkante vor dem Brennschneiden auf 150–200 °C vorgewärmt werden, jedoch nicht mehr als 200 °C.
Das Brennschneiden hat keine negativen Auswirkungen auf die von der Schweißhitze betroffenen Bereiche. Aufgrund der selbsthärtenden Eigenschaften von nickelhaltigem Stahl kommt es jedoch zu einer Verhärtung der Schnittfläche. Um eine zufriedenstellende Leistung der Schweißverbindung sicherzustellen, ist es am besten, die Oberfläche der Schnittfläche vor dem Schweißen mit einer Schleifscheibe sauber zu schleifen.
Das Lichtbogenfugenhobeln kann verwendet werden, wenn die Schweißraupe oder das Grundmetall während der Schweißkonstruktion entfernt werden soll. Allerdings sollte die Oberfläche der Kerbe vor dem erneuten Auftragen noch sauber geschliffen werden.
Wegen der Gefahr einer Überhitzung des Stahls sollte das Fugenhobeln mit Autogengas nicht verwendet werden.
2) Auswahl der Schweißmethode
Zu den typischen Schweißmethoden für Niedertemperaturstahl gehören das Lichtbogenschweißen, das Unterpulverschweißen und das Argon-Lichtbogenschweißen mit geschmolzener Elektrode.
Das Lichtbogenschweißen ist das am häufigsten verwendete Schweißverfahren für Niedertemperaturstahl und kann in verschiedenen Schweißpositionen geschweißt werden. Der Schweißwärmeeintrag beträgt ca. 18–30 KJ/cm. Bei Verwendung einer wasserstoffarmen Elektrode kann eine völlig zufriedenstellende Schweißverbindung erzielt werden. Nicht nur die mechanischen Eigenschaften sind gut, auch die Kerbzähigkeit ist recht gut. Darüber hinaus ist die Lichtbogenschweißmaschine einfach und kostengünstig, die Ausrüstungsinvestition ist gering und sie wird nicht durch Position und Richtung beeinflusst. Vorteile wie Einschränkungen.
Der Wärmeeintrag beim Unterpulverschweißen von Niedertemperaturstahl beträgt etwa 10-22 KJ/cm. Aufgrund seiner einfachen Ausstattung, der hohen Schweißeffizienz und der komfortablen Bedienung ist es weit verbreitet. Aufgrund der wärmeisolierenden Wirkung des Flussmittels wird jedoch die Abkühlgeschwindigkeit verlangsamt, sodass die Tendenz zur Bildung von Heißrissen größer ist. Darüber hinaus können durch das Flussmittel häufig Verunreinigungen und Si in das Schweißgut gelangen, was diese Tendenz noch verstärkt. Achten Sie daher beim Unterpulverschweißen auf die Auswahl von Schweißdraht und Flussmittel und gehen Sie vorsichtig vor.
Die durch CO2-Schutzgasschweißen geschweißten Verbindungen weisen eine geringe Zähigkeit auf und werden daher nicht beim Tieftemperaturschweißen von Stahl verwendet.
Das Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen (WIG-Schweißen) wird normalerweise manuell durchgeführt und die Schweißwärmezufuhr ist auf 9-15 KJ/cm begrenzt. Obwohl Schweißverbindungen völlig zufriedenstellende Eigenschaften aufweisen, sind sie bei einer Stahldicke von mehr als 12 mm völlig ungeeignet.
Das MIG-Schweißen ist das am weitesten verbreitete automatische oder halbautomatische Schweißverfahren beim Niedertemperaturschweißen von Stahl. Sein Schweißwärmeeintrag beträgt 23–40 KJ/cm. Nach dem Tröpfchentransferverfahren kann es in drei Typen unterteilt werden: Kurzschlusstransferverfahren (geringerer Wärmeeintrag), Strahltransferverfahren (höherer Wärmeeintrag) und Impulsstrahltransferverfahren (höchster Wärmeeintrag). Beim MIG-Kurzschlussübergangsschweißen besteht das Problem einer unzureichenden Durchdringung, und es kann der Fehler einer schlechten Verschmelzung auftreten. Ähnliche Probleme gibt es auch bei anderen MIG-Flussmitteln, allerdings in unterschiedlichem Ausmaß. Um den Lichtbogen stärker zu konzentrieren und eine zufriedenstellende Durchdringung zu erreichen, können mehrere bis mehrere zehn Prozent CO2 oder O2 als Schutzgas in reines Argon infiltriert werden. Geeignete Prozentsätze müssen durch Tests für den jeweiligen zu schweißenden Stahl ermittelt werden.
3) Auswahl der Schweißmaterialien
Schweißmaterialien (einschließlich Schweißdraht, Schweißdraht und Flussmittel usw.) sollten im Allgemeinen auf der verwendeten Schweißmethode basieren. Fugenform und Nutform sowie andere notwendige Eigenschaften zur Auswahl. Bei Tieftemperaturstahl ist es am wichtigsten, darauf zu achten, dass das Schweißgut eine ausreichende Tieftemperaturzähigkeit aufweist, die mit dem Grundmetall mithalten kann, und dass der Gehalt an diffundierbarem Wasserstoff minimiert wird.
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(1) Desoxidierter Aluminiumstahl
Aluminium-desoxidierter Stahl ist eine Stahlsorte, die sehr empfindlich auf den Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen reagiert. Die meisten Elektroden, die beim manuellen Lichtbogenschweißen von desoxidiertem Aluminiumstahl verwendet werden, sind Si-Mn-Elektroden mit niedrigem Wasserstoffgehalt oder Elektroden mit 1,5 % Ni und 2,0 % Ni.
Um den Schweißwärmeeintrag zu reduzieren, wird bei desoxidiertem Aluminiumstahl im Allgemeinen nur das Mehrschichtschweißen mit dünnen Elektroden von ≤ 3 bis 3,2 mm durchgeführt, sodass der sekundäre Wärmezyklus der oberen Schweißschicht zur Verfeinerung der Körner genutzt werden kann.
Die Schlagzähigkeit des mit der Si-Mn-Reihenelektrode geschweißten Schweißguts nimmt bei 50 °C mit zunehmender Wärmezufuhr stark ab. Wenn beispielsweise der Wärmeeintrag von 18 KJ/cm auf 30 KJ/cm steigt, geht die Zähigkeit um mehr als 60 % zurück. Schweißelektroden der Serien 1,5 % Ni und 2,5 % Ni reagieren darauf nicht allzu empfindlich, daher ist es am besten, diese Art von Elektrode zum Schweißen zu wählen.
Das Unterpulverschweißen ist ein häufig verwendetes automatisches Schweißverfahren für desoxidierten Aluminiumstahl. Der beim Unterpulverschweißen verwendete Schweißdraht enthält vorzugsweise 1,5–3,5 % Nickel und 0,5–1,0 % Molybdän.
Laut Literatur kann der durchschnittliche Charpy-Zähigkeitswert des Schweißguts bei -55 °C mit 2,5 % Ni – 0,8 % Cr – 0,5 % Mo oder 2 % Ni Schweißdraht, abgestimmt auf ein geeignetes Flussmittel, 56–70 J (5,7) erreichen ~7,1 kgf.m). Selbst wenn 0,5 % Mo-Schweißdraht und ein Grundflussmittel aus einer Manganlegierung verwendet werden, kann immer noch Schweißgut mit ν∑-55=55 J (5,6 kgf.m) hergestellt werden, solange die Wärmezufuhr unter 26 kJ/cm gehalten wird.
Bei der Auswahl des Flussmittels sollte auf die Abstimmung von Si und Mn im Schweißgut geachtet werden. Testbeweis. Die unterschiedlichen Si- und Mn-Gehalte im Schweißgut verändern den Charpy-Zähigkeitswert stark. Die Si- und Mn-Gehalte mit dem besten Zähigkeitswert liegen bei 0,1–0,2 % Si und 0,7–1,1 % Mn. Beachten Sie dies bei der Auswahl des Schweißdrahtes und beim Löten.
Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen und Metall-Argon-Lichtbogenschweißen werden bei desoxidiertem Aluminiumstahl seltener eingesetzt. Die oben genannten Schweißdrähte zum Unterpulverschweißen können auch zum Argon-Lichtbogenschweißen verwendet werden.
(2) 2,5Ni-Stahl und 3,5Ni
Das Unterpulverschweißen bzw. MIG-Schweißen von 2,5Ni-Stahl und 3,5Ni-Stahl kann grundsätzlich mit dem gleichen Schweißdraht wie das Grundmaterial geschweißt werden. Aber wie die Wilkinson-Formel (5) zeigt, ist Mn ein Heißrissinhibitorelement für Tieftemperaturstahl mit niedrigem Nickelgehalt. Um Heißrisse wie Lichtbogenkraterrisse zu verhindern, ist es sehr vorteilhaft, den Mangangehalt im Schweißgut bei etwa 1,2 % zu halten. Dies sollte bei der Wahl der Kombination aus Schweißdraht und Flussmittel berücksichtigt werden.
3,5Ni-Stahl neigt dazu, angelassen und versprödet zu werden, so dass ν∑-100 nach einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (z. B. 620 °C × 1 Stunde, dann Abkühlung im Ofen) zur Beseitigung von Eigenspannungen stark von 3,8 kgf.m auf abfällt 2,1Kgf.m können die Anforderungen nicht mehr erfüllen. Das durch Schweißen mit Schweißdraht der Serie 4,5 % Ni-0,2 % Mo gebildete Schweißgut weist eine viel geringere Neigung zur Anlassversprödung auf. Durch die Verwendung dieses Schweißdrahtes können die oben genannten Schwierigkeiten vermieden werden.
(3) 9Ni-Stahl
9Ni-Stahl wird normalerweise durch Abschrecken und Anlassen oder zweimaliges Normalisieren und Anlassen wärmebehandelt, um seine Tieftemperaturzähigkeit zu maximieren. Das Schweißgut dieses Stahls kann jedoch nicht wie oben beschrieben wärmebehandelt werden. Daher ist es schwierig, ein Schweißgut mit einer Tieftemperaturzähigkeit zu erhalten, die mit der des Grundwerkstoffs vergleichbar ist, wenn Schweißzusätze auf Eisenbasis verwendet werden. Derzeit werden hauptsächlich Schweißmaterialien mit hohem Nickelgehalt verwendet. Die durch solche Schweißmaterialien erzeugten Schweißnähte sind vollständig austenitisch. Obwohl es die Nachteile einer geringeren Festigkeit als das Basismaterial 9Ni-Stahl und sehr hohe Preise aufweist, stellt Sprödbruch für es kein ernstes Problem mehr dar.
Aus dem oben Gesagten lässt sich erkennen, dass die Tieftemperaturzähigkeit des Schweißguts, das zum Schweißen mit Elektroden und Drähten verwendet wird, völlig mit der des Grundmetalls vergleichbar ist, da das Schweißgut vollständig austenitisch ist, die Zugfestigkeit und die Streckgrenze hingegen schon niedriger als das Grundmetall. Nickelhaltiger Stahl ist selbsthärtend, daher achten die meisten Elektroden und Drähte auf eine Begrenzung des Kohlenstoffgehalts, um eine gute Schweißbarkeit zu erreichen.
Mo ist ein wichtiges Verstärkungselement in Schweißmaterialien, während Nb, Ta, Ti und W wichtige Zähigkeitselemente sind, denen bei der Auswahl der Schweißmaterialien volle Aufmerksamkeit geschenkt wurde.
Wenn zum Schweißen derselbe Schweißdraht verwendet wird, sind die Festigkeit und Zähigkeit des Schweißguts beim Unterpulverschweißen schlechter als beim MIG-Schweißen, was durch die langsamere Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht und das mögliche Eindringen von Verunreinigungen oder Si verursacht werden kann aus dem Fluss von.
3. A333-GR6 Niedertemperatur-Stahlrohrschweißen
1) Schweißbarkeitsanalyse von A333-GR6-Stahl
A333-GR6-Stahl gehört zu den Niedertemperaturstählen, die minimale Betriebstemperatur beträgt -70 °C und er wird normalerweise in normalisiertem oder normalisiertem und angelassenem Zustand geliefert. A333-GR6-Stahl hat einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, daher sind die Härtungsneigung und die Kaltrissneigung relativ gering, das Material weist eine gute Zähigkeit und Plastizität auf, es ist im Allgemeinen nicht leicht, Härtungs- und Rissfehler zu erzeugen, und es weist eine gute Schweißbarkeit auf. Der Argon-Lichtbogenschweißdraht ER80S-Ni1 kann mit der W707Ni-Elektrode verwendet werden. Verwenden Sie Argon-Elektro-Verbindungsschweißen oder verwenden Sie den Argon-Lichtbogenschweißdraht ER80S-Ni1 und verwenden Sie Vollargon-Lichtbogenschweißen, um eine gute Zähigkeit der Schweißverbindungen sicherzustellen. Die Marke Argon-Lichtbogenschweißdraht und -elektrode kann auch Produkte mit der gleichen Leistung wählen, diese dürfen jedoch nur mit Zustimmung des Eigentümers verwendet werden.
2) Schweißprozess
Detaillierte Schweißverfahrensmethoden finden Sie in der Schweißverfahrensanleitung oder im WPS. Beim Schweißen werden für Rohre mit einem Durchmesser von weniger als 76,2 mm I-Stumpfverbindungen und Vollargon-Lichtbogenschweißen eingesetzt. Bei Rohren mit einem Durchmesser von mehr als 76,2 mm werden V-förmige Nuten hergestellt und das Verfahren des Argon-Elektro-Kombinationsschweißens mit Argon-Lichtbogengrundierung und Mehrschichtfüllung oder das Verfahren des Vollargon-Lichtbogenschweißens verwendet. Die spezifische Methode besteht darin, die entsprechende Schweißmethode entsprechend dem Unterschied im Rohrdurchmesser und der Rohrwandstärke im vom Eigentümer genehmigten WPS auszuwählen.
3) Wärmebehandlungsprozess
(1) Vorwärmen vor dem Schweißen
Wenn die Umgebungstemperatur unter 5 °C liegt, muss das Schweißstück vorgewärmt werden, und die Vorwärmtemperatur beträgt 100–150 °C; der Vorwärmbereich beträgt 100 mm auf beiden Seiten der Schweißnaht; Es wird mit einer Autogenflamme (neutrale Flamme) erhitzt und die Temperatur gemessen. Der Stift misst die Temperatur in einem Abstand von 50–100 mm von der Mitte der Schweißnaht, und die Temperaturmesspunkte sind gleichmäßig verteilt, um die Temperatur besser kontrollieren zu können .
(2) Wärmebehandlung nach dem Schweißen
Um die Kerbzähigkeit von Tieftemperaturstahl zu verbessern, wurden die im Allgemeinen verwendeten Materialien vergütet. Eine unsachgemäße Wärmebehandlung nach dem Schweißen führt häufig zu einer Verschlechterung der Leistung bei niedrigen Temperaturen, was ausreichend beachtet werden sollte. Daher wird bei Tieftemperaturstahl in der Regel keine Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt, außer bei großer Schweißnahtdicke oder sehr strengen Einspannbedingungen. Beispielsweise erfordert das Schweißen neuer LPG-Pipelines in CSPC keine Wärmebehandlung nach dem Schweißen. Wenn bei einigen Projekten tatsächlich eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist, müssen die Aufheizgeschwindigkeit, die Dauer der konstanten Temperatur und die Abkühlgeschwindigkeit der Wärmebehandlung nach dem Schweißen strikt den folgenden Vorschriften entsprechen:
Wenn die Temperatur über 400 °C steigt, sollte die Heizrate 205 × 25/δ °C/h und 330 °C/h nicht überschreiten. Die konstante Temperaturzeit sollte 1 Stunde pro 25 mm Wandstärke und nicht weniger als 15 Minuten betragen. Während der Periode konstanter Temperatur sollte der Temperaturunterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Temperatur weniger als 65 °C betragen.
Nach konstanter Temperatur sollte die Abkühlrate nicht mehr als 65 × 25/δ ℃/h und nicht mehr als 260 ℃/h betragen. Unter 400 °C ist eine natürliche Kühlung zulässig. Computergesteuerte Wärmebehandlungsanlage vom Typ TS-1.
4) Vorsichtsmaßnahmen
(1) Streng gemäß den Vorschriften vorheizen und die Zwischenschichttemperatur kontrollieren, und die Zwischenschichttemperatur wird auf 100–200 °C kontrolliert. Jede Schweißnaht muss gleichzeitig geschweißt werden. Bei Unterbrechung sind Maßnahmen zur langsamen Abkühlung zu ergreifen.
(2) Es ist strengstens untersagt, dass die Oberfläche der Schweißverbindung durch den Lichtbogen zerkratzt wird. Der Lichtbogenkrater sollte aufgefüllt und die Fehlstellen bei geschlossenem Lichtbogen mit einer Schleifscheibe geschliffen werden. Die Verbindungen zwischen den Schichten des Mehrschichtschweißens sollten versetzt sein.
(3) Kontrollieren Sie die Leitungsenergie streng, verwenden Sie einen kleinen Strom, eine niedrige Spannung und schnelles Schweißen. Die Schweißlänge jeder W707Ni-Elektrode mit einem Durchmesser von 3,2 mm muss größer als 8 cm sein.
(4) Es muss die Betriebsart Kurzbogen und kein Schwenken übernommen werden.
(5) Der vollständige Durchdringungsprozess muss übernommen und in strikter Übereinstimmung mit den Anforderungen der Schweißprozessspezifikation und der Schweißprozesskarte durchgeführt werden.
(6) Die Verstärkung der Schweißnaht beträgt 0 bis 2 mm und die Breite jeder Seite der Schweißnaht beträgt ≤ 2 mm.
(7) Die zerstörungsfreie Prüfung kann mindestens 24 Stunden nach der Qualifizierung der Schweißnaht-Sichtprüfung durchgeführt werden. Stumpfschweißnähte von Rohrleitungen unterliegen JB 4730-94.
(8) Norm „Druckbehälter: Zerstörungsfreie Prüfung von Druckbehältern“, Klasse II qualifiziert.
(9) Die Schweißnahtreparatur sollte vor der Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt werden. Wenn nach der Wärmebehandlung eine Reparatur erforderlich ist, sollte die Schweißnaht nach der Reparatur erneut erwärmt werden.
(10) Wenn die geometrische Abmessung der Schweißoberfläche den Standard überschreitet, ist Schleifen zulässig, und die Dicke nach dem Schleifen darf nicht geringer sein als die Konstruktionsanforderung.
(11) Bei allgemeinen Schweißfehlern sind maximal zwei Reparaturen zulässig. Sollten die beiden Reparaturen immer noch unqualifiziert sein, muss die Schweißnaht abgeschnitten und entsprechend dem kompletten Schweißvorgang neu geschweißt werden.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 21.06.2023
