Odborné články a informace logo    

SVAŘOVÁNÍ MODIFIKOVANÝCH CHROMOVÝCH OCELÍ
Ing. Jan Veverka, OMNITECH spol. s r.o.

 
Žáropevné oceli

Jedná se o oceli, které odolávají tečení a relaxaci v rozmezí teplot 450 až 750 oC, čímž navazují na pracovní rozsah feriticko – perlitických a bainitických ocelí pro ocelové konstrukce a vyšší teploty, jejichž charakteristikou je mez kluzu, nikoliv mez tečení.

Tyto materiály jsou náchylné na praskání, způsobené vodíkem a na vytváření zakalené mikrostruktury. Vzhledem k vyššímu obsahu Cr mají zvýšený sklon k zakalení na vzduchu a teplota předehřívání musí být 200 - 250 oC.

Modifikované oceli 9Cr-1Mo (P91, T91) se od standartní oceli 9Cr-1Mo odlišují přidáváním legujících prvků – vanad, niob, dusík, nikl, pro obohacení svých vlastností. Svařitelnost je srovnatelná s ocelí 9Cr-1Mo.

1. Nízkolegované chrommolybdenové oceli
Oceli 5Cr-0,5Mo, 9Cr-1Mo a modifikovaná ocel 9Cr-1Mo (T91, P91)

Mimo známé, běžně používané žáropevné oceli s 2 ¼ %Cr a 1% Mo se v posledních letech používá řada ocelí s obsahem Cr do 10%. Jedná se o modifikace standartních legur CrMo s V, Nb a N, které vedle zvýšených pevnostních vlastností v krátkém časovém období (např.mez kluzu za tepla) má zvýšenou mez pevnosti v tečení, čili snížení creep.

Dalším aspektem je vyšší odolnost proti tlaku vodíku. Zlepšené krátkodobé i dlouhodobé vlastnosti mají vliv na tvorbu nitridů.

Jedná se o následující oceli:

2¼Cr 1Mo
2¼Cr 1Mo – V mod.
3Cr 1Mo – V mod.
9Cr1Mo – VNbN mod.
9 a 10 Cr 1 Mo1W – VNbN mod.
9Cr 0,5Mo 1,8W – VNbN mod.

Žáropevné oceli s 2¼Cr a 1Mo (např. 10 CrMo 9-10, 12 CrMo –10) se používají jak v energetice – elektrárny, tak i v chemickém – petrochemickém průmyslu. V energetice jsou využívány jejich vlastností v oblasti žárupevnosti a v petrochemii velmi často - houževnatosti při nízkých teplotách do -60 oC.V této oblasti – chemii vystupuje ještě další požadavek – odolnost proti zkřehnutí materiálu při dlouhodobém zatížení. Důkaz těchto vlastností byl proveden pomocí simulovaného tepelného zpracování, tzv. Step – Cooling. Po rázových zkouškách v ohybu se prokázalo, že nedochází k překročení stanovených hodnot při posunu přechodových teplot při zpracování Step-Cooling k vyšším teplotám. Posun křivky Av – T po Step-Cooling vynásobeno 2,5 nebo 3 odpovídá skutečnému posunu vlivem provozních podmínek.

Předpokladem pro dobré hodnoty rázové práce po Step-Cooling je ohraničení doprovodných prvků, popsaných BRUSCATO-faktorem X:

X = ( 10 P + 4 Sn + 5 Sb + As ) /100 [ppm]
V mnoha případech je požadováno, aby J –faktor
J = ( Si + Mn ) ( P + Sn) x 104
nepřekročil určitou hodnotu (např. 150)

V literatuře se nacházejí různé výklady J –faktoru:

 byl stanoven pouze pro plechy a výkovky, je určený pouze pro tyto matriály
 J-faktor je stanoven i pro svarový kov

Za těchto podmínek byl vyvinut přídavný materiál pod označením AL CROMO 225, kterým mohla být splněna výše uvedená kriteria. Proto byly při vývoji dány následující cíle:

  • kompletní program přídavných materiálů:
    • obalené elektrody AL CROMO E 225
    • kombinace pro svařování pod tavidlem AL CROMO F 537 + AL CROMO S 225
    • WIG drát AL CROMO W 225
  • v jádře legované elektrody nebo dráty
  • velmi dobrá práce s elektrodami, např. u elektrod použití dvouplášťové techniky
  • optimalizace chemického složení s ohledem na zlepšení hodnot rázové práce při nižších teplotách
  • zvláště vysoký stupeň čistoty svarového kovu a tím minimální náchylnost na zkřehnutí
  • pomocí simulovaného tepelného zpracování -Step-Cooling, důkaz minimální náchylnosti na zkřehnutí při dlouhodobém zatížení
  • nízký obsah difuzního vodíku a zajištění požadavku na rezistenci vlhkosti přídavného materiálu

Důvodem vývoje nových typů ocelí je snaha dosáhnout lepší tepelné účinnosti zařízení vyšší procesní teplotou a tlakem. Mimo to dovolují vyšší pevnostní vlastnosti odpovídající redukci tloušťky stěn.

2. Přídavné materiály pro oceli s 2 – 3% Cr

Vývojové cíle pro výrobce přídavných materiálů pro svařování. Pro uvedené oceli musí být vyrobeny a certifikovány správné přídavné materiály s odpovídajícími vlastnostmi zlepšení svarového kovu.

Je důležité vědět, že nové oceli jsou používány jak v petrochemii při krakování ropy – tzv. hydrocrack, tak v elektrárnách. Jestliže je v elektrárnách kladen důraz na dlouhodobé hodnoty, je v petrochemii v popředí zájem o houževnatost, zvláště při teplotách pod 0oC.

Nové přídavné materiály musí být připraveny za následujících aspektů:

  • připravení kompletního programu přídavných materiálů pro svařování pod tavidlem, obloukové obalenou elektrodou a svařování WIG ve formě drátů, svařovacího prášku a obalených elektrod.
  • velmi dobrých vlastností pro uživatele, tzn. dobré svařování v polohách, snadné odstranění strusky
  • elektrody legované v jádře, přičemž všechny legující prvky, stejně jako V, Nb a N pocházejí z jádra
  • obalené elektrody s tzv.dvouplášťovou technikou, přičemž obal ve vnitřním plášti – nejblíže jádrovému drátu jsou kalciumkarbonáty vytvářející ochranný plyn, ve vnějším plášti je kazivec . Tato technika se osvědčila u rutilobasických, stejně jako basických elektrod pro svařování vysocepevných jemnozrnných ocelí, vyznačuje se velmi stabilním obloukem i při poklesu proudu. Elektrody tohoto typu jsou velmi vhodné pro svařování v polohách a při svařování kořene.
  • použití vysoce jakostních surovin pro obal elektrody a tavidlo, stejně jako vhodně zvolené dráty a tyče s velmi nízkým obsahem P, Sn, As a Sb s ohledem na zkřehnutí svarového kovu v dlouhém časovém období a za vysokých teplot
  • nízký obsah difúzního vodíku pro zamezení vzniku trhlin za horka
  • dodatečná rezistence na vlhkost s dostatečně nízkým obsahem vodíku
  • optimální chemické složení legur pro různé typy svarových spojů

2.1 Mechanicko – technologické vlastnosti svarového kovu

Chemické složení a mechanicko technologické vlastnosti svarového kovu elektrod a UP jsou uvedeny v tabulce č.1 a č.2

tab. 1 chemické složení a pevnostní hodnoty (při RT) svarového kovu elektrody (el.průměr 4,0)

Elektroda

SG – typ

C

Mn

Si

P

S

Cr

Mo

V

Nb

Sn

As

Sb

E 225

2 ¼Cr 1Mo

0,08

0,65

0,17

0,008

0,005

2,38

1,07

-

-

0,004

0,005

0,005

E 225V

2 ¼Cr 1Mo V

0,11

0,79

0,23

0,008

0,004

2,38

1,02

0,30

0,031

0,005

0,007

0,007

E 300V

3Cr 1Mo V

0,09

0,73

0,25

0,007

0,003

2,97

1,04

0,28

0,028

0,005

0,006

0,006

 

Tepelné zpracování

Re (N/mm2)

Rm (N/mm2)

A (%)

Z (%)

Av RT (J)

Av –40 oC (J)

8h/ 690 oC

498

621

19,8

70,8

191

151

25h/ 700 oC

585

694

19,2

67,5

154

94

10h/ 710 oC

559

688

20,8

68,6

nezprac.

115

 

tab. 2, chemické složení a pevnostní hodnoty (při RT) svarového kovu při svařování pod tavidlem , tavidlo Al CROMO 537

Elektroda

SG – typ

C

Mn

Si

P

S

Cr

Mo

V

Nb

Sn

As

Sb

E 225

2 ¼Cr 1Mo

0,12

0,77

0,09

0,008

0,003

2,49

0,96

-

-

0,004

0,005

0,003

E 225V

2 ¼Cr 1Mo V

0,11

0,93

0,16

0,008

0,002

2,42

0,98

0,27

0,016

0,005

0,007

0,003

E 300V

3Cr 1Mo V

0,11

0,88

0,18

0,008

0,002

2,69

0,98

0,25

0,018

0,005

0,007

0,003

 

Tepelné zpracování

Re
(N/mm2)

Rm
(N/mm2)

A
(%)

Z
(%)

Av RT
(J)

Av –40 oC
(J)

8h/ 690 oC

572

662

19,8

75,0

247

231

25h/ 700 oC

636

730

19,8

66,4

233

128

10h/ 710 oC

624

719

19,8

68,6

151

43

Analýza verzí legovaných V a Nb odpovídají ASME Code Case 2098-1 a 1991-1, přičemž V a Nb příznivě ovlivňují krátkodobé a dlouhodobé vlastnosti. Na druhé straně byly negativně ovlivněna tažnost při rázových zkouškách v ohybu, tzn. nebylo dosaženo vynikajících vlastností 2¼Cr 1Mo.

3. Přídavné materiály s 9 – 10 % Cr

3.1 Mechanicko technologické vlastnosti svarového kovu

Pro oceli skupiny s 9 – 10 % Cr je k dispozici 5 verzí elektrod s různým obsahem Ni a W a kombinací drát popř. plněný drát / tavidlový prášek pro svařování pod tavidlem. tab.3. Na základě zkušeností s obalenými elektrodami jsou vyvíjeny plněné dráty s obsahem W.

tab.3 Chemické složení a vlastnosti svarového kovu elektrod a tavidla (tavidlo OP 9Cr, plněný drát FLUXOCORD 9Cr)

 

CROMO-CORD 9M

CROMO-CORD 9MNi

CROMO-CORD 10M

CROMO-CORD 91

CROMO-CORD 92

Plný drát 9Cr +   OP 9Cr

FLUXO-CORD 9Cr+OP 9Cr

C

0,11

0,10

0,1

0,11

0,10

0,11

0,1

Si

0,2

0,3

0,2

0,2

0,2

0,3

0,3

Mn

1,1

0,7

0,9

1,1

1,0

0,9

1,2

Cr

9,3

8,7

9,9

9,3

9,2

8,7

8,5

Mo

1,0

1,0

1,1

1,0

0,5

0,9

0,9

Ni

-

0,4

0,63

-

0,4

0,4

0,2

W

-

-

1,0

1,0

1,8

-

-

V

0,22

0,22

0,21

0,2

0,2

0,2

0,21

Nb

0,05

0,05

0,05

0,05

0,05

0,04

0,04

A

0,05

0,05

0,05

0,05

0,05

0,04

0,05

tepelné zpracování

760oC

2h

760oC

2h

760oC

12h

760oC

2h

760oC

2h

760oC 2h

760oC 2h

760oC 2h

760oC
2h

760oC
4h

Re (N/mm2)

573

624

587

606

565

508

598

529

nezpr.

528

Rm (N/mm2)

722

759

731

755

731

682

745

713

nezpr.

680

A (%)

17,8

18,8

19,4

18,0

20,0

21,2

19,2

20,2

nezpr.

22,5

Av (J) při 20oC

103

91

93

81

45

70

76

82

109

116

Uvedené elektrody mají optimalizovaný obsah C, Mn a Si pro zaručení vysoké hodnoty rázové práce při RT. Velký význam má dodržení nízkého obsahu Si, které zamezí vzniku -feritu. Ni je rovněž dolegován, pro zvýšení hodnot rázové práce, ale škodlivý pro dlouhodobé používání. Svarový kov obsahuje 0,2% V a 500 ppm Nb a N pro zlepšení dlouhodobého využití.

Jak ukazují výsledky dosahují verze CROMOCORDu 9M bez Ni, stejně jako s Ni, pro svařování oceli typu P91 (9Cr 1Mo VNbN) vysokých hodnot rázové práce při RT. Nezávisle na tom by měly současné dlouhodobé pokusy dát výsledky o vlivu Ni do obsahu 1,0%.

Pro svařování ocelí P 91 a P92 s 1%W a 1%Mo, popř. 1,8%W a 0,5% Mo jsou k dispozici odpovídající obalené elektrody. Jelikož W podporuje tvorbu feritu, ukazuje se, že je vhodné použít pro kompenzaci tohoto efektu přidání Ni, aby byly zajištěny hodnoty rázové práce. Tyto výsledky jsou srovnávány s výsledky CROMOCORD 91 s 10M, které se liší pouze obsahem Ni. Pro porovnání posloužilo žíhání 960oC/2h, jak je obvyklé u svařování potrubí.

Elektroda CROMOCORD 10M byla vyvinuta pro svařování 10% Cr oceli a hodnoty rázové práce jsou u odlitků po žíhání 13 hod při relativně nízkých teplotách 730 oC. S touto elektrodou může být svařována ocel P 91, přičemž díky dobrým hodnotám rázové práce je možné žíhání 760 oC/2h.

Pro oceli s 9 a 10%Cr byly nejdříve používány tzv. syntetické elektrody – jednoplášťové, které obsahovaly všechny legury v obalu. V případě použití W jako legury, který má jako feroslitina vysokou teplotu tavení, může být úplným natavením prokázáno velmi jemné zrno. V současné době jsou vyvíjené elektrody vyráběny, na základě požadavků trhu, s legovaným jádrovým drátem. Tyto dráty jsou k dispozici i pro svařování pod tavidlem.

3.2 Dlouhodobé časové vlastnosti svarového kovu

Pod dohledem TUV probíhají v současné době dlouhodobé zkoušky svarového kovu spojů oceli P 91, které jsou prováděny společně s dalšími výrobci elektrod. Měly by mimo jiné podat důkaz o vlivu Ni. Do současné doby jsou známé hodnoty do 10.000hod, pokusy však pokračují na hodnotu 30 000hod. Ukazuje se, že hodnoty svarového kovu leží v 20% oblasti rozptylu základního materiálu a vyšší než v tepelně ovlivněné zóně ve které spoj selhal. Doposud získané hodnoty splňují 20% kriterium stejně jako po 2 hod, tak i po10 hod žíhání při 760oC.

Výsledky zkoušek jsou i pro elektrody 9%Cr bez niklu – CROMOCORD 9M. V současné době probíhají zkoušky svarového kovu, přibližně 70.000 hod, pod zkušebním napětím 192 MPa. Životnost svarového kovu s 12%Cr pro ocel X 20 CrMoWV 12 1 byla s tímto Ni legovaným kovem pro ocel P 91 při creepu více než dvojnásobně překročena.

Uvedené elektrody legované wolframem byly vyvinuty v rámci evropského projektu COST. Pro nově vyvinuté oceli a odpovídající kov bylo provedeno velké množství zkoušek, především pro stanovení životnosti. Při teplotě 600oC dosáhl např. 10% Cr svarový kov z CROMOCORD 10M s 1%W při 130 MPa zkušebního napětí životnosti přibližně 10.000 hod do lomu.

Shrnutí

Jako odpověď na nové žárupevné oceli s 2 – 3 %Cr byly vyvinuty přídavné materiály pro svařování se zlepšenými vlastnostmi. Jsou analogicky legovány jako oceli V a Nb, čímž se získá vyšší pevnost při krátkodobém i dlouhodobém zatížení. Přesto je možné dosáhnout i velmi dobré houževnatosti.

Pro ocel s 9 – 10% %Cr jsou k dispozici obalené elektrody s W nebo bez W, které splňují požadavky jak na vrubovou houževnatost, tak i na životnost. Pro svařování pod tavidlem bylo vyvinuto tavidlo, které je možno použít ve spojení jak s plným, tak i s plněným drátem s nízkým obsahem Ni.

CROMOCORD 91

Norma:   DIN 8575:  E CrMoVNb 9 B 20+ (H5.)
  AWS/ASME SFA-5.4:  E 9018-B 9

Použití, vlastnosti: basická obalená elektroda pro žárupevné oceli typu 9Cr-1Mo-V-Nb-A pro provozní teploty do + 500oC v krátkém časovém rozsahu.

Určena pro materiály:              

1.4903

X 10 CrMoVNb 91

P 91 (ASTM A 335)

class F 91 (ASTM A 336)

T 91 (ASTM A 213)

WP 91 (ASTM A 234)

F 91 (ASTM A 182)

FP 91 (ASTM A 369)

grade 91 (ASTM A 387)

 

Složení svarového kovu v %
C

Si

Mn

Cr

Mo

Ni

V

 

0.1

0.3

0,7

9

1

0.4

0.2

 

 

Mechanické hodnoty čistého svarového kovu

Re
(N/mm2)

Rm
(N/mm2)

A5
(%)

KV
(J)
+ 20 oC

550

680 - 850

17

75

 

CROMOCHORD 9M – bez Ni

Norma:

DIN 8575:

E CrMoVNb 9 B 20+ (mod.)

 

AWS/ASME SFA-5.4:

E 505-15 (mod)

Použití, vlastnosti: basická obalená elektroda s velmi nízkým obsahem uhlíku pro žáropevné oceli  typu 9Cr-1Mo-V-Nb-N. Elektroda je určena pro svařování tlustostěnných odlitků. Není legována Ni.

Určena pro materiály: 

1.4903

X 10 CrMoVNb 91

P 91 (ASTM A 335) 

class F 91 (ASTM A 336)

T 91 (ASTM A 213)

WP 91 (ASTM A 234)

F 91 (ASTM A 182)

FP 91 (ASTM A 369)

grade 91 (ASTM A 387)

 

Složení svarového kovu v %

C

Si

Mn

Cr

Mo

Nb

V

A

0.09

0.2

1

9

1

0.07

0.22

0.04

 

Mechanické hodnoty čistého svarového kovu

Rp0,2
(N/mm2)

Rm
(N/mm2)

A5
(%)

KV
(J)
+ 20 oC

550

640 - 670

17

75

 

AL CROMO E 225 – obalená elektroda

 

Norma:

DIN 8575:

E CrMo 2 B 20+
 

prEN 1599

E CrMo 2 B 42 H5
 

AWS/ASME SFA-5.5:

E 9015-B 3
 

NFA 81 – 345

EC 2 CrMo B 26 BH

Použití, vlastnosti:         basická obalená elektroda s velmi nízkým obsahem vodíku pro oceli žárupevné a odolávající tlaku vodíku, používané pro stavbu kotlů, zásobníků a potrubí a pro provozní teploty do + 600oC. Svarový kov s vysokou houževnatostí, odolný proti zkřehnutí (dokázáno pomocí Step-Cooling).

Určena pro materiály:               10 CrMo 9 10, 12 CrMo 9 10

                                   CM 10 CD

                                   A 387 Gr. 22, Cl. 1 a 2, A 182 Gr. F 22,

                                   A 336 Gr. F 22 A F 22a

Schváleno: TUV

Složení svarového kovu v %

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Sn

Sb

As

<0.12

0.1-0.4

0.5-0.8

<0.010

<0.010

2.1-2.5

0.9-1.2

<0.005

<0.005

<0.010

BRUSCATO-faktor    X = (10 P + 4 Sn + 5 Sb + As) / 100 ≤15 ppm
J – faktor                  J = (Si + Mn) ( P + Sn ) x 104 ≤ 150

Tepelné zpracování

Rp0,2

Rm

A5

KV(J)

 

(N/mm2)

(N/mm2)

(%)

+20

-20

-40

-60

A

>400

>550

>20

170

150

130

100

STC

>400

>550

>20

150

130

100

80

A = popuštěno při 690 oC/8 hod, pec                                     zkušební teplota ve oC
STC = A + step cooling

Obsah difuzního vodíku (DIN 8572):

vztaženo na natavený svarový kov

HD ≤ 5 ml/100 g

vztaženo na natavený svarový kov + natavený základní materiál

HD ≤ 3 ml/100 g

 

AL CROMO F 537 tavidlo

Norma:

DIN EN 760:

A FB 1 55 AC

 

DIN 32 522

BFB 4 554 AC 8 MHP 5

Typ, vlastnosti: AL CROMO F 537 je aglomerované tavidlo patřící do skupiny fluorobasických. Je určeno pro svařování žárupevných CrMo ocelí.

Ve spojení s drátem AL CROMO S 225 je určeno pro materiály 12 CrMo 9 10 popř. 10 CrMo 9 10, pokud jsou kladeny speciální požadavky na čistotu svarového kovu. Tento svarový kov nemá po stupňovitém žíhání (STC) žádnou ztrátu houževnatosti a tím je zaručena odolnost proti zkřehnutí. X-faktor a J-faktor jsou zvláště nízké. Metalurgický poměr se vyznačuje malým nárůstem obsahu Si a Mn. Je určen pro svařování stejnosměrným a střídavým proudem do 800A, jedním drátem. Pro dosažení optimálních hodnot houževnatosti je výhodnější použít střídavý proud. Dobrých vlastností svarového kovu bylo dosaženo i při tandemovém svařování.

AL CROMO F 537 má nízkou spotřebu a velmi nízký obsah H2.

Složení:

SiO2 + TiO2

CaO + MgO

Al2O3 + MnO

CaF2

15%

40%

20%

25%

stupeň basicity dle Boniszewski: ~ 2,6

Schváleno: TUV

Složení svarového kovu v %

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Sn

Sb

As

<0.13

<0.30

0.6-0.9

<0.010

<0.010

2.3-2.7

0.9-1.1

<0.005

<0.005

<0.010

BRUSCATO-faktor    X = (10 P + 4 Sn + 5 Sb + As) / 100 ≤15 ppm
J – faktor                     J = (Si + Mn) ( P + Sn ) x 104 ≤ 150

Tepelné zpracování

Rp0,2

Rm

A5

KV
(J)

 

(N/mm2)

(N/mm2)

(%)

+20

±0

-20

-40

A

>420

620 - 720

>20

>180

>140

>100

>50

STC

>420

620 - 720

>20

>160

>120

>80

>50

A = popuštěno při 690 oC/8 hod, pec                                     zkušební teplota ve oC
STC = A + step cooling

Obsah difuzního vodíku (DIN 8572):

vztaženo na natavený svarový kov

HD £5 ml/100 g

vztaženo na natavený svarový kov + natavený základní materiál

HD ≤ 3 ml/100 g

 

AL CROMO W 225 – drát pro WIG svařování

Norma:            AWS/ASME SFA-5.28          ER 90 S - G

použití, vlastnosti: středně legovaný drát pro oceli žárupevné a odolávající tlaku vodíku, používané pro stavbu kotlů, zásobníků a potrubí a pro provozní teploty do + 600oC.

Svarový kov s vysokou houževnatostí, odolný proti zkřehnutí. Pro svařování WIG drátu AL CROMO 225 použít čistý argon.

Určen pro materiály:

10 CrMo 9 10, 12 CrMo 9 10
CM 10 CD
A 387 Gr. 22, Cl. 1 a 2, A 182 Gr. F 22,
A 336 Gr. F 22 A F 22a

Schváleno: TUV

Složení svarového kovu v %

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Sn

Sb

As

0.10-0.13

max. O.008

0.45-0.60

<0.006

<0.008

2.40-2.80

0.95-1.10

<0.003

<0.003

<0.005

BRUSCATO-faktor    X = (10 P + 4 Sn + 5 Sb + As) / 100 ≤15 ppm
J – faktor                     J = (Si + Mn) ( P + Sn ) x 104 ≤ 150

Tepelné zpracování

Rp0,2
(N/mm2)

Rm
(N/mm2)

(%)

KV
(J), -20oC

A

>500

600 - 700

>20

>250

A = popuštěno při 700 oC/6 hod, pec                                     zkušební teplota ve oC