СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ ИСКЛЮЧЕНИЕМ И УМЕНЬШЕНИЕМ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ
PROCEDURE FOR EXTENSION OF SERVICE LIFE OF WELDED CONNECTIONS OF ALLOYED STEEL BY ELIMINATION OR RESTRICTION OF THERMAL INFLUENCE ZONE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится главным образом к сварке. Более конкретно, изобретение относиться к способу сварки металлических деталей вместе за счет использования технологий наплавки на свариваемые кромки промежуточного металла и термической обработки, чтобы избежать послесварочной термической обработки и уменьшить или исключить зону термического влияния.
Описание предшествующего уровня техники
Существуют два аспекта сварки, которые увеличивают стоимость сварки и которые приводят к разрушению сваренных компонентов: наличие зоны термического влияния ЗТВ (heat-affected zone - HAZ) и послесварочная термическая обработка ПТО (post-weld heat treatment - PWHT), которая используется для решения проблем, вызванных наличием ЗТВ. Как известно в уровне техники, тепло от сварного шва создает ЗТВ в металле, смежном со сварным швом. Создание ЗТВ имеет обратные металлургические эффекты, такие как образование эффектов надреза или рост зерен, которые приводят к ослаблению металла в ЗТВ. Несмотря на то, что новые сплавы, например, с содержанием хрома 2-12% по мас., были разработаны, чтобы обеспечить более высокие прочности для применения при высокой температуре и давления, по сравнению со сплавами и сталями ранее использовавшимися, разрушения, которые ограничивают срок службы компонентов, изготовленных из этих материалов, имеют склонность происходить рядом со сварными швами в ЗТВ. Кроме того, попытки разработать наплавочные материалы для упрочнения сварных швов и уменьшения эффектов ЗТВ не были успешными.
Другим способом, используемым для улучшения металлургических свойств в ЗТВ, является ПТО. Требования “Boiler and Pressure Vessel Code”, разработанные Американским обществом инженеров-механиков (ASME), требует, чтобы сварки, используемые для труб и резервуаров высокого давления из низколегированных сталей, подвергались ПТО для достижения свойств жесткости, растяжимости и твердости в ЗТВ сварного шва. Однако ПТО является дорогим процессом, требующим много времени для выполнения. ПТО обычно требует нагревания свариваемых металлических деталей до температуры, которая чуть ниже температуры первого фазового перехода для этого материала. Допускаемая требованиями ASME обработка ПТО высокотемпературного материала, содержащего 2% хрома, требует, чтобы материал выдерживал при температуре 1350°F в течение одного часа для каждого дюйма толщины материала. Изменяющаяся скорость, с которой температура материала может возрастать до температуры изотермического выдерживания и охлаждаться вновь до комнатной температуры, должна внимательно контролироваться, и требуется несколько часов для завершения процесса. Обычные ПТО операции на трубе двухдюймовой толщины, изготовленной из этого материала, включая установку, время увеличения температуры материала, время выдержки и время охлаждения, могут потребовать 24 часа. Компоненты с множеством сварных швов могут потребовать нескольких операций ПТО.
Производители компонентов обычно осуществляют такую обработку ПТО в большой печи, что дает возможность обработать несколько сварных соединений одновременно. Физические размеры печи явно ограничивают размеры компонентов, которые могут быть обработаны. Поэтому некоторые процедуры ПТО должны быть осуществлены в цехе или на месте производства работ. В этом случае детали свариваются вместе и затем передаются в цех, где осуществляется ПТО. ПТО у таких больших компонентов обычно выполняется с использованием ослабителей или оборудования индукционной термической обработки. Как таковое, число соединений, которые могут быть подвергнуты ПТО одновременно, ограничено доступностью мощности и ПТО оборудованием для ПТО. При больших строительных работах распределение ПТО также становится важной задачей.
Кроме того, простое перемещение компонентов в сварочном цехе к печи, хранилищу, другим зонам производства или месту производства работ может привести к повреждению в сварных швах и зонах ЗТВ. Сборка компонентов на месте производства работ представляет дополнительные проблемы для достижения приемлемой ПТО. Поток воздуха, протекающего вокруг компонентов, включая, например, и внешний, и внутренний потоки от воздействий ветра или дымохода, может иметь следствием то, что материал не достигнет достаточной температуры в процессе ПТО для проявления требуемых свойств. Во время операций ПТО также требуется особая осторожность в удерживании компонентов, поскольку прочность материала значительно снижается при высокой температуре при операциях ПТО.
Даже с ПТО повреждения еще происходят около сварного шва или в ЗТВ. Следовательно, существует необходимость в усовершенствованном способе сварки, который уменьшает эффекты ЗТВ и исключает необходимость в ПТО.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предусматривает способ сварки вместе двух металлических деталей, содержащий наплавку на поверхность первой металлической детали первого наплавочного металла на основе никеля на толщину, достаточную для изоляции зоны термического влияния в первой металлической детали от последующей сварки, для получения первой наплавленной поверхности; термическую обработку по меньшей мере зоны термического влияния в первой металлической детали после наплавки на поверхность первой металлической детали, для получения термически обработанной первой наплавленной поверхности; наплавку на поверхность второй металлической детали второго наплавочного металла на основе никеля, имеющего тот же состав, что и первый наплавочный металл на основе никеля, и на толщину, достаточную для изоляции зоны термического влияния во второй металлической детали от последующей сварки, для получения второй наплавленной поверхности; термическую обработку по меньшей мере зоны термического влияния во второй металлической детали после наплавки на поверхность второй металлической детали, для получения термически обработанной второй наплавленной поверхности; и сварку термически обработанной первой наплавленной поверхности с термически обработанной второй наплавленной поверхностью при помощи третьего наплавочного (присадочного) металла на основе никеля, имеющего тот же состав, что и первый и второй наплавочные металлы на основе никеля.
Способ по настоящему изобретению может использоваться для сварки сходных или несходных металлов. Предпочтительно способ по настоящему изобретению используется для сварки мартенситной нержавеющей стали с ферритной нержавеющей сталью, аустенитной нержавеющей сталью или другой мартенситной нержавеющей сталью.
Способ по настоящему изобретению предусматривает сварку вместе подкомпонентных деталей или в цехе, или в месте производства работ без необходимости в послесварочной термической обработке. Это обеспечивает лучшее использование оборудования и графика использования рабочей силы наряду с тем, что уменьшается количество времени, требуемого для сборки в цехе. Способы по изобретению, описанные здесь, могут быть использованы для существенного снижения затрат и времени, требуемого для соединения материалов низколегированных труб и/или резервуаров высокого давления, и пригодно для множества различных сварочных процессов.
Эти и другие особенности и преимущества изобретения следуют из последующего описания, в котором предпочтительные варианты осуществления сформулированы подробно со ссылками на сопровождающие чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схема технологического процесса согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения и
Фиг.2A-2C иллюстрируют сваривание двух металлических деталей согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предусматривает усовершенствованный способ сварки, который уменьшает или исключает эффекты, вызываемые образованием ЗТВ в процессе сварки, и исключает необходимость в ПТО. В основном настоящее изобретение предусматривает способ подготовки первой свариваемой металлической детали за счет использования технологии наплавки наплавочного материала на основе никеля с последующей ПТО, которая либо обеспечивает закалку с отпуском (улучшение) в ЗТВ, либо исключение ЗТВ в результате нормализации. Вторая металлическая деталь также подготавливается похожим или идентичным образом. Две детали затем свариваются вместе либо в цехе, либо в условиях эксплуатации без необходимости ПТО.
Фиг.1 - схема технологического процесса согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Процесс 100 - способ сваривания двух металлических деталей вместе. Следует принять во внимание, что свариваемые вместе металлические детали могут быть сходными или несходными металлами. Например, могут быть соединены вместе сплавы ферритных сталей, которые имеют менее чем 12 мас.% хрома. Также низколегированная сталь, имеющая менее чем 12 мас.% хрома, такая как ферритная сталь, может быть соединена с нержавеющей сталью, имеющей 12 и более мас.% хрома, такой как аустенитная нержавеющая сталь. В предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение используется для соединения мартенситной нержавеющей стали с ферритной нержавеющей сталью, аустенитной нержавеющей сталью или другой мартенситной нержавеющей сталью. Другой предпочтительный вариант осуществления включает соединение 9Cr сплавов с другими 9Cr сплавами, другими ферритными сплавами или аустенитными сплавами, где 9Cr сплавы могут включать, например, непосредственно 9Cr, P91, P92 и т.д.
Следует принять во внимание, что использование термина «низколегированная» сталь относится к стали, подобной углеродистой стали, которая является сталью, имеющей менее чем приблизительно 1,65% марганца, 0,65% кремния или 0,60% меди, кроме таких элементов, как хром, молибден, кобальт, ниобий, титан и т.д., добавляемых для увеличения ее закаливаемости и прочности. Примеры низколегированных сталей включают 1ј Cr - Ѕ Mo (T11 или P11), 2ј Cr - 1 Mo (T22 или P22) и разнообразие других легированных сталей по ASTM, таких как ферритная и мартенситная стали. Использование термина «ферритная» относится к сталям, которые имеют преимущественно ферритную микроструктуру при комнатной температуре и не упрочняемы термической обработкой. Использование термина «нержавеющая» относится к ферросплавам, которые содержат минимум 10 мас.% алюминия и включают, например, аустенитную нержавеющую сталь, ферритную нержавеющую сталь, мартенситную нержавеющую сталь и дисперсионно-твердеющую нержавеющую сталь. Использование термина «аустенитная» нержавеющая сталь относится к нержавеющей стали, легированной никелем или марганцем и азотом для обеспечения аустенитной структуры при комнатной температуре, такой как нержавеющие стали 300-серии, включающие, например, 304, 316, 321 и 347. Использование термина «мартенситная» нержавеющая сталь относится к нержавеющей стали с добавлениями углерода, которая имеет преимущественно мартенситную микроструктуру при комнатной температуре и является упрочняемой термической обработкой, такие как нержавеющие стали 400-серии, включающие, например, 410, 420 и 440. Ферритные нержавеющие стали, такие как 430 и 446 сталь, содержат минимум 10 мас.% хрома и имеют при комнатной температуре микроструктуру феррита и карбида. Обычно эти сплавы не упрочняются термической обработкой.
На первом этапе 102 каждая из свариваемых вместе металлических деталей подготавливается к сварке. Следует принять во внимание, что ссылка на «металлическую деталь» относится к любой свариваемой металлической детали. Например, металлическая деталь может быть частью подкомпонента, которая должна быть сварена с другой частью подкомпонента для образования желаемого конечного компонента или детали оборудования. Следовательно, использование термина «металлическая деталь» предназначено, чтобы в общем охватывать любой тип или форму свариваемого металла. Подготовка, выполняемая на данном этапе 102, может включать различные этапы процесса или процедуры, осуществляемые на металлической детали для подготовки ее к сварке. Например, металлическая деталь или отдельная поверхность металлической детали может быть обработана в конкретную форму за счет использования токарного станка. Поверхность металлической детали может быть также отшлифованной, что часто выполняется после дуговой поверхностной резки или воздушно-дуговой резки для удаления металла. Микрообработка электрическим разрядом также может использоваться для прецизионной обработки; однако этот процесс является обычно медленным.
На следующем этапе 104 каждая поверхность каждой металлической детали, которая должна быть впоследствии сварена с другой металлической деталью, подвергается наплавке с использованием наплавочного материала на основе никеля. В особенности наплавочный материал на основе никеля сваривается с отдельной поверхностью каждой детали, которые будут позднее сварены вместе. Нанесение этого наплавочного материала на основе никеля на поверхность каждой металлической детали может рассматриваться как «наплавленный слой». Предпочтительно наплавочный материал на основе никеля содержит по меньшей мере 10 или более мас.% никеля или более предпочтительно содержит приблизительно 40-70 мас.% никеля и даже более предпочтительно 40-60 мас.% никеля. Или же наплавочный материал может быть материалом, известным в уровне техники, который будет зависеть, частично, от композиции свариваемых вместе металлических деталей. Примеры некоторых предпочтительных наплавочных материалов, которые могут использоваться в настоящем изобретении для наплавки и сварки несходных металлов, включают INCONEL сварочный электрод 182, INCONEL наплавочный материал 82 и INCO-WELD A электрод. Следует принять во внимание, что композиция наплавочного материала на основе никеля является одинаковой для обеих металлических деталей или наплавленных слоев на каждой из них.
Реальные условия и технологии, которые могут использоваться для нанесения или сварки этого наплавленного слоя, хорошо известны специалисту в данной области. В частности, любые процедуры сварки или доступные в настоящее время технологии могут быть использованы для нанесения наплавленного слоя. Однако наплавленный слой должен наноситься на толщину, достаточную для изоляции ЗТВ, образованной в процессе наплавки, от тепла, производимого в процессе последующей сварки. Иными словами, наплавленный слой должен иметь толщину, достаточную, чтобы ЗТВ не была повреждена последующими операциями сварки, т.е. при сварке двух металлических деталей вместе.
Дополнительно на этапе 104 после нанесения наплавленного слоя, каждая металлическая деталь может быть вновь обработана на станке для соответствующей геометрии сварки при подготовке окончательной сварки между двумя металлическими деталями. Следовательно, если выполняется такая обработка на станке, толщина наплавленного слоя должна быть достаточной, с учетом уменьшения его толщины в результате такой обработки на станке. Толщина наплавленного слоя может изменяться в зависимости от того, какой вид процесса сварки, композиция наплавочного материала и композиция сплава используются.
C3
На следующем этапе 106 каждая металлическая деталь подвергается термической обработке. Отдельная применяемая термическая обработка должна быть достаточной для термической обработки по меньшей мере ЗТВ на каждой металлической детали. Иными словами, каждая металлическая деталь должна быть подвержена нагреву, так, что по меньшей мере ЗТВ на каждой детали нагревается до заданной температуры для достижения желаемого эффекта. В одном варианте осуществления термическая обработка содержит нагревание каждой металлической детали или по меньшей мере ее ЗТВ до температуры, достаточной, чтобы нормализовать ЗТВ. Например, в одном варианте осуществления такая термическая обработка содержит нагревание каждой металлической детали выше A температуры фазового превращения, которая изменяется в зависимости от сплава и его соответствующего химического состава. Нормализация ЗТВ приводит к восстановлению ЗТВ до ее нетронутого или первоначального базового металлургического состояния. Предпочтительно такая термическая обработка могла бы быть осуществлена в печи для получения лучшего контроля, чем при других способах нагревания или в другом оборудовании.
Следует принять во внимание, что такая нормализирующая термическая обработка может быть использована в тех случаях, где металлические детали обе являются низколегированными металлами, имеющими содержание хрома приблизительно 2-12 мас.%. Такая нормализирующая термическая обработка может использоваться, когда одна из металлических деталей содержит металлическую деталь из низколегированного сплава, а другая металлическая деталь содержит деталь из нержавеющей стали. Такая нормализирующая термическая обработка может использоваться, когда одна из металлических деталей содержит деталь из низколегированной ферритной стали, а другая металлическая деталь содержит деталь из аустенитной нержавеющей стали. Такая нормализирующая термическая обработка может использоваться, когда одна из металлических деталей содержит деталь из мартенситной нержавеющей стали, а другая металлическая деталь содержит деталь из низколегированной ферритной стали, аустенитной нержавеющей стали или мартенситной нержавеющей стали.
C1
C3
В другом варианте осуществления термическая обработка содержит нагревание каждой металлической детали до температуры, которая является достаточной для закалки и отпуска в ЗТВ, чтобы получить адекватные свойства жесткости, эластичности и твердости в ЗТВ. Например, в одном варианте осуществления такая термическая обработка содержит нагревание каждой металлической детали выше A температуры фазового превращения, которая изменяется в зависимости от сплава и его соответствующего химического состава, но ниже A температуры.
Следует принять во внимание, что такая закалочная термическая обработка с отпуском может быть использована, когда одна из металлических деталей содержит металлическую деталь из низколегированного сплава, а другая металлическая деталь содержит деталь из нержавеющей стали. Такая закалочная термическая обработка с отпуском может быть использована, когда одна из металлических деталей содержит деталь из нержавеющей стали. Например, такая термическая обработка может быть использована, когда одна из металлических деталей содержит деталь из мартенситной нержавеющей стали, а другая металлическая деталь содержит низколегированную ферритную сталь. Следует принять во внимание, что в некоторых случаях может быть преимущественным использование нормализирующей термической обработки для одной металлической детали и закалочной термической обработки с отпуском для другой металлической детали.
Следует принять во внимание, что преимущество термической обработки каждой металлической детали перед тем, как они свариваются вместе, устраняет необходимость в ПТО. Следовательно, в случае, где металлические детали содержат подкомпоненты множества больших компонентов, термическая обработка отдельных подкомпонентов может быть проще, чем необходимость использования ПТО для полностью законченного компонента или детали оборудования. Как таковая, дорогостоящая область ПТО может быть отменена. Далее, должно быть принято во внимание, что такая термическая обработка может быть применена в цехе или в условиях эксплуатации.
Дополнительно после термической обработки каждой металлической детали на этапе 106, каждая металлическая деталь может вновь быть обработана на станке для соответствующей геометрии сварки при подготовке окончательной сварки между двумя металлическими деталями. Следовательно, если выполняется такая обработка на станке, толщина наплавленного слоя должна быть достаточной с учетом уменьшения его толщины в результате такой обработки на станке. Толщина наплавленного слоя может изменяться в зависимости от того, какой вид процесса сварки, композиция наплавочного материала и композиция сплава используется.
На следующем этапе 108 каждая из термически обработанных наплавленных металлических деталей свариваются вместе с использованием наплавочного (присадочного) материала на основе никеля. Как обсуждалось выше, наплавочный материал на основе никеля содержит по меньшей мере 10 или более мас.% никеля или более предпочтительно содержит приблизительно 40-70 мас.% никеля и даже более предпочтительно 40-60 мас.% никеля. Или же наплавочный (присадочный) материал может быть материалом, известным в уровне техники, который будет зависеть, частично, от композиции свариваемых вместе металлических деталей. Примеры некоторых предпочтительных присадочных материалов, которые могут использоваться в настоящем изобретении для наплавки и сварки разнородных металлов, включают INCONEL сварочный электрод 182, INCONEL наплавочный материал 82 и INCO-WELD A электрод. Предпочтительно наплавочный (присадочный) материал на основе никеля, используемый для сварки вместе двух металлических деталей, является тем же, что и наплавочный материал на основе никеля, используемый для формирования наплавленных слоев.
Специалист в данной области техники примет во внимание, что могут быть использованы любые способы и технологии, известные в уровне техники, для сварки двух металлических деталей вместе. Подобно любое оборудование, известное из уровня техники, может быть также использовано. Следует принять во внимание, что данная операция сварки не требовала бы последующей ПТО, поскольку адекватные свойства уже обнаружены в соответствующих ЗТВ в каждой металлической детали. Кроме того, две сваренные металлические детали могут быть введены в эксплуатацию без необходимости использования ПТО.
Фиг.2A-2C иллюстрируют сварку двух металлических деталей согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.2A иллюстрирует две свариваемые металлические детали 202, 204. Как отмечалось выше в связи с Фиг.1, каждая металлическая деталь может быть подготовлена в соответствии с известными из уровня техники способами подготовки, такими как обработка на станке. Фиг.2B иллюстрирует нанесение наплавленных слоев 206, 208 на каждую металлическую деталь. В данном конкретном случае наплавленные слои 206, 208 наносятся на концевые поверхности каждой из металлических деталей 202, 204. Как описано выше в связи с Фиг.1, каждая из этих металлических деталей 202, 204, имеющих наплавленные слои 206, 208, могла бы затем быть термически обработана либо посредством нормализующей термической обработки, либо закалочной термической обработкой с отпуском. В дополнение каждая металлическая деталь могла бы, кроме того, быть обработана на станке для достижения заданной формы поверхности. Фиг.2C иллюстрирует результаты окончательного этапа сварки, в котором наплавочный материал 210 используется для сварки наплавленных слоев 206, 208 и, следовательно, двух металлических деталей 202, 204 вместе. Так же, как описано выше в связи с Фиг.1, окончательно сваренные компоненты могут быть введены в эксплуатацию без необходимости ПТО.
Были описаны различные варианты осуществления изобретения. Эти описания предназначаются только для иллюстрации настоящего изобретения. Для специалиста в данной области будет очевидно, что в описанном изобретении могут быть сделаны изменения без отклонения от объема представленной ниже формулы изобретения. Например, должно быть ясно, что изобретение может быть применено для сварки сходных и несходных металлических деталей. Кроме того, должно быть ясно, что хотя изобретение было описано в основном для сварки двух металлических деталей, изобретение может быть использовано в любых применениях, где металлы свариваются вместе. Например, изобретение может быть использовано в энергетике, химическом производстве, нефтяной отрасли, металлургии, транспорте, а также обогащении и бумажном производстве. В более общем смысле способ, в котором применяется сварка низколегированной стали, может использоваться с данной технологией. Дополнительно изобретение может быть использовано для сварки мартенситной нержавеющей стали с ферритной нержавеющей сталью, аустенитной нержавеющей сталью или другой мартенситной нержавеющей сталью.