KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 1

STALE NISKOSTOPOWE DO PRACY W

BARDZO NISKICH TEMPERATURACH

IWE III

4 godz.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 2

Normalne temperatury eksploatacji w strefie umiarkowanej do –40

o

C.

W pewnych obszarach konstrukcje pracują w temperaturze do –60

o

C.

Niektóre konstrukcje mają kontakt z zimnymi mediami, których temperatura jest
znacznie niższa.

Spośród różnych materiałów (stopy miedzi, aluminium, itp. najszersze zastosowanie
znalazła stal.

Podstawowe kryterium przydatności do pracy w niskiej temperaturze jest:

-temperaturą przejścia w stan kruchy, mierzona różnymi parametrami:

- udarność -KV,

- parametry mechaniki pękania - K, CTOD, J.

Temperatura przejścia w stan kruchy jest charakterystyczna dla struktury ferrytycznej.
Nie wykazuje tego struktura austenityczna, lub wykazuje w bardzo małym stopniu.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 3

Konstrukcje narażone na niskie temperatury:

1.

eksploatowane w warunkach arktycznych: lodołamacze, koparki, dźwigi

2.

statki do przewozu ciekłych gazów skroplonych: LPG (-50

o

C), LNG (-160

o

C)

3.

Zbiorniki do magazynowania ciekłych, skroplonych gazów,

4.

Cysterny przewożące gazy skroplone,

5.

Elementy instalacji chłodzących lub odgazowujących.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 4

Wpływ podstawowych składników na temperaturę przejściową stali

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 5

Grupy stali przeznaczonych do zastosowań niskotemperaturowych:

1.

Stale niskowęglowe uspokojone, drobnoziarniste odmiany plastyczności E
wg towarzystw Klasyfikacyjnych (min. 27J w –30

o

C)

2.

Stale mikrostopowe z Nb stosowane do budowy zbiorników na gazy płynne
oraz na konstrukcje pracujące w warunkach arktycznych (15G2ANb)

3.

Stale ulepszane cieplnie niskostopowe i wysokostopowe o różnym zakresie
temperatur przejścia w stan kruchy

4.

Stale niklowe o zawartości 2,5% Ni – stosowane na zbiorniki ciekłego
propanu (-42 st.C)

5.

Stale o zawartości 3,5% Ni – na zbiorniki CO

2

(-78

o

C) i etanu (-89

o

C)

6.

Stale o zawartości 9% Ni – zbiorniki etylenu (-104

o

C) oraz azot (-196

o

C)

7.

Stale austenityczne 18%Cr-8%Ni w zależności od stabilizacji austenitu – do
temperatury –253

o

C (wodór), -270

o

C (hel)

8.

Stopy żelazo-nikiel typu Inwar, gdy wymagana jest duża stabilność
wymiarowa

9.

Stopy Al+4,5Mg

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 6

Typowe zakresy zastosowań niskotemperaturowych:

-stale do pracy przy temp. obniżonych, do około –60

o

C

-Stale niskotemperaturowe, do około –100

o

C

-Stale i stopy kriogeniczne, pracujące poniżej –100

o

C.

-Zastosowania na zbiorniki skroplonych gazów:

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 7

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 8

Wpływ niklu na ciągliwość stali:

80J – udarność zadawalająca

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 9

Dla stali 9%Ni zastosowanie obróbki cieplnej daje możliwość stosowania do –200

o

C

Obróbka cieplna:

1.

-normalizowanie 900

o

C

-Normalizowanie 790

o

C (niezupełne przekrystalizowanie- ferryt+austenit –powolny spadek udarności z

temp.)

-Wyżarzanie 565

o

C, min. 2 godz.

2.

Dwukrotne hartowanie + odpuszczanie (jeszcze lepsza ciągliwość).

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 10

Wpływ austenitu szczątkowego na udarność stali 9%Ni w niskich temperaturach

Im większa zawartość austenitu szczątkowego,
międzylistwowego, tym wyższa udarność.

Płytkowy austenit powstały w czasie
wygrzewania w 790

o

C istnieje między listwami

martenzytu. W czasie odpuszczania austenit ulega
częściowej sferoidyzacji – polepsza się udarność,
lecz może być niekorzystna, gdy istnieje
narażenie na działanie wodoru (powoduje to
spadek udarności). W takim przypadku stosuje
się nagrzewanie wielocykliczne szybkie – np.
przy spawaniu TIG.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 11

Spawalność stali do pracy w niskich temperaturach

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 12

Stale te zawierają mało zanieczyszczeń, mało węgla, posiadają niski równoważnik węgla.
Nie występuje tu problem pękania na zimno.

Problemem jest uzyskanie odpowiedniej udarności w określonej temperaturze.

-Należy zastosować specjalne materiały dodatkowe dające metal spoiny o odpowiedniej
udarności.

-Należy stosować odpowiednią technologię spawania, zapewniającą spełnienie wymagania
j.w w spoinie i SWC.

Np. spawanie stali 15G2ANb – prowadzi się:

-techniką wielościegową,

-mała energia liniowa spawania.

Daje to drobnoziarnistą strukturę wyżarzoną kolejnymi ściegami.

Dla ograniczenia skłonności do pękania na gorąco należy ograniczyć temperaturę
międzyściegową do około 150

o

C

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 13

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 14

Przykład
zastosowania stali
NV 2-4 na
zbiorniki LPG

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 15

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 16

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 17

Spawanie stali 5-9%Ni

–wszystkie metody spawania,

-materiały dodatkowe o składzie chem. MR, lub na
bazie Ni albo Cr-Ni lecz trudno osiągnąć
Re>530MPa,

-specjalne materiały dodatkowe –0,05%C,
12,25%Mn, 18,2%Cr, 2,6%Mo, 12,8%Ni, 0,15%N.

-Do g=35mm odprężanie nie jest wymagane, gdyż
może wywoływać kruchość odpuszczania,

-energia liniowa<3kJ/mm, temp. podgrz.

wstępnego< 100-150

o

C.

- zauważa się nieznaczny wzrost HV w SWC

Spawanie stali 2,5 i 3,5%Ni

-MMA, prąd stały +

-MIG (argon, mieszanki)

-Materiały dodatkowe-skład jak MR

-Stale 3,5%Ni – skłonność do pękania zimnego dla
dużych grubości – konieczne podgrzewanie wstępne,
utrzymanie min. Temp. międzyściegowej, elektrody
niskowodorowe, suszone.

KTMM i Spawalnictwa P.G

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

IWE III 2_13 18

Dwa zbiorniki kuliste na etylen- firma Tissot S.A.
Francja 1999r. Grubość ścianek 32,7mm

Elektrody OK92.55 fi 3,25; 4mm;

Warunki spawania:

J=100-140A, U=20-23V, v=4-12cm/min, Tmax<100

o

C.

Ukosowanie X niesymetryczne kąty rowka 50

o

, 65

o

,

ilość ściegów 18