Kas ir HAZ (karstuma ietekmētā zona) un kāpēc tas ir svarīgi

 Ievads

Katru reizi, kad tiek metināts metāls, siltums, kas nepieciešams, lai sakausētu divus gabalus kopā, arī maina metālu, kas ieskauj metināto šuvi -, un tas bieži vien ir neredzams ar neapbruņotu aci. Šo mainīto zonu sauc parKarstuma ietekmētā zona (HAZ). HAZ izpratne nav tikai akadēmisks uzdevums; tā ir praktiska nepieciešamība ikvienam inženierim, izgatavotājam vai pircējam, kurš pieprasa ilgstošu, uzticamu nerūsējošā tērauda un niķeļa sakausējuma komponentu veiktspēju.

Neatkarīgi no tā, vai projektējat spiedtvertnes naftas un gāzes nozarei, izgatavojat farmaceitiskās kvalitātes{0}}cauruļvadus vai vienkārši mēģināt saprast, kāpēc neizdevās izmantot metināto savienojumu, HAZ gandrīz vienmēr ir daļa no stāsta.

Galvenais ieskats: karstuma ietekmētā zona neizkūst. Tā ir vieta, kas atrodas blakus metinājumam, ko neatgriezeniski maina karstums, nesasniedzot kušanas temperatūru. Šīs smalkās mikrostrukturālās izmaiņas var ievērojami samazināt izturību pret koroziju, stingrību un mehānisko izturību.

Kas ir karstuma ietekmētā zona (HAZ)?

Definīcija:Siltuma ietekmētā zona (HAZ) ir parastā metāla apgabals, kas atrodas tieši blakus metinājumam, kas nav izkusis, bet ir piedzīvojis mikrostrukturālas izmaiņas metināšanas procesa laikā radītā siltuma dēļ. Šīs izmaiņas rodas tāpēc, ka metāls piedzīvo strauju un nekontrolētu termisko ciklu - karsēšanu, kam seko strauja dzesēšana -, mainot tā graudu struktūru, fāzes sastāvu un ķīmisko sadalījumu.

Atšķirībā no metinātā metāla (apgabals, kas faktiski izkusa un{0}}sacietēja), HAZ paliek ciets visa procesa laikā. Tomēr šajā zonā - sasniegtā temperatūra, kas var svārstīties no aptuveni 200 grādiem līdz tieši zem kušanas temperatūras -, ir pietiekama, lai izraisītu dažādas metalurģiskas pārvērtības.

Trīs atšķirīgas metināšanas zonas

Jebkurš metinātais savienojums faktiski sastāv no trim zonām, katrai no tām ir atšķirīgas īpašības:

Metinātais metāls (WM): apgabals, kas izkusa un no jauna{0}}sacietēja. Tam ir lējumam līdzīga mikrostruktūra, un to galvenokārt nosaka pildvielas sastāvs.

Karstuma ietekmētā zona (HAZ): cieta zona blakus metinājumam, kurā notika karstuma cikliskums. Mikrostruktūra ir mainīta, bet nav izkususi. Šis ir metalurģiski sarežģītākais un bieži vien vājākais posms.

Parastais metāls (BM): neskarts pamatmateriāls tālu no metinājuma, saglabājot savu sākotnējo mikrostruktūru un īpašības.

Kā veidojas HAZ?

Iedomājieties, ka novietojat ledus kubiņu blakus karstai pannai. Ledus, kas atrodas vistuvāk pannai, vispirms izkūst, bet tālāk ledus tikai mīkstina. Metināšanas laikā metāls uzvedas līdzīgi - lokam vistuvāk esošais metāls kūst, savukārt metāls tieši aiz tā kļūst ļoti karsts, bet paliek ciets.

HAZ veidojas tāpēc, ka siltumvadītspēja izraisa siltuma plūsmu uz āru no metināšanas baseina apkārtējā parastajā metālā. Šim siltumam ejot cauri metālam, vienlaikus veidojas dažādas temperatūras zonas. Katra temperatūras zona izraisa dažādas metalurģiskas reakcijas atkarībā no sakausējuma sastāva.

Termiskais cikls

Termiskajam ciklam HAZ ir četri kritiskie posmi:

Ātra uzsildīšana: Temperatūra dažu sekunžu laikā paaugstinās no apkārtējās vides līdz maksimālajam līmenim.

Maksimālās temperatūras plato: maksimālā temperatūra tiek uzturēta īslaicīgi. Jo tuvāk metinājuma vietai, jo augstāks ir maksimums.

Ātra dzesēšana: Siltums izkliedējas parastajā metālā un apkārtējā vidē.

Atkārtota ciklēšana (vairāku{0}}pāreju metināšanas šuves): katra nākamā metināšanas gājiens atkārtoti uzkarsē un{1}}pārveido iepriekšējo metinājumu HAZ.

Maksimālās temperatūras, laika pie temperatūras un dzesēšanas ātruma kombinācija nosaka iegūto mikrostruktūru HAZ - un līdz ar to tā mehāniskās un korozijas īpašības.

Bīstamība nerūsējošā tērauda un niķeļa sakausējumos: materiālu{0}}īpaši riski

Ne visi metāli reaģē uz HAZ siltumu vienādi. Nerūsējošais tērauds un niķeļa sakausējumi, kas tiek novērtēti ar to izturību pret koroziju un izturību pret augstu temperatūru, ir īpaši jutīgi pret HAZ-izraisītu degradāciju. Lūk, kāpēc.

Austenīta nerūsējošais tērauds

Austenīta kategorijasir pasaulē visplašāk izmantotais nerūsējošais tērauds. Tomēr tie ir ļoti jutīgi pret HAZ fenomenu, ko saucsensibilizācija. Ja austenīta tēraudu karsē līdz 425–870 grādu temperatūras diapazonam -, ko bieži sauc parsensibilizācijas diapazons- hroma karbīdi (Cr₂3C₆) izgulsnējas pie graudu robežām.

Šie hroma nokrišņi noārda blakus esošās aizsargājošā hroma satura zonas (zem kritiskā 10,5% sliekšņa), atstājot graudu robežas neaizsargātas pretstarpgranulārā korozija (IGC). Rezultāts ir materiāls, kas izskatās lieliski uz virsmas, bet var sadalīties gar graudu robežām, ja tiek pakļauts korozīvās vides iedarbībai.

Reālas-sekas pasaulē: 316 L nerūsējošā tērauda cauruļu metināšana ķīmiskajā rūpnīcā, ja šuve netiek pienācīgi pēc-apstrādāta, dažu mēnešu laikā pēc ekspluatācijas var attīstīties starpgranulu korozija gar HAZ, izraisot katastrofālas noplūdes.

Dupleksais nerūsējošais tērauds

Dupleksās pakāpesir izstrādāti tā, lai tiem būtu līdzsvarota 50/50 austenīta un ferīta mikrostruktūra. HAZ siltuma ievade var izjaukt šo līdzsvaru, izraisot pārmērīgu ferīta veidošanos vai kaitīgu intermetālisku fāžu izgulsnēšanos -, jo īpašisigmas fāze (σ)-, kas krasi samazina stingrību un izturību pret koroziju.

Niķeļa sakausējumi

Niķeļa sakausējumiir izstrādāti ekstrēmām vidēm - augstām temperatūrām, agresīvām ķīmiskām vielām un smagām mehāniskām slodzēm. HAZ galvenie riski ir:

Graudu augšana paaugstinātā temperatūrā, samazinot ražību un noguruma izturību.

Laves fāzes (Inconel 625) vai karbīda fāzes nogulsnēšanās pie graudu robežām, kas pasliktina elastību.

Sprieguma korozijas plaisāšanas (SCC) jutība, īpaši hlorīdu{0}}nestņu vidē.

1. tabula: HAZ temperatūras zonas un primārie riski pēc materiāliem

Maksimālās HAZ temperatūras atšķiras atkarībā no siltuma padeves, metināšanas procesa (TIG, MIG, SAW) un parasto metālu siltumvadītspējas. Dati atspoguļo tipiskus loka metināšanas procesu diapazonus.

Kāpēc HAZ ir svarīga:{0}}reāla ietekme uz pasauli

Nekontrolētas vai slikti pārvaldītas HAZ sekas sniedzas tālu ārpus metināšanas ceha grīdas. Tās izpaužas kā priekšlaicīga aprīkojuma kļūme, drošības incidenti, dārgi remontdarbi un neatbilstība-noteikumiem.

Ietekme uz izturību pret koroziju

Izturība pret koroziju parasti ir galvenais iemesls, kāpēc inženieri nosaka nerūsējošā tērauda vai niķeļa sakausējumus. HAZ-izraisīta sensibilizācija var par lielumu samazināt austenīta nerūsējošā tērauda efektīvo izturību pret koroziju. Agresīvā vidē -, piemēram, hlorīdos, skābēs vai augstas-temperatūras tvaikos -, šis samazinājums var izraisīt neveiksmi dažu nedēļu laikā, nevis paredzamo gadu desmitu laikā.

Ietekme uz mehāniskajām īpašībām

HAZ siltuma cikls maina galvenās mehāniskās īpašības. Dažās zonās cietība var palielināties (noteiktu pakāpju martensīta veidošanās dēļ), bet citās samazināties (nokrišņu-rūdīto sakausējumu pārmērīgas novecošanas dēļ). Stingrība - spēja absorbēt trieciena enerģiju - konsekventi samazinās vairumam sakausējumu HAZ.

2. tabula: mehānisko īpašību izmaiņas HAZ salīdzinājumā ar parasto metālu (austenīta SS - reprezentatīvie dati)

Lokalizētajās apakšzonās, kas atrodas blakus saplūšanas līnijai, var palielināties cietība. Datu diapazoni ir reprezentatīvi GTAW (TIG) metinātajam austenīta nerūsējošajam tēraudam pie standarta siltuma ievades.

Ietekme uz strukturālo integritāti

Strukturālos un{0}}spiedienu saturošos lietojumos HAZ degradācija var apdraudēt visa izgatavotā mezgla integritāti. Ūdeņraža -izraisīta plaisāšana (HIC), sprieguma korozijas plaisāšana (SCC) un noguruma plaisu sākšanās parasti rodas HAZ, jo tā ir mainīta mikrostruktūra un paaugstināts atlikušais spriegums.

Saskaņā ar nozares kļūmju analīzes datiem HAZ ir sākumpunkts aptuveni 30–40% no visiem nerūsējošā tērauda spiediena iekārtu kļūmēm, kas saistītas ar metināšanu.

Kā samazināt HAZ radītos bojājumus: pārbaudītas inženiertehniskās stratēģijas

Labā ziņa ir tā, ka HAZ efekti ir pārvaldāmi. Pareizi izstrādājot procesu, izvēloties materiālus un pēc-metināšanas šuves, inženieri var ievērojami ierobežot ar bīstamo vielu- saistīto degradāciju.

3. tabula. Bīstamības apdraudējuma mazināšanas stratēģijas nerūsējošajam tēraudam un niķeļa sakausējumiem

Efektivitātes vērtējumi ir balstīti uz nozares vienprātības datiem no ASME, AWS un EFC vadlīnijām. Faktiskie rezultāti ir atkarīgi no sakausējuma kategorijas, apkalpošanas vides un izpildes kvalitātes.

Pēc{0}}metināšanas termiskās apstrādes (PWHT) loma

Pēc-metināšanas termiskā apstrāde (PWHT) neapšaubāmi ir visefektīvākais līdzeklis HAZ īpašību atjaunošanai. Austenīta nerūsējošajiem tēraudiem, pilnsšķīduma atkausēšana1010–1120 grādi, kam seko ātra ūdens dzēšana, izšķīdina sensibilizējošos karbīdus un atjauno korozijizturīgo mikrostruktūru.

Niķeļa supersakausējumu PWHT protokoli ir specifiski sakausējumiem, un tos reglamentē tādi dokumenti kā ASME BPVC IX sadaļa un AWS D10.18. Pirms PWHT parametru noteikšanas vienmēr iepazīstieties ar materiāla -specifiskās metināšanas procedūras specifikāciju (WPS).

Zema siltuma padeves metināšana

Metināšanas inženieri var samazināt HAZ platumu un smagumu, samazinot siltuma padevi (džoulos/mm). Gāzes volframa loka metināšana (GTAW/TIG) ir ieteicama nerūsējošā tērauda un niķeļa sakausējumiem, jo ​​tā piedāvā precīzu loka kontroli un zemāku kopējo siltuma padevi salīdzinājumā ar tādiem procesiem kā iegremdētā loka metināšana (SAW).

Praktisks noteikums: samazinot siltuma padevi par 30%, HAZ platumu var samazināt par 20–40%, atkarībā no sakausējuma un savienojuma ģeometrijas.

Testēšana un standarti: kā tiek pārbaudīta HAZ kvalitāte

Nozare paļaujas uz standartizētiem testiem un kodiem, lai novērtētu un kvalificētu HAZ veiktspēju. Tālāk esošajā tabulā ir apkopoti visatbilstošākie standarti nerūsējošā tērauda un niķeļa sakausējuma izstrādājumiem.

4. tabula. Galvenie nozares standarti HAZ testēšanai un kvalifikācijai

Standarti tiek regulāri atjaunināti. Vienmēr atsaucieties uz pašreizējo izdevumu. Lai uzzinātu obligātās testēšanas prasības, skatiet sava projekta specifikāciju vai piemērojamo dizaina kodu.

Pielietojumi nozarē: kur HAZ kontrole ir kritiska

HAZ pārvaldība ir obligāts inženiertehniskais apsvērums vairākās nozarēs:

Jūras cauruļvadu metinātām šuvēm un spiedtvertņu izstrādājumiem ir jāatbilst NACE MR0175/ISO 15156 rūgtām pakalpojumu vidēm. HAZ cietības ierobežojumi (parasti ne vairāk kā 250 HV10) tiek stingri ievēroti, lai novērstu sulfīda spriegumu plaisāšanu (SSC).

Reaktora tvertnēm un siltummaiņiem, kas izgatavoti no 316L vai sakausējuma 20, ir nepieciešama sensibilizācijas pārbaude (ASTM A262), lai nodrošinātu HAZ izturību pret koroziju skābes ekspluatācijā.

Higiēnas vajadzībām ir nepieciešamas elektropulētas, bez defektiem{0}}metinātas šuves. BIDZ-izraisīts virsmas raupjums vai korozijas iedobumi var saturēt baktērijas un pārkāpt FDA/GMP standartus.

Turbīnu lāpstiņām un degšanas komponentiem, kas izgatavoti no niķeļa supersakausējumiem, ir nepieciešams rūpīgi kontrolēts HAZ, lai saglabātu šļūdes un noguruma īpašības darba temperatūrā, kas pārsniedz 800 grādus.

Hlorīdu{0}}bagātajā vidē ir nepieciešama HAZ izturība pret koroziju. Ir norādīts superdupleksais nerūsējošais tērauds (2507) un niķeļa sakausējumi ar obligātu punktveida korozijas testu atbilstoši ASTM G48.

HAZ apsvērumi nerūsējošā tērauda un niķeļa sakausējumu produktu izvēlē

Iegādājoties nerūsējošā tērauda vai niķeļa sakausējuma izstrādājumus metinātiem izstrādājumiem, pareizā sakausējuma norādīšana ir tikai puse no vienādojuma. Pircējiem un inženieriem jāapsver arī:

Pieprasot dzirnavu pārbaudes ziņojumus (MTR), kas apstiprina, ka oglekļa saturs ir - zemākas-oglekļa pakāpes (piemēram, 304L, 316L), pēc savas būtības ir mazāka jutība pret sensibilizāciju.

Norāda stabilizētas kategorijas (piemēram, 321, 347), kurās izmanto titānu vai niobiju, lai galvenokārt veidotu karbīdus un novērstu hroma samazināšanos HAZ.

Apliecinot, ka piegādātājs nodrošina sakausējuma{0}}specifiskas metināšanas vadlīnijas un var atbalstīt WPS izstrādi.

Uzstāt uz izsekojamības dokumentāciju, kas saista konkrētus karstumus/partijas ar metināšanas procedūru kvalifikāciju.

Ja HAZ izturība pret koroziju ir kritiska, apsveriet iespēju jaunināt no standarta 316 uz 316L vai norādīt zemu -oglekļa siltumu atbilstoši ASTM A240. Lai nodrošinātu vēl lielāku pārliecību, stabilizētais 321 vai augstais -molibdēns 317L nodrošina papildu drošības rezervi temperatūras diapazonos, kas ir pakļauti sensibilizācijai.

Secinājums

Karstuma ietekmētā zona ir neizbēgamas metināšanas sekas. Tas nav defekts pats par sevi, taču tā ir ievainojamības zona -, kas prasa rūpīgu inženiertehnisko uzmanību, apzinātu materiālu atlasi, disciplinētu procesa kontroli un pārbaudītu testēšanu.

Nerūsējošā tērauda un niķeļa sakausējumu lietojumos, kur izturība pret koroziju un mehāniskā integritāte ir pamatvērtības priekšlikumi, HAZ pārvaldības apgūšana nav-apspriežama. Inženieri, kas saprot HAZ, pieņem labākus dizaina lēmumus. Ražotāji, kas kontrolē HAZ, piegādā izcilus, uzticamākus produktus. Un pircēji, kuri nosaka HAZ prasības, aizsargā savus aktīvus un to rezultātu.

Pasaulē, kurā arvien vairāk tiek pārbaudīta materiālu veiktspēja un infrastruktūras uzticamība, karstuma ietekmētā zona ir maza zona ar ļoti lielām sekām.