Топлинна обработка на място на заварките на тръби от Hastelloy: Защо локалната следзаваръчна термообработка рядко е необходима и кога е задължителна

Топлинна обработка на място на заварките на тръби от Hastelloy: Защо локалната следзаваръчна термообработка рядко е необходима и кога е задължителна

Ако сте работили с тръби от въглеродна стомана или нискоалоирана стомана, знаете, че по-заваръчната термична обработка (ПВТО) е рутинна процедура – тя отстранява остатъчните напрежения, отпуска твърдите микроструктури и предотвратява водородното пукане. Затова, когато преминете към хастелой (C‑276, C‑22, B‑3 и др.), може да предположите, че ПВТО е също толкова важна. Това не е вярно.

Всъщност локалната ПВТО на заварките на тръби от хастелой на място рядко е необходима – и ако се извърши неправилно, това всъщност може да повреди корозионната устойчивост на сплавта. Въпреки това има специфични, необичайни обстоятелства, при които термичната обработка след заваряване (PWHT) става задължителна. В тази статия се обяснява защо Hastelloy обикновено избягва PWHT, кога не можете да я избегнете и как да извършите правилно локална термична обработка на място.

Защо заварките от Hastelloy обикновено не изискват PWHT

В отличие от феритните и мартензитните стомани, никеловите сплави с твърд разтвор като Hastelloy C-276 не претърпяват фазов преход при охлаждане. Те нямат проблеми със закаляемостта и не са подложни на водородно индуцирано пукане (освен при много специфични кисели условия). По-важно е, че:

• Не се образува мартензит – Бързото охлаждане след заваряване не води до образуване на крехка, склонна към пукане структура.

• Висока пластичност в заварено състояние – Завареният метал и зоната, влияна от топлината (HAZ), при правилно извършено заваряване на C-276 имат удължение от 20–30%.

• Сенсибилизирането по отношение на карбиди не е същото – Докато неръждаемата стомана от серия 300 изисква термична обработка след заваряване (PWHT), за да се избегне образуването на хромови карбиди, Hastelloy C‑276 има ниско съдържание на въглерод (≤0,01 %) и образува карбиди, които са по-малко вредни. Неговата чувствителност (образуване на мю-фаза) настъпва при температури от 600–1000 °C, но PWHT би изисквало повторно нагряване в този интервал – което именно трябва да се избягва.

Важно: Провеждането на PWHT за отстраняване на остатъчните напрежения върху C‑276 при 500–700 °C всъщност би причини ускорило образуването на мю-фаза и намалило корозионната устойчивост. Сплавта е проектирана да се използва в състояние след разтворно отжигане или в състояние „след заваряване“.

Приемане според нормативните стандарти на Hastelloy в състояние „след заваряване“

• ASME B31.3 (Технологични тръбопроводи) – В таблица 331.1.1 са изброени материали, които изискват PWHT в зависимост от дебелината и груповия номер. Hastelloy C‑276 (група 45) няма задължително изискване за PWHT независимо от дебелината на стената, освен ако условията на експлоатация (напр. смъртоносна среда) или собственикът не предпишат друго.

• ASME Раздел VIII, част 1 – Няма задължителна термична обработка след заваряване (PWHT) за аустенитни и никелови сплави (UHA‑34). Въпреки това, ако материала е бил подложен на студено деформиране по време на производството, може да се изисква пълно разтворно отжигане, за да се възстановят свойствата му.

Кога е действително задължителна термичната обработка след заваряване (PWHT) или разтворното отжигане?

Има пет сценария, при които термичната обработка на заварките на тръби от Хастелои става задължителна. Обърнете внимание, че повечето от тях изискват пълно разтворно отжигане , а не просто отстраняване на остатъчните напрежения.

1. Силно студено формоване (огъване, разширяване) без последващо отжигане

Ако тръба от Хастелои е огъната студено с малък радиус (деформация > 10–15 %), областта, подложена на студено деформиране, може да има намалена пластичност и повишена твърдост. Според нормативните документи може да се изисква пълно разтворно отжигане след студеното формоване.

Пример: ASME B31.3, параграф 332.2.2 посочва, че при студени деформации над 5 % за никелови сплави може да се изисква термична обработка за възстановяване на свойствата. За Хастелои – разтворно отжигане при 1120–1180 °C със студено гасене във вода.

2. Служебно използване в смъртоносна среда или при тежки циклични натоварвания

Някои спецификации на собствениците изискват термична обработка след заваряване (PWHT) за всички заваръчни шевове на съдове под налягане и тръбопроводи, независимо от материала, когато течността е смъртоносна (напр. фосген, HF). В тези случаи целта е да се елиминират остатъчните опънни напрежения, които биха могли да допринесат за корозия под напрежение (SCC). Въпреки че хастелой е изключително устойчив към SCC, собствениците все пак могат да наложат PWHT за отстраняване на напреженията, но това е рядко и изисква квалификация.

3. Заварки между различни метали (хастелой към въглеродна стомана)

При заваряване на хастелой към въглеродна стомана с никелова присадна жица (напр. ERNiCrMo‑4) зоната, влияна от топлината, от страна на въглеродната стомана, може да стане твърда и податлива на водородно пукане. Термичната обработка след заваряване (PWHT) на въглеродната стомана (обикновено при 620–650 °C) е задължителна, ако дебелината на стоманата надвишава граничните стойности по кодовете. Обаче тази температура попада в опасния диапазон за хастелой (издържане на образуване на мю-фаза). Решението е да се приложи локализирана PWHT който загрява само страната от въглеродна стомана, като поддържа температурата на хастелоя под 400 °C – трудна, но възможна техника.

4. Някои сплави от семейството Hastelloy – B‑3 и B‑2

Hastelloy B‑3 (UNS N10675) е никел-молибденова сплав за редуциращи киселини. Тя е по-склонна към карбидно изтъкване и междукристална корозия в сравнение с C‑276. За B‑3 производителят (Haynes International) препоръчва разтворно отжигане след заваряване за максимална корозионна устойчивост, особено при тежки химически условия. Полевата термична обработка след заваряване (PWHT) на B‑3 рядко е практически осъществима, затова повечето заварявания с B‑3 се извършват в цехове, където е възможно пълното отжигане в пещ.

5. Приоритет на нормативния документ или клиентската спецификация

Понякога инженер или клиент изисква термична обработка след заваряване (PWHT) за всички заварки от „високоалоирани“ или „никелови сплави“ като излишна предпазна мярка. Ако това е посочено в спецификацията на вашия проект, трябва да го спазвате – но трябва да възразите с техническо обоснование. Ако PWHT е неизбежна, трябва да се приложи квалифицирана процедура, която избягва сенсибилизирането (виж следващия раздел).

Опасността от конвенционална PWHT върху Hastelloy

Неподходяща за повечето марки Hastelloy. шкодливи ефектите:

Основен извод: Ако приложите издръжка при 620 °C към заваръчен шев от Hastelloy C‑276, ще намалите неговата устойчивост към точкова корозия от PREN ~60 до PREN ~30 – което прави материала не по-добър от неръждаемата стомана 316L.

Правилно извършване на локална термична обработка след заваряване – рядък случай

Ако трябва да извършите термична обработка след заваряване (например при заварка на различни метали или по искане на собственика), следвайте тези строги насоки, за да избегнете повреждане на Hastelloy.

Стъпка 1 – Определете необходимата температура за термична обработка след заваряване

• За само отстраняване на напрежението (без пълно отжигане за отстраняване на напрежението) – Поддържайте температурата под 400 °C . Това няма никакъв ефект върху остатъчното напрежение, но също така не предизвиква вредно изпадане. Някои нормативни документи приемат това като „отстраняване на напрежението при ниска температура“.

• За пълно разтворно отжигане – Нагрейте до 1120–1180 °C, издържайте по 1 час на всеки 25 mm дебелина, след което извършете гасене с вода. Това рядко е възможно на място поради необходимостта от пещ или голям индукционен калъп с възможност за гасене.

За разнородни заварки (Хастелой към въглеродна стомана), въглеродната стомана изисква температура от 620–650 °C. Трябва да защитите Хастелоя чрез:

• Използването на градиентна зона – нагряване само на страната на стоманата и одновременно охлаждане на страната на Хастелоя с вода или компресиран въздух.

• Поддържайте температурата на Хастелоя винаги под 400 °C.

• Мониторинг с поне четири термодвойки (по две от всяка страна на заварката).

Стъпка 2 – Използване на подходящо оборудване за загряване и охлаждане

• Отопяване: Индукционното загряване осигурява прецизен, локализиран контрол. Резистентното загряване (керамични подложки) също е приемливо, стига да можете да поддържате температурните градиенти.

• Охлаждане: За разтворно отжигане е необходимо водно гасене – което е невъзможно при повечето полеви заварки. За отстраняване на напреженията при температури под 400 °C е достатъчно въздушно охлаждане.

Стъпка 3 – Квалификация чрез корозионни изпитвания

Преди извършване на полево ПЗО върху производствена заварка, процедурата трябва да бъде квалифицирана върху пробен образец. Проведете ASTM G28, метод А (изпитване с разтвор на желязен сулфат и сярна киселина) върху заварения и ПЗО-обработения образец. Критерий за приемане: скорост на корозия ≤ 0,5 мм/година. Ако ПЗО-обработеният образец не издържи изпитването, тази процедура не може да се използва.

Стъпка 4 – Документиране на всичко

Запишете диаграми „време–температура“, местоположенията на термодвойките, метода на охлаждане и резултатите от корозионните изпитвания. Това документиране е задължително за съответствие с нормативните изисквания.

Практически насоки: Кога да откажете ПЗО

Ако клиент или инспектор поиска термична обработка след заваряване (PWHT) на заваръчен шев на тръба от сплав Hastelloy C‑276, задайте следните въпроси:

1. Коя е конкретната разпоредба от нормативния документ, която изисква PWHT? (ASME B31.3 не я изисква. Също така ASME Раздел VIII не я изисква за никелови сплави с твърда разтворимост.)

2. Каква е целта на тази термична обработка? (Отстраняване на остатъчни напрежения? Hastelloy е изключително устойчив на корозия под напрежение (SCC). Възникване на пукнатини поради водород? Това не представлява риск при заваряване с нисководородни електроди.)

3. Дали сте осведомени, че конвенционалното отстраняване на напрежения (при 600 °C) ще доведе до образуване на мю-фаза и ще унищожи корозионната устойчивост?

4. Ще приеме ли клиентът отстраняване на напрежения при ниска температура (<400 °C), което няма полза, или пълно разтворно отжигане (≥1120 °C) с гасене във вода – което е непрактично при изпълнение на място?

В почти всички случаи правилният отговор е: PWHT не е задължителна. Използвайте квалифицираната технологична карта за заваряване в състоянието „както е заварено“.

Таблица: Изисквания за термична обработка на често срещани марки Hastelloy

Резюме: Дървовиден поток на решенията за термична обработка на място

Старт: Сварка на тръби от Hastelloy на място.

Въпрос 1: Услугата е ли смъртоносна, с тежки циклични натоварвания или изискванията на собственика предвиждат термична обработка след сварка (PWHT)?

• Не → Продължете със свареното съединение без допълнителна обработка. Завършено.

• Да → Преминете към Въпрос 2.

Въпрос 2: Практично ли е пълното разтворно отжигане (≥1120°C + гасене с вода) на място?

• Да (напр. преносима индукционна пещ с пръстен за гасене) → Изпълнете квалифицирано разтворно отжигане. Изпитайте според ASTM G28.

• Не → Проведете преговори със собственика, за да приеме свареното съединение без допълнителна обработка или ниско-температурно „отпускане на напреженията“ (<400°C), като се има предвид, че това не осигурява никаква полза.

Въпрос 3: Сварката ли е нехомогенно метално съединение (Hastelloy към въглеродна стомана), при което страната от стоманата изисква термична обработка след сварка (PWHT)?

• Да → Използвайте стъпаловидно нагряване, за да поддържате температурата на Hastelloy под 400°C, докато нагрявате стоманата до 620–650°C. Квалифицирайте процеса с термопари.

• Не → Върнете се към състоянието след заваряване.

Последно слово

Заварките на тръби от сплав Хастелой са сред най-търпимите в отрасъла – те не изискват термична обработка след заваряване (PWHT) за отстраняване на остатъчните напрежения, а всъщност традиционната PWHT при 600–900 °C унищожава корозионната им стойност. Единствената правилна термична обработка за тази група сплави е пълно разтворно отжигане при температура над 1100 °C, последвано от бързо гасене, което рядко е осъществимо на място.

Ако ви поискат да извършите PWHT върху Хастелой C‑276 или C‑22, вежливо, но твърдо оспорете това изискване. Предоставете техническите доказателства. В редки случаи, когато термичната обработка е неизбежна (сплав B‑3, значителна студена деформация или задължение от страна на собственика), валидирайте процедурата чрез изпитания за корозионна стойност и прилагайте строг контрол върху температурата, за да се избегне опасният интервал на изтърпяване.