Технические новинки Vol.25

Vol.25: Сварочные материалы серии B91 для сталей марки 91

1.Предисловие

Самая большая проблема тепловой энергетики - это сокращение эмиссий углекислого газа. При этом самый лучший способ ее решения заключается в том, чтобы повысить эффективность выработки электроэнергии, а это требует подачи высокотемпературного пара и давления в электротурбины. На Иллюстрации 1 показаны тенденции изменения параметров пара (температуры и давления) на ТЭС в Японии в течение нескольких десятков лет.

Следовательно, для ТЭС требуются особые стали, которые можно эксплуатировать в течение долгого времени в условиях высоких температур и давления, такие, как жаропрочная ферритная высокохромистая сталь с содержанием хрома (Cr) в 9-12%. Сталь марки 91 (Gr. 91) - это основной тип ферритной высокохромистой стали, используемой в бойлерах тепловых электростанций по всему миру. Компания KOBE STEEL, LTD. (KSL) разработала и представила на рынке сварочные материалы серии 9Cb и B9 для сталей марки 91, получившие высокую оценку многих производителей бойлеров в стране и за рубежом.

С другой стороны, общее содержание марганца и никеля (Mn+Ni) в ферритных высокохромистых сталях постепенно становилось предметом регулирования. В частности, такие международные органы стандартизации, как ASME и AWS стали уделять большее внимание этому вопросу.

Сварочные материалы серии B91, разработанные с учетом этих требований, будут рассмотрены с позиции соответствия стандартам AWS.

2.Международные стандарты

В последние годы международные органы стандартизации постоянно модифицировали требования как к содержанию Mn+Ni, так и к температуре послесварочной тепловой обработки (PWHT).

В Таблицах 1 и 2 показаны тенденции стандартов ASME B31.1 и AWS B9/B91 соответственно.

Таблица 1: Тенденции стандарта ASME B31.1

Год	Общее содержание Mn+Ni (% массы)	Верхний предел температуры PWHT в реальном процессе (℃)		Справка (Год пересмотра)
		Рекомендуемое условие	Обязательное условие
2008 и ранее	Не регулируется	760	Основной металл Ac1: около 800	Таблица 132 P-No. 5B Группа No. 1→ Группа No. 2
2009-2013	Наплавной металл неизвестен	775	Ac1 основного металла: около 800	Таблица 132 P-No. 15E Группа No. 1 (2009)
	1,0 наплавной металл < 1,5	790
	Наплавной металл < 1,0	800
2014 и позже	Наплавной металл < 1,2	775	Ac1 основного металла: около 800 и A1 или A c1*2 наплавного металла	Таблица 132 P-No. 15E Группа No. 1 (2014)
	< 1.0 *1	ー		125.1.3 (2014) Для ремонта отливки

Примечание: *1 B9: SMAW, SAW, GTAW и FCAW
*2 A1 или Ac1 в наплавных металлах определятся либо путем анализа и расчетов, либо прямым замером

Таблица 2: Тенденция стандарта AWS B9/B91

Год	Верхний предел содержания Mn+Ni в наплавленном металле (% массы) *1	Верхний предел температуры PWHT, установленный для тестирования (℃)	Справка (Год пересмотра) *2
До 2004	Не регулируется *3	759 (SMAW) или 760	B9: SMAW, GMAW, GTAW (1996), SAW (1997)
2005-2010	1,5 или 1,50	775	B9: GMAW, GTAW(2005) SMAW (2006) SAW (2007) FCAW (2010)
С 2010	1.40	775	B9 удалено → B91 заново установлено B91: SAW (2011), FCAW (2012), SMAW (2014) *4

Примечание: *1) Химический состав проволоки или прутка при сварке GMAW и GTAW
*2) Нумерация Спецификаций AWS.: SMAW: A5.5; SAW: A5.23; GMAW & GTAW: A5.28; FCAW: A5.36
*3) Установленный высший предел общего содержания Mn и Ni - 2,25
*4) Пересмотр данных для процессов GMAW и GTAW обсуждается по состоянию на май 2018

Обе таблицы свидетельствуют о том, что верхний допустимый предел содержания Mn+Ni последовательно снижался в обоих стандартах. Это позволило при сварке сталей Gr. 91 смягчить в сторону повышения требования к верхнему пределу температуры послесварочной тепловой обработки PWHT, что очень важно для снижения остаточного напряжения после сварки. С оптимальной PWHT, сварочный металл Gr. 91 демонстрирует отпущенную мартенситную структуру, что дает отличную устойчивость к высоким температурам и прочность. Однако хорошо известно, что как только температура PWHT превышает точку перехода Ac1, новый мартенсит переходит обратно в аустенит, а во время охлаждения снова превращается в новый мартенсит, что приводит к снижению характеристик ползучести и прочности. Поэтому содержание Mn и Ni должно оставаться низким, так как эти элементы приводят к снижению точки перехода Ac1. (См. Илл. 2)

3.Химический состав и точка перехода Ac1 сварочных материалов серии B91

Хотя сварочные материалы серии 9Cb не в полной мере соответствуют спецификациям AWS, так как они спроектированы с относительно высоким содержанием Mn+Ni, они успешно применяются в Японии и за рубежом в проектах с относительно низкой температурой PWHT. Однако в тех случаях, когда соответствие спецификациям AWS обязательно, в частности, в зарубежных проектах, эти материалы не могут применяться.

Kobe Steel первой разработала и представила на рынке сварочные материалы серии B9, соответствующие стандартам AWS. Сварочные материалы серии B91 были разработаны позднее для того, чтобы соответствовать более строгим требованиям AWS 2012 от года, в особенности ужесточенным ограничениям на общее содержание Mn+Ni.

В Таблице 3 представлены типичные химические составы и точки перехода Ac1 наплавленных металлов, а в Таблице 4 - типичные механические свойства после тепловой послесварочной обработки PWHT для сварочных материалов серий 9Cb и B91. Очевидно, что сварочные материалы серии B91 разработаны для получения определенных механических свойств после обработки PWHТ, тогда как содержание Mn+Ni в них контролируется на уровне равном или меньшем 1,0%, что ниже показателя для материалов серии 9Cb. На Иллюстрации 2 показано взаимоотношение между содержанием Mn+Ni и реально замеренными точками перехода Ac1. Видно, что типичная точка перехода Ac1, замеренная для сварочных материалов серии B91, составляет 800 ℃ или выше. Таким образом очевидно, что могут применяться более высокие температуры PWHT.

Таблица 3: Типичные химические составы и Ac1сварочного металла

Процесс	Полярность	Сварочные материалы	Химический состав сварочного металла (% массы)											Ac1(℃)
			C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Nb	V	Co	N	Mn+Ni
SMAW	DCEP	CM-9Cb	0.05	0.26	1.38	0.97	9.21	1.10	0.02	0.21	-	0.04	2.35	733
SAW	AC	PF-200S/US-9Cb	0.07	0.13	1.55	0.67	8.54	0.89	0.04	0.22	-	0.03	2.22	750
GTAW	DCEN	TG-S9Cb (100%Ar)	0.07	0.18	1.01	0.69	8.63	0.91	0.04	0.18	-	0.02	1.70	765
GMAW	DCEP	MG-S9Cb (Ar-20%CO2)	0.08	0.27	1.29	0.38	8.86	0.98	0.03	0.19	-	0.02	1.67	-
SMAW	DCEP	CM-95B91	0.09	0.23	0.71	0.10	8.40	0.99	0.06	0.21	0.42	0.03	0.81	809
SAW	AC	PF-200S/US-90B91	0.09	0.29	0.74	0.16	8.64	1.03	0.04	0.20	0.40	0.04	0.90	808
GTAW	DCEN	TG-S90B91 (100%Ar)	0.09	0.27	0.73	0.11	8.61	1.02	0.06	0.19	0.40	0.03	0.84	820
GMAW	DCEP	MG-S90B91 (Ar-5%CO2)	0.12	0.24	0.64	0.15	8.47	0.98	0.05	0.18	0.41	0.04	0.79	813

Таблица 4: Типичные механические свойства сварочных материалов серии 9Cb и B91 после PWHT

Процесс	Полярность	Торговая марка	Условия PWHT	0.2%OS(MPa)	TS(MPa)	vE+20℃(J)
SMAW	DCEP	CM-9Cb	750℃x5h	593	756	129
SAW	AC	PF-200S /US-9Cb	740℃x8h	584	709	95
GTAW	DCEN	TG-S9Cb (100%Ar)	740℃x8h	701	777	> 260
GMAW	DCEP	MG-S9Cb (Ar-20%CO2)	740℃x8h	568	698	120

Процесс	Полярность	Торговая марка	Условия PWHT	0.2%OS(MPa)	TS(MPa)	vE+20℃(J)
SMAW	DCEP	CM-95B91	760℃x2h	593	730	70
SAW	AC	PF-200S /US-90B91	760℃x4h	578	719	62
GTAW	DCEN	TG-S90B91 (100%Ar)	763℃x4h	579	713	216
GMAW	DCEP	MG-S90B91 (Ar-5%CO2)	760℃x8h	529	689	74

Еще одна особенность сварочных материалов серии B91 - добавление в них кобальта (Co). Как видно из Иллюстрации 2, существует тенденция к снижению точки перехода Ac1 по мере увеличения содержания Mn+Ni. Хотя сварочные материалы серии B91 содержат кобальт, этот элемент, по всей вероятности, не оказывает влияния на точку перехода Ac1, ведь в сварочных материалах, не содержащих кобальта, точка перехода также снижается по мере повышения содержания Mn+Ni. Более того, кобальт добавляется из других соображений - для сдерживания формирования дельта-феррита. Помимо точки перехода Ac1 еще один важный фактор для сталей Gr. 91 - это формирование дельта-ферритной структуры. Поскольку желательно, чтобы в сварочном шве не было дельта-ферритной структуры и содержалось 100% мартенситной, Научно-исследовательский институт электроэнергии (EPRI) в своем докладе No. 1023199 "Нормы и требования для высоконадежных ТЭС" рекомендовал индекс баланса Cr-Ni (CNB) меньший чем 10%. Формула CNB следующая:

Хотя Mn и Ni известны как аустенитообразующие элементы, и формула CNB также показывает, что они могут предотвратить формирование дельта-феррита, избыточное содержание Mn и Ni не допускается спецификацией AWS и в связи с точкой перехода Ac1. По этой причине кобальт, еще один аустенитообразующий элемент, добавляется, чтобы сдержать формирование дельта-феррита без изменения точки перехода Ac1.

На Иллюстрации 3 показана микроструктура одного из сварочных материалов серии В91 - проволоки TRUSTARC™ CM-95B91 (AWS A5.5 E9015-B91). Легко распознается полностью отпущенная мартенситная структура.

4.Механические свойства сварочных материалов серии B91

На Иллюстрации 4 показано соотношение между прочностью на разрыв (TS), смещенным пределом текучести в 0,2% (0,2%OS) или условным пределом текучести в 0,2% (0,2%PS), а также параметром тепловой обработки, называемым параметром Ларсона-Миллера (L.M.P.), для проволоки CM-95B91, TRUSTARC™ TG-S90B91 (AWS A5.28 ER90S-B9) и TRUSTARC™ PF-200S/US-90B91 (AWS A5.23 F9PZ-EB91-B91).

Очевидно, что эти сварочные материалы в полной мере соответствуют требованиям к механическим свойствам сталей Gr. 91 (0,2% PS равно или больше 415MPa и TS равно или больше 585MPa) даже при L.M.P.=22,0 x 103 эквивалентном параметрам PWHT при 780℃ x 8 часов (т.е. при высокой температуре и продолжительном времени).

На Иллюстрации 5 показано соотношение между L.M.P. и ударной вязкостью при +20℃.

Тогда как ударная вязкость отличается для разных сварочных материалов, все материалы проявляют более высокую ударную вязкость при большем L.M.P. В случаях, когда L.M.P. превышает 21,0 x 103, полученные значения ударной вязкости достаточны для практического применения.

На Иллюстрации 6 показаны характеристики длительной прочности CM-95B91 и TG-S90B91.

Это подтверждает, что данные сварочные материалы обладают более высокими характеристиками длительной прочности по сравнению с материалами в стыковых соединениях (пунктирная линия) даже при температуре PWHT, достигающей 780℃. Проводятся испытания этих материалов на длительную прочность в условиях продолжительного времени и 600℃ x 100MPa. Так, испытания CM-95B91 и TG-S90B91 уже прошли 26.000 и 21.000 часов соответственно и до сих пор продолжаются.

5.Применимость сварочных материалов серии B91

Применимость сварочных материалов серии B91 также повысилась. Что касается покрытых электродов для сварки SMAW, обычно применяются сплавные сердечники для стабилизации качества легирующего элемента в сварочных швах высокохромистых ферритных сталей; однако при сварке часто наблюдается сгорание электрода, особенно при использовании постоянного тока (DC). Проволока CM-95B91 спроектирована для снижения сгорания электрода и может давать сварочное соединение даже при более широком спектре значений сварочного тока, чем обычная проволока TRUSTARC™ CM-9Cb.

Проблема, отличающая материалы для сварки SAW высокохромистых ферритных сталей, а именно, налипание сгоревшего шлака на поверхность сварного валика, также была отчасти решена. На Иллюстрации 7 показано сравнение внешнего вида сварных валиков, полученных при сварке SAW с применением проволоки B91 в сочетании с усовершенствованным флюсом и обычным флюсом. Видно, что налипание шлака на поверхность валика значительно меньше при применении усовершенствованного флюса SAW.

6.Замечания по применению

При том, что материалы серии B91 дают высокохромистые ферритные сварочные металлы с высокой степенью самозакаливания, по сравнению с хром-молибденовыми сталями 1,25Cr-0,5Mo и 2.25Cr-1M, их сварочные металлы в значительной мере подвержены задержанному растрескиванию. Поэтому очень важно строго контролировать ход сварочных процессов. Если температуры предварительного нагрева и межпроходные температуры контролируются должным образом, можно предотвратить образование задержанных трещин и получить прочный сварочный металл. В общем рекомендуются температуры предварительного нагрева и межпроходные температуры в 250-350℃.

Содержание примесей, таких как фосфор P и сера S в сварочных материалах серии B91 должно удерживаться на максимально низком уровне, чтобы предотвратить образование горячих трещин в процессе сварки.

Поскольку сварочные металлы, получаемые при использовании сварочных материалов серии B91, в большей степени подвержены горячему растрескиванию и отличаются большей областью сосуществования жидкой и твердой фаз по сравнению со сварочными металлами хром-молибденовых сталей 1,25Cr-0.5Mo и 2,25Cr-1Mo, их сварка не должна проводиться при избыточно высоком сварочном токе и скорости. Что касается условий PWHT, то они должны быть тщательно подобраны с учетом требований к прочности на разрыв и ударной вязкости, хотя материалы серии B91 и могут применяться при высоких температурах в 760-780℃.

7.Послесловие

Сварочные материалы серии B91 отличают три особенности. Первая - соответствие международным стандартам, в частности, ASME и AWS.

Вторая - возможность применения высоких температур послесварочной тепловой обработки PWHT благодаря высокой точке перехода Ac1. И третья особенность - то, что они спроектированы для обеспечения отличных характеристик длительной прочности даже при высоких температурах PWHT. В Таблице 5 приведено сравнение характеристик сварочных материалов серий B91 и 9Cb.

Таблица 5: Характеристики сварочных материалов серии B91 и 9Cb

	Серия B91	Серия 9Cb
Спецификация AWS	◎ (Mn+Ni 1.0%)	G grade (Mn+Ni>1.5%)
Рекомендуемая температура PWHT	760-780℃	740-760℃
Температура Ac1	Около 800℃	Около 740℃
Характеристики ползучести	◎	○

Примечание: ◎: отлично ○: хорошо

В будущем мы продолжим удовлетворять потребности пользователей в широком спектре товаров, сохраняя при этом высокую надежность нашей продукции и поддерживая свои передовые возможности в области разработки сварочных материалов.

[Справочная литература]
(1) Наплавные металлы из жаропрочной ферритной высокохромистой стали для бойлеров ТЭС: KOBELCO WELDING TODAY
(2) ASME B31.1: ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА ПОСЛЕ СВАРКИ, 132.1 (2014)
(3) ASME Секция II Часть C, SFA-5.5 (2015)
(4) ASME Секция II Часть C, SFA-5.23 (2015)
(5) ASME Секция II Часть C, SFA-5.28 (2015)
(6) ASME Секция II Часть C, SFA-5.36 (2015)
(7) EPRI 1023199: Нормы и требования для высоконадежных ТЭС (2011)