Kas yra HAZ (šilumos paveikta zona) ir kodėl tai svarbu

 Įvadas

Kiekvieną kartą suvirinant metalą, šiluma, reikalinga dviem detalėms sujungti, taip pat keičia suvirintą siūlę supantį metalą -, dažnai plika akimi nematomais būdais. Ta pakeista zona vadinamaŠilumos paveikta zona (HAZ). HAZ supratimas nėra tik akademinis užsiėmimas; tai praktiška būtinybė bet kuriam inžinieriui, gamintojui ar pirkėjui, kuris reikalauja ilgalaikio ir patikimo nerūdijančio plieno ir nikelio lydinio komponentų veikimo.

Nesvarbu, ar projektuojate slėginius indus naftos ir dujų sektoriui, gaminate farmacinius{0}}vamzdynus, ar tiesiog bandote suprasti, kodėl suvirinimo jungtis nepavyko, HAZ beveik visada yra istorijos dalis.

Pagrindinė įžvalga: karščio paveikta zona netirpsta. Tai yra plotas, esantis šalia suvirinimo siūlės, kurį visam laikui keičia šiluma nepasiekus lydymosi temperatūros. Šie subtilūs mikrostruktūriniai pokyčiai gali smarkiai sumažinti atsparumą korozijai, kietumą ir mechaninį stiprumą.

Kas yra karščio paveikta zona (HAZ)?

Apibrėžimas:Šilumos paveikta zona (HAZ) – tai netauriojo metalo sritis, esanti šalia suvirinimo siūlės, kuri neišsilydo, bet patyrė mikrostruktūrinių pakitimų dėl suvirinimo proceso metu susidarančios šilumos. Šie pokyčiai atsiranda dėl to, kad metalas patiria greitą ir nekontroliuojamą šiluminį ciklą - kaitinimą, po kurio greitai atšaldomas -, todėl keičiasi jo grūdelių struktūra, fazių sudėtis ir cheminis pasiskirstymas.

Skirtingai nuo suvirinimo metalo (sritis, kuri iš tikrųjų išsilydė ir{0}}sukietėjo), HAZ išlieka kieta viso proceso metu. Tačiau šioje zonoje - pasiekiama temperatūra, kuri gali svyruoti nuo maždaug 200 laipsnių iki šiek tiek žemiau lydymosi temperatūros -, yra pakankama įvairiems metalurginiams virsmams sukelti.

Trys skirtingos suvirinimo zonos

Bet kurią suvirintą jungtį iš tikrųjų sudaro trys zonos, kurių kiekviena turi skirtingas charakteristikas:

Suvirinimo metalas (WM): sritis, kuri išsilydo ir{0}}sukietėjo. Jo mikrostruktūra panaši į liejimą{2}} ir pirmiausia priklauso nuo užpildo medžiagos sudėties.

Šilumos paveikta zona (HAZ): vientisas plotas, esantis šalia suvirinimo siūlės, kuri patyrė šilumos ciklą. Mikrostruktūra pakitusi, bet neištirpusi. Tai metalurgiškai sudėtingiausia ir dažnai silpniausia grandis.

Netaurieji metalai (BM): nepaveikta pradinė medžiaga toli nuo suvirinimo siūlės, išlaikanti savo pirminę mikrostruktūrą ir savybes.

Kaip susidaro HAZ?

Įsivaizduokite, kad šalia karštos keptuvės padedate ledo kubelį. Arčiausiai keptuvės esantis ledas pirmiausia ištirpsta, o toliau esantis ledas tik suminkštėja. Metalas panašiai elgiasi ir suvirinant - arčiausiai lanko esantis metalas išsilydo, o už jo esantis metalas labai įkaista, bet išlieka kietas.

HAZ susidaro, nes dėl šilumos laidumo šiluma teka iš suvirinimo baseino į aplinkinį netauriųjų metalų. Šiai šilumai keliaujant per metalą, vienu metu susidaro skirtingos temperatūros zonos. Kiekviena temperatūros zona sukelia skirtingas metalurgines reakcijas, priklausomai nuo lydinio sudėties.

Šiluminis ciklas

Terminis ciklas HAZ turi keturis kritinius etapus:

Greitas šildymas: temperatūra pakyla per kelias sekundes nuo aplinkos iki didžiausio lygio.

Aukščiausios temperatūros plynaukštė: maksimali temperatūra palaikoma trumpai. Kuo arčiau suvirinimo siūlės, tuo aukštesnė smailė.

Greitas aušinimas: šiluma pasklinda į pagrindinį metalą ir aplinką.

Pakartotinis ciklas (daug{0}}suvirinimo siūlės): kiekvienas paskesnis suvirinimas įkaista ir iš naujo{1}}pakeičia ankstesnių ėjimų HAZ.

Didžiausios temperatūros, laiko esant temperatūrai ir aušinimo greičio derinys lemia HAZ - mikrostruktūrą, taigi ir jo mechanines bei korozines savybes.

HAZ nerūdijančio plieno ir nikelio lydiniuose: medžiagų{0}}specifinė rizika

Ne visi metalai į HAZ šilumą reaguoja vienodai. Nerūdijantis plienas ir nikelio lydiniai, vertinami dėl atsparumo korozijai ir atsparumo aukštai{1}}temperatūrai, yra ypač jautrūs HAZ-sukeltam skilimui. Štai kodėl.

Austenitinis nerūdijantis plienas

Austenitinės klasėsyra plačiausiai naudojamas nerūdijantis plienas pasaulyje. Tačiau jie yra labai jautrūs HAZ reiškiniui, vadinamamjautrinimas. Kai austenitinis plienas kaitinamas iki 425–870 laipsnių temperatūros diapazono - dažnai vadinamasjautrinimo diapazonas- chromo karbidai (Cr₂3C₆) nusėda ties grūdelių ribomis.

Šis chromo nusodinimas išeikvoja gretimas apsauginio chromo kiekio zonas (žemiau kritinės 10,5 % ribos), todėl grūdų ribos tampa pažeidžiamostarpgranulinė korozija (IGC). Rezultatas – medžiaga, kuri puikiai atrodo ant paviršiaus, bet gali suirti išilgai grūdelių ribų, kai yra veikiama korozinės aplinkos.

Tikrasis-pasekmės pasauliui: 316 l nerūdijančio plieno vamzdžio siūlė chemijos gamykloje, jei ji nėra tinkamai po-apdorota, per kelis mėnesius nuo eksploatacijos gali išsivystyti tarpkristalinė korozija išilgai HAZ ir sukelti katastrofiškų nuotėkių.

Dvipusis nerūdijantis plienas

Dvipusės klasėsyra suprojektuoti taip, kad būtų subalansuota 50/50 austenito ir ferito mikrostruktūra. HAZ šilumos patekimas gali sutrikdyti šią pusiausvyrą ir sukelti per didelį ferito susidarymą arba žalingų intermetalinių fazių nusodinimą -, ypačsigmos fazė (σ)-, kuris drastiškai sumažina kietumą ir atsparumą korozijai.

Nikelio lydiniai

Nikelio lydiniaiyra sukurti ekstremalioms aplinkoms - aukštai temperatūrai, agresyvioms cheminėms medžiagoms ir didelėms mechaninėms apkrovoms. HAZ pagrindinė rizika yra:

Grūdų augimas aukštesnėje temperatūroje, todėl sumažėja derlingumas ir atsparumas nuovargiui.

Laves fazės (inconel 625) arba karbido fazių nusodinimas ties grūdelių ribomis, pabloginantis plastiškumą.

Įtempių korozijos įtrūkimų (SCC) jautrumas, ypač chloro{0}}guolio aplinkoje.

1 lentelė: HAZ temperatūros zonos ir pirminė rizika pagal medžiagas

Didžiausios HAZ temperatūros skiriasi priklausomai nuo šilumos įėjimo, suvirinimo proceso (TIG, MIG, SAW) ir netauriųjų metalų šilumos laidumo. Duomenys rodo tipinius lankinio suvirinimo procesų diapazonus.

Kodėl HAZ svarbu: tikrasis{0}}pasaulio poveikis

Nekontroliuojamo ar blogai valdomo HAZ pasekmės yra toli už suvirinimo cecho grindų. Jie pasireiškia kaip ankstyvas įrangos gedimas, saugos incidentai, brangus remontas ir teisės aktų nesilaikymas-.

Poveikis atsparumui korozijai

Atsparumas korozijai paprastai yra pagrindinė priežastis, dėl kurios inžinieriai nurodo nerūdijantį plieną arba nikelio lydinius. HAZ-sukeltas jautrinimas gali tam tikra tvarka sumažinti efektyvų austenitinio nerūdijančio plieno atsparumą korozijai. Agresyviose terpėse -, pvz., chloriduose, rūgštyse ar aukštos{4}}temperatūros garuose -, šis sumažinimas gali sugesti per kelias savaites, o ne per dešimtmečius.

Poveikis mechaninėms savybėms

HAZ šilumos ciklas keičia pagrindines mechanines savybes. Kai kuriose zonose kietumas gali padidėti (dėl martensito susidarymo tam tikrose klasėse), o kitose – sumažėti (dėl per-kritulių senėjimo-sukietėjusių lydinių). Tvirtumas - gebėjimas sugerti smūgio energiją - nuolat mažėja daugumos lydinių HAZ.

2 lentelė: HAZ ir netauriųjų metalų mechaninių savybių pokyčiai (austenitiniai SS - tipiniai duomenys)

Kietumas gali padidėti lokalizuotose po{0}}zonose, esančiose greta suliejimo linijos. Duomenų diapazonai reprezentuoja GTAW (TIG) suvirintą austenitinį nerūdijantį plieną esant standartiniams šilumos įvadams.

Poveikis struktūriniam vientisumui

Taikant konstrukciją ir{0}}slėgį, HAZ degradacija gali pakenkti viso pagaminto mazgo vientisumui. Vandenilio -sukeltas įtrūkimas (HIC), įtempių korozijos įtrūkimas (SCC) ir nuovargio įtrūkimų atsiradimas dažniausiai atsiranda HAZ dėl pakitusios mikrostruktūros ir padidėjusių liekamųjų įtempių.

Remiantis pramonės gedimų analizės duomenimis, HAZ yra maždaug 30–40 % visų suvirinimu susijusių nerūdijančio plieno slėginės įrangos gedimų pradžios vieta.

Kaip sumažinti HAZ žalą: patikrintos inžinerinės strategijos

Geros naujienos yra tai, kad HAZ efektus galima valdyti. Tinkamai suprojektuodami procesą, parinkdami medžiagas ir po{1}}suvirinimo siūlės, inžinieriai gali žymiai apriboti su HAZ-susijusią degradaciją.

3 lentelė. Nerūdijančio plieno ir nikelio lydinių PVA mažinimo strategijos

Efektyvumo įvertinimai pagrįsti pramonės konsensuso duomenimis iš ASME, AWS ir EFC gairių. Tikrieji rezultatai priklauso nuo lydinio klasės, aptarnavimo aplinkos ir vykdymo kokybės.

Po{0}}suvirinimo terminio apdorojimo (PWHT) vaidmuo

Po-suvirinimo terminis apdorojimas (PWHT) yra neabejotinai efektyviausia priemonė HAZ savybėms atkurti. Austenitiniam nerūdijančiam plienui, pilnastirpalo atkaitinimas1 010–1 120 laipsnių temperatūroje, po kurio greitai gesinama vandeniu, ištirpsta jautrinantys karbidai ir atkuriama korozijai atspari mikrostruktūra.

Nikelio superlydiniams PWHT protokolai yra būdingi lydiniams{0}} ir juos reglamentuoja tokie dokumentai kaip ASME BPVC IX skyrius ir AWS D10.18. Prieš apibrėždami PWHT parametrus, visada perskaitykite medžiagai -specifinės suvirinimo procedūros specifikaciją (WPS).

Suvirinimas mažu šilumos kiekiu

Suvirinimo inžinieriai gali sumažinti HAZ plotį ir sunkumą, sumažindami šilumos kiekį (džauliais/mm). Suvirinimas dujomis volframo lankiniu būdu (GTAW/TIG) yra pageidautinas nerūdijančiam plienui ir nikelio lydiniams, nes jis užtikrina tikslų lanko valdymą ir mažesnį bendrą šilumos suvartojimą, palyginti su tokiais procesais kaip suvirinimas povandeniniu lanku (SAW).

Praktinė taisyklė: sumažinus šilumos kiekį 30%, HAZ plotis gali sumažėti 20–40%, priklausomai nuo lydinio ir jungties geometrijos.

Testavimas ir standartai: kaip tikrinama HAZ kokybė

Pramonė remiasi standartizuotais bandymais ir kodais, kad įvertintų ir įvertintų HAZ veikimą. Žemiau esančioje lentelėje apibendrinami svarbiausi nerūdijančio plieno ir nikelio lydinių gaminių standartai.

4 lentelė. Pagrindiniai HAZ testavimo ir kvalifikacijos pramonės standartai

Standartai reguliariai atnaujinami. Visada nurodykite dabartinį leidimą. Norėdami sužinoti privalomus bandymo reikalavimus, žiūrėkite savo projekto specifikaciją arba taikomą projekto kodą.

Pramonės taikymas: kur HAZ valdymas yra labai svarbus

HAZ valdymas yra privalomas inžinerinis aspektas keliose pramonės šakose:

Vamzdynų suvirinimo siūlės ir slėginių indų gaminiai turi atitikti NACE MR0175/ISO 15156, taikomą rūgščioms paslaugų aplinkoms. HAZ kietumo ribos (paprastai ne daugiau kaip 250 HV10) yra griežtai taikomos, kad būtų išvengta sulfido įtempių įtrūkimų (SSC).

Reaktoriaus indams ir šilumokaičiams, pagamintiems iš 316 l arba lydinio 20, reikia atlikti jautrumo bandymą (ASTM A262), kad būtų užtikrintas atsparumas HAZ korozijai naudojant rūgštį.

Higieninėms reikmėms reikalingos elektropoliruotos,{0}}be defektų suvirinimo siūlės. HAZ-sukeltas paviršiaus šiurkštumas arba korozijos įdubimai gali turėti bakterijų ir pažeisti FDA/GMP standartus.

Turbinų mentėms ir degimo komponentams, pagamintiems iš nikelio superlydinių, reikalingas kruopščiai kontroliuojamas HAZ, kad būtų išlaikytos valkšnumo ir nuovargio savybės, kai darbinė temperatūra viršija 800 laipsnių.

Chloro{0}}turtinga aplinka reikalauja HAZ atsparumo korozijai. Nurodytas super dvipusis nerūdijantis plienas (2507) ir nikelio lydiniai su privalomu taškinės korozijos bandymu pagal ASTM G48.

HAZ svarstymai renkantis nerūdijančio plieno ir nikelio lydinio gaminius

Perkant nerūdijančio plieno arba nikelio lydinio gaminius, skirtus suvirinti gaminiams, tinkamo lydinio nurodymas yra tik pusė lygties. Pirkėjai ir inžinieriai taip pat turėtų atsižvelgti į:

Malūnų bandymų ataskaitų (MTR), kurios patvirtina, kad anglies kiekis yra - žemesnės-anglies klasės (pvz., 304 l, 316 l), prašymas yra mažiau jautrus jautrumui.

Nurodomos stabilizuotos rūšys (pvz., 321, 347), kuriose naudojamas titanas arba niobis, kad būtų sudaryti karbidai ir išvengta chromo išeikvojimo HAZ.

Patvirtinama, kad tiekėjas pateikia konkrečias lydinio -suvirinimo gaires ir gali palaikyti WPS kūrimą.

Reikalaujama atsekamumo dokumentų, kurie susieja konkrečius karščius / kiekius su suvirinimo procedūrų kvalifikacija.

Kai HAZ atsparumas korozijai yra labai svarbus, apsvarstykite galimybę atnaujinti standartinį 316 į 316 l arba nurodyti mažą -anglies šilumą pagal ASTM A240. Siekiant dar didesnio užtikrinimo, stabilizuotas 321 arba didelio{5}}molibdeno 317L suteikia papildomą saugos ribą jautrumo{7}}temperatūrų diapazonuose.

Išvada

Šilumos paveikta zona yra neišvengiama suvirinimo pasekmė. Tai nėra pats trūkumas, tačiau tai yra pažeidžiamumo - zona, kuriai reikalingas kruopštus inžinerinis dėmesys, pagrįstos medžiagos parinkimas, disciplinuota proceso kontrolė ir patikrintas bandymas.

Nerūdijančio plieno ir nikelio lydinių atveju, kai atsparumas korozijai ir mechaninis vientisumas yra pagrindiniai vertybiniai pasiūlymai, HAZ valdymo įvaldyti negalima-sutarti. Inžinieriai, kurie supranta HAZ, priima geresnius dizaino sprendimus. Gamintojai, kurie kontroliuoja HAZ, pristato geresnius, patikimesnius gaminius. O pirkėjai, kurie nurodo HAZ reikalavimus, saugo savo turtą ir savo esmę.

Pasaulyje, kuriame medžiagų našumas ir infrastruktūros patikimumas yra vis labiau tikrinami, karščio paveikta zona yra maža zona, turinti labai didelių pasekmių.