1. Descripción general del acero criogénico
1) Los requisitos técnicos para el acero a baja temperatura son generalmente: resistencia suficiente y tenacidad suficiente en un ambiente de baja temperatura, buen rendimiento de soldadura, rendimiento de procesamiento y resistencia a la corrosión, etc. Entre ellos, la tenacidad a baja temperatura, es decir, la capacidad prevenir la aparición y expansión de fracturas frágiles a baja temperatura es el factor más importante. Por lo tanto, los países suelen estipular un cierto valor de resistencia al impacto a la temperatura más baja.
2) Entre los componentes del acero a baja temperatura, generalmente se cree que elementos como el carbono, el silicio, el fósforo, el azufre y el nitrógeno deterioran la tenacidad a baja temperatura, y el fósforo es el más dañino, por lo que se debe evitar la desfosforización temprana a baja temperatura. realizado durante la fundición. Elementos como el manganeso y el níquel pueden mejorar la tenacidad a bajas temperaturas. Por cada aumento del 1% en el contenido de níquel, la temperatura de transición crítica frágil se puede reducir en aproximadamente 20°C.
3) El proceso de tratamiento térmico tiene una influencia decisiva en la estructura metalográfica y el tamaño de grano del acero a baja temperatura, lo que también afecta la tenacidad del acero a baja temperatura. Después del tratamiento de enfriamiento y revenido, la tenacidad a baja temperatura obviamente mejora.
4) Según los diferentes métodos de conformado en caliente, el acero a baja temperatura se puede dividir en acero fundido y acero laminado. Según la diferencia de composición y estructura metalográfica, el acero de baja temperatura se puede dividir en: acero de baja aleación, acero con 6% de níquel, acero con 9% de níquel, acero austenítico al cromo-manganeso o cromo-manganeso-níquel y acero inoxidable austenítico al cromo-níquel. esperar. El acero de baja aleación se utiliza generalmente en un rango de temperatura de aproximadamente -100 °C para la fabricación de equipos de refrigeración, equipos de transporte, salas de almacenamiento de vinilo y equipos petroquímicos. En los Estados Unidos, el Reino Unido, Japón y otros países, el acero con un 9% de níquel se utiliza ampliamente en estructuras de baja temperatura a 196 °C, como tanques de almacenamiento y transporte de biogás licuado y metano, equipos para almacenar oxígeno líquido. y fabricación de oxígeno líquido y nitrógeno líquido. El acero inoxidable austenítico es un muy buen material estructural de baja temperatura. Tiene buena tenacidad a bajas temperaturas, excelente rendimiento de soldadura y baja conductividad térmica. Se utiliza ampliamente en campos de baja temperatura, como camiones cisterna de transporte y tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Sin embargo, debido a que contiene más cromo y níquel, es más caro.
2. Descripción general de la construcción con soldadura de acero a baja temperatura.
Al seleccionar el método de construcción por soldadura y las condiciones de construcción del acero para bajas temperaturas, el problema se centra en los dos aspectos siguientes: prevenir el deterioro de la tenacidad a baja temperatura de la junta soldada y prevenir la aparición de grietas por soldadura.
1) procesamiento de bisel
La forma de ranura de las uniones soldadas de acero a baja temperatura no es diferente en principio de la del acero al carbono ordinario, el acero de baja aleación o el acero inoxidable, y puede tratarse como de costumbre. Pero para 9Ni Gang, el ángulo de apertura de la ranura es preferiblemente de al menos 70 grados, y el borde romo es preferiblemente de al menos 3 mm.
Todos los aceros de baja temperatura se pueden cortar con un soplete de oxiacetileno. Es solo que la velocidad de corte es ligeramente más lenta cuando se corta con gas acero 9Ni que cuando se corta con gas acero estructural al carbono ordinario. Si el espesor del acero supera los 100 mm, el filo se puede precalentar a 150-200 °C antes del corte con gas, pero no a más de 200 °C.
El corte con gas no tiene efectos adversos en las áreas afectadas por el calor de la soldadura. Sin embargo, debido a las propiedades de autoendurecimiento del acero que contiene níquel, la superficie cortada se endurecerá. Para garantizar el rendimiento satisfactorio de la junta soldada, es mejor utilizar una muela abrasiva para pulir la superficie de la superficie cortada antes de soldar.
Se puede utilizar el ranurado por arco si se va a eliminar el cordón de soldadura o el metal base durante la construcción de la soldadura. Sin embargo, aún se debe lijar la superficie de la muesca antes de volver a aplicarla.
No se debe utilizar el ranurado con llama de oxiacetileno debido al peligro de sobrecalentamiento del acero.
2) Selección del método de soldadura.
Los métodos de soldadura típicos disponibles para acero de baja temperatura incluyen soldadura por arco, soldadura por arco sumergido y soldadura por arco de argón con electrodo fundido.
La soldadura por arco es el método de soldadura más utilizado para acero de baja temperatura y se puede soldar en varias posiciones de soldadura. El aporte de calor de soldadura es de aproximadamente 18-30 KJ/cm. Si se utiliza un electrodo de tipo bajo en hidrógeno, se puede obtener una unión soldada completamente satisfactoria. No sólo las propiedades mecánicas son buenas, sino que la tenacidad a la entalla también es bastante buena. Además, la máquina de soldadura por arco es simple y económica, la inversión en equipo es pequeña y no se ve afectada por la posición ni la dirección. ventajas como limitaciones.
El aporte de calor de la soldadura por arco sumergido de acero a baja temperatura es de aproximadamente 10-22 KJ/cm. Debido a su equipo simple, alta eficiencia de soldadura y operación conveniente, se usa ampliamente. Sin embargo, debido al efecto de aislamiento térmico del fundente, la velocidad de enfriamiento se ralentizará, por lo que existe una mayor tendencia a generar grietas calientes. Además, a menudo pueden entrar impurezas y Si en el metal de soldadura desde el fundente, lo que fomentará aún más esta tendencia. Por lo tanto, cuando utilice soldadura por arco sumergido, preste atención a la selección del alambre y fundente de soldadura y opere con cuidado.
Las uniones soldadas mediante soldadura protegida con gas CO2 tienen baja tenacidad, por lo que no se utilizan en soldadura de acero a baja temperatura.
La soldadura por arco de tungsteno y argón (soldadura TIG) generalmente se realiza manualmente y su aporte de calor de soldadura está limitado a 9-15 KJ/cm. Por tanto, aunque las uniones soldadas tienen propiedades completamente satisfactorias, son completamente inadecuadas cuando el espesor del acero supera los 12 mm.
La soldadura MIG es el método de soldadura automático o semiautomático más utilizado en la soldadura de acero a baja temperatura. Su aporte de calor de soldadura es de 23-40 KJ/cm. Según el método de transferencia de gotas, se puede dividir en tres tipos: proceso de transferencia por cortocircuito (menor aporte de calor), proceso de transferencia por chorro (mayor aporte de calor) y proceso de transferencia por chorro pulsado (mayor aporte de calor). La soldadura MIG de transición de cortocircuito tiene el problema de una penetración insuficiente y puede producirse un defecto de fusión deficiente. Existen problemas similares con otros fundentes MIG, pero en diferente grado. Para hacer que el arco esté más concentrado y lograr una penetración satisfactoria, se puede infiltrar entre varios por ciento y decenas de por ciento de CO2 u O2 en argón puro como gas protector. Los porcentajes apropiados se determinarán mediante pruebas para el acero particular que se va a soldar.
3) Selección de materiales de soldadura.
Los materiales de soldadura (incluidas varillas de soldadura, alambres y fundentes de soldadura, etc.) generalmente deben basarse en el método de soldadura utilizado. Forma de la junta y forma de la ranura y otras características necesarias a elegir. Para el acero de baja temperatura, lo más importante a lo que se debe prestar atención es hacer que el metal de soldadura tenga suficiente tenacidad a baja temperatura para igualar al metal base y minimizar el contenido de hidrógeno difusible en él.
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(1) Acero desoxidado al aluminio.
El acero desoxidado con aluminio es un grado de acero muy sensible a la influencia de la velocidad de enfriamiento después de la soldadura. La mayoría de los electrodos utilizados en la soldadura por arco manual de acero desoxidado con aluminio son electrodos de Si-Mn con bajo contenido de hidrógeno o electrodos de 1,5% Ni y 2,0% Ni.
Para reducir el aporte de calor de soldadura, el acero desoxidado con aluminio generalmente solo adopta soldadura multicapa con electrodos delgados de ≤¢3~3,2 mm, de modo que el ciclo de calor secundario de la capa superior de soldadura se pueda utilizar para refinar los granos.
La resistencia al impacto del metal de soldadura soldado con un electrodo de la serie Si-Mn disminuirá drásticamente a 50 ℃ con el aumento del aporte de calor. Por ejemplo, cuando el aporte de calor aumenta de 18 KJ/cm a 30 KJ/cm, la tenacidad perderá más del 60%. Los electrodos de soldadura de las series 1,5% Ni y 2,5% Ni no son demasiado sensibles a esto, por lo que es mejor elegir este tipo de electrodo para soldar.
La soldadura por arco sumergido es un método de soldadura automática comúnmente utilizado para acero desoxidado con aluminio. El alambre de soldadura utilizado en la soldadura por arco sumergido es preferiblemente del tipo que contiene entre 1,5 y 3,5 % de níquel y entre 0,5 y 1,0 % de molibdeno.
Según la literatura, con alambre de soldadura con 2,5%Ni—0,8%Cr—0,5%Mo o 2%Ni, combinado con el fundente apropiado, el valor promedio de tenacidad Charpy del metal de soldadura a -55°C puede alcanzar 56-70J (5,7 ~7,1 kgf.m). Incluso cuando se utilizan alambre de soldadura con 0,5 % de Mo y fundente básico de aleación de manganeso, siempre que la entrada de calor se controle por debajo de 26 KJ/cm, todavía se puede producir metal de soldadura con ν∑-55=55J (5,6 kgf.m).
Al seleccionar el fundente, se debe prestar atención a la combinación de Si y Mn en el metal de soldadura. Prueba de prueba. Los diferentes contenidos de Si y Mn en el metal de soldadura cambiarán en gran medida el valor de tenacidad Charpy. Los contenidos de Si y Mn con el mejor valor de tenacidad son 0,1~0,2%Si y 0,7~1,1%Mn. Al seleccionar alambre para soldar, tenga en cuenta esto al soldar.
La soldadura por arco de tungsteno y argón y la soldadura por arco de metal y argón se utilizan menos en acero desoxidado con aluminio. Los alambres de soldadura anteriores para soldadura por arco sumergido también se pueden utilizar para soldadura por arco de argón.
(2) Acero 2,5Ni y 3,5Ni
La soldadura por arco sumergido o soldadura MIG de acero 2,5Ni y acero 3,5Ni generalmente se puede soldar con el mismo alambre de soldadura que el material base. Pero tal como muestra la fórmula de Wilkinson (5), el Mn es un elemento inhibidor del agrietamiento en caliente para aceros con bajo contenido de níquel y de baja temperatura. Mantener el contenido de manganeso en el metal de soldadura en aproximadamente 1,2% es muy beneficioso para prevenir grietas en caliente, como las grietas en forma de cráter de arco. Esto debe tenerse en cuenta al elegir la combinación de alambre de soldadura y fundente.
El acero 3.5Ni tiende a templarse y volverse quebradizo, por lo que después del tratamiento térmico posterior a la soldadura (por ejemplo, 620 °C × 1 hora y luego enfriamiento en horno) para eliminar la tensión residual, ν∑-100 caerá bruscamente de 3,8 kgf.m a 2,1 kgf.m ya no pueden cumplir los requisitos. El metal de soldadura formado mediante soldadura con alambre de soldadura de la serie 4,5% Ni-0,2% Mo tiene una tendencia mucho menor a la fragilización del temperamento. El uso de este alambre de soldadura puede evitar las dificultades anteriores.
(3) acero 9Ni
El acero 9Ni generalmente se trata térmicamente mediante enfriamiento y revenido o normalización y revenido dos veces para maximizar su tenacidad a baja temperatura. Pero el metal de soldadura de este acero no puede tratarse térmicamente como se indicó anteriormente. Por lo tanto, es difícil obtener un metal de soldadura con una tenacidad a baja temperatura comparable a la del metal base si se utilizan consumibles de soldadura a base de hierro. En la actualidad, se utilizan principalmente materiales de soldadura con alto contenido de níquel. Las soldaduras depositadas por dichos materiales de soldadura serán completamente austeníticas. Aunque tiene las desventajas de una menor resistencia que el material base de acero 9Ni y precios muy elevados, la fractura frágil ya no es un problema grave para él.
De lo anterior, se puede saber que debido a que el metal de soldadura es completamente austenítico, la tenacidad a baja temperatura del metal de soldadura utilizado para soldar con electrodos y alambres es completamente comparable a la del metal base, pero la resistencia a la tracción y el límite elástico son más bajo que el metal base. El acero que contiene níquel se endurece automáticamente, por lo que la mayoría de los electrodos y alambres prestan atención a limitar el contenido de carbono para lograr una buena soldabilidad.
Mo es un elemento de refuerzo importante en los materiales de soldadura, mientras que Nb, Ta, Ti y W son elementos de endurecimiento importantes, a los que se les ha prestado total atención en la selección de materiales de soldadura.
Cuando se utiliza el mismo alambre de soldadura para soldar, la resistencia y tenacidad del metal de soldadura de la soldadura por arco sumergido son peores que las de la soldadura MIG, lo que puede deberse a la desaceleración de la velocidad de enfriamiento de la soldadura y la posible infiltración de impurezas o Si. del flujo de.
3. Soldadura de tubos de acero a baja temperatura A333-GR6
1) Análisis de soldabilidad del acero A333-GR6.
El acero A333-GR6 pertenece al acero de baja temperatura, la temperatura mínima de servicio es -70 ℃ y generalmente se suministra en estado normalizado o normalizado y templado. El acero A333-GR6 tiene un bajo contenido de carbono, por lo que la tendencia al endurecimiento y al agrietamiento en frío son relativamente pequeñas, el material tiene buena tenacidad y plasticidad, generalmente no es fácil producir defectos de endurecimiento y agrietamiento y tiene buena soldabilidad. El alambre de soldadura por arco de argón ER80S-Ni1 se puede usar con el electrodo W707Ni, use soldadura de juntas eléctrica de argón o use alambre de soldadura por arco de argón ER80S-Ni1 y use soldadura por arco de argón completa para garantizar una buena tenacidad de las uniones soldadas. La marca de alambre y electrodo de soldadura por arco de argón también puede elegir productos con el mismo rendimiento, pero solo pueden utilizarse con el consentimiento del propietario.
2) proceso de soldadura
Para conocer los métodos detallados del proceso de soldadura, consulte el libro de instrucciones del proceso de soldadura o WPS. Durante la soldadura, se adoptan juntas a tope tipo I y soldadura por arco de argón completo para tuberías con un diámetro inferior a 76,2 mm; para tuberías con un diámetro superior a 76,2 mm, se realizan ranuras en forma de V y se utiliza el método de soldadura combinada eléctrica-argón con cebado por arco de argón y relleno multicapa o el método de soldadura por arco completo de argón. El método específico consiste en seleccionar el método de soldadura correspondiente de acuerdo con la diferencia en el diámetro de la tubería y el espesor de la pared de la tubería en el WPS aprobado por el propietario.
3) Proceso de tratamiento térmico
(1) Precalentamiento antes de soldar
Cuando la temperatura ambiente es inferior a 5 °C, es necesario precalentar la pieza soldada y la temperatura de precalentamiento es de 100-150 °C; el rango de precalentamiento es de 100 mm en ambos lados de la soldadura; se calienta con una llama de oxiacetileno (llama neutra) y se mide la temperatura. La pluma mide la temperatura a una distancia de 50-100 mm del centro de la soldadura y los puntos de medición de temperatura se distribuyen uniformemente para controlar mejor la temperatura. .
(2) Tratamiento térmico post-soldadura
Para mejorar la tenacidad a la entalla del acero a baja temperatura, los materiales generalmente utilizados han sido templados y revenidos. Un tratamiento térmico inadecuado posterior a la soldadura a menudo deteriora su rendimiento a baja temperatura, a lo que se debe prestar suficiente atención. Por lo tanto, excepto en condiciones de gran espesor de soldadura o condiciones de restricción muy severas, el tratamiento térmico posterior a la soldadura generalmente no se lleva a cabo para acero de baja temperatura. Por ejemplo, la soldadura de nuevas tuberías de GLP en CSPC no requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura. Si en algunos proyectos se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura, la velocidad de calentamiento, el tiempo de temperatura constante y la velocidad de enfriamiento del tratamiento térmico posterior a la soldadura deben estar estrictamente de acuerdo con las siguientes regulaciones:
Cuando la temperatura supera los 400 ℃, la velocidad de calentamiento no debe exceder los 205 × 25/δ ℃/h y no debe exceder los 330 ℃/h. El tiempo de temperatura constante debe ser de 1 hora por cada 25 mm de espesor de pared y no menos de 15 minutos. Durante el período de temperatura constante, la diferencia de temperatura entre la temperatura más alta y la más baja debe ser inferior a 65 ℃.
Después de una temperatura constante, la velocidad de enfriamiento no debe ser superior a 65 × 25/δ ℃/h, y no debe ser superior a 260 ℃/h. Se permite el enfriamiento natural por debajo de 400 ℃. Equipo de tratamiento térmico tipo TS-1 controlado por ordenador.
4) Precauciones
(1) Precaliente estrictamente de acuerdo con las regulaciones y controle la temperatura de la capa intermedia, y la temperatura de la capa intermedia se controla a 100-200 ℃. Cada costura de soldadura se soldará a la vez y, si se interrumpe, se tomarán medidas de enfriamiento lento.
(2) Está estrictamente prohibido que el arco raye la superficie de la pieza soldada. Se debe rellenar el cráter del arco y rectificar los defectos con una muela abrasiva cuando el arco esté cerrado. Las uniones entre capas de soldadura multicapa deben ser escalonadas.
(3) Controle estrictamente la energía de la línea, adopte corriente pequeña, bajo voltaje y soldadura rápida. La longitud de soldadura de cada electrodo W707Ni con un diámetro de 3,2 mm debe ser superior a 8 cm.
(4) Se debe adoptar el modo de operación de arco corto y sin oscilación.
(5) Se debe adoptar el proceso de penetración total y se debe llevar a cabo en estricta conformidad con los requisitos de la especificación del proceso de soldadura y la tarjeta del proceso de soldadura.
(6) El refuerzo de la soldadura es de 0 ~ 2 mm y el ancho de cada lado de la soldadura es ≤ 2 mm.
(7) Las pruebas no destructivas se pueden realizar al menos 24 horas después de que se califique la inspección visual de la soldadura. Las soldaduras a tope de tuberías estarán sujetas a JB 4730-94.
(8) Norma “Recipientes a presión: Ensayos no destructivos de recipientes a presión”, calificada Clase II.
(9) La reparación de la soldadura debe realizarse antes del tratamiento térmico posterior a la soldadura. Si es necesaria una reparación después del tratamiento térmico, la soldadura debe recalentarse después de la reparación.
(10) Si la dimensión geométrica de la superficie de soldadura excede el estándar, se permite el rectificado y el espesor después del rectificado no debe ser menor que el requisito de diseño.
(11) Para defectos generales de soldadura se permite un máximo de dos reparaciones. Si las dos reparaciones aún no están calificadas, la soldadura debe cortarse y volverse a soldar de acuerdo con el proceso de soldadura completo.
Hora de publicación: 21 de junio de 2023
