titMNa zváranie žiarupevných rúr DN 270x32 mm akosti P91 a Cr0.5Mo0.5V0.25 sa vyskúšala metóda poduškovania s meniacim sa obsahom legúr, ktorá sa konfrontovala so zvarom vyhotoveným Ni zliatinou. Porovnali sa štruktúrne, mechanické aj krátko creepové skúšky.


Pri generálnej oprave turbogenerátora tepelnej elektrárne bolo potrebné vyhotoviť tupý obvodový heterogénny zvarový spoj f273x32 mm medzi rúrou ostrej pary z materiálu P91 (X10CrMoVNb91) a nástavcom ventilu parnej turbíny z materiálu Cr0,5Mo0,5V0,25 (15 128 podľa STN). Pracovné parametre potrubia sú: T = 5350C ± 50C p = 14MPa.
Na ten účel sa overovali dve alternatívy vyhotovenia heterogénneho spoja:
1. zváranie prídavnými materiálmi so zvyšujúcim sa obsahom chrómu:
• poduška (návar) 1,4Cr + 4,5 %Cr • ZK 9 %Cr
2. zváranie prídavným materiálom Ni zliatiny (Inconel 625)
Vyhotovené skúšobné zvarové spoje sa podrobili mechanickým skúškam, metalografickému rozboru a skúške creepom. Chemické zloženie oboch základných materiálov a použitých prídavných materiálov je uvedené v tab. 1.

tab1

ZM základný materiál, PM prídavný materiál

Tab. 1.: Chemické zloženie základného a prídavného materiálu (hm. %)

 

Technologický postup zvárania
Alternatíva 1:
Zvarová plocha rúry z ocele Cr0,5Mo0,5V0,25 sa najprv navarila (vypoduškovala) obalenými elektródami typu 1,4Cr1Mo0,3V (OEN 125) a elektródami typu 4,5Cr1Mo0,3V (Cromocord 4). Naváralo sa po dvoch vrstvách a koreň navyše 2 – 3 vrstvami (pozri obr. 1 a, b). Tvar zvarového úkosu po mechanickom opracovaní je zobrazený na obr. 1 c).

obr1a obr1c
Obr. 1.: Príprava zvarového úkosu – alternatíva 1

 

Zvarový spoj sa zvaril prídavným materiálom typu 9Cr1MoV, a to v koreni metódou GTAW (drôt OE CrMoV) a výplňové vrstvy metódou SMAW (elektródy Cromocord 91). Zváralo sa s minimálnym tepelným príkonom (poduškovanie pod 1 kJ.mm-1).
Pri zváraní aj poduškovaní sa aplikoval predhrev 2 500 °C, medzihúsenicová teplota max. 3 000 °C a dohrev 200 až 2 500 °C/2 h. Po zvarení sa zvarový spoj vyžíhal pri teplote 7 200 °C/2 h.

Alternatíva 2:
Tvar zvarového úkosu bol ako na obr. 1 c). Celý zvarový spoj sa vyhotovil prídavným materiálom typu Inconel 625, a to koreň metódou GTAW (drôt Nifil 625) a výplň metódou SMAW (elektródy Supranel 625). Zváralo sa s minimálnym tepelným príkonom bez rozkmitu elektródy (s výnimkou koreňa). Tepelný režim zvárania (predhrev, interpass, dohrev a PWHT) rovnaký ako v prípade alternatívy 1.
Metalografický rozbor a meranie tvrdosti
Makroštruktúru zvarového spoja alternatívy 1 dokumentuje obr. 2. Zvarový spoj bol celistvý až na póry vyskytujúce sa v druhej poduške (elektródy Cromocord 4). Póry vznikli aj napriek správnemu vysušeniu elektród a dodržaniu technologického postupu navárania. Mikroštruktúra základného materiálu P91 bola tvorená popusteným martenzitom a karbidmi. Vo vysoko vyhriatej TOO sa karbidy rozpustili, čím došlo k presýteniu austenitu uhlíkom a následne k zvýšeniu tvrdosti martenzitu.

obr2
Obr. 2.: Makroštruktúra zvarového spoja – alternatíva 1

 

Popusteným martenzitom, ale s liacim slohom, bol tvorený aj zvarový kov výplňových húseníc a návar druhej podušky. Návarový kov prvej podušky mal popustenú bainiticko-martenzitickú štruktúru. Pôvodná feriticko-perlitická štruktúra základného materiálu Cr0,5Mo0,5V0,25 sa vo vysoko vyhriatej TOO zmenila na zmes vysoko popusteného martenzitu a dolného bainitu. Chemická mikroanalýza EDX potvrdila smerom od nízko legovaného základného materiálu postupné zvyšovanie obsahu chrómu v návarových vrstvách podušky a zvarového kovu (obr. 3).

obr3
Obr. 3: Obsah Cr a Mo v jednotlivých častiach zvarového kovu – alternatíva 1 (analýza EDX)

 

Výsledok tvrdosti HV10 meranej naprieč zvarovým spojom v troch líniách je uvedený na obr. 4a až 4c. Maximálne prípustné hodnoty TOO podľa EN 288-3+A1 (HV10 = max. 320, resp. 350 pre P91) neboli prekročené.

obr4a obr4b obr4c
Obr. 4: Priebeh tvrdosti cez zvarový spoj – alternatíva 1

 

Makroštruktúru zvarového spoja alternatívy 2 ukazuje obr. 5. Zvarový kov bol celistvý, bez výskytu mikrotrhlín, pórov a studených spojov.

obr5
Obr. 5: Makroštruktúra zvarového spoja – alternatíva 2

 

Celý zvarový kov bol tvorený austenitickou štruktúrou s nevýraznou liacou textúrou. Štruktúry TOO oboch základných materiálov boli podobné ako v zvarovom spoji alternatívy 1, až na lokálny výskyt tenkej (hrúbky max. 0,05 mm) martenzitickej medzivrstvy na hranici stavenia s nízko legovanou oceľou (Cr0,5Mo0,5V0,25), ktorej mikrotvrdosť HV0,1 = 370 – 450. Výskyt tejto medzivrstvy sa však na výsledku mechanických a creepových skúšok neprejavil.

obr6a obr6b obr6c
Obr. 6: Priebeh tvrdosti cez zvarový spoj – alternatíva 2

 

Priebeh tvrdosti HV10 zvarového spoja je vynesený do diagramov na obr. 6a až 6c. Maximálne prípustné hodnoty tvrdosti neboli prekročené. Prítomnosť úzkej martenzitickej vrstvičky sa meraním nezachytila.

Mechanické skúšky
Výsledok ťahovej skúšky, skúšky vrubovej húževnatosti a skúšky lámavosti je spracovaný v tab. 2 (alternatíva 1) a v tab. 3 (alternatíva 2).

tab2
tab3


Z výsledkov vidieť, že zvarový kov vyrobený alternatívou 1 nevyhovel požiadavke vrubovej húževnatosti (min. 50 J.cm-2 pri + 200 °C). To je však všeobecný problém daného typu zvarového kovu. V súčasnosti nie sú na trhu dostupné prídavné materiály, ktoré by túto hodnotu vrubovej húževnatosti rapídne zvyšovali. Predpokladáme však, vzhľadom na prevádzkové teploty a na to, že daný zvarový spoj by nemal byť v prevádzke vystavovaný dynamickým rázom, že malé zníženie vrubovej húževnatosti zvarového kovu alternatívy 1 by nemuselo prekážať. Mechanické vlastnosti zvarového spoja alternatívy 2 vyhoveli predpísaným hodnotám. Nezaznamenal sa nepriaznivý vplyv lokálnej prítomnosti martenzitickej medzivrstvy na hranici stavenia.

Creepové skúšky
Skúšobné zvarové spoje sa podrobili creepovej skúške jednoosovým ťahom 130 MPa pri teplote 5 500 °C (tab. 4). Kým v prípade zvarového spoja išlo o kontrakčný lom v základnom materiáli nízko legovanej ocele (obr. 7a), v prípade zvarového spoja alternatívy 1 išlo o trhliny typu IV (obr. 7b).

tab4
obr7a obr7b
Obr. 7: Creepové vzorky s lomom

 

Aj napriek zistenému výskytu pórov v druhej poduške, časy do lomu v prípade prvej alternatívy boli vyššie. V creepových skúškach sa pokračuje pri nižšom zaťažení.

Záver
Z dvoch overovaných alternatív vyhotovenia heterogénneho zvarového spoja medzi oceľami Cr0,5Mo0,5V0,25 a P91 bola pre reálny prípad vybraná alternatíva 2 s Ni prídavným materiálom (typu Inconel 625).
Hoci pri zvarovom spoji alternatívy 1 vyhotoveného s prídavnými materiálmi s postupne sa zvyšujúcim obsahom chrómu (1,25 % + 4,5 % + 9 %) priebežný výsledok creepovej skúšky ukázal dlhšiu dobu do lomu, zavážilo nesplnenie predpísanej hodnoty vrubovej húževnatosti zvarového kovu, ako aj vyššia technická náročnosť vyhotovenia tohto spoja.
Pri odstávke zariadenia po cca 20 000 hod sa predmetný zvarový spoj podrobil podrobnej NDT kontrole prežiarením, ultrazvukom a kapilárnou metódou, ako aj metódou nedeštruktívnej metalografie pomocou replík. Kontrolou sa nezistila prítomnosť neprípustných defektov, kavít či nepriaznivých štruktúrnych zmien.

TEXT/FOTO: Peter Bernasovský, Martin Vitásek, Peter Brziak
Odborný príspevok recenzovali: doc. Ing. Peter LIPTÁK, CSc.; TUAD v Trenčíne, Ing. Pavol RADIČ, VÚZ Bratislava