V súčasnosti sa čoraz širšie používajú kryogenné tlakové zásobníky na skvapalnené plyny, hlavne na zemný plyn LNG a najnovšie aj vodík. Ich výhodou je, že uložený plyn v kvapalnom stave má napr. v LNG až 600x menší objem, ako v plynnom stave. Ich výroba je náročná, nakoľko zásobníky musia uchovávať plyn v kvapalnom stave pri nízkych teplotách, napr. LNG pri -162°C, Ar pri -186°C, O2 pri -183°C, N2 pri -196°C. Zvlášť náročná je výroba kryogenných nádob na skvapalnený vodík – plyn budúcnosti v automobilovom priemysle, kde sublimačná teplota je -253°C[ 2, 5].
Na výrobu kryogenných tlakových nádob sa v súčastnosti široko používajú austenitické ocele typu 19 %Cr, 9 %Ni. Tieto ocele sú však metastabilné a pri práci pri teplotách pod -196°C dochádza k ich čiastočnej degradácií vznikom podielu martenzitickej a karbidickej fáze v austenitickej matrici [3, 6]. Preto pre nádoby pracujúce pri teplotách nižších ako -196°C, normy EN 13455, EN 13458, AD 2000 Merkblatt, ASME Code majú sprísnené požiadavky na základný materiál a zvarový kov, na ich krehkolomové vlastnosti pri teplotách blízkych absolútnej nule (-272°C), s určitým podielom deltaferitu pre zabránenie vzniku solidifikačných trhlín.
V súčastnosti spoločnosť Auguste Cryogenics Slovakia, ako jedna z mála spoločností v EÚ, vyrába kryogenné tlakové nádoby na tekutý vodík (H2) s obsahom do 255 000 litrov.

Experimentálna časť práce
Pre výrobu kryogennej tlakovej nádoby pre H2 sa zvolila podľa EN 13455 a EN 13458 austenitická CrNi oceľ so zvýšeným obsahom Ni s označením X2CrNi19-11 podľa EN 10028-7 (W1.4306). Vlastnosti ocele pre danú tavbu sú vyznačené v tabuľke 1 a 2.

Pre danú oceľ sa navrhla technológia zvárania hybridnou plazmou (metóda 15+141) a pre porovnanie aj strojné zváranie pod tavivom (metóda 121). Prídavný materiál sa použil podľa noriem typ 308L. Požiadavky na krehkolomové vlastnosti pre nádobu na tekutý vodík sú udané v tabuľke 3.

Na obr. 1 vidíme vplyv delta feritu na nárazovú prácu zvarového kovu 308L pri teplote -196°C [1]. Ďalej požiadavky na jej hodnoty, podľa jedn. noriem.

Obr. 1: Vplyv obsahu delta feritu na nárazovú prácu zvarového kovu 308L pri teplote -196°C.

Pre teploty pracujúce pri teplotách blízkych absolútnej nule (-272°C) sa skúšky vykonávajú v tekutom dusíku podchladenej vzorky pri -196°C, ale so zvýšenými požiadavkami rázovej energie z 32J na 40J, resp. 60J. ASME Code požaduje hodnoty LE (ISO148-1) namerané z teliesok vruboviek, ktoré udávajú odolnosť voči krehkému porušeniu nádoby pri 3 osovom stave napätosti (hodnota min. 0,53 mm).

Zvolené podmienky zvárania
Základný materiál: W.1.4306 hrúbky 8,0 mm
Prídavný materiál: Plazma (key-hole systém) bez prídavného materiálu
                              TIG strojný – drôt OK Autrod 308LSi Ø 1,2 mm
                              SAW: drôt – OK Autrod 308L Ø 2,4 mm
                                        tavivo – OK Flux 10.93 fy. ESAB

Parametre zvárania pre jednotlivé metódy sú uvedené v tabuľke 4. Namerané priemerné hodnoty mechanických skúšok sú udané v tabuľke 5 a 6. Meranie FN sa realizovalo feritometrom fy. Fisher MP30.

Celistvosť zvarového spoja zhotoveného hybridnou plazmu ako aj zváraním pod tavivom je zdokumentovaná na obrázku 2 a 3.

Obr. 2: Makro – hybridná plazma	Obr. 3: Makro – SAW (4 vrstvy)

Vykonala sa mikroštruktúrna analýza zvarových spojov (obr. 4) vykonaných hybridnou plazmou [4]. Zvarové spoje majú priaznivý vývoj solidifikačnej štruktúry, pri vyššej rýchlosti ochladzovania a čistoty kryštalizačnej vane. Tomu nasvedčujú aj dosiahnuté výsledky mechanických skúšok zvarových spojov vykonaných hybridnou plazmou, oproti klasickému zváraniu pod tavivom.

Obr. 4: Mikro zvarového spoja zhotoveného hybridnou plazmou: prechodová oblasť základný materiál – zvarový kov

Praktická realizácia
Vypracovaná technológia zvárania sa po schválení (WPQR, WPS) použila k zváraniu horizontálnej kryogennej tlakovej nádoby 4 kat. podľa PED 2014/68/EU s objemom 255 tisíc litrov tekutého vodíka. Nádoba bola vyrobená v súlade s EN 13458 ako nádoba vákuom izolovaná.
Vnútorná tlaková nádoba je z austenitickej Cr-Ni ocele (W1.4306) o priemere 3 600 mm, dĺžky 25 700 mm a hrúbky plášťa 8,0 mm.
Vonkajší plášť nádoby je z ocele P355NL1 EN10027-3. Hrúbka plášťa je 12,0 mm, priemer 4 150 mm a dĺžka 27 400 mm. Celková hmotnosť nádoby je 90 ton.
Kontrola počas zvárania ako aj následná kontrola zvarových spojov bola značného rozsahu. Vykonala sa skúšobná pracovná skúška zvárania podľa EN 13458 pozdĺžnych zvarov. Ďalej bola realizovaná 100 % RTG kontrola pozdĺžnych a obvodových zvarových spojov podľa EN ISO 17636-1 stupeň „B“, EN ISO 10675-1 (level 1). Ďalej sa vykonala héliová skúška tesnosti a na záver tlaková skúška podľa príslušných noriem.

Obr. 5: Hybridné zváranie pozdĺžnych zvarov

Hybridné zváranie pozdĺžnych zvarov na zariadení Lincoln dokumentuje obr. 5. Prvá hlava zvára plazmou systémom key-hole a druhá v tandeme strojným TIG zváraním s prídavným materiálom. Zváranie obvodových zvarových spojov (hybridné plazmové zváranie) je zdokumentované na obr. 6. Na obr. 7 je zachytená zvarená ovládacia armatúra. Na zhotovenie spojov bola použitá metóda TIG, a to formou orbitálneho a ručného zvárania.

Obr. 6: Pohľad na hybridné plazmové zváranie obvodových zvarov.	Obr. 7: Pohľad na zváranú ovládaciu armatúru z Cr-Ni ocele. Zvarené metódou TIG: orbitálne a ručne.

Záver
Novo vypracovaná technológia zvárania kryogenných tlakových nádob pre ultranízke teploty, pomocou hybridnej plazmy spĺňa najvyššie nároky na krehkolomové vlastnosti zvarových spojov takýchto nádob (obr. 8), čím sa firma Auguste Cryogenics Slovakia zaradila medzi popredné firmy v tomto obore.

Obr. 8: Celkový pohľad na nádobu, pripravená na expedíciu

text/foto doc. Ing. Milan Čomaj CSc., EWE, Auguste Cryogenics Slovakia, Košice

Použitá literatúra:
[1] Prospekty firmy Böhler
[2] Čomaj M.: Vlastnosti zvarových spojov novozaradenej ocele X2CrMnNiN 17-7-8 EN10028-7 pre tlakové nádoby zvárané metódou SAW a hybridnou plazmov. Konferencia ZVÁRANIE 2018. Tatranská Lomnica
[3] Čomaj M.: Problematika zvárania tlakových nádob z Cr-Ni austenitických ocelí väčších hrúbok. Konferencia ZVÁRANIE 2016 Tatranská Lomnica
[4] Longaverová M.: Mikroštrukturálna analýza zv. spojov Cr-Ni ocelí, zváraných hybridnou plazmou. Výskumná správa pre TWH. Košice TU 2013
[5] Čomaj M.: Problematika zvárania a opráv tlakových nádob z Cr-Ni austenitických ocelí. Konferencia ZVÁRANIE 2013. Tatranská Lomnica
[6] Čomaj M.: Nové smery zvárania tlakových nádob z Cr-Ni austenitických ocelí. Konferencia Kvalita zvárania 2014. Tatranská Lomnica

Príspevok recenzoval:
Ing. Pavol RADIČ, PhD.; Slovenská zváračská spoločnosť