120Przegląd sPawalnictwa Vol. 87 10/2015 Spawanie orbitale wężownic ze stali VM12-SHC Orbital welding of steel coils VM12-SHC Dr inż. Marek Gucwa, dr inż Robert Bęczkowski – Politechnika Częstochowska; mgr inż Marcin Stefański. Autor korespondencyjny/Corresponding author: mgucwa@spaw.pcz.pl Streszczenie W pracy przedstawiono wybrane aspekty technolo- gii wykonywania powierzchni grzewczych tj. wężownic przegrzewaczy pary z wykorzystaniem kompleksowego stanowiska do spawania metodą zmechanizowaną TIG. Próby spawania wykonano na rurach ze stali VM12-SHC o średnicy 44,5mm i grubości ścianki 7,1mm. Przedsta- wiono wyniki badań niszczących oraz nieniszczących oraz wskazano na problemy jakie można spotkać w cza- sie spawania tego typu stali. Przeprowadzone próby spawania złącza doczołowego dowiodły, iż spawanie orbitalne metodą TIG jest procesem bardzo skutecznym pod względem powtarzalności oraz jakości wykonanych połączeń spawanych. Odpowiednio przygotowane oprogramowanie procesu spawania, czy też bieżąca kontrola stanu technicznego urządzenia, powodują iż wskaźnik wadliwość wykonywanych złącz wynosi poni- żej 1%. Z tego względu metoda spawania orbitalnego TIG jest rekomendowana w przypadku, gdy spawane są elemen- ty w gatunkach o utrudnionej spawalności tj. VM12-SHC. Słowa kluczowe: spawanie orbitalne, stal VM12-SHC Abstract The paper presents selected aspects of technology per- formance of the heating surfaces, ie. steam superheater coils using a comprehensive outcome for mechanized TIG welding. Welding was carried out on steel pipes VM12-SHC having a diameter of 44,5mm and a wall thickness 7,1mm. The results of destructive and non-destructive tests were presented and the problems that can be encounter during this type of welding steel were pointed out. The butt joint welding tests that were made have proved that orbital TIG welding is a process very effective in terms of reproducibility and the quality of the welded joints. Properly prepared welding process software or the current control of the technical condition of the appliance, cause that the impairment indicator of the performed connectors is less than 1%. Therefore, the orbital TIG welding method is recommended when the elements are welded in the spe- cies hindered weldability, ie. VM12-SHC. Keywords: orbital welding, steel VM12-SHC Wstęp Rozwój energetyki w Polsce jak też w pozostałych kra- jach Uni Europejskiej opiera się głównie na modernizacji istniejących kotłów oraz budowie nowych kotłów do pracy w warunkach nadkrytycznych. Plan rozwoju na najbliższe lata zakłada osiągnięcie temperatury wylotowej pary na po- ziomie około 620÷650 °C, a ciśnienie 28÷30 MPa. Osiągnię- cie tak wysokich parametrów uzależnione jest od rozwoju materiałów hutniczych, od których wymaga się wysokich właściwości w podwyższonej temperaturze oraz zachowa- nia dobrej spawalności tych materiałów. Większość ze sto- sowanych obecnie gatunków stali przeznaczonych do pracy w podwyższonej temperaturze to stale o strukturze marten- zytycznej o ograniczonej spawalności [1÷3]. Wytwórcy po- dejmujący się wytarzania urządzeń energetycznych z tych stali muszą wykazać się wysoką kulturą techniczną i z uwa- gi na ograniczoną spawalność stosować dodatkowe zabiegi cieplne jak podgrzewanie wstępne przed spawaniem, kon- trola temperatury międzyściegowej oraz obróbka cieplna po spawaniu. Materiały hutnicze przeznaczone do wytwa- rzania wężownic przegrzewaczy powinny charakteryzować Marek Gucwa, Robert Bęczkowski, Marcin Stefański się zdolnością do przenoszenia krótko- lub długotrwałych obciążeń (stałych lub zmiennych) w wysokiej temperaturze, dobrą spawalnością, odpowiednią wytrzymałością na pełza- nie oraz odpornością na korozję i utlenianie. Stale martenzy- tyczne typu T/P91 o zawartości 9% chromu po raz pierwszy wdrożono do produkcji kolektorów oraz wężownic w latach osiemdziesiątych. Dalsze analizy oraz badania prowadzo- ne na stali T/P91 doprowadziły do powstania kolejnych gatunków tj. P92 oraz E911, w których molibden został za- stąpiony wolframem. Zmiana składu chemicznego wpłynęła na zwiększenie odporności na pełzanie oraz umożliwiła pracę elementów ciśnieniowych w temperaturze do około 620 °C. Pomimo poprawy własności mechanicznych zastosowa- nej stali w wyniku pracy w podwyższonych temperaturach w dalszym ciągu występowało zjawisko utleniania oraz ko- rozji co w znacznym stopniu ograniczyło zastosowanie tych stali w nowoczesnych kotłach. Zapotrzebowanie na stal, któ- ra odznaczałaby się zarówno odpowiednią wytrzymałością na pełzanie oraz odpornością na utlenianie doprowadziło do opracowania w Japonii i USA stali P122 o zawartości 12% chromu z dodatkiem molibdenu i wolframu. Obecnie w fazie rozwoju są gatunki zawierające 2,5% kobaltu 2,6% wolframu 121Przegląd sPawalnictwa Vol. 87  10/2015 Skład chemiczny, % C Si Mn Cr Mo V W Co B N Nb Ni 0,13 0,47 0,27 11,54 0,24 0,26 1,44 1,47 0,0045 0,048 0,044 0,27 Tablica I. Skład chemiczny stali VM12-SHC [4] Table I. Chemical composition of Steel VM12-SHC [4] i boru tj. NF12 oraz SAVE12 zawierająca 3% kobaltu, 3% wol- framu oraz dodatki tantalu i niobu. Odpowiednikiem stali o zawartości 12% chromu jest opracowana przez Vallourec & Mannesmann stal VM12-SHC. Stal ta zawierająca 12% chromu może być eksploatowana w temperaturze do 650 °C. Częściowe zastąpienie molibdenu wolframem, powoduje wzrost wytrzymałości na pełzanie o około 30% oraz zwięk- sza hartowność stali, natomiast mikrododatek w postaci boru ma za zadanie stabilizację węglików M23C6. Niska za- wartość węgla w porównaniu do stali X20 gwarantuje dobrą spawalność oraz zapobiega powstawaniu pęknięć wodoro- wych [1÷6]. Rosnące wymagania odnośnie jakości wykonywanych złączy również wpływają na dynamiczny rozwój techni- ki spawalniczej, która ma gwarantować wysoką jakość otrzymywanych złączy oraz powtarzalność procesu [7]. Spawanie orbitalne TIG jest techniką powszechnie uznaną w przemyśle, a firmy takie jak np. Polysoude, Fronius, ESAB oraz Orbitec, posiadają w swoim asortymencie oprócz źródeł zasilania i głowic spawalniczych inne urządze- nia pomocnicze typu pozycjonery i manipulatory czy też sprzęt do obróbki mechanicznej. Spawanie orbitalne jest procesem zmechanizowanym, prowadzonym za pośred- nictwem specjalnie przystosowanych do tego celu głowic spawalniczych przemieszczających się względem złącza na taśmie lub listwie zębatej, wyposażonych w mikroproce- sorowe układy sterowania. Technika spawania orbitalnego jest wykorzystywana m.in. do wykonywania rurociągów, wężownic i innych konstrukcji rurowych wykorzystanych w przemyśle energetycznym, ciepłowniczym lub chemicz- nym. W technice spawania orbitalnego mogą być wykorzy- stywane różne metody spawania. W przypadku elementów rurowych o małych średnicach zewnętrznych bądź małych grubościach ścianek rekomendowaną metodą jest spawa- nie łukowe elektrodą nietopliwą w osłonie gazów obojętnych – TIG. Spawanie orbitalne metodą TIG może być prowadzo- ne bez dodatku spoiwa, jak i z jego udziałem w zależności od geometrii przekroju poprzecznego rury [3]. Materiał do badań i próby spawania Przedmiotem badań było złącze doczołowe z rury o średnicy 44,5 mm i grubości ścianki 7,1 mm ze stali X12Cr- CoWVNb12-2-2 (VM12-SHC) o składzie chemicznym poda- nym w tablicy I. Do spawania zmechanizowanego metodą TIG wykorzystano urządzenie firmy Polysoude składające się ze źródła prądu PS 406 oraz głowicy otwartej MU IV80. Jako materiału dodatkowego do spawania wykorzystano spoiwo Thermanit MTS 5CoT (tabl. II). Do spawania jako gaz osłonowy wykorzystano argon z natężeniem przepływu 10÷12 l/min oraz użyto go również jako gazu formującego z natężeniem przepływu 4÷6 l/min. Skład chemiczny, % C Si Mn Cr Mo V W Co B N Nb Ni 0,14 0,53 0,35 11,3 0,3 0,22 1,4 1,6 0,003 0,04 0,06 0,5 Tablica II. Skład chemiczny spoiwa według atestu producenta Table II. Chemical composition of filler material Rys. 1. Głowica spawalnicza otwarta typu MU IV 80 Fig. 1. Open weld head MU IV 80 W celu uzyskania regularnego przetopu przygotowano rowek spawalniczy w kształcie U. Średnica wewnętrzna rury została obrobiona mechanicznie, uzyskując jednakową wysokości pro- gu z dopuszczalną tolerancją wymiarową ± 0,1 do 0,3 mm. Ze względu na ruch palnika wokół osi spawanego złącza, proces przeprowadzono w następujących pozycjach spawa- nia: PA, PG, PE, PF wg. EN ISO 6947. Rys. 2. Układ pozycji na obwodzie spawanej rury [6] Fig. 2. Layout position on the circumference of welded pipe [6] Przed procesem spawania, rura została podgrzana do temperatury 200÷250 °C w celu zapobiegania pęknię- ciom wodorowym. W trakcie procesu spawania na bieżąco kontrolowano temperaturę międzyściegową, która wynosiła maksymalnie 280 °C. Z uwagi na grubość ścianki, wynoszą- cą 7,1 mm, spoina była wykonywana wielościegowo i skła- da się z 5 następujących warstw: – warstwa graniowa (przetopowa), spawana prądem 70÷80 A – warstwy wypełniające, spawane prądem 90÷100 A – warstwa licowa, spawana prądem 100÷110 A 122Przegląd sPawalnictwa Vol. 87 10/2015 Parametry programu spawania przyjęto wg rekomendo- wanych wielkości opisanych w instrukcji obsługi oraz pro- gramowania źródła prądu typu PS 406. Po spawaniu złącze chłodzono do temperatury 20÷100 °C w czasie powyżej dwóch godzin. Następnie przeprowadzo- no operację miejscowego wyżarzania odprężającego zgodnie z zaleceniami producenta stali Vallourec & Mannesmann (rys. 3). Rys. 3. Schemat cyklu spawania i obróbki cieplnej stali VM12-SHC [4] Fig. 3. Scheme of welding cycle and heat treatment of steel VM12-SHC [4] Badania nieniszczące Wykonane złącze próbne poddano badaniom nieniszczą- cym VT, PT i RT z uwzględnieniem poziomu jakości B według normy PN-EN ISO 5817. Badane złącze próbne charakteryzo- wało się regularną powierzchnią spoiny bez podtopień i nad- lewów, podobnie sytuacja się przedstawiała w grani spoiny, którą przebadano z wykorzystaniem endoskopu. Równie po- zytywne obraz złącza dało badania PT. Badania radiograficz- ne potwierdziły wysoką jakość wykonanego złącza (rys. 4). Pozytywne wyniki badań nieniszczących dowodzą dużej jakości oraz powtarzalności złącz wykonywanych z wykorzy- staniem techniki spawania orbitalnego. Przeprowadzone próby wskazują również na konieczność bardzo dokładnego przy- gotowania materiałów do spawania. Zalecanym sposobem Rys. 4. Radiogram badanego złącza spawanego Fig. 4. Radiogram of welded joint Oznaczenie próbki Wymiary próbki Kąt gięcia [°] Uwagi Wymagania a0 x b0 [mm] Lico Grań GG1 14,0 x 6,9 - 180 bez naderwań i pęknięć a ≥ 130° GG2 14,0 x 6,8 - 180 GL1 14,0 x 6,9 180 - GL2 14,0 x 6,8 180 - Tablica IV. Wyniki próby statycznego zginania Table IV. The results of the static bending Nr próbki Wymiary próbek Wytrzymałość na rozciąganie Miejsce zerwania Wymagania wg VdTÜV WBL 439 a0 x b0 [mm] Fm [N] Rm [MPa] Rm=620÷850 MPa 1 14,1 x 6,9 555000 795 poza spoiną 2 14,0 x 6,8 595000 815 Tablica III. Wyniki próby statycznego rozciągania Table III. The results of static tensile test przygotowania krawędzi złącza jest zastosowanie ukosowania na U, wraz z podtoczeniem wewnętrznym rury w celu uzyska- nia jednakowej wysokości progu na obwodzie złącza zwłaszcza w przypadku braku odpowiedniej owalizacji przekroju łączonych rur. Ten sposób przygotowania zmniejsza ryzyko występowa- nia niezgodności w warstwach graniowych tj. nieregularnego przetopu czy też podtopień. Przyczyną nieregularnego przetopu lub wklęśnięcia grani może być również przygotowanie złącza wg szczegółu na V bez podtoczenia wewnętrznego oraz bez progu. Badania niszczące Po uzyskaniu pozytywnych wyników badań nieniszczą- cych, ze złącza spawanego zostały pobrane próbki do badań niszczących zgodnie z zaleceniami obowiązujących norm. Zakres badań niszczących obejmował: – Statyczną próbę rozciągania złącza spawanego wg PN-EN ISO 4136:2013-05, – Próbę zginania (zginanie od strony lica oraz grani) wg PN-EN ISO 5173:2010, – Badanie udarności (karb nacięty w spoinie, SWC oraz w materiale rodzimym) wg PN-EN ISO 148-1, – Pomiary twardości wg PN-EN 1043-1 Statyczna próba rozciągania złącza Badania przeprowadzono w celu określenia wytrzyma- łości złącza spawanego na rozciąganie oraz porównaniu 123Przegląd sPawalnictwa Vol. 87  10/2015 Podsumowanie Przeprowadzone próby spawania złącza doczołowego dowiodły, iż spawanie orbitalne metodą TIG jest procesem bardzo skutecznym pod względem powtarzalności oraz jakości wykonanych połączeń spawanych. Odpowiednio przy- gotowane oprogramowanie procesu spawania czy też bieżąca kontrola stanu technicznego urządzenia, powodują iż wskaźnik wadliwość wykonywanych złącz może być bardzo niski. Z tego względu metoda spawania orbitalnego TIG jest rekomendowana w przypadku, gdy spawane są elementy w gatunkach o utrudnionej spawalności tj. VM12-SHC. Poprzez zmniejszoną ilość niezgodności spawalniczych unika się napraw, a co się z tym wiąże - powtórnych zabiegów cieplnych, które mogą pogorszyć własności użytkowe złącza oraz wpływają na wynik ekonomiczny przedsiębiorstwa. Minimalna ilość niezgodności spawalniczych znaczą- co wpływa na wysoką produktywność procesu. Przeprowadzone próby spawania uwidoczniły również mankamenty technologii. Aby zapewnić powtarzalność w procesie spawania orbitalnego metodą TIG, należy zapewnić następujące warunki, które są klasyfikowane jako istotne: – wyszkolony personel, – jakość i powtarzalność przygotowania elementów do spawania, – jakość materiałów dodatkowych oraz gazów osłonowych, – odpowiednie przygotowanie elektrody wolframowej, – optymalne pozycjonowanie i przygotowanie złącza – zapewnienie współosiowości łączonych elementów, – sprawdzone oprogramowanie procesu. Literatura [1] M. Zeman, S. Błacha: Spawalne stale martenzytyczne żarowytrzymałe nowej generacji, Przegląd Spawalnictwa, Vol.86, Nr 4, s.51-61, 2014. [2] E. Tasak, A . Ziewiec: Spawalność materiałów konstrukcyjnych. Tom 1 – Spawalność stali, Wydawanictwo JAK, Kraków, 2009. [3] Poradnik inżyniera – Spawalnictwo; WNT, Warszawa 2003. [4] Brochure VM12 –SHC Technical Data Sheet. Materiały informacyjne firmy Vallourec, 2015. [5] J. Jasak, K. Wojsyk., G. Golański: Właściwości mechaniczne niejedno- rodnego złącza spawanego stali VM12/X20 po wyżarzaniu, Przegląd Spawalnictwa, Vol.87, Nr 4, s. 5-9, 2015. [6] M. Urzynicok, K. Kwieciński, M. Szubryt: Doświadczenia przy wyko- nywaniu połączeń doczołowych ze stali martenzytycznej VM12-SHC, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 81, Nr 11, s. 20-25, 2009. [7] A. Kolasa, P. Cegielski, A. Oneksiak: Nowa głowice do orbitalnego doczołowego spawania rur metodą TIG, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 84, Nr 3, s. 32-38, 2014. otrzymanych wyników z właściwościami materiału rodzime- go (Rm = 755MPa). Wynik próby przedstawiono w tablicy III. Próbę statycznego zginania z rozciąganiem lica GL oraz grani GG wykonano zgodnie z PN-EN 15614-1 i PN-EN ISO 5173. Według postanowień normy, kryterium próby jest uzy- skanie kąta ≥ 130°, bez wystąpienia rys i pęknięć na rozcią- ganej powierzchni próbki. Uzyskane rezultaty przedstawio- no w tablicy IV. Pomiary twardości przeprowadzono zgodnie z PN-EN 19952-6 oraz PN-EN 15614-1. Maksymalna twardość w wymie- nionych normach dla złączy obrobionych cieplnie wynosi 350 HV10. Na rysunku 6. przedstawiono wyniki pomiarów twar- dości, wszystkie zmierzone twardości są niższe od wartości dopuszczalnej. Wyniki badań niszczących podobnie jak badania nienisz- czące potwierdzają wysoka jakość otrzymanych złączy. Wszystkie badane właściwości charakteryzujące materiał złącza były na poziomie wyższym niż wymagają to odpo- wiednie normy przedmiotowe oraz nie przekraczały dopusz- czalnych maksymalnych wartości. Przeprowadzone próby spawania przy założonych parametrach procesu i z wyko- rzystaniem spawania orbitalnego pozwoliły na opracowanie technologii spawania, która gwarantuje powtarzalną jakość otrzymywanych złączy. Kluczowym czynnikiem dla wyników badań niszczących jest również odpowiedni sposób postę- powania ze stalą VM12-SHC po procesie spawania, czyli odpowiedni czas chłodzenia po spawaniu oraz obróbka cieplna według wytycznych producenta stali. Rys. 5. Wyniki próby pracy łamania Fig. 5. The results of impact tests Rys. 6. Rozkład twardości w złączu spawanym ze stali VM12-SHC Fig. 6. The hardness distribution in welded joint of steel VM12-SHC