PS 7 2016 WWW.pdf 5PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 7/2016 Badanie złączy spawanych   innowacyjnej rury kompozytowej dla energetyki The welded joints research of innovative composite pipe for Energy industry Inż. Natalia Konieczna; dr inż. Stanisław Lalik – Instytut Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej. Autor korespondencyjny/Corresponding author: n.konieczna@onet.pl Streszczenie Celem prowadzonych badań była ocena jakościowa złą- czy spawanych ze spoinami pachwinowymi w konfiguracji rura kompozytowa – płaskownik oraz określenie wpływu energii liniowej spawania podczas spawania złączy. Złącze spawane złożone z rury kompozytowej 3R12/4L7 oraz pła- skownika ze stali X6CrNi18-10 zostało poddane badaniom makroskopowym i mikroskopowym, następnie wykonano pomiar twardości metodą Vickersa, a także przeprowadzono technologiczną próbę rozciągania. Uzyskane wyniki świad- czą o wysokiej jakości połączenia spawanego oraz wpływie zastosowanej energii liniowej spawania na poszczególne obszary złącza spawanego. Słowa kluczowe: materiały bimetalowe; materiały innowa- cyjne; złącza spawane rury kompozytowej Abstract The object of study was to estimate the quality of the welded joints with fillet welds in the configuration of com- posite pipe – steel flat and determine the effect of arc linear energy welding joints. Welded joint consisting of a compos- ite pipe 3R12/4L7 and flat of steel X6CrNi18-10 has been tested macroscopic and microscopic, then measured for hardness with Vickers method and a technological tensile test was conducted. The results show of the high quality of the welded joint and the effect of the applied arc linear en- ergy to the different areas of the welded joint. Keywords:  bimetallic materials; innovative materials; welded joints of composite pipe Wstęp Rozwój stali nowej generacji jest ściśle związany z cią- gle rozwijającym się przemysłem energetycznym. Obecnie energetyka w Polsce dąży do wprowadzenia kotłów o pa- rametrach supernadkrytycznych, co bezpośrednio wpływa na zwiększenie sprawności, która może oscylować w grani- cach 42 ÷ 46% [1,2]. Zwiększenie sprawności prowadzi tym samym do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń w postaci pyłów, CO2, SO2 i NOx. Powyższa progresywność pozwala wykazać się nowoczesnej Inżynierii Materiałowej w zakre- sie projektowania i wytwarzania innowacyjnych, oraz żaro- wytrzymałych materiałów przeznaczonych na konstrukcje energetyczne [3÷5]. Materiały te powinny charakteryzować się przede wszystkim dobrą spawalnością, a także wytrzy- małością na pełzanie, stabilnością strukturalną oraz odpor- nością na szoki termiczne [6÷9]. Jednym z innowacyjnych, dotąd niestosowanych rozwiązań jest wykonanie materia- łu nowej generacji, jakim jest rura kompozytowa złożona z dwóch rodzajów stali połączonych poprzez walcowanie. Materiał nowej generacji może być stosowany wszędzie tam, gdzie warunki na zewnątrz i wewnątrz rury podczas jej pracy różnią się od siebie w sposób znaczący. Rury kom- pozytowe mogą być również zastosowane na wymagające elementy kotła energetycznego, jak np. ściany szczelne, ale także elementy kotła odzysknicowego [10÷12]. Natalia Konieczna, Stanisław Lalik Celem niniejszego artykułu jest porównanie złączy spa- wanych wykonanych z różnym natężeniem prądu, a także jakościowa ocena złączy spawanych rur kompozytowych z płaskownikiem na podstawie wyników badań mikrostruktury, pomiarów twardości oraz technologicznej próby rozciągania. Materiał i metodyka badań Materiał do badań stanowiły złącza spawane ze spo- inami pachwinowymi z rur kompozytowych i płaskownika o składzie chemicznym podanym w tablicy I. Na rurę kom- pozytową o średnicy φ 50,80 mm oraz grubości g = 3,78 mm, składa się rura zewnętrzna Sandvik 3R12 (ASME 304L) o mikrostrukturze austenitycznej i rura wewnętrzna Sandvik 4L7 (ASME SA-2010A1) o mikrostrukturze ferrytyczno-perli- tycznej. Grubość rury ze stali 3R12 g = 1,30 mm, natomiast ze stali 4L7 g = 3,78 mm. Płaskownik o grubości g = 6 mm został wykonany ze stali X6CrNi18-10. Złącza spawane zło- żone z rury i płaskownika spojono łukiem krytym (121) z uży- ciem drutu spawalniczego LNS 304L (ISO14343: S 19 19 L) i topnika P2007 (ISO 14174: SA AF2 64 AC H5 2-20). Próbki do badań oznaczono zgodnie z tablicą II. Badania struktu- ralne prowadzono na zgładach wytrawionych w 10% kwasie przeglad Welding Technology Review 6 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 7/2016 szczawiowym przy napięciu 6 V. Obserwacje prowadzono przy pomocy mikroskopu metalograficznego Olympus GX 51, natomiast próbę twardości przeprowadzono na twardościo- mierzu Zwick metodą Vickersa. Technologiczną próbę roz- ciągania złączy spawanych złożonych z rury kompozytowej z płaskownikiem wykonano na maszynie wytrzymałościo- wej w celu określenia wytrzymałości na rozciąganie frag- mentu panela ściany szczelnej. Wyniki i ich dyskusja Wyniki badań makroskopowych złączy spawanych rura kompozytowa – płaskownik przedstawiono na rysunku 1, na- tomiast wyniki badań mikrostrukturalnych zostały przedsta- wione na rysunku 2 oraz na rysunku 3. Z analizy makrostruk- turalnej złączy spawanych wynika, że w próbce o większym natężeniu prądu wynoszącym 360 A dochodzi do głębszego wtopienia spoiny (rys. 1a) niż w próbce o zastosowaniu na- tężenia prądu o wartości 300 A (rys. 1b). W złączu nr 1 spo- iny nachodzą na siebie, natomiast w złączu nr 2 spoiny nie stykają się, są oddzielone materiałem płaskownika. Bada- nie mikrostruktury SWC złączy spawanych (rys. 2) pozwala stwierdzić, że w próbce nr 2 (rys. 2b) mikrostruktura jest bar- dziej drobnoziarnista w porównaniu do próbki nr 1 (rys. 1a), co świadczy o wpływie zastosowanego natężenia prądu i energii liniowej spawania. Co więcej na rysunku 2a można wyróżnić obszar złożony z gruboziarnistej mikrostruktury ferrytyczno-perlitycznej, strefę mikrostruktury drobnoziar- nistej oraz strefę odwęgloną. Złącze spawane, w którym zastosowano niższe parametry spawania charakteryzuje się drobnoziarnistą mikrostrukturą oraz strefą odwęgloną (rys. 2b). Na podstawie analizy literatury [13] można stwier- dzić, że odwęglenie jest charakterystyczne dla połączeń o odmiennym składzie chemicznym, co wynika z różnej prędkości dyfuzji węgla. Struktura strefy odwęglonej cha- rakteryzuje się grubymi ziarnami ferrytu. Podczas długiej eksploatacji, obszar odwęglony może powodować zmniej- szenie odporności na zmęczenie cieplne, a także spadek Stal C Si Mn P S Cr Ni Mo 4L7 0,192 0,274 0,696 0,007 0,010 0,076 0,050 0,018 V Ti Cu Al Nb N 0,002 0,005 0,086 0,009 0,00 0,0069 3R12 C Si Mn P S Cr Ni Mo 0,012 0,36 1,19 0,023 0,0052 18,47 10,12 0,29 V Ti Cu Al Nb N 0,050 0,009 0,35 0,003 0,01 0,052 X6CrNi18-10 C Si Mn P S Cr Ni Mo 0,05 0,35 1,35 0,018 0,007 18,20 10,02 0,11 Tablica I. Skład chemiczny złącza spawanego rury kompozytowej i płaskownika, % mas. Table I. Chemical composition of the welded joint of composite pipe and flat bar, % mass. wytrzymałości na pełzanie i w konsekwencji wywołać awa- rie urządzeń energetycznych. Na rysunku 3a przedstawiono mikrostrukturę SWC spoiny należącej do złącza spawanego większym natężeniem prądu (złącze spawane nr 1). Wy- konane obserwacje mikrostruktury potwierdzają głębokie wtopienie spoin oraz większą szerokość SWC w omawia- nym złączu. Szerokość SWC zależy od zastosowanej meto- dy spawania i parametrów technologicznych. Mikrostruktu- ra spoiny (rys. 3a i rys. 3b) ma charakterystyczną budowę dendrytyczną. Potwierdzono drobnoziarnistą mikrostruk- turę ferrytyczno – perlityczną rury 4L7 (rys. 3c). Z anali- zy mikrostruktury przedstawionej na rysunku 3d wynika, że płaskownik posiada mikrostrukturę austenityczną z pa- smowym wydzieleniem węglików.   a)   b) Rys. 1. a) Makrostruktura złącza spawanego nr 1 złożonego z rury 3R12/4L7 i płaskownika X6CrNi18-10 wraz z oznaczeniem spoin, b) Makrostruktura złącza spawanego nr 2 złożonego z rury 3R12/4L7 i płaskownika X6CrNi18-10 wraz z oznaczeniem spoin Fig.  1. a) Macrostructure of the welded joint No. 1 consisting of 3R12/4L7 pipe and X6CrNi18-10 flat bar, b) Macrostructure of the welded joint No. 2 consisting of 3R12/4L7 pipe and X6CrNi18-10 flat bar    1    3    4   2    1    3    4   2 Z analizy wyników pomiarów twardości (tablica III) wy- nika, że najwyższą twardością w obu przypadkach złączy spawanych rur ze stali 3R12/4L7, charakteryzuje się mate- riał rodzimy płaskownika (próbka nr 1 - 245 HV1, próbka nr 2 – 222 HV1). Natomiast najniższą twardością charakteryzuje się SWC rury ferrytyczno-perlitycznej zarówno w próbce nr 1 (126 HV1) i próbce nr 2 (141 HV1). Zaobserwowano wpływ 7PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 7/2016 energii liniowej spawania na zmianę twardości w poszcze- gólnych strefach złącza. Wraz z zastosowaniem większej energii liniowej spawania, spoina staje się twardsza, a tym samym mniej plastyczna, co może prowadzić do jej pęknię- cia w złożonym stanie naprężeń. Wykonane badanie technologicznej próby rozciągania na złączach spawanych złożonych z rur kompozytowych i płasko- wników (rys. 4) wykazało, że zerwanie próbki nastąpiło poza złą- czem spawanym. Świadczy to o wysokiej wytrzymałości spoiny.   a)   b) Rys.  2.  a) Mikrostruktura SWC rury 4L7 złącza spawanego nr 1, b) Mikrostruktura SWC rury 4L7 złącza spawanego nr 2 Fig. 2. a) Heat affected zone microstructure of 4L7 pipe welded joint No. 1, b) Heat affected zone microstructure of 4L7 pipe welded joint No. 2 Rys. 3. a) Mikrostruktura SWC spoiny w próbce nr 1, b) Mikrostruk- tura SWC spoiny w próbce nr 2, c) Mikrostruktura rury 4L7 w próbce nr 2, d) Mikrostruktura płaskownika w próbce nr 1 Fig. 3. a) Heat affected zone microstructure of the weld on sample No. 1, b) Heat affected zone microstructure of the weld on sample No. 2, c) Microstructure of 4L7 pipe on sample No. 2, d) Microstruc- ture of flat bar on sample No. 1   a)   b)   c)   d) Nr próbki wraz   ze spoinąpomiaru twardości Próbka nr 1  Spoina 1 Próbka nr 2 Spoina 1 Materiał rodzimy płaskownika 245, 230, 237 216, 212, 222 Sfera wpływu ciepła płaskownika 245, 231, 230 191, 187, 200 Spoina 224, 227, 215 167, 166, 174 Sfera wpływu ciepła rury austenitycznej 236, 229, 228 199, 201, 199 Materiał rodzimy rury austenitycznej 221, 225, 228 198, 212, 212 Sfera wpływu ciepła rury   ferrytyczno-perlitycznej 189, 193, 199 208, 191, 203 Materiał rodzimy rury   ferrytyczno-perlitycznej 126, 119, 121 127, 141, 120 Tablica III. Wyniki pomiarów twardości HV1 w złączu spawanym rura – płaskownik Table III. The results of measurements of HV1 hardness in a pipe – flat bar welded joint Rys. 4. Widok złącza spawanego a) przed technologiczną próbą rozciągania, b) po technologicznej próbie rozciągania Fig. 4. View of welded joint a) before technological tensile test, b) after technological tensile test   a)   b) 8 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 7/2016 Literatura [1] A. Hernas, J. Pasternak, S. Fudali, J. Witkowski, „Właściwości technolo- giczne nowych materiałów przeznaczonych do budowy kotłów na para- metry nadkrytyczne”, Praca zbiorowa pod red. A. Hernasa: Procesy nisz- czenia oraz powłoki ochronne stosowane w energetyce, s.255-274, 2015. [2] A. Hernas, „Żarowytrzymałość stali i stopów”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1999. [3] S. Lalik, G. Niewielski, „Spawanie stali przeznaczonych na elementy nad- krytyczne kotłów”, Inżynieria Materiałowa, nr 6, s.727-728, 2003. [4] E. Tasak, A. Ziewiec, „Spawalność materiałów konstrukcyjnych. Tom 1. Spawalność stali”, Wydawnictwo JAK Kraków, 2009. [5] M. Łomozik, „Żarowytrzymałe stale konstrukcyjne dla przemysłu energe- tycznego – wczoraj i dziś”, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, nr 5, s.52-53, 2013. [6] E. Tasak, „Metalurgia spawania”, Wydawnictwo JAK, Kraków, 2008. [7] J. Pasternak, S. Fudali, A. Hernas, M. Staszewski, „Stale austenityczne do zastosowań w kotłach o parametrach nadkrytycznych”, Energetyka, Zeszyt tematyczny, nr 18, s.100-103, 2008. [8] P. Jamrozik, M. Sozańska, J. Pasternak, „Właściwości mechaniczne złą- czy spawanych ze stali Sanicro 25 oraz stopu HR6W”, Przegląd Spawal- nictwa, nr 10, s. 39-45, 2013. [9] P. Urbańczyk, J. Słania, G. Golański, M. Matusik, „Wpływ pełzania na uszkodzenia złącza spawanego rurociągu pary świeżej”, Przegląd Spa- walnictwa, nr 4, s. 23-31, 2014 [10] J. Adamski, A. Balcerzyk, S. Lalik, „Badania przemysłowe gazoszczelnych ścian rurowych i wężownic ze stali nowej generacji”, Energetyka, nr 10, s.645-647, 2015. [11] Sandvik 3R12/4L7, “Composite tubes for recovery boilers and other bo- iler applications”, Sandvik Materials Technology, 2012. [12] M. Blicharski, „Zmiany mikrostruktury w połączeniach spawanych różno- imiennych materiałów stosowanych w energetyce”, Przegląd Spawalnic- twa, nr 3, s. 2-13, 2013 [13] E. Tasak, A. Ziewiec, K. Ziewiec, „Problemy występujące przy spawaniu i naprawie spoin stali różnorodnych”, Archiwum Hutnictwa, nr 21, s.221- 226, 2006. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań metalograficznych, analizy twardości oraz technologicznej próby rozciągania złącza spawanego rury kompozytowej 3R12/4L7 i płaskownika ze stali X6CrNi18-10, a także analizy literatury dotyczącej złączy spawanych można sformułować następujące wnioski: – Złącza spawane oznaczone jako nr 1 i nr 2 mają poprawną budowę geometryczną i są wolne od niezgodności spawalniczych. – Przeprowadzone badania mikrostruktury pozwalają stwierdzić, że płaskownik charakteryzuje się mikrostrukturą austeni- tyczną, natomiast spoina ma budowę dendrytyczną. – W obu przypadkach złącza spawanego (nr 1 i nr 2) z rury 3R12/4L7 oraz płaskownika X6CrNi18-10 zaobserwowano naj- wyższą twardość w materiale rodzimym płaskownika, a najmniejszą w materiale rodzimym stali ferrytyczno-perlitycznej. – Zwiększenie energii liniowej spawania wpływa na zmniejszenie twardości w poszczególnych strefach złącza spawanego. – Przeprowadzona technologiczna próba rozciągania złącza spawanego potwierdziła wysoką wytrzymałość i jakość połą- czeń; zerwanie próbki nastąpiło poza złączem spawanym.