Mi az a HAZ (hő által érintett zóna) és miért számít?

 Bevezetés

Minden alkalommal, amikor fémet hegesztenek, a két darab egymáshoz olvasztásához szükséges hő a hegesztést körülvevő fémet is megváltoztatja -, gyakran szabad szemmel láthatatlan módon. Ezt a megváltozott zónát aHő által érintett zóna (HAZ). A HAZ megértése nem csupán akadémiai gyakorlat; ez gyakorlati szükséglet minden mérnök, gyártó vagy vásárló számára, aki tartós, megbízható teljesítményt{1}}követel meg a rozsdamentes acélból és nikkelötvözetből készült alkatrészektől.

Legyen szó nyomástartó edények tervezéséről az olaj- és gázszektor számára, gyógyszerészeti-minőségű csővezetékek gyártásáról, vagy egyszerűen csak azt próbálja megérteni, hogy egy hegesztési kötés miért nem működik, a HAZ szinte mindig a történet része.

Kulcsfontosságú betekintés: A hőhatás zóna nem olvad el. Ez az a hegesztési varrat melletti terület, amelyet a hő tartósan megváltoztat anélkül, hogy elérné az olvadáspontot. Ezek a finom mikroszerkezeti változások drámaian csökkenthetik a korrózióállóságot, a szívósságot és a mechanikai szilárdságot.

Mi az a hő által érintett zóna (HAZ)?

Meghatározás:A hő által érintett zóna (HAZ) az alapfém azon része, amely közvetlenül szomszédos egy hegesztéssel, amely nem olvadt meg, de a hegesztési folyamat során keletkező hő hatására mikroszerkezeti változásokon ment keresztül. Ezek a változások azért következnek be, mert a fém gyors és ellenőrizetlen hőciklusban - melegszik, majd gyors lehűlés - megváltoztatja szemcseszerkezetét, fázisösszetételét és kémiai eloszlását.

A hegesztési fémtől eltérően (az a terület, amely ténylegesen megolvadt és újra{0}}szilárdult), a HAZ a folyamat során szilárd marad. Azonban az ebben a zónában elért hőmérséklet -, amely körülbelül 200 foktól egészen az olvadáspont alatti - tartományig terjedhet, elegendő ahhoz, hogy különféle kohászati ​​átalakulásokat indítson el.

Három különálló hegesztési zóna

Valójában minden hegesztett kötés három zónából áll, amelyek mindegyike eltérő tulajdonságokkal rendelkezik:

Hegesztett fém (WM): Az a terület, amely megolvadt és újra{0}}szilárdult. Öntött-mikroszerkezetű, és elsősorban a töltőanyag összetétele szabályozza.

Hő által érintett zóna (HAZ): A hegesztési varrat melletti szilárd terület, ahol hőciklus volt tapasztalható. A mikrostruktúra megváltozott, de nem olvad meg. Ez a kohászatilag legbonyolultabb és gyakran a leggyengébb láncszem.

Nem alapfém (BM): A hegesztési varrattól távol lévő, érintetlen alapanyag, amely megőrzi eredeti mikroszerkezetét és tulajdonságait.

Hogyan alakul ki a HAZ?

Képzeld el, hogy egy jégkockát teszel egy forró serpenyő mellé. A serpenyőhöz legközelebb eső jég olvad el először, míg a távolabb lévő jég csak lágyul. A fém analóg módon viselkedik hegesztés közben - az ívhez legközelebb eső fém megolvad, míg a közvetlenül mögötte lévő fém nagyon felforrósodik, de szilárd marad.

A HAZ azért jön létre, mert a hővezető képesség hatására a hő kiáramlik a hegesztőmedencéből a környező nemesfémbe. Ahogy ez a hő áthalad a fémen, egyidejűleg különböző hőmérsékleti zónák alakulnak ki. Mindegyik hőmérsékleti zóna az ötvözet összetételétől függően különböző metallurgiai reakciókat vált ki.

A termikus ciklus

A HAZ hőciklusának négy kritikus szakasza van:

Gyors fűtés: A hőmérséklet másodperceken belül a környezeti hőmérsékletről a csúcsra emelkedik.

Csúcshőmérséklet-fennsík: A maximális hőmérsékletet rövid ideig tartják. Minél közelebb van a hegesztéshez, annál magasabb a csúcs.

Gyors hűtés: A hő szétoszlik az alapfémben és a környező környezetben.

Ismételt ciklus (több{0}}menetes hegesztések): Minden következő hegesztési folyamat újra felmelegszik, és újra-alakítja az előző hegesztések HAZ-át.

A csúcshőmérséklet, a hőmérsékleten eltöltött idő és a hűtési sebesség kombinációja határozza meg a HAZ - mikrostruktúráját, és ezáltal annak mechanikai és korróziós tulajdonságait.

Rozsdamentes acél és nikkelötvözetek szennyeződése: anyag{0}}specifikus kockázatok

Nem minden fém reagál egyformán a HAZ hőre. A korrózióállóságuk és a magas hőmérsékleti szilárdságuk miatt nagyra értékelt rozsdamentes acél és nikkelötvözetek különösen érzékenyek a HAZ-indukált degradációra. Íme, miért.

Ausztenites rozsdamentes acél

Ausztenites minőségeka legszélesebb körben használt rozsdamentes acélok világszerte. Azonban nagyon érzékenyek a HAZ jelenségre, az úgynevezettszenzibilizáció. Amikor az ausztenites acélt 425-870 fokos hőmérsékleti tartományra hevítik, - gyakran nevezikérzékenységi tartomány- króm-karbidok (Cr₂3C₆) kicsapódnak a szemcsehatárokon.

Ez a krómkiválás kimeríti a védő krómtartalom szomszédos zónáit (a kritikus 10,5%-os küszöb alatt), így a szemcsehatárok sérülékenyekszemcseközi korrózió (IGC). Az eredmény egy olyan anyag, amely tökéletesen jól néz ki a felületen, de a szemcsehatárok mentén széteshet, ha korrozív környezetnek van kitéve.

Valódi-világkövetkezmény: Egy vegyi üzemben egy 316 literes rozsdamentes acél csőhegesztés, ha nincs megfelelően utó

Duplex rozsdamentes acél

Duplex minőségekÚgy tervezték, hogy az ausztenit és a ferrit 50/50 arányú kiegyensúlyozott mikroszerkezete legyen. A HAZ hőbevitel felboríthatja ezt az egyensúlyt, ami túlzott ferritképződést vagy káros intermetallikus fázisok kiválását okozza -, legfőképpenszigma fázis (σ)-, amely drasztikusan csökkenti a szívósságot és a korrózióállóságot.

Nikkelötvözetek

Nikkelötvözetekextrém környezeti körülményekre, - magas hőmérsékletekre, agresszív vegyszerekre és nagy igénybevételt jelentő mechanikai terhelésekre tervezték. A HAZ-ban az elsődleges kockázatok a következők:

A szemek növekedése magasabb hőmérsékleten, csökkentve a folyáshatárt és a fáradtságállóságot.

Laves-fázis (Inconel 625-ben) vagy karbidfázisok kicsapódása a szemcsehatárokon, ami rontja a hajlékonyságot.

Feszültségkorróziós repedés (SCC) érzékenység, különösen klorid{0}}csapágyas környezetben.

1. táblázat: HAZ hőmérsékleti zónák és elsődleges kockázatok anyagok szerint

A HAZ csúcshőmérséklet a hőbeviteltől, a hegesztési folyamattól (TIG, MIG, SAW) és a nem nemesfém hővezető képességétől függően változik. Az adatok az ívhegesztési eljárások tipikus tartományait jelentik.

Miért számít a HAZ: Valós{0}}hatások a világra

Az ellenőrizetlen vagy rosszul kezelt HAZ következményei messze túlmutatnak a hegesztőműhelyen. Ezek a berendezés idő előtti meghibásodásában, biztonsági eseményekben, költséges javításokban és a szabályozási nem megfelelőségben- nyilvánulnak meg.

Hatás a korrózióállóságra

A korrózióállóság általában az elsődleges oka annak, hogy a mérnökök rozsdamentes acélt vagy nikkelötvözeteket írnak elő. A HAZ-indukált szenzibilizáció egy nagyságrenddel csökkentheti az ausztenites rozsdamentes acél hatékony korrózióállóságát. Agresszív közegekben -, például kloridokban, savakban vagy magas-hőmérsékletű gőzben - ez a csökkenés a várt évtizedek helyett heteken belül meghibásodást okozhat.

Hatás a mechanikai tulajdonságokra

A HAZ hőciklus megváltoztatja a legfontosabb mechanikai tulajdonságokat. A keménység egyes zónákban növekedhet (bizonyos minőségekben a martenzitképződés miatt), míg másokban csökkenhet (a csapadék-edzett ötvözetek túlöregedése miatt). A szívósság - az ütési energia elnyelő képessége - a legtöbb ötvözet HAZ-értékében következetesen csökken.

2. táblázat: A mechanikai tulajdonságok változása a HAZ-ban és az alapfémben (ausztenites SS - reprezentatív adatok)

A keménység növekedhet a fúziós vonal melletti lokalizált{0}}alzónákban. Az adattartományok a GTAW (TIG) hegesztett ausztenites rozsdamentes acélt reprezentálják szabványos hőbevitel mellett.

A szerkezeti integritásra gyakorolt ​​hatás

Szerkezeti és nyomású{0}}alkalmazásokban a HAZ leromlása veszélyeztetheti a teljes gyártott összeállítás integritását. Hidrogén -indukált repedés (HIC), feszültségkorróziós repedés (SCC) és fáradási repedés kezdete általában a HAZ-ból származik a megváltozott mikroszerkezete és a megnövekedett maradó feszültségek miatt.

Az iparági hibaelemzési adatok szerint a rozsdamentes acél nyomástartó berendezések hegesztéssel kapcsolatos meghibásodásainak körülbelül 30–40%-ánál a HAZ a kiindulási hely.

A HAZ okozta károk minimalizálása: bevált mérnöki stratégiák

A jó hír az, hogy a HAZ-hatások kezelhetők. Megfelelő folyamattervezéssel, anyagválasztással és hegesztési varrat-utókezeléssel a mérnökök jelentősen korlátozhatják a HAZ-romlást.

3. táblázat: Rozsdamentes acél és nikkelötvözetek veszélyforrás-csökkentési stratégiái

A hatékonysági értékelések az ASME, az AWS és az EFC iránymutatásaiból származó iparági konszenzusos adatokon alapulnak. A tényleges eredmények az ötvözet minőségétől, a szolgáltatási környezettől és a végrehajtás minőségétől függenek.

Az utó{0}}hegesztési hőkezelés (PWHT) szerepe

Az utó-hegesztési hőkezelés (PWHT) vitathatatlanul a leghatékonyabb eszköz a HAZ tulajdonságainak helyreállítására. Ausztenites rozsdamentes acélokhoz egy teljesoldatos izzítás1010-1120 fokon, majd a gyors vízhűtés feloldja az érzékenyítő karbidokat és helyreállítja a korrózióálló -mikrostruktúrát.

A nikkel szuperötvözetek esetében a PWHT protokollok ötvözet--specifikusak, és olyan dokumentumok szabályozzák őket, mint az ASME BPVC IX. szakasza és az AWS D10.18. A PWHT paraméterek meghatározása előtt mindig olvassa el az anyagspecifikus hegesztési eljárás specifikációját (WPS).

Alacsony hőbevitelű hegesztés

A hegesztőmérnökök csökkenthetik a HAZ szélességét és súlyosságát a hőbevitel minimalizálásával (joule/mm). A gázvolfram-ívhegesztést (GTAW/TIG) előnyben részesítik a rozsdamentes acél és a nikkelötvözetek esetében, mivel precíz ívszabályozást és alacsonyabb általános hőbevitelt kínál az olyan eljárásokhoz képest, mint a merülőíves hegesztés (SAW).

Gyakorlati szabály: a hőbevitel 30%-os csökkentésével a HAZ szélessége 20-40%-kal csökkenhet az ötvözettől és a kötés geometriájától függően.

Tesztelés és szabványok: A HAZ minőségének ellenőrzése

Az ipar szabványos tesztekre és kódokra támaszkodik a HAZ teljesítményének értékeléséhez és minősítéséhez. Az alábbi táblázat összefoglalja a rozsdamentes acélból és nikkelötvözetből készült termékekre vonatkozó legfontosabb szabványokat.

4. táblázat: A HAZ tesztelésére és minősítésére vonatkozó kulcsfontosságú iparági szabványok

A szabványokat rendszeresen frissítik. Mindig az aktuális kiadásra hivatkozzon. Tekintse meg a projekt specifikációját vagy a vonatkozó tervezési kódot a kötelező tesztelési követelményekről.

Ipari alkalmazások: ahol kritikus a HAZ szabályozás

A HAZ-kezelés több iparágban is kötelező mérnöki szempont:

A tengeri csővezeték-hegesztéseknek és nyomástartó edénygyártásoknak meg kell felelniük a NACE MR0175/ISO 15156 szabványnak a savanyú szolgáltatási környezetekre vonatkozóan. A HAZ keménységi határértékeket (általában max. 250 HV10) szigorúan betartják, hogy megakadályozzák a szulfidos feszültségrepedést (SSC).

A 316L-ből vagy 20-as ötvözetből készült reaktortartályok és hőcserélők érzékenységi vizsgálatot igényelnek (ASTM A262), hogy biztosítsák a HAZ korrózióval szembeni ellenállását a savas üzemben.

A higiéniai alkalmazásokhoz elektropolírozott, hibamentes{0}}hegesztésre van szükség. A HAZ-kiváltotta felületi érdesség vagy korróziós lyukfoltosság baktériumokat hordozhat, és megsértheti az FDA/GMP szabványokat.

A nikkel szuperötvözetekből készült turbinalapátok és égéstermékek gondosan ellenőrzött HAZ-t igényelnek a kúszási és kifáradási tulajdonságok 800 fok feletti üzemi hőmérsékleten való megőrzéséhez.

A kloridban{0}}dús környezet megköveteli a HAZ korrózióállóságot. Super duplex rozsdamentes acél (2507) és nikkelötvözetek vannak előírva, kötelező lyukkorróziós vizsgálattal az ASTM G48 szerint.

HAZ szempontok a rozsdamentes acél és a nikkelötvözet termékek kiválasztásánál

Ha rozsdamentes acélból vagy nikkelötvözetből készült termékeket vásárol hegesztett gyártmányokhoz, a megfelelő ötvözet megadása csak a fele az egyenletnek. A vásárlóknak és a mérnököknek a következőket is figyelembe kell venniük:

A malomvizsgálati jelentések (MTR-ek) kérése, amelyek megerősítik a szén-dioxid-tartalmú - alacsonyabb-szénminőséget (pl. 304L, 316L), eleve kevésbé érzékenyek az érzékenységre.

Stabilizált minőségek meghatározása (pl. 321, 347), amelyek titánt vagy nióbiumot használnak a karbidok kialakítására, és megakadályozzák a króm kimerülését a HAZ-ban.

Annak megerősítése, hogy a szállító ötvözet-{0}}specifikus hegesztési irányelveket biztosít, és támogatja a WPS fejlesztését.

Ragaszkodjon a nyomon követhetőségi dokumentációhoz, amely bizonyos hőfokokat/tételeket köt össze a hegesztési eljárások minősítésével.

Ha a HAZ korrózióállósága kritikus fontosságú, fontolja meg a szabványos 316-ról 316L-re való frissítést, vagy az ASTM A240 szerint alacsony-szén-hő megadását. A még nagyobb biztonság érdekében a stabilizált 321 vagy a magas -molibdén 317L további biztonsági sávot biztosít az érzékenységre hajlamos-hőmérséklet-tartományokban.

Következtetés

A hőhatás zóna a hegesztés elkerülhetetlen következménye. Ez önmagában nem hiba, de egy sebezhetőségi zóna -, amely szigorú mérnöki figyelmet, megalapozott anyagválasztást, fegyelmezett folyamatellenőrzést és ellenőrzött tesztelést igényel.

A rozsdamentes acél és nikkelötvözet alkalmazások esetében, ahol a korrózióállóság és a mechanikai integritás az alapvető értékajánlat, a HAZ-kezelés elsajátítása nem-tárgyalható. A HAZ-t értő mérnökök jobb tervezési döntéseket hoznak. A HAZ-t irányító gyártók kiváló, megbízhatóbb termékeket szállítanak. Azok a vásárlók pedig, akik meghatározzák a HAZ-követelményeket, védik eszközeiket és az eredményüket.

Egy olyan világban, ahol az anyagteljesítményt és az infrastruktúra megbízhatóságát egyre jobban megvizsgálják, a hőhatás által érintett zóna egy kis zóna, amely nagyon súlyos következményekkel jár.