Hidrojen Yüklü Çeliğin Kaynağı

Özellikle rafineri hizmetinde olmak üzere çeşitli çelik ekipman türleri, çalışma sırasında hidrojeni emer. Malzeme seçimi ve tasarımı, bunun herhangi bir hasara yol açmamasını sağlamalıdır, ancak çelikte hidrojenin varlığı, kaynakla ilgili değişiklikler veya onarımlar gerekliyse de dikkate alınmalıdır. Çelikteki hidrojen, kaynakta hidrojene katkıda bulunur ve fabrikasyon hidrojen çatlağı veya 'soğuk çatlama' riskini artırabilir. Genel yaklaşım, çelikte önemli miktarda hidrojen kalmadığından emin olmak için kaynak işleminden önce bir hidrojen uzaklaştırma ısıl işlemi veya "hidrojen fırlatması" uygulamaktır, bu durumda çatlamayı önlemek için normal kaynak önlemleri alınabilir. Bununla birlikte, bu, bir rafinerinin daha uzun süre kapalı kalmasına neden olursa, harcanan zamanın maliyete doğrudan ve özellikle önemli bir katkı sağladığı, maliyetli ve zaman alıcı bir süreçtir. Baz çeliğindeki hidrojenin etkileri deneysel bir çalışma programında araştırılmış ve güvenli kaynak prosedürleri için öneriler yapılmıştır.

Hidrojen yüklü çeliğe kaynak yapma zorunluluğu ile karşılaşıldığında, kaynak mühendisi, hidrojeni çıkarmak için gereken süre ve sıcaklığı belirlemek için tipik olarak bir tür hesaplama yapacaktır. Bu tür herhangi bir hesaplama, söz konusu çelikteki yayılma katsayısı hakkında bir bilgi gerektirecektir, ki bu genellikle herhangi bir güvenle bilinmemektedir ve çıkarılması gereken hidrojen miktarına ilişkin bir miktar yargıya varılması gerekecektir. Bu belirsizliklere bir çözüm, hidrojen efüzyonunun doğrudan ölçümünü kullanmaktır ve böyle bir yaklaşımın başarılı bir şekilde kullanıldığı bildirilmiştir. Bununla birlikte, çelikteki hidrojenin etkileri kaynak prosedürüne uydurulabilirse, hem durma süresi hem de belirsizlik ortadan kalkacaktır. Hidrojen çatlamasını önleyen kaynak koşulları, yüksek hidrojen sarf malzemeleri için tasarlanabilir ve hidrojen yüklü bir çelik için benzer bir yaklaşım mümkün olmalıdır.

Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için upn çelik profil nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Çelikte hidrojeni barındıran kaynak prosedürlerini tasarlamanın bir başka avantajı, nispeten düşük sıcaklıkta pişirme işlemleriyle dışarı atılamayan veya bu nedenle doğrudan hidrojen akışı ölçümleriyle kaydedilemeyen hapsolmuş hidrojenin hesaba katılmasıdır. Hesaplama veya ölçüm yoluyla bir hidrojen pişirme işleminin tamamen etkili olduğunu varsaymakla ilişkili bazı riskler vardır.

Yukarıdaki hususları akılda tutarak, bir deneysel çalışma programı yürütülmüştür. Amaç, kaynak prosedürlerinde uygun modifikasyonların önerilebileceği şekilde, çelikteki hidrojenin etkisini göstermek ve ölçmektir.

Yaklaşım

Hizmet halindeki çeliklerin hidrojen şarjı sorunu hem düşük sıcaklıkta korozif koşullarda hem de sıcak, yüksek basınçlı hidrojenle çalışırken ortaya çıkar. Korozif koşullar için birincil sorun, özellikle ekşi (H2S içeren) ortamlarda çalışırken karbon manganez (C-Mn) çelikleridir. Sıcak, yüksek basınçlı hidrojen için, hidrojen atağına dayanıklı krom molibden (Cr-Mo) alaşımlı çelikler kullanılır. Hem malzemelerdeki hem de hidrojen yükleme yollarındaki önemli farklılıklar göz önüne alındığında, çalışma, bir hidrojen otoklavında şarj edilmiş, korozif olarak yüklenmiş C-Mn çeliği ve Cr-Mo çeliği üzerinde testleri içeriyordu.

Kontrollü termal şiddet (CTS) testi, hidrojen yüklü ve hidrojensiz çelikler arasında bir karşılaştırma sağlamak için bir kaynaklanabilirlik testi olarak seçilmiştir. Bu test kullanılarak üretilen veriler, şu anda BS EN 1011-2, Ek C'de ve hidrojen çatlaması olmayan kaynak çeliklerine ilişkin kılavuzların temelini oluşturdu. Bu nedenle, verilerin çatlamadan kaçınmak için doğrudan kılavuzlara beslenmesine izin verecek uygun bir test olarak kabul edildi. Test yönteminde sadece küçük bir değişiklik ile hidrojen şarjı ve analizi gerçekleştirmek de mümkündü. Hidrojen analizini kolaylaştırmak için, test kaynağından hemen önce analiz için çıkarılmış olan tüm test bloklarına uzatma parçaları dahil edildi.

Bir onarım kaynağı durumunda ısı girdisi üzerindeki yaygın kısıtlamalar dikkate alınarak, onarım uygulamasına özgü tek bir ısı girdisinde ön ısıtma açısından "çatlak: çatlak yok" sınırları belirlendi.
 

Test çelikleri üç C-Mn çeliğinden ve bir Cr-Mo çeliğinden oluşuyordu.

İki malzeme değişkeninin etkilerini araştırmak için üç C-Mn çeliği kullanıldı. Seçilen çelikler, yüksek ve düşük karbon eşdeğerlerini (CE) kapsar, bu malzeme sınıfının fabrikasyon hidrojen çatlamasına karşı göreceli duyarlılığını en iyi tanımlayan parametre. Seçilen çelikler ayrıca hem yüksek hem de düşük kükürt içeriklerini kapsar. Daha yüksek kükürt seviyesi, inklüzyonlar çevresinde (çelikte hidrojenin difüzyonunu yavaşlatabilecek) hidrojen yakalama etkisinin keşfedilmesine izin vermek için seçildi.

Onarım kaynak işlemlerinde karşılaşılması muhtemel olan eski 'kirli' (yüksek kükürt ve oksijen) çeliklerin temsilcisi olarak yüksek CE, yüksek kükürtlü C-Mn çeliği (A) seçildi. Eski İngiliz Standardı BS 1501-221 derece 32A ile uyumluydu ve% 0,43 CE'ye ve% 0,032'lik bir kükürt içeriğine sahipti.

Aynı CE'ye (çelik B) sahip, ancak çok düşük sülfür içeriği < % 0,002 olan bir çelik, çelik temizliği açısından bir karşılaştırma sağlamıştır. Dahası, bu test edilen üç C-Mn çeliğinden Al ile işlenmiş tek çelikti ve 4 ppm'lik düşük oksijen içeriğine sahipti. Bu çelik BS 4360: 1990 derece 50D ile uyumludur. Tane boyutu A çeliğinden daha inceydi, ancak bu sınıftaki bir çelik için alışılmadık bir durum değildi.

Çelik C, BS 1501-121'e göre başka bir yüksek kükürtlü (% 0.033) çelikti, ancak % 0.36 daha düşük bir CE ile. Tane boyutu nispeten kabaydı ve çelik B'ye göre A çeliğine daha yakındı.

Cr-Mo çeliği (B), temperlenmiş bir bainitik mikroyapıya ve düşük kükürt ve oksijen içeriklerine sahip bir 2.25Cr 1Mo tipiydi.

Manuel metal ark / korumalı metal ark işlemi seçildi ve istenen hidrojen seviyesine uygun hale getirilebilen kısmen kurutulmuş kaynak sarf malzemeleri tedarik edildi. C-Mn çelikleri için AWS E7018 sarf malzemeleri kullanıldı. Bunlar, 9.7ml / 100g hidrojen vermek üzere 330 ° C'de bir saat kurutuldu, yani BS EN 10111-2'de C ölçeğinin üst ucuna doğru. Cr-Mo çeliği için, eşleşen AWS E9018 sarf malzemeleri kullanıldı, 250 ° C'de bir saat kurutularak 4.3ml / 100g hidrojen verdi, yani D ölçeğinin üst ucuna doğru.

C-Mn Çeliklerinin Hidrojen Şarjı

C-Mn çeliklerinin hidrojen şarjı, modifiye edilmiş CTS üst bloklarının (aşağıya bakınız), asitlendirilmiş (pH3) % 5 NaCl çözeltisine H2S ile doyurulmuş (standart NACE TM 01 77 çözelti A) 96 saatlik bir maruziyet süresiyle yerleştirilmesiyle sağlanmıştır. . Yüklendikten sonra, bloklar solüsyondan çıkarıldı, hafifçe temizlendi, ardından kuru buzda paketlendi ve test için gerekli olana kadar bir dondurucuda saklandı. Yüklü CTS üst bloklarından gelen sekmelerdeki yayılabilir. Yayılabilir hidrojen analizi, ortam sıcaklığında cıva üzerinde evrim ve toplama ile ve artık hidrojen (ekleme yoluyla toplam hidrojeni vermek için) gerçekleştirilmiştir. 650 ° C'de vakumlu sıcak ekstraksiyon.

Cr-Mo Çeliklerinin Hidrojen Şarjı

Cr-Mo çeliğinin hidrojen yüklemesi bir otoklav kullanılarak gerçekleştirildi. Bu durumda CTS üst blokları, 48 saat süreyle 450 °C sıcaklıkta ve 10.3 MPa (1500 psi) basınçta bir hidrojen atmosferine maruz bırakıldı. Bu sıcaklık, yaklaşık olarak birçok teknenin çalıştığı sıcaklık olduğundan ve basınç, bu durumu bu malzeme için Nelson eğri grafiğinin 'güvenli' bölgesine yerleştirdiğinden seçilmiştir. Bu koşullar altında malzemeyi doyurmak için 48 saatlik maruziyet süresi yeterli olmalıdır. Önceki yayınlanmış çalışma, yaklaşık 4 ppm'lik bir hidrojen içeriğinin elde edilmesi gerektiğini belirtir. Aynı kaynak, benzer koşullar altında bir a demir için hesaplanan 4.8 ppm hidrojen içeriğini belirtir.

Şarj edildikten sonra Cr-Mo blokları, C-Mn blokları ile aynı şekilde saklandı. Bununla birlikte, bu durumda yükleme ve depolama arasında bir miktar hidrojen kaybı beklenir çünkü blokların basıncın serbest bırakılabilmesi ve blokların çıkarılıp söndürülmesinden önce 250 ° C'ye kadar soğuması gerekir. Bu bir saat kadar sürebilir.

Yayılabilir hidrojen analizi, ortam sıcaklığında cıva üzerinde evrim ve toplama ile ve artık hidrojen (ekleme yoluyla toplam hidrojeni vermek için) sıcak vakum ile gerçekleştirilmiştir. 650 ° C'de ekstraksiyon.
CTS Testleri

CTS testi mümkün olduğunca BS EN ISO: 17642-2: 2005 'e göre gerçekleştirildi, ancak bu çalışmanın özel gereksinimlerini hesaba katmak için biraz değiştirildi. Tüm kaynak, tamir kaynakları için olası uygulamayı temsil eden 0.8 kJ / mm (1 k / mm ark enerjisi) nominal ısı girdisinde gerçekleştirildi. 'Çatlak: çatlak yok' sınırlarını tanımlamak için farklı ön ısıtmalarda testler yapılmıştır. Eşik ön ısıtma, çatlamanın gözlemlendiği en yüksek ön ısıtma olarak tanımlanır, 25 °C içinde "çatlak yok" sonucuna göre belirlenir ve ikinci bir "çatlak yok" sonucu ile doğrulanır.
 

Test düzeneğinin kendisi, sabitleme ankraj kaynaklarından ziyade dört cıvata (100 Nm torkla sıkılmış) tarafından sağlanacak şekilde değiştirildi. Bu, çapa kaynağı sırasında hidrojen yüklü CTS test düzeneklerinden hidrojen kaybını önlemek içindi. Ek olarak, hidrojen yüklü üst bloklar, kaynağın karşısındaki yüzünde küçük (10x12x75mm) tırnaklarla işlendi. Bunlar ön ısıtmadan hemen önce kesildi ve hidrojen belirlemeleri için kullanıldı. Değiştirilmiş tasarım, tutarlı karşılaştırmaları sağlamak için tüm testlerde kullanılmıştır.

Yüksüz taban çizgisi dahil olmak üzere bu prosedürün geçerliliğini belirlemek için, 150 ° C'ye kadar ön ısıtma öncesinde ve sonrasında eşzamanlı olarak yüklenmiş iki bloktan (çelik A) sekmeler üzerinde hidrojen belirlemeleri gerçekleştirildi. Bu denemenin sonuçları, aşağıda çelik A için olanların geri kalanıyla birlikte rapor edilmektedir.
 

Ön ısıtma sırasında hidrojen kaybını en aza indirmek için, hidrojen yüklü üst blokları hızlı bir şekilde ısıtmak ve bunları ayrı olarak önceden ısıtılmış alt bloklara cıvatalamak için bir prosedür geliştirilmiştir. Daha büyük alt bloklar ve cıvatalar, bir fırında (inç kalınlık başına 1 saat) ıslatılarak gerekli sıcaklığa getirildi. Hidrojen yüklü üst bloklar, elektrik dirençli bir ısıtma yöntemi kullanılarak ısıtıldı. Kullanılan ekipman, bu çalışmada kullanılan numune boyutu için, yani 50 mm CTS üst bloğun 70 saniyede 180 ° C sıcaklığa kadar ısınabildiği bulunan bir kaynak termal simülatörüydü. CTS bileşenlerinin ısıtılması ve müteakip montajı sırasında, taşınabilir bir dijital termometre ile ve üst bloğun üst yüzünde bulunan bir (Chromel Alumel) termokupldan okumalar alınarak sıcaklık izlendi.

CTS testlerini gerçekleştirmeden önce, bu üst yüz ile blok merkezi arasındaki sıcaklık değişimlerinin bir araştırması gerçekleştirildi. Sonuçlar, 180 °C'ye ısıtıldığında, üst yüzde ölçülen sıcaklığın daha hızlı yükseldiğini ve merkezdeki sıcaklığı 20 °C'ye kadar aştığını gösterdi. Akım düştükçe (180 °C'ye yaklaşıldıkça) fark azaldı. Akım kapalıyken, 10 saniye sonra muntazam bir sıcaklığa ulaşıldı. Bu üst yüzde ölçülen sıcaklık bu nedenle tüm bloğun temsilcisi olarak alınmıştır.

Sıcaklığa ulaştıktan sonra, üst bloklar kaynak alanına aktarıldı ve CTS grubu kaynağa hazır hale getirildi. Bu, yaklaşık yedi dakikalık bir gecikmeye neden oldu. Denemeler sırasında, 180 °C'ye ısıtılmış bir düzeneğin bu süre içinde 160 °C'ye kadar soğuduğu bulundu (açıkça ısı kaybı daha düşük ön ısıtma sıcaklıklarında daha az olacaktır). Ayrı ayrı testler için verilen sıcaklık, bir kontak termometre kullanılarak ölçülen, kaynak işleminden hemen önce üst ve alt blokların ortalama sıcaklığıdır. Kaynak işleminin ardından BS EN ISO 17642-2: 2005'e göre su soğutma uygulandı.
 

En az 72 saatlik bir gecikmenin ardından CTS montajlarının kaynak, kesit alma ve incelemesi de BS EN ISO 17642-2: 2005'e göre gerçekleştirildi. Gerektiği gibi metalografik kesitler alındı, 3 um'lik bir cilaya kadar cilalandı,% 2 nital ile oyuldu ve daha sonra bir optik mikroskop kullanılarak HAZ üst bloğunda çatlama açısından incelendi. Bunu takiben, 10 kg'lık bir yüke sahip bir Vickers sertlik makinesi kullanılarak sertlik araştırmaları gerçekleştirildi.

Sonuçlar

Yüksek Karbon Eşdeğeri, Yüksek Kükürt, C-Mn çelik (A)

Alınan durumda (0.8 kJ / mm ısı girdisinde ve 9.7 ml / 100 g kaynak metali hidrojen seviyesinde) bu çelik için 20 ° C'lik (oda sıcaklığı) bir 'çatlak: çatlak yok' ön ısıtma eşiği oluşturuldu. ). Eşik, bir sonraki bölümde tartışıldığı gibi, görünüşe göre bu çeliğin düşük sertleştirilebilirliğinden dolayı ref nomogram tarafından tahmin edilenden daha düşüktür.

Hidrojen yüklü üst bloklardan kesilen sekmeler üzerinde gerçekleştirilen difüze edilebilir. Bu sonuçlar, hidrojen içeriklerinde maksimum toplam 12.14ml / 100g, minimum toplam 6.05ml olmak üzere geniş bir dağılım gösterir. / 100g ve kaynaklı bloklarda ortalama toplam 8.47ml / 100g. Bu şarj yöntemiyle ilgili önceki deneyimler dikkate alındığında bu değişiklik beklenmiyordu. Farklı çelikler arasında hidrojen alımında daha büyük varyasyonlar görülmesine rağmen, bu mevcut dağılım seviyesi tek bir çelikte görülmemiştir. Bunun yüksek katılım içeriğinden kaynaklanması mümkündür. Bunlar, söz konusu iki blok için bir sekmede ölçülen hidrojen seviyesinin ısıtma ve ardından soğutma sırasında 150 ° C'ye düştüğünü gösteriyor gibi görünmektedir. Bununla birlikte, bu deneme için iki ayrı blok kullanıldı ve ikisi arasındaki farklar, bu çelik için diğer sonuçların ışığında sadece deneysel dağılım olabilir. Bu nedenle, bu denemeden kesin bir sonuca varmanın mümkün olmadığı düşünülmektedir.

Yüklenen ana malzemenin hidrojen içeriğinin (ortalama 8.47ml / 100g) ön ısıtma eşiğini yaklaşık 40 °C artırdığı görülebilir.

Bu çalışmada, yüklenen malzeme için 'çatlak: çatlak yok' ön ısıtma eşiği, geleneksel HAZ tipi çatlamanın meydana gelmesi ile tanımlanmıştır. Kaynaksız hidrojen yüklü malzemenin incelenmesi, bu tür çatlakların ön ısıtmadan önce bile olabileceğini göstermiştir ve bu nedenle, meydana geldiği kaydedilmiş olmasına rağmen, "çatlak: çatlak yok" eşiklerini tanımlamak için kullanılmamıştır. Bununla birlikte, önceden ısıtılmış ancak kaynak yapılmamış bloklar incelendiğinde, bu tür bir dahil etme çatlağı ön ısıtma ile daha da kötüleşti ve aynı zamanda kaynaklı blokların HAZ'larında da gözle görülür şekilde daha kötüydü.

Yüksek Karbon Eşdeğeri, Yüksek Kükürt, C-Mn çelik (B)

Toplam hidrojen içeriği sonuçları, maksimumun 1.15ml / ml olduğunu göstermektedir. 100g, minimum 0.80ml / 100g ve ortalama 0.99ml / 100g. Bu sonuçlardan, bu çelikteki hidrojen seviyesinin, özellikle difüze olabilen hidrojenin, daha yüksek kükürtlü çelik A'dan önemli ölçüde daha düşük olduğu görülebilir.

Grafiklerde, ön ısıtma eşiklerinin her iki koşulda da 110 ° C'de etkili bir şekilde aynı olduğu ve her ikisinin de aynı CE'ye sahip olan yüksek kükürtlü çelik A'dan önemli ölçüde daha yüksek olduğu görüldü. Alınan koşulda, iki çelik arasındaki sülfür içeriğindeki fark ve yüksek sülfürün bağıl çatlama duyarlılığını azaltabileceğine dair daha önce bildirilen gözlem göz önüne alındığında bu beklenmedik bir durum değildir (diğer her şey eşittir). Bununla birlikte, iki çelik için kritik sertlikler, yüksek kükürt için 425 HV10'da ve düşük kükürtlü çelik için 421 HV10'da alındığı haliyle çok yakındır, yüksek kükürtün çatlamayı azalttığı fikriyle tutarlıdır. sertleşebilirlik üzerindeki etkisi nedeniyle risk. Beklendiği gibi, bu düşük kükürtlü çelikte "kabarcıklı katılma" tipi çatlama gözlemlenmedi.

Düşük Karbon Eşdeğeri, Yüksek Kükürtlü C-Mn çelik (C)

Malzeme alındığı haliyle oda sıcaklığında yapılan testlerde çatlama gözlemlenmemiştir. Bununla birlikte, hidrojen yüklü durumda, 45 ° C'lik bir ön ısıtma eşiği oluşturulmuştur. Bu, alındığı haliyle çeliğe kıyasla> 25 ° C'lik bir kaymaya eşittir.

Bu çelikte de kabarmış inklüzyon tipi çatlama gözlemlendi, ancak diğer yüksek kükürtlü çelik A'da olduğu gibi eşiği tanımlamak için kullanılmadı.

2.25Cr 1Mo Çelik (D)

0.8kJ / mm ısı girdisinde kaynaklanmış ve hidrojen yüklü malzeme için CTS test sonuçları ve 4-5ml / 100g kaynak metali hidrojen seviyeleri tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, sekmelerde çok az miktarda dağılabilir hidrojen bulunduğunu gösterir (0.36ml / 100g). Bunun bir bütün olarak yüklü blokları temsil etme derecesi bilinmemektedir, ancak şarjın hemen ardından otoklavda soğutma sırasında hidrojen kaybının, daha geniş yüzey alanı / hacim oranı nedeniyle sekmeden daha büyük olması beklenir. Ortalama toplam hidrojen içeriği 0.68ml / 100g idi.

Düşük ölçülen hidrojen içeriğine rağmen, yüklemenin ön ısıtma eşiği üzerindeki etkisi çok belirgindi. Eşik ön ısıtmadaki kayma, alınan için 90 ° C'den hidrojen yüklemesinden sonra 225 ° C'ye yaklaşık 130 ° C'dir.