-
34 PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
Jerzy Nowacki,
Jerzy Nowacki,Jerzy Nowacki
Stal dupleks i jej spawalno
Duplex steel and its weldability
WstpStal dupleks dziki skadowi chemicznemu i ferrytyczno-
-austenitycznej mikrostrukturze skupia najlepsze waciwoci
chromowej stali ferrytycznej i chromowo-niklowej stali
auste-nitycznej. Charakteryzuje si wysokimi waciwociami
me-chanicznymi: granic plastycznoci, wytrzymaoci na roz-ciganie i
cigliwoci oraz odpornoci na korozj ogln, werow i napreniow.
Stosunkowo niski, w porwnaniu z stal austenityczn, koszt
wytwarzania stali dupleks jest, mi-dzy innymi efektem obnionej
zawartoci deficytowego i dro-giego niklu, co stanowi jej kolejn
zalet. Doskonalenie skadu chemicznego stali, w kolejnych latach,
midzy innymi w wyniku powikszenia zawartoci molibdenu i azotu
zwikszyo stabil-no jej mikrostruktury i dalszy wzrost jej waciwoci.
Zastoso-wanie stali austenityczno-ferrytycznej, gwnie na
konstrukcje spawane stao si powodem szczeglnego zainteresowania jej
spawalnoci. Powszechnie uwaa si, e stal dupleks naley do stosunkowo
atwo spawalnych. Jednak znane s przyka-dy powanych trudnoci
wystpujcych szczeglnie podczas spawania konstrukcji o duych
rozmiarach, ktre doprowadziy do znacznych strat finansowych
zwizanych z koniecznoci napraw i dodatkowych bada zczy
spawanych.
Rozwj stali odpornej na korozjRozwj stali odpornej na korozj ma
swj pocztek w dru-
gim dziesicioleciu dwudziestego wieku spostrzeeniem, e stal
zawierajca ok. 13% chromu nie ulega korozji elektroche-micznej. W
latach dwudziestych, jako pierwsze wyprodukowa-no stale ferrytyczne
i martenzytyczne, nastpnie stale austeni-tyczne typu 18-8, a w
latach czterdziestych pierwsze nierdzew-
StreszczenieNa podstawie rde i wasnych dowiadcze dokona-
no analizy mikrostruktury, waciwoci, zastosowa i ma-
teriaowo-technologicznych problemw spawania stali dupleks.
Przedstawiono obszar zastosowa spawania, szczeglnie konstrukcji
wysokogabarytowych, na przy-kadzie spawania FCAW stali dupleks typu
UNS S31803 w budowie statkw do transportu chemikaliw. Analizo-wano
wpyw wybranych aspektw technologii spawania, w tym energii liniowej
i temperatury midzyciegowej, ma-teriaw dodatkowych na przemiany
mikrostruktury i wa-ciwoci zczy spawanych.
AbstractMicrostructure, properties, applications and
material
and technological problems of duplex steel welding were analysed
basing on the sources and on our own experien-ce. The area of
welding applications was presented, in case of high-dimensioned
constructions in particular, illustrated by FCAW welding of duplex
steel type UNS S31803 for building of ships for transportation of
chemicals. The influ-ence of selected aspects of welding
technology, including linear energy and inter-welding sequence
temperature, au-xiliary materials used for the change of
microstructure and properties of welded joints, was analysed.
ne stale ferrytyczno-austenityczne. W latach 60-tych ubiege-go
stulecia opracowano stale dupleks zawierajce 3555% ferrytu, co byo
moliwe dziki zwikszeniu stenia chromu i zmniejszeniu stenia niklu w
porwnaniu do stali austenitycz-nych. Pierwsze stale dupleks,
nazywane stalami dupleks pierw-szej generacji, zawieray 18% Cr, 46%
Ni oraz dodatek Mo i stosunkowo duo wgla, przez co charakteryzoway
si nisk spawalnoci.
Udoskonalenie procesw produkcyjnych stali na przeo-mie lat
60-tych i 70-tych XX wieku w wyniku wprowadzenia procesw odwglania
argonowo-tlenowego (AOD argon-oxygen decarburization) i odwglania
prniowo-tlenowego (VOD vacuum-oxygen decarburization), umoliwio
produkcj stali odpornych na korozje o wikszej czystoci
metalurgicznej i niszym steniu wgla oraz lepszej kontroli ich skadu
che-micznego, przede wszystkim stenia azotu. Optymalizacja skadu
chemicznego, ze wzgldu na struktur i waciwoci, doprowadzia do
opracowania wielu nowych gatunkw stali odpornych na korozj. Stale
odporne na korozj zawieraj zgodnie z PN-EN 10020:1966 powyej 10,5%
chromu, co za-pewnia tworzenie si warstewki pasywnej i zmian
potencjau elektrochemicznego.
Stopy Fe-Cr krystalizuj jako roztwr stay . Stopy Fe-Cr
zawierajce ponad 12,5% Cr zachowuj jednofazow struktur roztworu
staego od linii solidus do temperatury pokojowej (rys. 1). Wobec
braku przemian fazowych ich waciwoci me-chaniczne stopw Fe-Cr nie
ksztatuj si w wyniku obrbki cieplnej, a wycznie przez obrbk
plastyczn na gorco lub na zimno. W zakresie stenia chromu od 42,3
do 48,2% roz-twr stay podczas chodzenia ulega przemianie w
temperatu-rze 815C w faz midzymetaliczn o skadzie zblionym do
Fe-Cr. Dua twardo i krucho fazy powoduje ograniczo-ne znaczenie
praktyczne stopw Fe-Cr o strukturze i + w zakresie stenia chromu od
24,7 do 69,5% [1]. Zakres wy-stpowania obszaru dwufazowego +
przemieszcza si w kierunku mniejszego stenia Cr w stopach
zawierajcych Mo, Si i Mn. W przeciwnym kierunku oddziaywaj C i N
oraz Al przy zawartoci kilku procent.
Prof. dr hab. in. Jerzy Nowacki Politechnika Szczeciska.
-
35PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
Ferryt wysokochromowy w stopach Fe-Cr rni si od ferrytu w
stopach Fe-C rozpuszczalnoci C i N oraz stabil-noci. Dugotrwae
wygrzewanie w temperaturze od 450 do 500C powoduje spinodalny
rozpad ferrytu wysokochromo-wego powodujcy rozsegregowanie na
mikroobszary bogate i ubogie w Cr. Niedopasowanie sieci midzy tymi
obszarami powoduje wzrost twardoci i kruchoci stopw o zawartoci
chromu przekraczajcym ok. 20% (krucho 475C) [1]. Ze wzrostem stenia
chromu i ilorazu Cr/C w stopach Fe-Cr two-rzy si wglik chromu (Cr,
Fe)7C3 oraz (Cr, Fe)23C6 (rys. 2).
Wzrastajca zawarto wgla powoduje te przesunicie za-kresu
stabilnoci fazy w kierunku wikszej zawartoci Cr [1].
Stale wysokochromowe s odporne na korozj w atmosfe-rze
powietrza, wody i pary wodnej, wodnych roztworw alka-licznych,
kwasw i soli, a take na dziaanie ropy naftowej, pa-liw, olejw i
rodkw spoywczych. Nie s odporne na korozj w rodowisku chlorkw i
jodkw [1].
Podzia stali odpornych na korozj i ich rozwj stanowi-cy wynik
doskonalenia ich skadu chemicznego przedstawiony jest na rysunku 3,
4.
Rys. 3. Porwnanie stali Cr-Ni odpornych na korozj z przykadami
oznacze Fig. 3. Comparison of Cr-Ni steels resistant to corrosion
illustrated by the examples of markings
Rys. 2. Wpyw stenia wgla i chromu na skad fa-zowy stali
wyarzonych [3]Fig. 2. Influence of carbon and chromium
concentra-tion on phase composition of annealed steels [3]
Rys. 1. Dwuskadniko-wy ukad rwnowagi fa-zowej stopw Fe-Cr
[2]Fig. 1. Two-component system of alloy phase equilibrium Fe-Cr
[2]
-
36 PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
Rys. 4. Zakres zawartoci chromu i niklu w stali odpornej na
korozj: 1 austenitycznej, 2 ferrytyczno-austenitycznej, 3
utwardzanej wydzieleniowo, 4 ferrytycznej, 5 martenzytycznej [4]
Fig. 4. Content range of chromium and nickel in steel resistant to
corro-sion: 1 austenitic, 2 ferritic-austenitic, 3 hardened by
precipitation, 4 ferritic, 5 martensitic [4]
Mikrostruktura i waciwoci stali dupleks
Stal ferrytyczno-austenityczna dupleks Cr-Ni-Mo, w po-rwnaniu ze
stal austenityczn, zawiera mniej drogiego niklu i ma znacznie
lepsze waciwoci wytrzymaociowe, przy do-brej odksztacalnoci i
odpornoci na korozj, take w rodowi-skach zawierajcych jony
chlorkowe (tabl. I). Podobny udzia ferrytu wysokochromowego i
austenitu cechujcego si wy-sok cigliwoci decyduje, e stal dupleks
zachowuje dobr odporno na pkanie w temperaturze do ok. -40C. Ferryt
wy-sokochromowy jest jednak faz metastabiln, przez co zakres
temperatury stosowania tej stali jest ograniczony do ok. 300C. Stal
o zawartoci ok. 22% Cr, 5% Ni, 3% Mo i 0,2% N krystalizuje jako
roztwr stay , czciowo przemieniajcy si od tempe-ratury okoo 1200C
do 850C w faz . Stabiln struktur roz-patrywanych stali w
temperaturze powyej 850C jest ferryt, a w niszych temperaturach
mieszanina faz + + + (rys. 5) [1].
Struktur dwufazow + uzyskuje stal po przesycaniu z temperatury
stabilnoci mieszaniny faz + , a udzia faz zaley od warunkw
przesycania. Przesycanie z temperatury
Tablica I. Orientacyjny skad chemiczny i warunki obrbki cieplnej
stali dupleks [5]Table I. Approximate chemical composition and heat
treatment conditions of duplex steel [5]
Znak staliStenie pierwiastkw1), % Temperatura przesycania,
C/orodek chodzcy2)C Cr Ni N Mo inneX2CrNiN23-4 0,03 23 4,5 0,13
0,35 Cu:0,35 9501050/w, p
X2CrNiCuN23-4 0,03 23 4,5 0,13 0,35 Cu:2 9501050/w, p
X2CrNiMoSi18-5-3 0,03 18,5 4,9 0,08 2,8 Si:1,7 10001100/w,
pX3CrNiMoN27-5-2 0,05 26,5 5,5 0,13 1,7 - 10201100/w, p
X2CrNiMoN22-5-3 0,03 22 5,5 0,16 3 - 10201100/w, p
X2CrNiMoN29-7-2 0,03 29 6,7 0,35 2,1 Cu 0,8 10401120/w, p
X2CrNiMoCuN25-6-3 0,03 25 7 0,25 3,5 Cu:1,8 10401120/w, p
X2CrNiMoN25-7-4 0,03 25 7 0,3 3,8 - 10401120/w, p
X2CrNiMoCuWN25-7-4 0,03 25 7 0,25 3,5 Cu:0,8, W:0,8 10401120/w,
p
l) P 0,030,035, S 0,015, Si 0,51, Mn 12; wartoci bez znaku
oznaczaj stenie rednie.2) w woda, p powietrze.
3) Wedug PN-EN 10088-3:2007.
bliskiej 1200C w wodzie zapewnia wystpienie w struktu-rze stali
duego udziau ferrytu wysokochromowego i mae-go udziau austenitu.
Powoduje to zwikszenie waciwoci wytrzymaociowych i zmniejszenie
plastycznoci stali oraz odpornoci na pkanie i korozj. Wolniejsze
chodzenie z wy-mienionej temperatury, np. w powietrzu, umoliwia
czciow przemian i zwikszenie udziau austenitu w strukturze stali,
polepszajcego wasnoci plastyczne. Wielko szybko-ci chodzenia z
temperatury koca obrbki plastycznej stali na gorco lub spawania w
powietrzu nie prowadzi do przemiany ferrytu wysokochromowego w fazy
+ [1]. Stal ferrytyczno- -austenityczna winna zawiera od ok. 40 do
60% fazy . Udzia fazy poza warunkami przesycania zaley istotnie od
skadu chemicznego stali, tj. od rodzaju i stenia skadnikw ferryto-
i austenitotwrczych.
Due zainteresowanie, jako skadnik stopowy w stalach dupleks
wzbudza azot, pozwalajcy na zmniejszenie stenia deficytowego niklu,
moliwe w wyniku wprowadzenia do stali azotu w iloci ponad 0,2%, co
wymaga stosowania specjalnych technologii, np. cinieniowego
przetapiania elektroulowego lub metalurgii proszkw [1].
Stal dupleks ma ograniczone stenie wgla do < 0,03% w celu
obnienia temperatury przejcia ferrytu wysokochro-mowego ze stanu
cigliwego w stan kruchy oraz 2128% Cr, 3,58% Ni, 0,14,5% Mo,
0,050,35% N, a niekiedy take 0,12,5% Cu i do 1% W.
Rys. 5. Przekrj ukadu rwnowagi fazowej sto-pw Fe-Cr-Ni przy
ste-niu 70% [6]Fig. 5. Cross-section of phase equilibrium system of
Fe-Cr-Ni alloys for con-centration of 70% [6]
-
37PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
W stanie przesyconym stal osiga wysokie waciwoci mechaniczne,
R0,2 od 400 do 530 MPa, Rm od 600 do 930 MPa, wyduenie ponad 20
oraz > 25%, energi amania prbek Charpy V wzdunych KV20C ponad 80
oraz > 100 J i dobr odporno na korozj midzykrystaliczn rwnie po
spawaniu. Podczas wygrzewania w zakresie temperatury od ok. 350 do
ponad 500C faza ulega przemianie spino-dalnej na obszary
izomorficzne o zrnicowanym steniu Cr, powodujcej wystpienie
kruchoci 475C. Krtkotrwae wygrzewanie stali w temperaturze ponad
600C powoduje utwardzanie wydzieleniowe fazy, a przez dyspersyjne
czstki azotkw Cr2N i Mo2N oraz CrN i MoN, wgliki M23C6 i faz
-Fe36Cr12Mo10, podczas dugotrwaego wygrzewania w tych warunkach
nastpuje cakowita przemiana ferrytu w faz , i austenit niskostopowy
[1].
W przedziale temperatury 30010000C w wyniku pro-cesw
wydzieleniowych zalenych od warunkw obrbki cieplnej lub cyklu
cieplnego spawania, w stalach dupleks w osnowie ferrytu i austenitu
mog zarodkowa i wzrasta zrnicowane pod wzgldem skadu chemicznego i
struktury fazy wtrne (rys. 6) [5, 9]: ferryt wysokochromowy `
kruchy, obniajcy cigliwo-
ci stali i powodujcy krucho 475C, austenit wtrny 2 rnicy si
skadem, morfologi
i waciwociami od pierwotnego, powstajcy pod wpy-wem aktywacji
cieplnej, np. od kolejnego ciegu spoiny w wyniku trzech mechanizmw:
reakcji eutektoidalnej > + 2, przemiany dyfuzyjnej (powstanie
wydziele o strukturze Widmanstttena), wzgldnie przemiany
izo-termicznej stanowicej analogi do przemiany
martenzy-tycznej,
faza typu AB (Fe-Cr-Mo) tworzca si w zakresie tem-peratury
6501000C jako twarda midzymetaliczna faza bogata w Cr i Mo
powodujca znaczny wzrost kruchoci stali i zmniejszenie odpornoci na
korozj werow i mi-dzykrystaliczn stali,
faza (Fe36Cr12Mo10) typu A48B10 powstajca w wyniku dugo-trwaego
wygrzewania w temperaturze 700900C, obnia-jca odporno korozyjn i
zwikszajca krucho stali,
wgliki M7C3 i M23C6 powstajce w wyniku krtkotrwaego wygrzewania
w temperaturze ok. 9501050C na grani-cach /, a drugie w
temperaturze 6001000C powoduj-ce uboenie w chrom obszarw przylegych
do granic zia-ren, co moe by przyczyn korozji
midzykrystalicznej,
Rys. 6. Wpyw dodatkw stopowych na krzywe CTP procesy
wydziele-niowe w stali dupleks [7, 8]Fig. 6. Influence of alloy
additions on CTP uneven precipitation proces-ses in duplex steel
[7, 8]
azotek typu M5N (Fe7Mo3N4) wewntrz ziaren ferrytu w spawanych
stalach dupleks poddanych wygrzewaniu przez kilka godzin w
temperaturze 600C, znaczenie azotka jest mao znane,
azotki chromu Cr2N i CrN powstajce po stosunkowo dugim
wytrzymaniu stali w temperaturze 700900C lub wskutek gwatownego
chodzenia z wysokiej temperatury np. po spawaniu w wyniku maej
rozpuszczalnoci azotu w ferrycie, powodujce zuboenie ferrytu w
chrom, co ob-nia odporno korozyjn stali,
faza R (Fe28Cr13Mo12) o strukturze romboedrycznej i fazy Lavesa
typu A2B (Fe2Mo) bogate w molibden wydziela-jce si w temperaturze
550650C na granicy / oraz wewntrz fazy obniajce odporno na korozj
wero-w oraz udarno stali dupleks,
faza (Fe, Cr, Mo, Ni) powstajca na granicach / w temperaturze od
550650C w wyniku dugotrwaego wygrzewania,
faza G towarzyszca wydzielaniu ferrytu wysokochro-mowego podczas
wygrzewania stali w temperaturze 300400C,
faza bogata w mied wydzielajca si dyspersyjnie w temperaturze
500600C w fazie , powodujca jego utwardzenie i zmniejszajca
stabilno warstwy pasywnej, w nastpstwie czego uwraliwiaj
powierzchni stali na dziaanie korozji.
O waciwociach mechanicznych i odpornoci na koro-zj stali dupleks
decyduje jej mikrostruktura, gwnie objto wzgldna ferrytu i
austenitu. Wzrost objtoci wzgldnej au-stenitu zapewnia cigliwo i
udarno oraz zwiksza odpor-no na dziaanie korozji, a wzrost objtoci
wzgldnej ferrytu zwiksza wytrzymao na rozciganie, granic
plastycznoci i twardo stali. Korzystne waciwoci mechaniczne stal
za-wdzicza drobnoziarnistej strukturze oraz obecnoci roztworu
midzywzowego azotu w austenicie. Azot rozpuszczajc si w austenicie
powoduje wzrost jego waciwoci wytrzy-maociowych do poziomu waciwoci
ferrytu. Wytrzymao na rozciganie stali dupleks jest okoo dwa razy
wysza od jej granicy plastycznoci, natomiast w stalach
austenitycz-nych ten iloraz wynosi ok. 0,35. Obrbka plastyczna na
zim-no moe spowodowa wzrost wartoci granicy plastyczno-ci stali
nawet do ok. 1000 MPa. W trakcie eksploatacji stali w podwyszonych
temperaturach warto granicy plastyczno-ci obnia si, co jest
spowodowane osabieniem umacniaj-cego wpywu azotu, ktrego atomy staj
si bardziej ruchliwe i w mniejszym stopniu blokuj ruch
dyslokacji.
Udarno stali dupleks w temperaturze pokojowej jest porwnywalna
do stali austenitycznej, jednak z obnianiem temperatury badania
wyranie maleje. Temperatura przejcia w stan kruchy stali
ferrytyczno-austenitycznych wynosi ok. 50C (rys. 7, 8, tabl. II).
Wysza twardo stali dupleks, w porwnaniu ze stal austenityczn,
zwizana jest efektem wikszej wytrzymaoci struktury dwufazowej i
sprawia, e stal dupleks ma dobr odporno na zuycie cierne i
erozj.
Korzystny wpyw na odporno korozyjn w skoncen-trowanym kwasie
azotowym, a take zwikszenie odpor-noci na utlenianie w wysokiej
temperaturze zapewnia do-datek krzemu do 2%. Znane s stale dupleks
zawierajce 3,55,5% Si o podwyszonej odpornoci na korozj werow i
napreniow [10]. Stabilizujcy ferryt wolfram o zawartoci do 2%
zwiksza odporno stali na korozj werow, a take szczelinow w gorcych
roztworach chlorkw [11].
W celu uzyskania struktury ferrytyczno-austenitycznej dla
zrwnowaenia wpywu pierwiastkw ferrytotwrczych, ko-nieczne jest
wprowadzenie do stali pierwiastkw stabilizuj-cych austenit, np.
niklu o zawartoci 38%, ktry jednocze-nie zwikszenia pasywno stali i
odporno korozyjn stali w rodowiskach kwasw organicznych i
nieorganicznych.
-
38 PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
Rys. 7. Wpyw objtoci wzgldnej ferrytu na waciwoci mecha-niczne
stali austenityczno-ferrytycznej zawierajcej 23% Cr, 3% Mo, 0,05% C
i zmienn ilo niklu [12]Fig. 7. Influence of ferrite relative volume
on mechanical properties of austenitic-ferritic steel containing
23% Cr, 3% Mo, 0,05% C and variable quantity of nickel [12]
Rys. 8. Zaleno pracy amania w funkcji temperatury badania stali
odpornych na korozj; 1 stal austenityczna, 2 stal ferrytyczna, 3
stal austenityczno-ferrytyczna, 4 stal martenzytyczna [8, 1315]Fig.
8. Dependence of fracture resistance work as a function of
tem-perature for testing of steels resistant to corrosion; 1
austenitic ste-el, 2 ferritic steel, 3 austenitic-ferritic steel, 4
martensitic steel [8, 1315]
Tablica II. Waciwoci mechaniczne w temperaturze poko-jowej stali
dupleks w stanie przesyconym i stali ferrytycznych w stanie
wyarzonym [16]Table II. Mechanical properties of duplex steel in
supersatu-rated state and of ferritic steel in annealed state at
room tem-perature [16]
Znak stali
Umowna granica plastycznoci
0,2%Re0,2, MPa
Wytrzymaona rozciganie
Rm, MPa
Wyduenie A, %
Energia amania,
J
Twardo, HB
X2CrNiN234 400420 620830 20 100 260X2CrNiMoN2253 460480 650880
25 100 270X2CrNiMoCuN256-3 490510 700900 25 100 270X2CrNiMoN2574
530550 730930 25 100 290X2CrNiMoCuWN2574 550 730930 25 100 290
Azot pozwala na obnienie zawartoci niklu. Zwiksza spawalno,
waciwoci mechaniczne oraz odporno stali na dziaanie korozji
werowej. Wprowadzenie do stali powy-ej 0,2% azotu wymaga
zastosowania specjalnych techno-logii np. metalurgii proszkw lub
cinieniowego przetapiania elektroulowego. Zawarto azotu w stali
dupleks wynosi ok.
0,15%, a w stalach superdupleks ok. 0,3%, co umoliwia wik-sz
rozpuszczalno azotu w stopach o wikszej zawartoci pierwiastkw
stopowych, zwaszcza chromu, manganu i molib-denu zwikszajcych jego
rozpuszczalno w austenicie [17].
Mangan w stali dupleks zwiksza odporno na zuy-cie cierne i
adhezyjne oraz waciwoci wytrzymaociowe bez obnienia cigliwoci
stali. Zawarto manganu w stali dupleks nie przekracza 2%, poniewa
powyej 3% obnia krytyczn temperatur powstawania werw CPT (Critical
Pitting Temperature) w wyniku tworzenia zarodkw korozji werowej,
jakimi s siarczki manganu.
Mied zwiksza odporno stali na korozj w rodowi-skach nie
utleniajcych. Wysokie stenie miedzi wpywa na pogorszenie
plastycznoci na gorco i spawalnoci, z tego wzgldu jej stenie w
stali ogranicza si do ok. 2% [18].
Maa zawarto wgla ma zasadniczy pozytywny wpyw na odporno stali
dupleks na korozj. W stalach Cr-Ni rozpusz-czalno wgla w austenicie
w temperaturze pokojowej wyno-si ok. 0,04% i zmniejsza si wraz z
obnianiem temperatury. Zawarto wgla w stali dupleks ograniczono do
ok. 0,03% w celu powstrzymania wydziele wglikw chromu, ktre
przyczyniaj si do zuboenia w chrom obszarw przylegych do granic
ziaren i uczulenia na korozj midzykrystaliczn.
Waciwoci stali dupleks istotnie zale od segrega-cji skadnikw
stopowych w austenicie i ferrycie. Ferryt jest bogatszy w Cr, Si,
Mo, W i P, a austenit w Mn, Cu, Ni i N. Prawidowa zawarto skadnikw
stopowych, gwnie Cr, Mo i Ni w stali zapewnia uzyskanie trwaego
stanu pasywne-go stali w powietrzu i rodowiskach korozyjnie
agresywnych (rys. 9, tabl. III, IV).
W celu okrelenia odpornoci na korozj werow oma-wianych stali
stosowany jest rwnowanik PRE (Pitting Resi-stance Equivalent):
PREN = % Cr + 3,3% Mo +16% N (1)
W stalach z dodatkiem wolframu rwnowanik PRE wyznaczany jest
zgodnie z:
PREW = % Cr + 3,3 (% Mo + 0,5 % W) +16% N (2)
Stopy o rwnowaniku PRE wikszym od 40 s szcze-glnie odporne na
korozj werow i stosowane w bardzo agresywnych rodowiskach, np. w
wodzie morskiej, w ro-dowisku rozcieczonego kwasu solnego i
siarkowego. Innym sposobem oceny podatnoci stali na ten typ korozji
jest kry-tyczna temperatura tworzenia si werw CTP (Critical
Pit-ting Temperature) okrelajca doln temperatur, w ktrej wystpi
korozja werowa w roztworze FeCl3 przy zmiennej temperaturze
badania.
Wysoka odporno stali dupleks na korozj midzykry-staliczn zwizana
jest z jej odpornoci na uczulenie oraz wysokiej wartoci wspczynnika
dyfuzji w ferrycie, 100 razy wikszej ni w austenicie, umoliwiajcej
ujednorodnienie zawartoci chromu w obszarach wntrza i granic
ziaren. Stal ferrytyczno-austenityczna jest bardziej odporna na
dziaanie korozji midzykrystalicznej od stali austenitycznej o tej
samej zawartoci wgla, a dla zawartoci wgla mniejszej od 0,02% mog
by cakowicie odporne na ten typ korozji. Odporno na korozj w
kwasach nieorganicznych dwufazowych stali du-pleks jest porwnywalna
do odpornoci wysokochromowych stali austenitycznych. Odporno stali
dupleks na korozj w kwasach o waciwociach redukujcych zaley od
skonno-ci do pasywacji stali, natomiast w obecnoci kwasw o
wa-ciwociach utleniajcych od odpornoci warstwy wierzchniej na
korozj. Stal dupleks charakteryzuje si rwnie dobr od-pornoci na
oddziaywanie kwasw organicznych.
-
39PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
Rys. 9. Skonno do korozji napreniowej w funkcji temperatury i
stenia jonw Cl-; prby przy staym obcieniu rwnym granicy
plastycznoci, czas prby 1000 h [19]Fig. 9. Susceptibility to stress
corrosion as a function of temperature Cl- ions concentration;
tests at constant load equal to yield point, test duration of 1000
h [19]
Tablica III. Porwnanie odpornoci na korozj napreniow stali
austenitycznych i stali stali dupleks [13]Table III. Comparison of
resistance to stress corrosion of austenitic and duplex steels
[13]
Znak stali
Orodek korozyjny
42% MgCl2154C
35% MgCl2125C
parowanie kropli 0,1 M NaCl
120C
test Wicka1500 ppm Cl
w NaCl, 100C
33% LiCl2,120C
40% CaCl2,100C
2528%NaCl,155C
26%NaCl,200C
Stal austenityczna X2CrNiMo17-12-2 - - - - - - - -
Stal ferrytyczno-austenityczna X2CrNiN23-4 - - - - + + + -
X3CrNiMoN22-5-3 - - - + + + + - X2CrNiMoN25-7-4 - - - + + + + -
X2CrNiMoCuWN25-7-4 - - - + + + + - - prawdopodobiestwo pkania, +
brak pkni
Tablica IV. Oznaczenia, skad chemiczny i rwnowaniki PRE stali
dupleks [12, 20]Table IV. Markings, chemical composition and PRE
equivalents of duplex steel [12, 20]
Znak stali Oznaczenie handloweZawarto dodatkw stopowych, %5)
PREN PREWC Cr Ni Mo N inne
X2CrNiN23-4 SAF 23041) UR 35 N2) 0,03 23 4 0,2 0,1 Cu: 0,35
24
X3CrNiMoN22-5-3UR 45 N2) SAF 22051)
UR 45 N+2) 0,05 22 5 2,8 0,15 - 32/33
0,03 22,8 6 3,3 0,18 - 35/36
X2CrNiMoCuN25-6-3
UR 52 N2)
0,03
25 6,5 3 0,22 Cu: 1,5 38/39
UR 47 N2) 25 6,5 3 0,22 38/39
DP 33) 27 7 3 0,16 Cu: 0,5 W: 0,3 37 38
X2CrNiMoCuN25-6-3 UR 52 N+2)
0,03
25 7 3,5 0,25 Cu: 1,5 41
X2CrNiMoN25-7-4 SAF 25071) 25 7 3,8 0,28 - 41
X2CrNiMoCuWN25-7-4
Zeron 1004) 25 7 3,5 0,24 Cu: 0,7 W: 0,7 40 41,5
DTS 25.7 NW3) 27 7,5 3,8 0,27 Cu: 0,7 W: 0,7 44 45
DTS 25.7 NW Cu3) 25 7,5 4 0,27 Cu: 1,7 W: 0,7 42,5 44
Producent 1) Avesta Sheffield Ltd, 2) Creusot-Loire Industrie,
3) Sumitomo Metal Industries, 4) Weir Materials Ltd, 5) P 0,035; S
0,0150,03; Si 0,71; Mn 12
Zastosowanie stali dupleksStal dupleks najczciej znajduje
zastosowanie po wy-
arzaniu w temperaturze 10201100oC i chodzeniu w wo-dzie
zapewniajcym udzia ok. 50% ferrytu i 50% austenitu w strukturze.
Udzia stali dupleks w zuyciu stali stopowych wynosi ok. 1%, lecz
zapotrzebowanie na t stal cigle ronie. Odporna na korozj stal
ferrytyczno-austenityczna stanowi atrakcyjn alternatyw dla
klasycznej jednofazowej stali au-stenitycznej i ferrytycznej [21].
O obszarze zastosowania stali dupleks decyduj jej zalety i wady. Do
gwnych zalet stali dupleks zalicza si: umiarkowan cen w porwnaniu
ze stal wysokoniklow, wysok granic plastycznoci, prawie dwa razy
wiksz
od granicy plastycznoci stali austenitycznej, may wspczynnik
rozszerzalnoci cieplnej, wysok odporno korozyjn, wynikajc gwnie z
duej
zawartoci pierwiastkw stopowych Cr, Mo, N.Gwn wad stali dupleks
jest ograniczenie temperatury
jej zastosowania do ok. 250300C oraz wzrost jej kruchoci w
wyniku dugotrwaego oddziaywania podwyszonej tem-peratury powodujcej
krucho 475C [21].
Nowoczesna stal dupleks ma bardzo dobre waciwoci mechaniczne w
przedziale temperatur od ok. 50250C i dobr spawalno. Charakteryzuje
si ona wysok odpor-noci na korozj werow, korozj napreniow i
posiada
-
40 PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
w wielu rodowiskach korozyjnych lepsze waciwoci od sta-li
austenitycznej zawierajcej porwnywalne iloci dodatkw Cr i Mo. Jest
stosowana do budowy konstrukcji i urzdze eksploatowanych w wodzie
morskiej oraz w atmosferze za-nieczyszczonej siarkowodorem i innymi
substancjami agre-sywnymi chemicznie, konstrukcji i urzdze w
przemyle wydobywczym ropy i gazu, w budowie statkw do transportu
substancji chemicznych oraz w przemysach papierniczym, chemicznym i
spoywczym [1].
Gwnymi przykadami zastosowania stali dupleks s: elementy
wymiennikw ciepa (rury cienkie i grube do
gazu i oleju), elementy rurocigw instalacji odsalania, elementy
zbiornikw cinieniowych (rury, instalacje do
technologicznego przetwarzania i transportu chemikaliw),
rurocigi w przemyle przetwrczym do transportu roz-
tworw zawierajcych chlorki, wirniki, wentylatory, way i walce
prasownicze, od kt-
rych wymagana jest wysoka wytrzymao na zmczenie korozyjne,
zbiorniki i rurocigi w przemyle okrtowym, w statkach do
transportu chemikaliw,
instalacje przybrzene (off-shore), czci maszyn i urzdze w
przemyle papierniczym, przemys wydobywczy ropy naftowej i gazu,
instalacje na
polach naftowych i do transportu ropy naftowej, zbiorniki i
instalacje w przemyle petrochemicznym.
Stal dupleks stosuje si rwnie w polskim przemyle chemicznym, np.
w konstrukcji wymiennikw ciepa, w kt-rym zastosowano stal dupleks
jako powok antykorozyjn napawan na stali niestopowej w celu
zabezpieczenia jej przed korodujcym dziaaniem karbaminianu amonu.
Jed-nym z waniejszych obszarw zastosowa stali dupleks jest przemys
okrtowy, w ktrym jest stosowana w konstrukcji statkw do transportu
chemikaliw. W roku 1970 zosta wy-budowany w stoczni Dunkerque
Shipyard pierwszy statek do transportu chemikaliw ze stali
dupleks.
Technologia spawania stali dupleks w konstrukcji
wiel-kogabarytowych stwarza wiele problemw, dlatego nielicz-
Rys. 10. Przykad rozmieszczenia zbiornikw adunkowych ze stali
austenityczno-ferrytycznej w nowoczesnym statku do transportu
chemikaliw; przestrze, w ktrej znajduj si zbiorniki adunkowe
zaznaczono kolorem szarym wg [22]Fig. 10. Example of the
arrangement of loading containers, made of austenitic-ferritic
steel, on the modern ship for transportation of chemicals; the
space where the loading containers are located is marked with grey
colour acc. to [22]
ne orodki na wiecie podjy ryzyko produkcji statkw do transportu
chemikaliw z tej stali [22]. Statki chemikaliowce dostosowane s do
transportu adunkw chemicznych, jak rwnie produktw rafinacji ropy
naftowej, kwasw, olejw rolinnych, tuszczw zwierzcych, wina i
melasy. Dodatko-wo przystosowane s one do przewozu takich adunkw
jak np. hexamethylenedimene, n- pentane, i pentane, naphta-lene,
kwas fosforowy. Konstrukcja kaduba uwzgldnia stan napre wewntrznych
i obcie zewntrznych, rodzaj i rozmieszczenie przewoonego adunku
oraz potrzeb eks-ploatacyjnych: m.in. jednoczesny przewz rnych
substan-cji chemicznych w osobnych zbiornikach adunkowych oraz
wymagania przepisw towarzystw klasyfikacyjnych i warunki
eksploatacji.
W przypadku statkw do transportu chemikaliw o mniej-szej
wypornoci (poniej 40 000 DWT) przestrze adunko-wa podzielona jest
na odrbne czci, gdzie wyrni mona zbiorniki boczne z lewej i prawej
burty oraz zbiorniki rod-kowe. Zbiorniki wzdunie podzielone s
ukadem grodzi falistych wzdunych o fali pionowej. Zewntrznie
zbiorniki ograniczone s dnem podwjnym, grodziami burtowymi
po-dwjnymi i pokadem gwnym.
Podziau na mniejsze zbiorniki dokonuje si za pomo-c grodzi
falistych o ukadzie fali poziomej lub fali pionowej [22]. Dziki
mniejszej adownoci, mniejszym obcieniom zewntrznym i napreniom
wewntrznym konstrukcja gro-dzi falistych w peni zabezpiecza sztywno
konstrukcji we-wntrznej kaduba, a wszystkie usztywnienia umieszcza
si na zewntrz zbiornikw adunkowych (tj. w dnie podwjnym, grodziach
burtowych i na pokadzie gwnym).
W przypadku statkw o wikszej wypornoci (powyej 40 000 DWT)
konstrukcja kaduba jest nieco inna. Rejon zbiornikw adunkowych
statkwchemikaliowcw posiada wydzielon sekcj rodkow i sekcje
burtowe, oddzielone przy pomocy grodzi wzdunych paskich typu
koferdamo-wego [22]. Sekcja rodkowa jest podzielona na zbiorniki,
wczajc w to zbiorniki na odpady pynne. Sekcje burtowe rwnie s
podzielone na zbiorniki. Podzia na zbiorniki doko-nany jest przy
pomocy grodzi falistych (rys. 10).
-
41PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
Grubo stosowanych blach ze stali dupleks na kon-strukcje
zbiornikw adunkowych chemikaliowcw mieci si w zakresie od 8,5 do 32
mm i zwykle jest zrnicowana w poszczeglnych rejonach konstrukcji
zbiornikw [22].
Wszystkie zbiorniki adunkowe ze stali dupleks chemika-liowcw maj
powierzchni wewntrzn woln od elementw konstrukcyjnych. W
konstrukcji paszcza zbiornikw statkw wszystkie zcza, zarwno
doczoowe jak i teowe wykona-ne s najczciej jako spoiny czoowe o
penym przetopie, tworzc poczenia jednorodne ze stali dupleks.
Pozostae elementy konstrukcyjne w zczach z elementami zbiornikw ze
stali dupleks tworz poczenia mieszane ze stal wglo-w lub o
podwyszonej wytrzymaoci. Poczenia mieszane w zczach doczoowych
wykonane s jako spoiny czoowe z penym przetopem, natomiast zcza
teowe w wikszoci uksztatowane s spoinami pachwinowymi. Wystpowanie
elementw konstrukcyjnych od strony powierzchni zewntrz-nej
zbiornikw, powoduje konieczno wykonania po-cze mieszanych i
jednorodnych na duej iloci elementw uszczelniajcych o niewielkich
wymiarach, ktre tworz za-rwno zcza nakadkowe spawane spoinami
pachwinowymi jak i teowe spawane w zalenoci od rodzaju wza spoinami
pachwinowymi lub czoowymi z penym przetopem. Wymie-nione rodzaje
zczy spawanych jednorodnych i mieszanych powoduj zapotrzebowanie na
wykonanie prac spawalni-czych o cznej dugoci ok. 48 000 m na
statek, w tym z-cza doczoowe ze spoinami czoowymi (ok. 10 000 m),
zcza teowe ze spoinami czoowymi (ok. 8000 m), spoiny pachwi-nowe w
zczach teowych i nakadkowych (ok. 30 000 m).
Spawalno metalurgiczna stali dupleks
Przemiany fazowe w stali dupleks podczas nagrzewania i chodzenia
wywieraj istotny wpyw na struktur, skad fa-zowy i morfologi faz
oraz wasnoci mechaniczne zcza spawanego. Zastosowanie dodatkowych
materiaw spa-walniczych o skadzie zblionym do skadu stali powoduje,
e spoina bezporednio po zakrzepniciu ma struktur roz-tworu staego ,
ktry podczas chodzenia ulega czciowej przemianie w austenit (rys.
11). Udzia fazy i jej morfologia zale od szybkoci chodzenia zczy w
zakresie stabilnoci fazy , tj. do ok. 850C. Dotyczy to take strefy
wtopienia oraz strefy wpywu ciepa nagrzanej do temperatury
przekra-czajcej lini przemiany + / [1].
Istotny wpyw na szeroko strefy wpywu ciepa, objto wzgldn, wielko
i morfologi ziaren faz i wywiera ener-gia liniowa spawania, wielko
czonych elementw oraz wielko temperatury midzyciegowej. Dua warto
energii liniowej, powoduje zwikszenie szerokoci strefy wpywu
cie-pa, rozrost ziaren fazy i zmniejszenie szybkoci chodze-nia zcza
spawanego oraz zwikszenie objtoci wzgldnej fazy . Austenit tworzcy
si w strefie wpywu ciepa, ozna-czany niekiedy jako 2, jest uboszy w
Cr i bogatszy w Ni, w porwnaniu z faz wystpujc w stali. Przy maej
ener-gii liniowej spawania szybko chodzenia zczy jest dua w wyniku
intensywnego odprowadzenia ciepa przez czo-ne elementy o duej
pojemnoci cieplnej. Wtedy przemianie w faz ulega tylko niewielka cz
fazy , a struktura zcza ma morfologi zblion do morfologii struktury
Widmanstate-na. Cykl przemian fazowych zachodzcych podczas
nagrze-wania w procesie spawania i chodzenia zczy powtarza si
podczas nakadania kolejnej warstwy. Zrnicowane warunki chodzenia po
nakadaniu kolejnych warstw powoduj r-ny udzia faz i oraz ich
morfologii w licu i grani zcza
spawanego [1]. Szybko chodzenia zcza spawanego z temperatury
stabilnoci fazy , tj. z ok. 850C, powinna by dostatecznie dua, aby
nie dopuci do procesw wydzie-leniowych i przemian ferrytu
wysokochromowego w fazy , i im pokrewne pod wzgldem strukturalnym
oraz austenit niskostopowy, gdy powoduje to zmniejszenie cigliwoci,
a take odpornoci na korozj zcza spawanego. Wynika std take
konieczno ograniczenia temperatury midzy-ciegowej do < 200C
[1].
Krtkie czasy oddziaywania wysokich temperatur i du- e gradienty
temperatur w strefie wpywu ciepa decyduj o specyfice procesw
wydzieleniowych i przemian ferrytu w austenit i austenit wtrny 2. W
zalenoci od temperatu-ry, jak osignie strefa wpywu ciepa w czasie
wykonywania kolejnego ciegu tworz si warunki zarodkowania i wzrostu
bardzo zrnicowanych pod wzgldem skadu chemicznego, struktury i
znaczenia rodzajw wydziele faz midzymeta-licznych (, z, R, G, , T),
wglikw (M23C6, M7C3), azotkw (CrN, Cr2N) i austenitu (2).
W wyniku chodzenia z temperatur powyej linii prze-miany + w
ukadzie rwnowagi termodynamicznej Fe-Cr-Ni tworzy si austenit
pierwotny , jako produkt prze-miany . Austenit wtrny 2, zasadniczo
rnicy si skadem, morfologi i waciwociami od pierwotnego, po-wstaje
w stali dupleks w wyniku przemiany + + + 2 w strukturze
austenityczno-ferrytycznej po nagrzaniu jej do temperatury poniej
linii przemiany + w ukadzie rw-nowagi termodynamicznej
Fe-Cr-Ni.
O waciwociach mechanicznych i odpornoci korozyjnej strefy wpywu
ciepa stali dupleks decyduje objto wzgld-na ferrytu i austenitu,
morfologia i wielko ziaren ferrytu i austenitu oraz rodzaj,
morfologia i rozkad wglikw, azot-kw i szeregu faz
midzymetalicznych, ktrych wpyw na waciwoci strefy wpywu ciepa jest
najczciej niekorzyst-ny. Szeroko strefy wpywu ciepa zaley przede
wszystkim od wielkoci energii liniowej spawania oraz przekroju
spa-wanego zcza. Przy spawaniu z niewielk energi liniow, rozrost
ziaren ferrytu oraz intensywno przemiany s ograniczone. W przypadku
duej koncentracji pierwiastkw austenitotwrczych (Ni, Mn, Cu, N, C)
i duej szybkoci na-grzewania, temperatura przemiany moe wzrosn tak,
e wzrost ziaren ferrytu rwnie zostanie ograniczony [23].
Techniki spawania stali dupleksSpawanie ukowe stali dupleks
moliwe jest w zalenoci
od warunkw i wielkoci produkcji za pomoc metod spawania:
spawanie rczne elektrodami otulonymi (SMAW),
Rys. 11. Mikrostruktura strefy wpywu ciepa, ferryt ciemna faza,
austenit pierwotny jasna faza, energia liniowa spawania: a 1,6
kJ/mm, objto wzgldna ferrytu 54%, b 2,2 kJ/mm, obj-to wzgldna
ferrytu 48%, [24]Fig. 11. Microstructure of the heat-affected zone,
ferrite dark pha-se, primary austenite light phase, linear energy
of welding: a 1,6 kJ/mm, ferrite relative volume 54%, b 2,2 kJ/mm,
ferrite relative volume 48%, [24]
a b
-
42 PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
Rys. 12. Sekcja zbiornika spawana metoda FCAW w czasie montau na
pochylni [22]Fig. 12. The section of the container, which was
welded by FCAW method during installation on the slipway [22]
Rys. 13. Sekcja dna wewnetrznego spawana metod FCAW w czasie
montau na pochylni [22]Fig. 13. The section of the inner bottom,
which was welded by FCAW method during installation on the slipway
[22]
spawanie elektrod nietopliw w osonie gazu obojtnego (GTA),
spawanie elektrod topliw w osonie gazu aktywnego (GMAW),
spawanie drutem proszkowym w osonie gazw (FCAW), spawanie ukiem
krytym pod topnikiem (SAW), spawanie plazmowe (PAW).
W duych zakadach o zrnicowanym programie pro-dukcji proces
spawania ukowego najczciej realizowany jest z zastosowaniem metod
[22]: 121 (SAW) drutem litym pod topnikiem, 111 (SMAW) elektrod
otulon, 136 (FCAW) drutem proszkowym.
Materiay rodzime i dodatkoweNajczciej stosowanym materiaem
rodzimym jest stal
UNS 31803 (X2CrNiMo 22-5-3) ( 0,03% C; 2123% Cr; 4,56,5% Ni;
2,753,5% Mo; 2,0% Mn; 1,0% Si; 0,150,19 N; 0,03% P; 0,02% S)
spawana drutami rdzeniowymi metod FCAW jako jedn z najbardziej
rozwojowych metod spawa-nia ukowego stali dupleks majc najwikszy
udzia w zuy-ciu stopiwa. Spawanie drutami rdzeniowymi metod FCAW
stanowi najwikszy udzia w realizacji procesu budowy che-mikaliowcw.
W znacznym stopniu wykorzystuje si spawa-nie na podkadkach
ceramicznych [108]. W przypadku zczy teowych i zczy doczoowych o
gruboci powyej 17 mm najczciej stosuje si podkadki okrge o rednicy
zalenej o odstpu progowego (zwykle 10 lub 12 mm). Stosowane jest
spawanie dwustronne. W zczach doczoowych o gruboci blach poniej 17
mm wykorzystuje si metod spawania jednostronnego przy zastosowaniu
podkadek paskich. Na rysunku 12, 13 przedstawiono zakres
zastosowania metody FCAW przy spawaniu zczy montaowych (grodzi
falistych, koferdamowych i dna wewntrznego) chemikaliowcw
budo-wanych w SSN.
W celu uzyskania waciwej struktury zcza spawanego, waciwoci
mechanicznych i odpornoci korozyjnej druty proszkowe do spawania
stali dupleks, musz zawiera wik-sz ilo skadnikw stopowych (przede
wszystkim Cr, Ni, N) w porwnaniu do materiau podstawowego. Ni i N,
jako pierwiastki stabilizujce struktur austenityczna gwarantuj
uzyskanie odpowiedniego udziau tej fazy w strukturze po-czenia.
Obecnie produkowanych jest kilkanacie rodzajw drutw proszkowych
(tabl. V, VI).
Tablica V. Skad chemiczny stopiwa wybranych drutw proszkowych
[22]; bd brak danychTable V. Chemical composition of weld deposit
for selected tubular electrode wires [22]; bd no data
Producent/OznaczenieKlasyfikacja
wg AWS A5.22Skad chemiczny, % wag.
C Cr Ni Mo Si Mn N V Nb Cu P SElga/Cromacore DW 329A
E2209T0-4/-1 0,02 22,9 9,2 3,0 0,8 1,3 0,10 0,1 0,08 0,02 0,020
0,007Elga/Cromacore DW 329AP E2209T1-4/-1 0,02 22,9 9,2 3,0 0,8 1,3
0,10 0,1 0,08 0,02 0,020 0,007
Esab/OK Tubrod 14.27 E2209T1-4/-1 < 0,04 22,0 9,0 3,0 0,85
0,9 0,11 bd bd bd
0,025
0,025
Esab/OK Tubrod 14.37 E2209T0-1 0,03 22,6 9,0 3,1 0,8 1,0 0,13 bd
bd bd 0,035
0,025NST/ duplex 329 J3L E2209T1-4 0,028 22,8 8,84 2,97 0,39
1,22 0,12 bd bd 0,04 0,018 0,008Avesta Welding/ FCW-2D 2205
E2209T0-4/-1 0,025 23,3 9,2 3,3 0,6 0,8 0,14 bd bd bd bd bdAvesta
Welding/ FCW 2205-PW E2209T1-4 0,03 23,0 9,5 3,5 0,6 0,8 0,16 bd bd
bd bd bdSAF/ Lexal T22093N bd 0,03 22,5 8,5 2,8 0,5 1,1 0,14 bd bd
bd 0,03 0,03SAF/Lexal TA22093N bd 0,03 22,5 8,5 2,8 0,6 0,8 0,14 bd
bd bd 0,03 0,03Lincoln Electric/ Cor-A-Rosta 4462 E2209T0-4 0,03
22,9 9,3 3,4 0,6 0,9 0,14 bd bd bd bd bdLincoln Electric/
Cor-A-Rosta P4462 E2209T1-4 0,03 22,9 9,2 3,4 0,6 0,7 0,14 bd bd bd
bd bdNSW/ Nittetsu SF-329J3LP E2209T1-4 0,033 24,1 9,41 3,53 0,44
1,88 0,16 bd bd bd 0,023 0,004Bohler/ CN 2209 N-FD E2209T0-4/-1
0,03 22,7 9,0 3,2 0,7 1,1 0,13 bd bd bd bd bdBohler/ CN 2209 PW-FD
E2209T1-1/-4 0,03 22,7 9,0 3,2 0,7 1,0 0,13 bd bd bd bd bd
-
43PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
Tablica VI. Waciwoci stopiwa drutw proszkowych do spawania stali
dupleks [22]; bd brak danychTable VI. Properties of weld deposit
for tubular electrode wires used for welding of duplex steel [22];
bd no data
Producent/Oznaczenie
Gaz osonowyZawarto
ferrytu
WaciwociRe0.2,
N/mm2Rm,
N/mm2 A5,% KVC, JCPT,C PREN
Elga/Cromacore DW 329A M21 (80% Ar + 20% CO2) FN40 610 800 32 40
(-20oC) 30 35
Elga/Cromacore DW 329AP M21 (80% Ar + 20% CO2) FN40 610 800 32
42 (-46oC) 30 35
Esab/ OK Tubrod 14.27 M21 bd min. 500
min. 690
min. 20 47 (-20oC) bd bd
Esab/ OK Tubrod 14.37 M21 bd 633 768 31 bd bd bdNST/duplex 329
J3L M21 FN50 633 792 29,5 42 (-20oC) bd 34,4Avesta Welding/ FCW-2D
2205 M21 FN50 630 820 25 44 (-20oC) bd bdAvesta Welding/ FCW
2205-PW M21 (80% Ar + 20% CO2) FN45 610 840 28 60 (+20
oC) bd bdSAF/ Lexal T22093N M21 (82% Ar + 18% CO2) WRC92 39 585
700 28 50 (-20
oC) bd >35SAF/ Lexal TA22093N M21 (82% Ar + 18% CO2) WRC92 39
580 700 28 50 (-20
oC) bd >35Lincoln Electric/ Cor-A-Rosta 4462 M21 FN40 665 825
29 38 (-20oC) bd bdLincoln Electric/ Cor-A-Rosta P4462 M21 FN40 660
830 29 40 (-20oC) bd bdNSW/ Nittetsu SF-329J3LP C1 (100% CO2)
FN30-43 bd 763 27,6 40 (-20
oC) bd bdBohler/ CN 2209 N-FD M21 FN30-50 600 800 27 40 (-40oC)
22 35Bohler/ CN 2209 PW-FD M21 bd 600 800 27 32 (-46oC) 22 35
Tablica VII. Gazy osonowe stosowane w procesie spawania metod
FCAW stali typu UNS S31803 [22]Table VII. Shielding gases used in
welding process of steels type UNS S31803 by FCAW method
[22]Producent drutu proszkowego Oznaczenie drutu Zalecany gaz
osonowyLincoln Cor-A-Rosta 4462 M21 Ar + (525% CO2)Lincoln
Cor-A-Rosta P4462 M21 Ar + (525% CO2)Elga Cromacore DW329A M21 80%
Ar + 20% CO2 lub C1 100% CO2Elga Cromacore DW329AP M21 80% Ar + 20%
CO2 lub C1 100% CO2Esab OK Tubrod 14.27 M21 Ar + (525% CO2) lub C1
100% CO2Avesta Welding 2205 FCW-2D M21 Ar + (1525% CO2) lub C1 100%
CO2Avesta Welding 2205-PW M21 Ar + (1525% CO2) lub C1 100% CO2SAF
LEXAL TA 22 9 3 N M21 Ar + (525% CO2)SAF LEXAL T 22 9 3 N M21 Ar +
(525% CO2) lub C1 100% CO2NST NST Duplex 329J3L M21 Ar + (1525%
CO2)
Tablica VIII. Zalecane gazy osonowe stosowane w procesie
spawania metod FCAW stali typu UNS S31803 [22]Table VIII.
Recommended shielding gases used in welding process of steels type
UNS S31803 by FCAW method [22]
Producent gazu osonowego
Oznaczenie gazu osonowego
Skad chemiczny gazu osonowego
Linde Gaz Mison 18 Ar + 18% CO2 + 0,03% NOLinde Gaz Mison 25 Ar
+ 25% CO2 + 0,03% NOLinde Gaz Corgon 18 Ar + 18% CO2Linde Gaz
Corgon 25 Ar + 25% CO2BOC gazy Argomiks C-18 Ar + 18% CO2BOC gazy
Argomiks C-20 Ar + 20% CO2Messer FERROMIX C 18 Ar + 18% CO2
Jako gaz ochronny przy spawaniu stali dupleks stosuje si gazy
lub mieszaniny gazw aktywne chemicznie (tabl. VII, VIII). W
przypadku zastosowania czystego CO2, jako osony uku elektrycznego
drutu proszkowego, wystpuje szersza powierzchnia wprowadzania ciepa
uku do jeziorka spoiny w porwnaniu do mieszanek na bazie Ar. Dzieje
si tak dziki wyszemu wspczynnikowi przewodnictwa ciepl-nego
czystego CO2, co z kolei zapewnia korzystny, koowy ksztat linii
przetopienia, wikszy ni w przypadku mieszanek Ar + CO2 szczeglnie
przy stosowaniu wyszych parametrw spawania. Wpywa to na mniejsze
zagroenie wystpienia przykleje i wtrce ulowych w zczu spawanym.
Czyste CO2 destabilizuje jarzenie si uku elektrycznego, dlatego w
celu zapewnienia natryskowego przenoszenia metalu w uku stosuje si
odpowiedni skad topnika oraz wprowadza si odtleniacze redukujce
utleniajce oddziaywanie na me-tal jeziorka spoiny. Natenie przepywu
gazu osonowego
powinno zawiera si w granicach 2025 l/min. Przeprowa-dzone
badania wpywu osony gazowej na parametry geome-tryczno-strukturalne
napoin wykonywanych drutami proszko-wymi na stalach dupleks
pozwoliy stwierdzi, e waciwoci geometryczne wikszoci napoin byy
lepsze przy zastoso-waniu CO2 jako gazu osonowego, za mieszanka
gazowa M21 (Ar + 25% CO2) zapewnia korzystniejsz zawarto
ferrytu.
Energia liniowa i temperatura midzyciegowa
Zakres rekomendowanej energii liniowej powinien wyno-si od 0,5
do 2,5 KJ/mm. Zalecane wartoci Esp. i tempera-tury midzyciegowej
przy spawaniu rnych gatunkw stali dupleks przedstawiono w tablicy
IX. Wielko dopuszczalnej
Tablica IX. Wartoci Esp i temperatury midzyciegowej pod-czas
spawania stali dupleks [22]Table IX. Values of Esp and
inter-welding sequence during welding process of duplex steel
[22]
Gatunek staliEnergia liniowa
spawania Esp.1,
kJ/mm
Max. temperatura midzyciegowa,
C22% Cr standardowa stal dupleks 0,52,5 1252002
23% Cr stal dupleks bez molibdenu 0,52,5 15020025% Cr stal
dupleks, do 2,5% Cu 0,21,5 1001502)
1. EL. powinna by dobrana odpowiednio do gruboci materiau. 2.
Temperatura dobierana w zalenoci od gruboci materiau.
-
44 PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008
wielkoci energii liniowej spawania w kadym przypadku winna
podlega weryfikacji w oparciu o badania, ktre od-powiedz, czy
zaprojektowana technologia dla konkretnego gatunku stali od
konkretnego producenta, przyjtej geometrii zcza, zakresu gruboci
cianek, pozycji spawania, przewi-dywanych materiaw spawalniczych i
spodziewanej sztyw-
noci zczy oraz wielkoci obcienia ich napreniami montaowymi speni
kryteria odbiorowe inwestora (wasnoci wytrzymaociowe, parametry
mikrostruktury, poziom odpor-noci korozyjnej oraz jakoci spoin)
okrelone wymaganym poziomem niezgodnoci spawalniczych wg bada
nienisz-czcych) [22].
PodsumowanieRozwj zastosowa stali dupleks jest wyrany i
doty-
czy gwnie konstrukcji spawanych w przemyle wydo-bywczym ropy i
gazu, chemicznym, petrochemicznym, stoczniowym, papierniczym oraz
farmaceutycznym.
Podstawowym problemem w spawaniu stali dupleks jest zapewnienie
rwnowagi objtoci wzgldnej ferrytu i austenitu oraz niedopuszczenie
do procesw wydziela-nia si wglikw i faz midzymetalicznych
powodujcych zmniejszenie waciwoci mechanicznych oraz odpornoci
korozyjnej. Stal dupleks krystalizuje pierwotnie jako ferry-tyczna,
a przemiana ferrytu w austenit zachodzi dopiero w stanie staym.
Zbyt dua prdko stygnicia moe ha-mowa proces przemiany ferrytu w
austenit, co wpynie na rwnowag objtoci wzgldnej ferrytu i
austenitu.
Wielko energii liniowej spawania EL i temperatury midzyciegowej
ma zasadnicze znaczenie w spawaniu stali dupleks w zwizku z ich
wpywem na kinetyk prze-mian fazowych i procesw wydzieleniowych, i
winna wy-nosi od 0,5 do 2,5 KJ/mm, a temperatura midzyciego-wa
1502000C.
Nie stosuje si podgrzewania wstpnego. Wielko do-puszczalnej
wielkoci energii liniowej spawania w kadym przypadku winna podlega
weryfikacji eksperymentalnej.
Wanym zagadnieniem jest waciwy dobr mate-
riaw dodatkowych do spawania stali dupleks, majcy wpyw na objto
wzgldn ferrytu i austenitu w zczu i w efekcie na waciwoci
mechaniczne i odporno koro-zyjn zcza. Gazy osonowe i gazy stosowane
do osony grani mog regulowa zawarto azotu w spoinie i obj-to wzgldn
ferrytu i austenitu. Brak azotu w gazie oso-nowym powodowa moe
zmniejszenie odpornoci koro-zyjnej zcza, np. w spawaniu metod
TIG.
Wysoki stopie trudnoci technologii spawania wielko-gabarytowych
konstrukcji okrtowych powodowany jest: ma tolerancj na odchylenia
od wymaganych warun-kw spawania, znaczn sztywnoci przygotowanych do
spawania dugich zczy midzysekcyjnych w powizaniu z umiar-kowan
cigliwoci stopiwa zastosowanych materiaw spawalniczych, wysokimi
wymaganiami odbioru wykonanych pocze.
Uzyskanie wysokich waciwoci mechanicznych i od- pornoci na
korozj zczy jest moliwe dziki skrupulatne-mu przestrzeganiu
parametrw technologicznych spawa-nia, minimalizacji napre
montaowych w obszarze zcz spawanych w wyniku przestrzegania
kolejnoci montau i spawania oraz uwzgldniania wynikw pomiarw
geome-trii konstrukcji, automatyzacji i mechanizacji procesw
spa-wania stabilizujcych parametry prdowe, oraz szczego-wej
kontroli na wszystkich etapach produkcji [22].
Literatura[1] Adamczyk. J.: Inynieria materiaw metalowych,
Wydawni-
ctwo Politechniki lskiej, Gliwice, 2004.[2] Askeland D. R.: The
Science and Engineering of Materials,
Van Nonstrand Reinhold International, London, 1988.[3]
Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopw elaza, PWN,
WarszawaKrakw, 1978.[4] Young-Hwan Park, Zin-Hyoung Lee: The
effect of nitrogen
and heat treatment on microstructure and tensile properties of
25Cr-7Ni-l,5Mo-3W-xN duplex stainless steel casting; Materiale
Scence and Engineering A297, 2001.
[5] Dobrzaski L. A.: Metaloznawstwo opisowe stopw elaza
Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice, 2007.
[6] Atamert S., King J. E.: Super duplex stainless steels. Part
1: Heat affected zone microstructures, Materials Science and
Technology, vol. 8, 1992.
[7] Avesta Polarit Welding Katalog, 2002.[8] Messner C.,
Silberschmidt V. V., Werner E. A.: Thermally
induced surface roughness in austenitic-ferritic duplex
stain-less steels, Acta Materialia, 51/2003.
[9] Cholewa M., Gawroski J., Przyby M.: Podstawy proce-sw
metalurgicznych, Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice,
2004.
[10] Welding duplex stainless steels the ESAB way, Materiay
informacyjne firmy ESAB, 2000.
[11] Karlsson L, Ryen L., Pak S.: Precipitation of intermetallic
phases in 22% Cr duplex stainless weld metals. The kine-tics of
intermetallic phase formation in the temperature ran-ge 675-1000oC
(1274-1832oF) and effects on mechanical properties and corrosion
resistance. Welding Research Supplement, 1995.
[12] Czyowicz S.: Odporno korozyjna nowych
austenityczno-ferrytycznych stali odpornych na korozj, Prace IM nr
12, 1990.
[13] Kordatos J. D., Fourlaris G., Papadimitriou G.: The
effect
of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of
SAF 2205 (UNS 31803) duplex stainless steel welds, Scripta
Materialia, 44/2001.
[14] abanowski J., Effect of microstructure on mechanical
pro-perties of duplex stainless steel for marine applications,
Ma-rine Technology Transactions, Vol. 10/1999).
[15] abanowski J., Krzysztofowicz K., Ossowska A.: Napre-niowe
pkanie korozyjne symulowanych stref wpywu ciepa zczy spawanych
stali dupleks, Inynieria Materiaowa nr 6, 2003.
[16] PN-EN 10088-1,1998, Stale odporne na korozj Gatunki.[17]
Abdel-Karim R., Elmahallawi I., El-Menshawy K.: Microstruc-
ture and corrosion properties of nitrogen stainless steel 316L
produced by hipping, Powder Mettalurgy, vol. 47, no. 1, 2004.
[18] Banas J., Mazurkiewicz A.: The effect of copper on
passi-vity and corrosion behaviour of ferritic and
ferritic-austenitic stainless steels, Materials Science and
Engineering, A277, 2000.
[19] Lu X.-C., Shi K., Li S.-Z., Jiang X.-X.: Effects of surface
deformation on corrosive wear of stainless steel in sulfuric acid
solution, Wear, 225-229, 1999.
[20] Charles J.: Composition and properties of duplex stainless
steels, Welding in the World, vol. 36, 1995.
[21] Przetakiewicz W., Tomczak R.: Niektre aspekty spawalno-ci
ferrytyczno-austenitycznych stali typu dupleks i superdu-pleks,
Przegld Spawalnictwa nr 3, 1995.
[22] Nowacki J., Urbaski M., Zajc P.: Spawanie FCAW stali
dupleks w budowie statkw do transportu chemikaliw, Przegld
Spawalnictwa nr 4, 2008.
[23] Jimenez J. A., Carsi M., Ruano O. A., Penalba F.:
Characte-rization of a / duplex stainless steel, Journal of
Materials Science, 35, 2000.
[24] Nowacki J., ukoj A.: Microstructure transformations of
duplex steels welded joints heat affected zone, Materials
Characterization, 56, 2006.