Süpermartensitik paslanmaz çelikler (SMSS), CO2 içeren üretilen sıvılarda yüksek mukavemete ve korozyona karşı iyi bir dirence sahiptir ve diğer rakip korozyona dayanıklı alaşımlardan daha ucuzdur. Bu nedenle, çekici akış hattı malzemeleridir ve bir dizi açık deniz uygulamasında başarıyla kullanılmıştır. Bununla birlikte, hizmet arızaları meydana geldi ve özellikle iki arıza mekanizması, kaynaklarda zorluklara neden oldu: (i) katodik koruma altında alınan hidrojenden kaynaklanan hidrojen gevrekliği/hidrojen kaynaklı stres çatlaması ve (ii) taneler arası gerilmeli korozyon çatlaması (IGSCC). Bu makale, bu iki arıza olgusunun her biri hakkında deneysel veriler sunmakta ve daha fazla bilginin gerekli olduğu yerleri vurgulayarak, bu sorunlardan kaçınmanın mevcut yollarının ayrıntılarını vermektedir.
Süpermartensitik paslanmaz çelikler tipik olarak yaklaşık %12 Cr, %1.5-7 Ni, %2.5 Mo'ya kadar ve yaklaşık %0.01 C içerir. SMSS'nin iki sınıfı tanımlanabilir: tipik olarak <%4 Ni ve molibden ilavesiz 'yalın' kaliteler ve >%4Ni ve %2-2.5 Mo ile 'yüksek' kaliteler. Bu tür çeliklerin mikro yapısı ağırlıklı olarak bir miktar östenit içeren temperlenmiş martensittir, ancak kaynak HAZ'larında delta ferrit ve temperlenmemiş martensit oluşabilir.
Denizaltı SMSS bileşenleri, deniz suyu tarafında oyuk korozyon direncine ilişkin endişeler nedeniyle pratikte katodik korumaya tabi tutulur. Tipik olarak, hizmet içi potansiyeller -1000 ila -1100mV SCE mertebesinde olabilir. Bu tür potansiyellerde, çelik yüzeyinde atomik hidrojen üretimi, önemli miktarda hidrojen alımına yol açabilir. Ferrit ve martensit fazları genellikle hidrojen gevrekleşmesine karşı hassastır, östenit ise çok daha az hassastır.
Hidrojen kaynaklı stres çatlaması (HISC), HAZ'ların gevrekleşmesi ve uygun bileşim kaynak metalinin bir sonucu olarak denizaltı SMSS boru hatlarında arızalara neden olmuştur.
Sıcak asidik tuzlu suda kalifikasyon testi sırasında hem zayıf hem de yüksek alaşımlı kalitelerin hizmet sırasındaki son arızaları ve çatlaması, çevre kaynaklarının HAZ'ında taneler arası stres korozyon çatlamasına (IGSCC) duyarlılığı ortaya çıkarmıştır, ancak herhangi bir sorun bildirilmemiştir.
Deneysel Program
HISC Testleri
Malzemeler
Test, nominal bileşim %12 Cr, %6 Ni, %2.5 Mo ve yaklaşık %0.1 Ti ile 275 mm OD x 15 mm ağırlıkça süpermartensitik UNS S41426 borusundan alınan ana malzeme üzerinde yapıldı. Borudaki iki çevre kaynağının kapak tarafından çapraz kaynak numuneleri üzerinde daha fazla test yapıldı: (i) bir otomatik darbeli GMA kaynağı (bir yarısı kaynaklanmış ve diğeri verilen kısa kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT)) ve (ii) ) kısa PWHT verilen manuel bir GTA kaynağı. Kaynakların kaynak sonrası ısıl işlemi, 5 dakika boyunca 630°C-650°C sıcaklık aralığında endüksiyonla ısıtma ile gerçekleştirildi.
Borunun kaynağı süperdupleks dolgu teli ile ve normal süperdupleks ısı girdisi ve pasolar arası sıcaklık limitleri (yani 0,5-1.5kJ/mm ve <150°C) takip edilerek gerçekleştirildi.
HISC Testi Ayrıntıları
Ana Malzeme
Ana süpermartensitik borudan (P1-P5) işlenmiş düz yuvarlak kesitli numuneler üzerinde sabit yük çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Gösterge bölümü boyutları 25 mm uzunluğunda x 3.8 mm çapındaydı. Test, ortam basıncı ve sıcaklığında (yaklaşık 15-20°C), deniz suyunda, -1100mV SCE'ye polarizasyon ile, benzer koşullar altında ancak stres olmadan 14 günlük bir ön şarjın ardından gerçekleştirildi. Numuneler, ölçülen ana çelik %0.2 uzama geriliminin (735MPa) 0.96 ile 1.15 katı arasında gerilimler verecek şekilde yüklendi. Test, nominal olarak 30 gündü.
GMA Kaynak, Kaynaklı Olarak
Benzer sabit yük çekme testleri, kaynaklı durumda (GMAW) GMA kaynağının kapak tarafından işlenen çapraz kaynak numuneleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Test, ortam basıncında, 4°C'de, ağırlıkça %3.5 NaCl çözeltisi içinde, -1100mV SCE'de polarizasyon ile gerçekleştirilmiştir. Sırasıyla 14, 21 ve 25 günlük ön şarjdan sonra üç numune test edildi. Gerilim seviyeleri, ana çeliğin %0.2'lik dayanıklılık geriliminin 1, 1.08 ve 1.08 katıydı.
GMA Kaynak, PWHT'den Sonra
PWHT durumunda (GMAW HT1-3) GMA kaynağının kapak tarafından işlenen üç çapraz kaynak numunesi üzerinde daha fazla sabit yük çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Test, -1100mV SCE'ye polarizasyon ile ağırlıkça %3.5 NaCl çözeltisi içinde 4°C ortam basıncında gerçekleştirildi. Tüm testler için stres seviyesi, ana çelik %0.2'lik dayanıklılık stresiydi. Daha ileri testler, -1100mV SCE'de 4°C'de, ağırlıkça %3.5 NaCl sulu solüsyonunda 0.21 bar O2 kısmi basıncı elde etmek için önceden karıştırılmış bir N2/O2 karışımı kullanılarak basınçlandırılmış bir otoklavda 30bara'da gerçekleştirilmiştir. 14 günlük bir ön şarjın ardından iki numune (GMAW HT) test edildi. Gerilim seviyeleri, ana çeliğin %0.2'lik dayanıklılık geriliminin 0.91 ve 1.00 katıydı.
Taneler arası SCC testleri
Malzemeler
Beş düşük karbonlu SMSS borusu kullanıldı. İncelenen çelikler için bileşimler %10.9-13.5 Cr, %1.5-6.4 Ni ve %0-2.5 Mo aralığındaydı. İki tip otomatik darbeli GMA çevre kaynağı incelenmiştir, (i) baştan sona süper dupleks katı dolgu teli ile yapılan üç kaynak (W1-W3) ve (ii) yaklaşık olarak eşleşen bileşim metal özlü dolgu telleri (W4 ve W5) ile yapılan iki kaynak.
Her kaynak tipinin örnekleri (bir 'P' işareti verilmiştir) indüksiyon ısıtması ile kısa PWHT'ye tabi tutulmuştur. Belirtilen ısıl işlem döngüsü, kaynak başlığında 640-660°C'de 5 dakikaydı. Kök sıcaklığı, boru duvar kalınlığına bağlı olarak tipik olarak kapak sıcaklığından 15-35°C, yani 620-640°C daha düşüktü. PWHT'nin sertlik üzerindeki etkisi, enine kaynak kesitlerinde 5kg Vickers sertlik ölçümleri kullanılarak incelenmiştir.
Korozyon Test Detayları
10 bar C02 ile asitleştirilmiş iki sıcak %25 NaCl solüsyonunda dört nokta bükme testi yapıldı. İlk test 110°C'lik bir sıcaklığa ve 3.3 hesaplanan pH'a sahipken, ikinci test 120°C'deydi ve hesaplanan pH'ı 4.5'e yükseltmek için 500 ppm NaHC03 ilave edildi. 100x15x3mm boyutlarındaki dikdörtgen test numuneleri, hem kaynaklı hem de PWHT koşullarında her bir çevre kaynağı türünden çapraz kaynak yapılmıştır. Numunelerin kökü sağlamdı ve HAZ'daki ana çeliğin %0.2 uzama gerilimine eşdeğer bir gerinim vermek üzere saptırıldı.
Sonuçlar
HISC Testleri
Ana çelik HISC test numunelerinin hiçbiri 30 gün içinde başarısız oldu veya çatlamadı. Ancak, sekiz GMA kaynak numunesinden altısı ve altı GTA kaynak numunesinden ikisi başarısız oldu. Başarısız olmayan iki GMA numunesi, kaynaklandığı gibi kaynaklanmış ve ana çeliğin (738MPa) %0.2 uzama geriliminde yüklenmiş GMAW1 ve kaynak sonrası ısıl işlem görmüş ve uzama geriliminin 0.92'sine yüklenmiş GMAW HT4'tür ( 679MPa). Başarısız olmayan dört GTA numunesi, üçü de 30 bara'da test edilmiş ve bir tanesi 1 bara'da test edilmiş, tümü ana çeliğe %0,2 dayanıklılık gerilimi yüklenmiştir.
GMA kaynak numunelerinin kırılma yüzeylerinin incelenmesi, önceden var olan küçük yan duvar eksikliğinin (0.3-2.0 mm uzunluğunda) füzyon kusurlarının ve HISC çatlağının başladığı yere bitişik bir gevrek kırılma morfolojisinin varlığını ortaya çıkardı, kusurlardan daha uzakta çukurlu sünek görünüm. Numunelerin kırık yarılarının ekseni boyunca alınan enine kesitler, kırılmanın gevrek kısmının kaynak metali ile kaynak füzyon sınırına çok yakın ve paralel olduğunu göstermiştir. Bu, süper duplekste HISC çatlak gelişimini gösterir. füzyon kusurlarının küçük yan duvar eksikliğinden füzyon sınırına yakın kaynak metali. Yapılan testlerde basınç veya PWHT etkisi görülmedi.
Bir SEM'deki GTA kaynak numunesi kırılma yüzeylerinin incelenmesi, numune eksenine paralel uzanan küçük gözenekler (~0.05mm çapında) ve interrun eksikliği (~0.4-1.0mm çapında) ortaya çıkardı. Bu yönelimdeki kusurların, küçük kesit alanları nedeniyle UT tarafından tespit edilmesi zordur. Kırılma yüzeyi yine kusurlara yakın gevrek bir morfolojiye sahipti ve kusurlardan uzakta çukurlu sünek bir görünüme dönüştü. Kesitlerin incelenmesi, kırılmanın kaynak metalindeki kusurlardan başladığını ve daha sonra füzyon hattına/HAZ'a ve ana çeliğe ilerlediğini gösterdi.
ICSCC Testleri ve PWHT'nin Etkisi
Korozyon Testi
SCC testlerinin sonuçlarını listeler. Kaynaklı örneklerin çoğu, A ortamındaki HAZ'de, füzyon hattının hemen bitişiğinden (örneğin, süper dupleks tel ile kaynaklanmış W1,12Cr6Ni2.5MoTi çelik) füzyondan yaklaşık 0,5 mm'ye kadar çeşitli konumlarda taneler arası çatlak gösterdi. hattı (W2, 12Cr5Ni2Mo çelik süperdupleks tel ile kaynaklanmıştır). PWHT'den sonra hiçbir kaynakta böyle bir çatlama bulunmadı. Kaynak W5 (SMSS teli ile kaynaklanmış 12Cr6Ni2Mo çelik), kaynaklı durumda hiçbir çatlama göstermedi. pH'ın 4,5'e yükseltildiği ikinci ortamda, benzer eğilimler gözlendi, yani kaynaklı numuneler çatlama eğilimindeydi ve PWHT numuneleri gözlenmedi. Çatlak konumu A ortamındakine benzerdi. Kaynak W3 (süperdupleks tel ile kaynaklanmış 12Cr6Ni2Mo çelik) ve W4 (eşleşen bileşim teli ile kaynaklanmış 13Cr5Ni1Mo çelik) kaynaklı durumda hiçbir çatlak göstermedi.
PWHT'nin Sertlik Üzerindeki Etkisi
Genel olarak, kaynaklı olarak kaynak kökü/orta kalınlık pozisyonu kaynak başlığından daha yüksek maksimum HAZ sertliğine sahipti ve bu muhtemelen yeniden ısıtma/gerilmenin etkilerini yansıtıyordu. Kaynaklı olarak maksimum HAZ değerleri 332-351 HV5 aralığındaydı ve en yüksek sertlik her zaman füzyon hattından yaklaşık 2 mm uzaktaydı. Kısa süreli PWHT indüksiyonundan sonra, tepe HAZ sertliği tipik olarak kök konumunda, zayıf kalite çelik için 54 HV5'e kadar, ancak daha yüksek alaşım kaliteleri için daha tipik olarak 10-15 HV5'e kadar düşürüldü. Kaynak başlığı HAZ'ları, bazı durumlarda gözlenen sertleşme (+12 HV5'e kadar) ve diğerlerinde yumuşama (-26 HV5'e kadar) ile karışık bir tepki gösterdi.
Tartışma
HISC
Ana süpermartensitik paslanmaz çelik (12Cr6.5Ni2.5Mo) boru, deniz suyunda -1100mV SCE'de 30 günlük sabit yük çekme testlerinde, UTS'ye yaklaşan %0,2 uzama geriliminin 1,15 katına kadar gerilimlerde HISC'ye karşı herhangi bir hassasiyet göstermedi. . Süper dubleks paslanmaz çelik göbek malzemesi üzerinde yapılan benzer testler, benzer testlerde %0,2'lik uzama geriliminin %96'sına eşit veya daha yüksek gerilimlerde HISC'ye duyarlı olduğunu daha önce göstermiştir. Bununla birlikte, HISC'nin pasif filmi parçalayan dinamik plastik gerinim gerektirdiği bildirilmektedir. Dubleks ve süper dubleks paslanmaz çelikte, düşük sıcaklıktaki sürünme prosesleri, sabit yük koşulları altında dinamik plastik gerilmeyi indükler, ancak süpermartensitik çelikler bu testlerde çok az düşük sıcaklıkta sürünme gösterdi. Bu, muhtemelen ana çelik numunelerinin burada neden çatlamadığını açıklamaktadır, çünkü önceki çalışma, ana SMSS'nin dinamik test koşulları altında HISC'ye duyarlı olduğunu göstermiştir.
Süper dubleks tel ile yapılmış süpermartensitik borudaki çevre kaynaklarından alınan çapraz kaynak numuneleri, ana borunun yaklaşık %0,2'lik uzama gerilimine gerildiklerinde kaynak kusurlarından HISC'ye duyarlıydı. Kaynak metali gözenekleri, yan duvar füzyon eksikliği (GMA kaynağı) ve geçişler arası füzyon eksikliği (GTA kaynağı) dahil olmak üzere çeşitli kusur türleri bulundu. Pürüzsüz numunelerdeki HISC arıza yolu, başlangıçta süper dupleks kaynak metaliydi. Hata yolu, yan duvarda füzyon kusurları olmaması için füzyon hattına çok yakın olan kaynak metalindeydi. Çatlaklar daha sonra süpermartensitik HAZ ve ana çeliğe çarptı. Kusur içermeyen numuneler, herhangi bir HISC kanıtı olmadan 30 günlük testlerden sağ çıktı.
Uygulanan gerilimlerin süpermartensitik borunun uzama gerilimine dayandığı ve muhtemelen 679-798 MPa aralığında olduğu göz önüne alındığında, kaynak metalindeki çatlama belki de şaşırtıcı değildir. kaynak metali. Seyreltilmemiş kaynak metali için kanıt gücü tipik olarak 700-750MPa aralığındadır. Diğer yazarlar daha önce süpermartensitik kaynaklardan çapraz kaynak numunelerinin katodik koruması altında SSRT testi sırasında HAZ'da başlatılan HISC kırılmalarını gözlemlemişlerdir, bu belki de kaynak metali mukavemetinin o durumda ana boruya kıyasla aşırı uyumlu olduğunu ve muhtemelen bunun bir etkisi olduğunu yansıtmaktadır. SMSS'nin çatlama duyarlılığı üzerindeki dinamik zorlama.
Kusurlar mevcut olduğunda, kaynak metalinde, ferrit taneleri boyunca bölünme ve çatlağın ostenitten geçtiği yerin kanıtı ile, bir ferritik-ostenitik mikro yapının özelliği olan gevrek bir kırılma yüzü bulundu. Bununla birlikte, yan duvar füzyonu eksikliğinden kaynaklanan çatlama için, çatlak yayılımı arayüz boyunca olduğunda, ferritik-östenitik bir mikroyapıda tipik bir HISC kırılması olmayan farklı bir kırılma morfolojisi bulundu. Bu, kısmen karışık bir bölgenin (PMZ) bulunduğu füzyon hattı bölgesinin, dökme kaynak metali ile aynı bileşime ve mikro yapıya sahip olmadığı gerçeğiyle tutarlıdır. Füzyon sınır alanı/PMZ, dökme kaynak metaline göre farklı bir ferrit ve östenit dağılımına sahiptir ve martensit içerebilir.
Bu program, çatlamanın kaynak metalinde veya ergitme hattında nasıl başladığını ve ardından HAZ ve ana çeliğe nasıl ilerlediğini ayrıntılı olarak incelemedi. Bununla birlikte, hizmetteki arızalarla ilgili pratik deneyim, bir kaynak ucunda (yani HAZ'de, ergime sınırında veya ergime hattına yakın kaynak metalinde) başlatmanın ve ardından ağırlıklı olarak ana çelikte ilerlemenin, özellikle endişe verici bir arıza modu olduğunu göstermektedir. . Sonuç olarak, bu bölgede HISC'ye yatkınlığa katkıda bulunan parametrelerin ve PWHT'nin faydalı olup olmadığının tanımlanmasına ihtiyaç vardır. Kaynak kusurlarının baskın etkisi nedeniyle burada PWHT'nin etkisi hakkında kesin bir sonuca varmak mümkün değildi, ancak incelenen PWHT açıkça HISC'nin bir HAZ'a girmesini engellemedi. Ayrıca, HAZ sertliğinde yalnızca küçük bir değişikliğin meydana gelmesi, PWHT'nin HISC üzerinde güçlü bir etkiye sahip olma olasılığının düşük olduğunu göstermektedir. Benzer şekilde, kaynak kusurlarının etkisinin bir sonucu olarak test basıncının net bir etkisi fark edilememiştir.
Birkaç numune hatasız sabit yük testlerinde başarısız olmadı, ancak daha önce açıklandığı gibi bu, hatasız kaynakların dinamik gerinim koşulları altında HISC'ye karşı bağışık olacağı anlamına gelmez. Önerilen makale:
boru ağzı açma fiyatları hakkında detaylı bilgi almak için ilgili sayfayı ziyaret edebilirsiniz. Bununla birlikte, kaynak ucundaki kaynak kusurları veya süreksizlikler olsun, gerilim yoğunlaştırıcıların mevcudiyetinin HISC'yi teşvik edeceğini gösterir. Bu nedenle, bu tür özelliklerin varlığının en aza indirilmesi tavsiye edilir ve mümkünse, hidrojen toplanmasını önlemek için tüm kaynaklar kaplanmalıdır.
IGSCC
Zayıf dereceli SMSS HAZ'ların hassaslaşması, önceki östenit tane sınırları ve bitişik Cr-tükenmiş bölgelerde Cr-karbür oluşumu ile bağlantılıdır, ancak bu bağlantı yüksek alaşım kaliteleri için kurulmamıştır. Bununla birlikte, yüksek alaşımlı kalitelerde kaynak oksidinin hemen altında önceki ostenit sınırlarında Cr-tüketilmiş bölgelerin oluşumu gözlenmiştir. Bu nedenle, yüksek dereceli süpermartensitik paslanmaz çeliğin IGSCC mekanizması ve PWHT'nin etkisi konusunda bazı belirsizlikler devam etmektedir. Bununla birlikte, çok çeşitli süpermartensitik dereceler için kısa PWHT'nin tutarlı bir yararlı etkisini destekleyen önemli bir bilgi grubu vardır.
Mevcut verilere dayanarak, serviste, yani sıcak asidik ortamlarda taneler arası SCC riskinin olduğu süpermartensitik paslanmaz çelikteki kaynaklara PWHT uygulanması tavsiye edilir. Ancak, bu yararlı etkiyi ve gerekli kontrolü tam olarak doğrulamak için daha fazla veriye ihtiyaç vardır. Mevcut verilere göre kökte yaklaşık 650°C'lik bir PWHT sıcaklığı tavsiye edilir ve ısıl işlem görmüş bölge tüm kaynak metalini ve HAZ'ı kapsamalıdır. İzin verilen maksimum ve minimum sıcaklıklar belirlenmemiştir, ancak mevcut çalışma 620°C'den 660°C'ye kadar uzatılmıştır. Isıtma ve soğutma oldukça hızlı olmalıdır. En uygun PWHT süresi belirlenmemiştir, ancak burada kullanıldığı şekliyle 5 dakikanın uygun bir süre olduğu konusunda oldukça yaygın bir görüş vardır. PWHT'nin IGSCC'ye göre faydalı etkisi 30 günlük maruz kalma testleri için gösterilmiş olsa da, etkinin uzun vadeli hizmete uygulanabilirliğini doğrulamak için daha uzun vadeli veriler gereklidir.
Yeterince kontrol edilmezse kaynak sonrası ısıl işlemin de zararlı etkileri olabilir, örn. (i) kaynak alanı oksitlerinin kalınlaşması ve buna bağlı genel/oyuk korozyon direnci kaybı, (ii) HAZ'da bakir martensit oluşumu ve sertliğin azalmasına yol açan artan sertlik, (iii) süper dubleks paslanmaz çelikte tokluk kaybı kaynak metali ve (iv) ısıl işlem görmüş alan yeterince geniş değilse, taneler arası SCC'ye duyarlılaşmaya neden olabilecek sıcaklıklarda HAZ'ın temperlenmesi.
Her ne kadar veriler burada incelenen tüm çeliklerin oldukça benzer olduğunu ve IGSCC'ye göre 620-660°C'de 5 dakikalık faydalı etkinin 'yalın Ti ilaveli ve Ti ilavesiz <%1 Mo ve >%2Mo ile 'yüksek' dereceler.
Mevcut sınırlı bilgi nedeniyle, PWHT durumunda kaynaklı süpermartensitik paslanmaz çeliğin kullanımı duruma göre kalifikasyon gerektirecektir. Kalifikasyon programı, IGSCC'ye ek olarak, PWHT'nin dayanıklılık ve ekşi hizmet performansı üzerindeki etkilerini dikkate almalı ve uygulamada deneyimlenebilecek PWHT termal döngü aralığının uç noktalarını ele almalıdır.
Sonuçlar
Süpermartensitik paslanmaz çelik akış hatları için kaynak prosedürleri geliştirirken, sıcak, asidik sıvılarda HAZ'ın katodik korumadan hidrojen toplaması ve taneler arası gerilim korozyonu çatlaması nedeniyle hidrojen kaynaklı stres çatlaması riskini en aza indirmek için çaba gösterilmelidir.
Mümkün olan her yerde, süpermartensitik çelikteki kaynaklar, özellikle hizmette dinamik plastik gerilmenin yaşanabileceği yerlerde -1000 ila -1100mV SCE civarında katodik korumaya maruz bırakılmamalıdır. Bunun mümkün olmadığı durumlarda, kaynak kusurlarının oluşumu en aza indirilmeli ve kaynak ucunun stres yoğunlaşma etkisini sınırlamak için çaba gösterilmelidir. HISC'nin başlangıcı için sınırlayıcı yükleme koşullarını tanımlamak için daha fazla çalışma gereklidir. 650°C'de 5 dakika süreyle kısa süreli PWHT'nin HISC'ye duyarlılığı azalttığına dair hiçbir gösterge yoktur.
Mevcut çalışma ve yayınlanmış diğer çalışmalar, 5 dakika boyunca yaklaşık 650°C'de kısa süreli PWHT indüksiyonunun, HAZ'ın taneler arası stres korozyon çatlamasına karşı hassasiyeti ortadan kaldıracağını göstermektedir. Tutarlı bir faydalı etki sağlamak için PWHT sürecinin gerekli kontrolünü sağlamak için daha fazla çalışma gereklidir, ancak mevcut çalışmaya dayalı olarak izin verilen 620-660°C sıcaklık aralığı önerilir.
