Obróbka cieplna w procesie kwalifikowania technologii spawania łukowego stali – cz. 2

Z artykułu dowiesz się:

• o zastosowaniu praktycznym parametru Hollomona-Jaffe’a,
• jak wyznaczyć czas wygrzewania w warunkach produkcyjnych.

W drugiej części artykułu przedstawiamy dalszą część analizy szczególnych zagadnień związanych z kwalifikowaniem technologii – obróbkę cieplną po spawaniu.

Podejście oparte na wykorzystaniu parametru Hollomona-Jaffe’a jest wprowadzane do innych norm zharmonizowanych z dyrektywą ciśnieniową (PED), np. PN-EN 13480-4 [3]. W najnowszym wydaniu normy PN-EN 12952-5 [4] parametr ten niestety nie jest ujęty. Należy jednak podkreślić, że zaleca się stosowanie parametru Hollomona-Jaffe’a również w przypadku obróbki cieplnej złączy spawanych elementów kotłów wodnorurowych. Pogląd ten znajduje potwierdzenie również w wymaganiach opisanych w raporcie technicznym ISO/TR 14745 [7].

Praktyczne zastosowanie parametru Hollomona-Jaffe’a ilustrują zamieszczone poniżej przykłady.

Przykład 1

Podczas kwalifikowania technologii z obróbką cieplną po spawaniu wg wymagań norm PN-EN ISO 15614-1 [1] oraz PN-EN 13445-4 [2] wykonano doczołowe złącze próbne rur w gat. 13CrMo4-5, o średnicy zewnętrznej 273,0 mm oraz nominalnej grubości ścianki e_n = 20 mm (spawanie wielościegowe). Technologia spawania ma być stosowana podczas wytwarzania zbiorników ciśnieniowych zgodnie z PN-EN 13445-4 [2].

Należy określić czas i temperaturę wygrzewania złącza próbnego.

Rozwiązanie:

Zgodnie z tablicą 7 PN-EN ISO 15614-1 [1] uzyskany zakres grubości ścianki wynosi 10-40 mm.

Zgodnie z tablicą 11.1-1 PN-EN 13445-4 [2] temperatura wygrzewania dla ww. stali wynosi 620-680^oC, a czas wygrzewania 30 min dla grubości ścianki t ≤ 15 mm oraz 2e_n dla 15 < t ≤ 60 mm.

Podczas określania minimalnego czasu obróbki cieplnej złącza próbnego należy uwzględnić:

a) maksymalną grubość z oczekiwanego zakresu kwalifikacji, która dla podanego przykładu kwalifikowania technologii wynosi 40 mm;
b) konieczność przeprowadzenia napraw (z kolejną obróbką cieplną).

Norma wyrobu PN-EN 13445-4 wprowadza zastrzeżenia w zakresie dopuszczalnej wartości parametru Hollomona-Jaffe’a (P_crit). Dla stali 13CrMo4-5 P_crit = 18,5.

Przyjmując temperaturę wygrzewania 650^oC, można wyznaczyć dopuszczalny czas wygrzewania (bez konieczności ponownego badania własności mechanicznych).

18,5 = (650 + 273) (20 + lg t)10-³

t = 1 h = 60 min

W celu spełnienia wymagań PN-EN 13445-4 [2] należy dla przewidywanego zakresu grubości, tj. do maks. 40 mm, przyjąć minimalny czas wygrzewania złącza próbnego:

a) 80 min, gdy nie uwzględnia się konieczności przeprowadzenia naprawy,
b) 160 min, gdy zakłada się konieczność przeprowadzenia jednej naprawy złącza (na całej grubości) z następną obróbką cieplną,
c) 240 min, gdy zakłada się konieczność przeprowadzenia dwukrotnej naprawy złącza (na całej grubości) z następną obróbką cieplną.

Ewentualne naprawy w trakcie eksploatacji złączy spawanych powinny być przeprowadzane po uwzględnieniu odpowiedniego czasu wygrzewania podczas badania technologii.

Przykład 2

Podczas kwalifikowania technologii z obróbką cieplną po spawaniu wg wymagań norm PN-EN ISO 15614-1 [1] oraz PN-EN 13445-4 [2] wykonano doczołowe złącze próbne rur w gat. P265GH, o średnicy zewnętrznej 273 mm oraz nominalnej grubości ścianki e_n = 36 mm (spawanie wielościegowe). Technologia spawania ma być stosowana podczas wytwarzania zbiorników ciśnieniowych zgodnie z PN-EN 13445-4 [2].

Należy określić czas i temperaturę wygrzewania złącza próbnego.

Rozwiązanie:

Zgodnie z tablicą 7 PN-EN ISO 15614-1 uzyskany zakres grubości ścianki wynosi 18-72 mm.

Zgodnie z tablicą 11.1-1 PN-EN 13445-4 [2] temperatura wygrzewania dla ww. stali P265GH wynosi 550-600^oC, a czas wygrzewania: en-5 dla 35 < t ≤ 90 mm.

Podczas określania minimalnego czasu obróbki cieplnej złącza próbnego należy uwzględnić:

a) maksymalną grubość z oczekiwanego zakresu kwalifikacji, która dla podanego przykładu kwalifikowania technologii wynosi 72 mm;
b) konieczność przeprowadzenia napraw (z kolejną obróbką cieplną).

Norma wyrobu PN-EN 13445-4 [2] wprowadza zastrzeżenia w zakresie dopuszczalnej wartości parametru Hollomona-Jaffe’a (P_crit). Dla stali P265GH P_crit = 17,5.

Przyjmując temperaturę wygrzewania 600oC, można wyznaczyć dopuszczalny czas wygrzewania (bez konieczności ponownego badania własności mechanicznych).

17,5 = (600 + 273) (20 + lg t)10^-3

t = 1,1 h = 66 min

W celu spełnienia wymagań PN-EN 13445-4 [2] należy dla przewidywanego zakresu grubości, tj. do maks. 72 mm, przyjąć minimalny czas wygrzewania złącza próbnego:

a) 67 min, gdy nie uwzględnia się konieczności przeprowadzenia naprawy;
b) 134 min, gdy zakłada się konieczność przeprowadzenia jednej naprawy złącza z następną obróbką cieplną;
c) 201 min, gdy zakłada się konieczność przeprowadzenia dwukrotnej naprawy złącza (na całej grubości) z następną obróbką cieplną.

Ewentualne naprawy w trakcie eksploatacji złączy spawanych powinny być przeprowadzane po uwzględnieniu odpowiedniego czasu wygrzewania podczas badania technologii.

Przyjmując temperaturę wygrzewania 570^oC, można w tym przypadku w znaczący sposób skrócić czas wygrzewania złącza egzaminacyjnego oraz zapewnić możliwość zwiększenia czasu wygrzewania w warunkach produkcyjnych (np. w przypadku stosowania napraw):

17,5 = (570 + 273)(20 + lg t)10^-3

t = 5,7 h = 342 min

Przyjęcie mniejszej wartości temperatury wygrzewania z dopuszczalnego zakresu dla stali P265GH umożliwia znaczące zwiększenie czasu wygrzewania w warunkach produkcyjnych bez konieczności ponownego kwalifikowania technologii (badania własności mechanicznych). Dla złącza egzaminacyjnego (o grubości 36 mm) można przyjąć czas wygrzewania np. 45 min (w celu spełnienia kryterium: e_n -5), natomiast w warunkach produkcyjnych można zwiększyć czas wygrzewania aż do 342 min bez konieczności ponownego kwalifikowania technologii (badania własności mechanicznych).

Ze stosowaniem parametru Hollomona-Jaffe’a związane są następujące zasadnicze zagadnienia:

• parametr ten uwzględnia wpływ długiego czasu na własności mechaniczne,
• parametr ten nie uwzględnia zagadnienia minimalnego czasu wygrzewania niezbędnego do uzyskania wymaganej pracy łamania (w odpowiednio niskich temperaturach).

Zgodnie z tablicą 11.1-1 PN-EN 13445-4 [2] oraz ISO/TR 14475 [7] parametr Hollomona-Jaffe’a nie jest określony dla niektórych stali, np. grupy 6.4, w tym m.in. P92, X20CrMoV11-1. W przypadku ww. gatunków stali wpływ czasu wygrzewania na własności mechaniczne, w szczególności wartości pracy łamania, jest bardzo złożony (rys. 2) w porównaniu z innymi gatunkami stali, np. P91 (rys. 1). Dlatego zasadne wydaje się podejście związane z badaniem wpływu czasu wygrzewania wyrażone w ASME BPVC Sekcji IX (QW-407.1 i 407.2).

Podsumowanie

• Kwalifikowanie technologii z obróbką cieplną po spawaniu nie może być przeprowadzone bez uwzględnienia wymagań ujętych w normach dotyczących zastosowania (normach wyrobów) lub uznanych specyfikacjach technicznych.
• Wielkość P_crit parametru Hollomona-Jaffe’a nie powinna być interpretowana jako wartość graniczna, która nie może być przekroczona. W warunkach produkcyjnych, a niekiedy nawet na etapie kwalifikowania technologii spawania, wytwórca bardzo często musi stosować wartości temperatury i czasu wygrzewania (charakterystyczne dla danego gatunku stali i grubości ścianki), które powodują przekroczenie wartości P_crit. Przypadki te dotyczą zwłaszcza stali o większej zawartości składników stopowych oraz grubości ścianki. Wielkość P_crit powinna być interpretowana w ten sposób, że przekroczenie tej wartości skutkuje koniecznością przeprowadzenia ponownego badania wpływu temperatury i czasu wygrzewania na własności wytrzymałościowe oraz plastyczne. Innymi słowy, jeżeli czas wygrzewania w warunkach produkcyjnych lub na etapie naprawy/modernizacji musi być dłuższy od stosowanego na etapie kwalifikowania technologii spawania oraz przekracza wartość wyznaczoną ze wzoru Hollomona-Jaffe’a (na podstawie przyjętej wartości temperatury wygrzewania i parametru P_crit dla danego gatunku stali), to należy zrealizować ponowne badanie technologii, obejmujące wpływ tego dłuższego czasu wygrzewania na ww. własności.
• Charakterystyczna cecha wzoru Hollomona-Jaffe’a polega na tym, że dla określonej wartości P_crit niewielka zmiana wartości temperatury wygrzewania w ramach zakresu dopuszczalnego powoduje znaczącą zmianę wartości czasu wygrzewania, której przekroczenie wymaga ponownego badania technologii.
• Brak danych dotyczących wartości P_crit dla niektórych gatunków stali wynika ze złożoności wpływu temperatury oraz czasu wygrzewania na własności wytrzymałościowe i plastyczne. Innymi słowy, dla niektórych materiałów podstawowych i ich złączy spawanych nie można określić jednoznacznej tendencji zmian ww. własności. W tych szczególnych przypadkach podczas kwalifikowania technologii należy określić wpływ różnych wartości temperatur i czasów wygrzewania stosowanych w warunkach produkcyjnych (lub podczas naprawy/ modernizacji) na własności wytrzymałościowe i plastyczne.

Warto zauważyć

Czas wygrzewania w tym przypadku może być zwiększony na podstawie zapisów normy wskazujących na możliwość przyjęcia wyższych wartości parametru Hollomona-Jaffe’a, jeżeli zgodnie z odpowiednim świadectwem odbioru Rm, Rp0,2 oraz praca łamania przekraczają określone wartości minimalne.

WAŻNE

Odpowiedzialność za dobór odpowiednio długiego czasu wygrzewania elementu próbnego podczas kwalifikowania technologii powinna spoczywać na wytwórcy, który powinien przewidywać liczbę napraw na etapie wytwarzania oraz ewentualnie eksploatacji.

Inspektor UDT zwraca uwagę wytwórcy na etapie kwalifikowania technologii na czynniki wpływające na dobór czasu wygrzewania, a podczas oceny na etapie wytwarzania, naprawy lub modernizacji przeprowadza walidację Protokołu Kwalifikowania Technologii Spawania (WPQR) oraz Instrukcji Technologicznej Spawania (WPS) i ustala, czy czas wygrzewania dla danego zastosowania znajduje odzwierciedlenie w procesie kwalifikowania technologii.

Piśmiennictwo

1. PN-EN ISO 15614-1:2017+A1:2019 – Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali – Badanie technologii spawania – Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu.
2. PN-EN 13445-4:2021 – Nieogrzewane płomieniem zbiorniki ciśnieniowe – Część 4: Wytwarzanie.
3. PN-EN 13480-4:2017 – Rurociągi przemysłowe metalowe – Część 4: Wykonanie i montaż.
4. PN-EN 12952-5:2022 – Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze – Część 5: Wytwarzanie i budowa części ciśnieniowych kotłów.
5. PN-EN 12952-6:2022 – Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze – Część 6: Badania podczas wytwarzania, sporządzanie dokumentacji i znakowanie części ciśnieniowych kotłów.
6. WUDT/UC/2003:2017 – Urządzenia ciśnieniowe – Warunki Urzędu Dozoru Technicznego.
7. ISO/TR 14745:2015 – Welding – Post – heat treatment parameters for steels.
8. ISO/TR 15608:2017 – Welding – Guidelines for metallic materials grouping system.
9. PN-EN 10028-2:2017 – Wyroby płaskie ze stali na urządzenia ciśnieniowe – Część 2: Stale niestopowe i stopowe o określonych własnościach w podwyższonych temperaturach.
10. Mohyla P., Foldynowa K., Mindowsky M., Zapletalova A.: Investigation of mechanical properties of P92 welded joints made by MMAW. „Metal”, 2013, 15-17.05.2013 r., Brno.

Arkadiusz Makówka
Ekspert ds. Rozwoju Technologii Spawania
Departament Techniki
Urząd Dozoru Technicznego