Vliv jednotlivých oblastí svarového spoje na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti svarových spojů oceli P91

Tyto materiály jsou nejčastěji zkráceně označovány jako oceli P(T, F)91. Nejslabším místem každého energetického zařízení namáhaného v oblasti creepu jsou svarové spoje. Ke snížení žárupevnosti dochází jak ve svarovém kovu, tak i v jednotlivých pásmech tepelně ovlivněného pásma (TO) svarového spoje. Vlastnosti jednotlivých pásem TOO svarových spojů nelze s ohledem na jejich malé rozměry studovat klasickými metodami, ale pouze pomocí modelovací techniky. Nutnou podmínkou pro využití modelovací techniky je znalost teplotních cyklů, kterými jsou jednotlivá pásma TOO vystavena.

Výsledky studia
Detailní studium jednotlivých oblastí svarového spoje umožní určit nejslabší místo svarového spoje jak z hlediska základních mechanických vlastností, tak i z hlediska dlouhodobé teplotní expozice při creepu. Tyto znalosti pak mohou být využity pro optimalizaci technologie svařování, zvýšení životnosti a spolehlivosti energetických zařízení. Umožní dále konstrukci energetickýchzařízení se superkritickými parametry páry, které přinese podstatné zvýšení jejich účinnosti. V příspěvku jsou uvedeny výsledky studia TOO svarových spojů oceli P91 svařených technologii 111. Při dalším řešení úkolu budou vlastnosti jednotlivých pásem TOO porovnány s vlastnostmi svarového kovu a definovány závěry pro zpřesnění technologie svařování oceli P91. Příspěvek byl zpracován na základě výsledků řešení grantu GAČR GA 323454 registrační číslo 106/01/0556.

Experimentální materiál
Pro experimentální práce byla použita varianta oceli P91, tj. ocel typu 0,1C 9Cr 1Mo V Nb N, označovaná podle DIN X10CrMoVNb 91, USA - A200; A213; A335; A336; A387, SRN - X10 Cr Mo V Nb 91, Francie - NFA 49213; NFA 49219, ČR - VN 417119. Ve Vítkovicích pod označením 17 119. Chemické složení použitého experimentálního materiálu je uvedeno v tabulce I a jeho mechanické vlastnosti v tabulce II. Základní požadavky při použití oceli P91 lze shrnout následovně:

• vysoká žárupevnost a plasticita při creepu
• zvýšená korozní odolnost v prostředí vodíku, vodní páry a zplodin hoření
• vysoká tepelná vodivost
• nízká teplotní roztažnost
• dobré technologické vlastnosti vč. svařitelnosti
• nízká cena

Měření teplotních cyklů
V literatuře nejsou uváděny teplotní cykly v TOO svarových spojů, změřené přímo na oceli P91 při ručním svařování obalenou elektrodou, která je v energetice stále dominantní technologií, zejména při svařování trubek s větší tloušťkou stěny. Proto bylo provedeno měření teplotních cyklů v TOO svarových spojů oceli P91. Měření bylo provedeno na deskách o rozměru 265 x 310 x 32 mm, ve kterých byly vyfrézovány drážky, simulující tupý svarový spoj. Do zkušebních desek byly do různých vzdáleností od plochého dna drážky vyvrtány otvory o ø 3,5 mm podle obr. 1 pro přivaření termočlánků Ni - NiCr o ø 0,5 mm. Měření bylo provedeno při teplotě předehřevu v rozsahu 220 až 250 °C podle skutečných údajů termočlánků. Vzdálenost plochého dna vývrtu o ø 3,5 mm (umístění termočlánku) od hranice ztavení navařené svarové housenky byla ve všech případech odměřována na makrovýbrusech. Zkušební svarové housenky byly navařeny elektrodou FOX C9 MV o ø 4 mm. Pro vyhodnocení průběhů teplotních cyklů bylo použito softwaru P SCOPE.
Měření umožnilo stanovit základní charakteristiky pro modelování pásma částečné překrystalizace TOO svarového spoje definovaného teplotami A_c1 a A_c3 a pásma normalizace TOO (někdy též jemnozrnné pásmo, definovaného teplotami A_c3 a teplotou přehřátí. S ohledem na použitou měřící techniku nebylo možné stanovit měřením základní charakteristiky pro modelování pásma přehřátí TOO. Teplotou přehřátí, tedy teplotou kdy v TOO svarového spoje oceli P91 výrazně zhrubne zrno, je asi 1.300 °C. Při těchto teplotách však docházelo k „propadnutí“ svarového kovu do otvoru s termočlánkem a k porušení termočlánků. Základní charakteristiky pro modelování pásma přehřátí TOO svarového spoje oceli P91 bylo proto nutné stanovit odhadem na základě naměřených výsledků literatury a znalostí o chování oceli P91.

Celý nezkrácený článek včetně všech grafů a tabulek si můžete přečíst v čísle 2/2003.

Autor

• Prof. Ing. Koukal Jaroslav CSc.