Výrobní a provozní degradace svarových spojů vysokopevných ocelí

To znamená, že při svařování VPO je nutné se zaměřit na sledování vlivu podmínek svařování na vlastnosti spoje v tepelně ovlivněné oblasti (TOO). U VPO se velmi podstatně mění v závislosti na účinku tepla mikrostruktura oceli v TOO za současné změny houževnatosti a tvrdosti. Podle zkušeností autora je možné uvedené postupy úspěšně aplikovat při svařování a opravách únavově namáhaných svarových spojů konstrukcí z VPO.
Důležitá je celistvost svarových spojů VPO, tj. svarové spoje musí být prosté poškození, vzniklých mechanismem tvorby trhlin (všeobecně použit výraz trhliny) za horka (dendritické a segregačně-likvační), za studena (indukované vodíkem), žíhacích (relaxačních), podnávarových a lamelárních (terasovitých) trhlin. Zvlášť je pojednáno o eliminaci krystalizačních trhlin, které velmi úzce souvisejí s jakostí svarového kovu, především pokud jde o svařování metodou 12 (pod tavidlem). Dále musí být prosté vrubů a musí splňovat podle ČSN EN 15614-1 předepsané hodnoty tvrdosti.
Důsledky výše uvedených vad jsou velice kritické a mohou vést k haváriím svařovaných konstrukcí a zařízení. Kritické jsou účinky vrubů, důsledky zkřehnutí difuzním vodíkem a nesprávným tepelným zpracováním po svařování VPO.

V pojednání jsou uvedeny napěťové stavy stanovené způsobem Sysweld, které se vytvářejí při mnohovrstvém navařování v závislosti na parametrech svařování a tepelném zpracování VPO. Aplikovaný postup umožňuje stanovit predikci výše stavů napjatosti po navaření housenek a počtu vrstev v závislosti na parametrech svařování, včetně teplot předehřevu, meziochlazení a tepelném zpracování po svařování VPO. Postup umožňuje v rámci predikce modifikovat navržené postupy svařování včetně metod svařování a použitých přídavných materiálů ještě před jejich skutečnou aplikací.
Z hlediska provozní degradace svarových spojů VPO je uvedeno šíření trhliny v provozu konstrukce vyrobené z VPO, iniciované technologickou vadou neprůvaru kořene. Magistrální trhlina se šířila z neprůvaru kořene spoje TOO v důsledku únavového namáhání. V návaznosti na výsledky analýzy místa porušení byl doporučen postup svařování a tepelného zpracování tak, aby nedošlo k opakování vzniku poruchy únavově namáhané svařované konstrukce.

VÝBĚR OCELI PRO SVAŘOVANÉ KONSTRUKCE
Oceli pro svařování, které jsou k dispozici v rámci konstrukčních ocelí ve skupinách 1, 2 a 3 (ČSN 050323), lze rozdělit do skupin:

• uhlíkové konstrukční normalizačně žíhané oceli pro konstrukce pracující za normálních teplot EN 10025+A1 (revidované vydání EN 10025-2),
• uhlíkové konstrukční jemnozrnné normalizačně žíhané oceli pro pracovní teploty normální i snížené – EN 10113-2 (nové vydání EN 10025-3 a 10025-4),
• oceli s vyšší hodnotou meze kluzu EN 10149 a 10137 (nové vydání EN 10025-6),
• oceli pro tlakové nádoby a zařízení EN 10028-2 a 3 a pro výkovky EN 10222-1,
• oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi (nové vydání EN 10025-5).

V rámci nového vydání ČSN EN 10025 (tab. 1) se nemění:

• oceli pro tlakové nádoby a zařízení EN 10028-2 a 3,
• oceli s vyšší hodnotou meze kluzu EN 10149.

Mikrolegované jemnozrnné oceli mají základ ve výrobě normalizačně žíhaných ocelí (označení N), u kterých je řízené válcování ukončeno za teploty Ac₃+50 °C. Po válcování jsou oceli ochlazeny na vzduchu. Podle ČSN EN 10028-díl 5 jsou vyráběny do hodnoty meze kluzu 460 MPa a jsou určeny pro tlakové nádoby. Podle ČSN EN 10025-díl 2 a 3 jsou dodávány do hodnoty meze kluzu 460 MPa a jsou určeny pro svařované konstrukce. Podle ČSN EN 10149 jsou dodávány s hodnotou meze kluzu do 420 MPa s možností deformace za studena.
Doporučení uváděná v normách pod označením M jsou platná pro termomechanicky zpracované oceli vyrobené moderním metalurgickým procesem, tj. tavením v konvertoru s pánvovou rafinací s následným plynulým litím řízeným válcováním a doválcováním za teploty Ar₃–40 °C. Po válcování jsou oceli řízeně ochlazeny. Termomechanicky zpracované oceli (M) jsou zařazeny v ČSN 050323 do skupiny 2. Podle ČSN EN 10028-díl 3 jsou dodávány s hodnotou meze kluzu do 460 MPa pro tlakové nádoby. ČSN EN 10025-díl 3 a 4 uvádí oceli s hodnotou meze kluzu do 460 MPa a doporučuje je pro svařované konstrukce. S vysokou hodnotou meze kluzu do 960 MPa jsou podle ČSN EN 10149-2 doporučeny oceli pro deformaci za studena.

Zušlechtěné a precipitačně zpevněné oceli jsou zařazeny do skupiny 3. Zušlechtěné oceli jsou po řízeném válcování a doválcování za teploty Ar₃–40 °C zrychleně ochlazeny do teploty 450 °C ve vodním prostředí, případně jsou po ochlazení znovu šlechtěny. Podle ČSN EN 10028 – díl 6 jsou dodávány s hodnotou meze kluzu do 690 MPa pro stavbu tlakových nádob a dále pro stavbu svařovaných ocelových konstrukcí (ČSN EN 10025 – díl 6) s hodnotou meze kluzu do 690 MPa ve stavu zušlechtěném, (precipitačně) zpevněném a s hodnotou meze kluzu do 1 100 MPa v zušlechtěném stavu. Oceli s označením L jsou určeny k deformaci za studena a k použití za nízkých teplot. Precipitačně zpevněné oceli jsou po řízeném válcování a zrychleném ochlazení popouštěny na teploty, při kterých proběhne výrazné zpevnění.
V rámci tepelně mechanicky řízeného procesu se osvědčil řízený rekrystalizační proces austenitické matrice, kterým lze získat u mikrolegovaných ocelí velmi jemná feritická zrna. V porovnání s normalizačně zpracovanými ocelemi lze doválcováním za snížené teploty (Ar₃–40 °C) a zrychleným ochlazováním dosáhnout požadovaných vlastností při daleko nižším obsahu slitinových prvků, jmenovitě Ni, Cr a Mo. Přitom oceli jsou v rozsahu do 50 mm vyráběny s jednotným ekvivalentem uhlíku Ce 0,46, do tloušťky 100 mm s Ce 0,56 a do tloušťky 130 mm s Ce 0,64 (S690M), počítaného podle CET (ČSN EN 1011) – tab. 2. Oceli pro teploty –40 až –60 °C mají snížený obsah nečistot. Vysokopevné a zároveň otěruvzdorné oceli jsou označovány podle tvrdosti HB. Kupř. HB 400 EN 1.8714 (R_e 1 100 MPa), HB 500 EN 1.8734 (R_e 1 300 MPa).
Ve skupině 4 jsou nízkolegované oceli s Cr (max. 0,7 hm. %), Mo (max. 0,7 hm. %), Ni (max. 1,5 hm. %) s obsahem vanadu max. 0,1 hm. %. Oceli jsou určeny k použití jako jemnozrnné vysokopevné oceli. Dále mohou být použity za zvýšených teplot po popouštění za teplot těsně pod Ac₁. Do skupiny 4 jsou řazeny též střednělegované NiCrMoV VPO (dříve podle ČSN oceli třídy 16).
Základní požadavky na nové typy vysokopevných ocelí jsou spojeny, s výjimkou vysoké hodnoty meze kluzu, se zvýšenou houževnatostí a odolností oceli proti křehkému porušení i za nízkých teplot. Uvedeným požadavkům vyhovují hlavně martenzitické oceli s nízkým obsahem uhlíku, které po kalení z oblasti austenitu tvoří strukturu, jejíž podstatnou částí je laťkový martenzit. Nejdůležitější vlastností martenzitické struktury je její odolnost proti plastické deformaci a odolnost proti vzniku trhlin.
S výjimkou substitučního a intersticiálního příspěvku zpevnění oceli jsou u moderních válcovaných nebo tažených (protlačovaných) VPO využity příspěvky deformačně-dislokačního (a precipitačního) zpevnění, vedoucího ke zvýšení pevnosti v důsledku zjemnění zrn a zvýšení počtu dislokací, k jehož zachování musí být doba setrvání na vyšších teplotách minimální. Jemnozrnnost oceli velmi příznivě potlačuje náchylnost oceli ke křehkému lomu, tj. po-souvá tranzitní teplotu houževnatosti směrem k nízkým teplotám. Cílem mikrolegování (součtově do 0,15 hmot. % V, Nb, Ti, Ta, méně Zr a zčásti Al) je zjemnění feritických zrn mechanismem nukleace feritu v deformačně zpevněné austenitické matrici za současného snížení M/A (martenzit/austenit) složky v případě vzniku granulárního masivního bainitu. Řízeným válcováním lze výhodně ovládnout vznik intragranuálního acikulárního feritu vedoucího k vyšší úrovni mechanických vlastností. Z hlediska svařování je příznivý důsledek vysoké čistoty, mikrolegování a řízené deformace ve snížení ekvivalentu CET za současného redukování vzniku zákalné struktury v TOO, v potlačení tvorby trhlin za studena indukovaných vodíkem a vzniku zbrzděných trhlin. Z metalurgického hlediska to znamená zabezpečit vysokou metalurgickou čistotu, zajistit zdárný průběh mikrolegování (jemnozrnnosti) v rámci pánvové rafinace oceli, uskutečnit důslednou kontrolu deformačního procesu při jednotlivých úběrech včetně potlačení rekrystalizačních procesů a řízeně ovládnout rychlost ochlazování v průběhu válcování a po válcování.
Z hlediska aplikace příspěvků zpevnění závislých na deformaci a na rychlosti ochlazování je chemické složení mikrolegovaných jemnozrnných ocelí upravováno podle tloušťky válcovaného plechu (tab. 2).

Celý článek si můžete přečíst v čb. příloze časopisu Konstrukce 5/2007. Možnost předplatného ZDE.

Autor

• (red)