Per acciaio resistente al calore si intende l'acciaio che lavora ad alta temperatura e che ha un'eccellente resistenza termica e stabilità termica. La resistenza termica si riferisce alla capacità di resistere allo scorrimento e alla frattura ad alta temperatura, mentre la stabilità termica si riferisce alla capacità di resistere all'ossidazione e alla corrosione dei mezzi gassosi ad alta temperatura. Gli acciai resistenti al calore con resistenza termica vengono solitamente definiti acciai resistenti al calore e gli acciai resistenti al calore con stabilità termica acciai stabili al calore. Gli acciai resistenti al calore sono utilizzati principalmente nell'ingegneria energetica e dell'energia, ad esempio nella produzione di apparecchiature per la raffinazione del petrolio, caldaie, recipienti nucleari, turbine a vapore, recipienti per prodotti chimici sintetici, apparecchiature aerospaziali e altre apparecchiature per la lavorazione ad alta temperatura. Va notato che molti acciai inossidabili (309, 310H) hanno anche una resistenza al calore e sono talvolta indicati come "acciai inossidabili resistenti al calore".

I giunti saldati di acciaio resistente al calore deve avere sostanzialmente la stessa resistenza all'ossidazione ad alta temperatura del metallo base. La composizione della lega e il contenuto del metallo saldato devono essere sostanzialmente coerenti con il metallo di base, come Cr, Mo, W e altri elementi principali, mentre le impurità come P e S devono essere controllate a un livello basso per quanto possibile per ridurre la tendenza alla cricca a caldo. Per migliorare la saldabilità, il contenuto di C del materiale di saldatura può essere leggermente inferiore a quello del metallo di base per garantire le prestazioni ad alta temperatura. La resistenza del metallo saldato deve essere simile a quella del metallo base da saldare. I giunti saldati in acciaio resistente al calore non solo devono avere una resistenza a breve termine a temperatura ambiente e ad alta temperatura sostanzialmente uguale a quella del metallo base, ma anche, cosa più importante, proprietà di scorrimento ad alta temperatura simili a quelle del metallo base. I requisiti prestazionali dei nuovi giunti in acciaio termoresistente per caldaie ultra-supercritiche sono riportati nella tabella seguente.

Gradi	T.S σb MPa	Y.Sσs MPa	Allungamento δ％	AkvJ	Sollecitazione ammissibile alla temperatura di esercizio, MPa	Durezza, HB
P122	630	530	17%	31	64 (620℃)	225～270
P92	630	530	17%	31	70(620℃)	-
HR3C	655	-	30	-	69(650℃)	-
Super304H	590	-	35	-	91(620℃)78(650℃)	225～270

Although most of heat resistant steel welding structure is working under high temperature, but the final inspection for pressure vessels and piping requirements, usually at room temperature to 1.5 times the working pressure experiment hydraulic or pneumatic pressure test, the operation of pressure equipment or maintenance have to undergo the cold start process, so the heat resistant steel welding joint is also should have certain resistance to brittle fracture. For martensite and austenite heat resistant steels, the content of δ Ferrite in the deposited metal should be strictly controlled to ensure the creep property of the welded joints during the long time running at high temperature.

Saldatura di acciaio martensitico P92/T92, P122/T122

Sia il P92 che il P122 sono acciai martensitici, con tendenza alla cricca a freddo e alla cricca a caldo durante la saldatura. Per evitare cricche da freddo durante la saldatura, è necessario un preriscaldamento prima della saldatura. La temperatura di preriscaldamento non è inferiore a 150℃ per la saldatura TIG e non è inferiore a 200℃ per la saldatura ad arco con elettrodo e la saldatura ad arco sommerso. Per evitare cricche calde e grana grossa, l'energia della linea di saldatura deve essere rigorosamente controllata durante il processo di saldatura, la temperatura dell'interstrato deve essere inferiore a 300℃ e si preferisce la saldatura ad arco con elettrodo di tungsteno e argon con un piccolo apporto di calore di saldatura. Nella saldatura ad elettrodo ad arco si deve prestare attenzione alla saldatura multistrato e a più passate. Lo spessore della passata di saldatura non deve essere superiore al diametro dell'elettrodo. La larghezza della passata di saldatura non deve essere superiore a 3 volte il diametro dell'elettrodo e si raccomanda che il diametro dell'elettrodo non sia superiore a 4 mm. Per i pezzi con pareti di grande spessore, è possibile utilizzare la saldatura ad arco sommerso, ma è necessario utilizzare la saldatura ad arco sommerso a filo sottile e il diametro del filo di saldatura deve essere inferiore a 3 mm. Quando si saldano tubi di piccolo diametro T122 e T92, il lato posteriore deve essere riempito di argon durante l'intero processo di saldatura. Per i tubi di grande diametro a parete spessa, è necessaria una protezione con gas argon sul retro dei primi tre strati di saldatura alla radice. Dopo la saldatura, utilizzare l'isolamento in amianto e il raffreddamento lento e rimanere tra 100 ~ 150℃ per almeno 1 ~ 2 ore, fino a quando la metallografia è completamente trasformata in martensite, quindi è possibile effettuare il trattamento termico post-saldatura. Per lo spessore della parete del pezzo è superiore a 40 mm, dopo la saldatura con isolamento di amianto raffreddamento lento, 100 ~ 150 ℃ almeno rimanere 1 ~ 2 ore, se non immediatamente il trattamento termico, dovrebbe essere riscaldato a 200 ~ 300 ℃ isolamento 2 ore e poi raffreddamento lento a temperatura ambiente.

Saldatura dell'acciaio austenitico SUPER 304H, SA-213 TP310HCBN

L'acciaio austenitico ha una buona saldabilità e non ha tendenza alla criccatura a freddo, quindi non necessita di preriscaldamento. Tuttavia, l'acciaio austenitico ha una tendenza alla criccatura a caldo durante la saldatura, per cui è necessario prestare attenzione al controllo dell'apporto termico di saldatura e della temperatura interstrato. Nel processo di saldatura, il metodo di saldatura dell'energia della linea di saldatura è minore, come il TIG manuale, la saldatura TIG automatica a filo freddo o la saldatura TIG a filo caldo. In generale, la temperatura dell'intercalare deve essere controllata non oltre i 150℃. Per la saldatura TIG automatica a filo freddo o a filo caldo, il processo di saldatura continua richiede il raffreddamento ad acqua dello strato intermedio della saldatura. Per prevenire la corrosione intergranulare, è necessario controllare il contenuto di ioni cloruro nell'acqua di raffreddamento. Per evitare l'ossidazione degli elementi di lega nella zona ad alta temperatura, la superficie posteriore deve essere riempita di argon durante l'intero processo di saldatura. Per garantire una buona fusione su entrambi i lati della scanalatura, l'angolo della scanalatura dell'acciaio austenitico deve essere maggiore di quello dell'acciaio ferritico generale. Per la saldatura di acciai dissimili con materiali di ferrite, si consiglia il filo o l'elettrodo di saldatura ernicR-3 o EnICRFE-2. Quando l'acciaio dissimile viene saldato (con acciaio di ferrite) e utilizzato ad alte temperature, è necessario tenere conto del coefficiente di espansione di entrambi i materiali.

 

La forma di connessione del tubo di scambio termico e della piastra tubiera comprende principalmente l'espansione, la saldatura, la saldatura ad espansione, ecc. Il giunto di espansione della forza si riferisce all'espansione delle prestazioni di tenuta e della resistenza alla trazione della connessione tra il tubo di scambio termico e la piastra tubiera. Si basa sulla deformazione plastica dell'estremità del tubo per resistere alla forza di trazione. Le tensioni residue dopo l'espansione del tubo si indeboliscono gradualmente con l'aumento della temperatura, per cui le prestazioni di tenuta e la resistenza del collegamento tra il tubo e il foglio tubiero diminuiscono. Pertanto, l'espansione della resistenza è adatta per una pressione di progetto inferiore o uguale a 4MPa e una temperatura di progetto inferiore o uguale a 300℃. L'espansione della resistenza non deve essere utilizzata in caso di forti vibrazioni, grande differenza di temperatura o evidente corrosione da stress durante il funzionamento.

Quando si espande il tubo, la durezza del tubo deve essere inferiore a quella della lamiera del tubo. Lo spazio tra il tubo e il tubo e la levigatezza del tubo influiscono sulla qualità del tubo in espansione. La superficie ruvida del foro del tubo può produrre una grande forza di attrito e non è facile da staccare, ma è facile che produca perdite. È severamente vietato che la superficie del foro del tubo presenti una scanalatura longitudinale passante. La superficie liscia del foro del tubo non è facile da perdere, ma è facile da staccare. In genere, la rugosità della superficie deve essere inferiore o uguale a 12,5μm. Esistono due tipi di fori per tubi: i fori e le scanalature anulari; i primi sono mostrati nella figura (a) qui sotto, mentre i secondi sono mostrati nelle figure (b) e (c) qui sotto.

Dopo la scanalatura, il tubi in acciaio vengono schiacciati nelle scanalature durante l'espansione, migliorando così la resistenza al distacco e le prestazioni di tenuta. Il numero di scanalature anulari nel foro del tubo dipende dallo spessore della piastra tubolare. In generale, si apre una scanalatura quando lo spessore è inferiore a 25 mm e due scanalature quando lo spessore è superiore a 25 mm. Quando la piastra tubiera è spessa o per evitare la corrosione della fessura, si può utilizzare la struttura mostrata nella figura seguente (d); la piastra tubiera composita e il tubo di scambio termico possono anche essere espansi, quando il rivestimento è maggiore o uguale a 8 mm, dovrebbe essere nella scanalatura sul foro del tubo, la struttura è mostrata nella figura seguente (e).

La saldatura di forza si riferisce a garantire le prestazioni di tenuta e la resistenza alla trazione del tubo di scambio termico e del collegamento con il foglio di tubi, è il tipo di collegamento con il foglio di tubi più utilizzato. La fabbricazione della saldatura di forza è semplice, la capacità di trazione è forte, come il guasto della parte saldata, può essere una saldatura secondaria di riparazione, più conveniente per il tubo di scambio termico. L'uso della saldatura di forza non è limitato dalla pressione e dalla temperatura, ma non è adatto per l'occasione di grandi vibrazioni o di corrosione della fessura. La forma generale della saldatura di resistenza è illustrata nella figura (a) seguente. Per evitare l'accumulo di liquidi intorno all'estremità del tubo, viene spesso utilizzata la struttura illustrata nella figura (b). La struttura mostrata nella figura (c) seguente è generalmente utilizzata nel caso in cui la lamiera dei tubi sia in acciaio inossidabile.

Le prestazioni di tenuta del giunto tra il tubo e la piastra tubiera devono essere elevate, oppure la corrosione del gioco, la resistenza a forti vibrazioni e altre occasioni; l'espansione o la saldatura singole non possono soddisfare i requisiti, mentre la combinazione delle due operazioni può fornire una resistenza sufficiente e buone prestazioni di tenuta. La combinazione di espansione e saldatura può essere suddivisa in due tipi in base alla sequenza di espansione e saldatura: espansione e saldatura dopo l'espansione. Il metodo di espansione generale comporta inevitabilmente la presenza di macchie d'olio nella fessura del giunto, che verrà saldato dopo l'espansione. Queste macchie d'olio e l'aria presente nella fessura ridurranno la qualità della saldatura.

Saldare prima dell'espansione, causerà danni alla saldatura. Attualmente non esistono disposizioni uniformi per la scelta dei due ordini. Nell'ingegneria reale, come l'espansione dopo la saldatura, prima della saldatura dovrebbe essere pulito l'olio; se la prima saldatura dopo l'espansione, dovrebbe essere un limite alla posizione di espansione dell'estremità del tubo, in genere per controllare dalla superficie della piastra del tubo 15 mm sopra la portata di espansione. La prima espansione e la successiva saldatura adottano generalmente la forma dell'espansione di forza e della saldatura di tenuta. L'espansione della resistenza assicura le prestazioni di tenuta del tubo e della piastra tubiera, fornendo una sufficiente resistenza alla trazione, mentre la saldatura di tenuta assicura ulteriormente le prestazioni di tenuta del tubo e della piastra tubiera. La struttura è illustrata nella figura (a). La saldatura di forza assicura le prestazioni di tenuta del tubo e del foglio tubiero, fornendo una sufficiente resistenza alla trazione, e l'espansione dell'incollaggio elimina lo spazio tra il tubo e il foro del tubo per garantire le prestazioni di tenuta. La struttura è illustrata nella figura (b).

In sostanza, l'espansione esplosiva è anche un tipo di espansione di forza, quest'ultima di solito adotta l'espansione a rulli, la prima utilizza l'esplosivo in un periodo di tempo molto breve per produrre un'onda d'urto di gas ad alta pressione per rendere il tubo saldamente attaccato al foro del tubo. Elevata espansione esplosiva ed efficienza di connessione, nessuna necessità di olio lubrificante, facilità di saldatura dopo l'espansione, grande resistenza alla trazione, piccolo allungamento assiale e deformazione.

L'espansione esplosiva è adatta ai tubi a parete sottile, ai tubi di piccolo diametro e all'espansione della lamiera del tubo di grande spessore, alla perdita dell'estremità del tubo di scambio termico, mentre l'espansione meccanica è difficile da riparare.

The oil casing is composed of a collar and pipe body. A single pipe body is connected with the collar thread and transported to the oil field site with end to end connection to facilitate transportation and use after reaching the required length. In order to strengthen the strength and anti-loosening control of the threaded connection, it is necessary to weld the coupling with the pipe body after the threaded connection, so it is very important to analyze the welding performance and formulate a reasonable welding process. API 5A J55 is one of the most commonly used casing materials, and we analyzed its weldability in terms of its carbon equivalent.

Composizione chimica di API 5CT J55

Grado	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo
API 5CT J55	0.34-0.39	0.20-0.35	1.25-1.50	0.020	0.015	0.15	0.20	0.20	/

According to the carbon equivalent formula of the International Institute of Welding:

CE＝C＋Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

CE＝0,69＞0,4

Its carbon equivalent is more than 0.4 and its weldability is poor. In order to obtain qualified welding quality, high preheating temperature and strict technological measures are needed.

Its weldability was analyzed according to the influence of J55 alloy element content on microstructure and properties:

• J55 casing tube has a high carbon content, that’s 0.34%~0.39%, which makes the supercooled austenite transition curve of steel move to the right and increase; The addition of Cr, Mn, Ni, Cu and other alloy elements makes the transition curve of supercooled austenite shift to the right, which enhances the stability of the supercooled austenite, and increases the MS point (the beginning point of martensite formation). All these effects increase the quenching tendency of J55, and welding cracks have appeared.
• J55 has a large tendency to cold crack, mainly quenching and embrittlement crack. Due to its high strength, high maximum hardness value of welding heat affected zone and rapid cooling, martensite is easily generated. When welding, try to choose large line energy and welding current, should not excessively reduce the welding speed. In order to reduce the cooling rate, extend the cooling time of the welded joint from 800 ℃ to 500℃, improve the microstructure of the weld metal and the heat-affected zone, and reduce the maximum hardness of the heat-affected zone, preheating before welding and tempering after welding is required.
• The hot crack tendency of J55 is not high because its thermal conductivity is not easy to generate low fusion eutectic; The reheat crack tendency is not large, because it does not contain strong carbide. The welding wire ER55-G matched with its strength is selected. The welding wire has excellent welding process performance, high Ni content, strong cold crack resistance, and excellent comprehensive mechanical properties of the deposited metal.
• Due to the large heat input required for J55 welding, the strength value of base material and welding material is large, and the internal stress during welding is extremely large. During welding, it is necessary to hammer the weld while welding. After welding, heat treatment is carried out to eliminate the internal stress and avoid the post-welding cracking caused by excessive stress. Post-weld heat treatment can also improve the welding microstructure properties.

Welding process of J55

Welding method 1: 80% Ar+20%CO2 gas shielded welding. Welding material: welding wire ER55-G, diameter Φ3.2mm. Welding parameters: current 250~320A, voltage 26 ~30V; Welding speed 35~50cm/min;

The preheating temperature is 100℃, and the interlayer temperature is not lower than the preheating temperature, but it is not allowed to be higher than the preheating temperature of 30℃.

Post-welding treatment: air cooling without any heat treatment.

Results: The tensile test was qualified. The impact values of the three samples in the heat-affected zone are 26,47,23, unqualified. The four side bending samples have 3.75mm crack, 4mm crack, 1.38mm crack, 0.89mm crack, respectively, which are unqualified. This technological scheme is not reasonable.

Welding method 2: 80%Ar+20%CO2 gas welding. Welding material: welding wire ER55-G, diameter Φ3.2mm. Welding parameters: current 250~320A, voltage 26 ~30V; Welding speed 35~50cm/min; The preheating temperature is 100℃, and the interlayer temperature is not lower than the preheating temperature, but it is not allowed to be higher than the preheating temperature of 30℃.

Post-welding treatment: tempering treatment, temperature 600±20℃, holding time for 4h; Heating rate 50℃/h, cooling rate 50℃/h.

Results: The tensile test was qualified. The impact values of the three samples in the heat-affected zone are 51, 40 and 40, respectively, which are qualified.

Side bending test, qualified; The experiment proves that this technological scheme is reasonable. Post-welding heat treatment can improve the welding microstructure and properties, which is one of the important factors for J55 welding to obtain the welded joints that meet the technical requirements.

The harsh API 5A J55 casing environment requires the quality of the pipe itself, also the quality of the welding. Through the above welding analysis and test, the welding process that can meet the requirements is obtained, which provides a theoretical and experimental basis for the correct welding of oil casing.

I giunti isolanti sono utilizzati principalmente per la protezione della tenuta di olio e gasdotti e per prevenire la corrosione elettrochimica. Sono composti principalmente da giunti corti, flange in acciaio, anelli di fissaggio, guarnizioni, piastre isolanti, manicotti isolanti e materiali isolanti di riempimento. Il tipo di tenuta può essere la guarnizione O-ring, la guarnizione U-ring e la guarnizione composita "O + U", sebbene la struttura della tenuta sia diversa, hanno lo stesso principio di tenuta. Il principio di tenuta è che l'anello di tenuta, sotto l'azione del precarico esterno, produce una deformazione elastica e la forza di tenuta necessaria a garantire che il fluido nella tubazione non si disperda. Di seguito è riportato un esempio di giunto isolato X80 DN1200 /PN120 per illustrare il processo di saldatura.

Il materiale del giunto isolante in questo esperimento è API 5L X80e la dimensione è di 1219 mm×27,5 mm. Il materiale del corpo principale in acciaio forgiato a pressione (flangia, anello fisso) è F65, classe Ⅳ; la parte di tenuta è l'anello di tenuta a forma di U in gomma al fluoro, che ha le caratteristiche di tenuta affidabile, basso assorbimento d'acqua, alta resistenza alla compressione, buona elasticità e isolamento elettrico. Il materiale della piastra isolante ha forti prestazioni di isolamento elettrico, resistenza alla penetrazione dei fluidi e basso assorbimento d'acqua. La flangia forgiata è conforme alla norma ASTM A694 per F65, il contenuto di C, Mn, P, S e carbonio equivalente, l'indice di resistenza alle cricche, la durezza e i requisiti di energia d'impatto. Dopo i test, la struttura metallografica è perlite + ferrite, struttura uniforme, nessuna segregazione, la granulometria media è di 8 gradi. La granulometria più fine garantisce l'elevata resistenza e tenacità dei forgiati.

Procedura di saldatura

Per la saldatura di questo prodotto, dopo il trattamento di rimozione delle tensioni, i test di trazione, piegatura, impatto, durezza, metallografia e analisi spettrale, i risultati sono conformi alle specifiche.

1. Scanalatura di saldatura

• In base alle proprietà del materiale e allo spessore delle pareti dei raccordi per tubi e delle flange, scegliere la forma e la dimensione della scanalatura appropriata, ovvero la scanalatura doppia a "V".
• Quando si progettano le dimensioni e il tipo di scanalatura di saldatura, si considera l'influenza dell'apporto di calore della saldatura sulle prestazioni degli elementi di tenuta e si adotta un apporto di calore inferiore per garantire che l'anello di tenuta in gomma vicino alla saldatura non venga bruciato durante il processo di saldatura. La scanalatura a spazio ridotto è determinata in base alla nostra esperienza pluriennale nella saldatura di valvole a sfera completamente saldate.

2. Metodo di saldatura

Il metodo di saldatura è "saldatura ad arco di argon + saldatura ad arco sommerso di riempimento e copertura". In base al principio di selezione dei materiali di saldatura per gli acciai alto legati con diversi gradi di acciaio stabilito dal codice e dallo standard di saldatura dei recipienti a pressione, sono stati selezionati i materiali di saldatura corrispondenti al grado dell'acciaio F65, in grado non solo di garantire i requisiti di resistenza del materiale F65 e X80, ma anche di avere una buona tenacità.

Saldatura flangia-nipples

Le flange e i giunti dei tubi sono saldati mediante saldatura ad arco di argon e saldatura automatica ad arco sommerso. La saldatura ad arco di argon per la saldatura di supporto e la saldatura automatica ad arco sommerso per la saldatura di riempimento e copertura.

1. Apparecchiature di saldatura

Saldatrice automatica ad arco sommerso: velocità 0,04 ~ 2r/min, campo di serraggio del pezzo Φ330 ~ 2 700mm, lunghezza massima del pezzo saldabile 4500mm, profondità massima del cordone di saldatura 110mm, può sopportare il peso di 30t.

La saldatura ad arco sommerso presenta i vantaggi di una qualità di saldatura affidabile, di una bella formazione del cordone di saldatura, di un'elevata velocità di deposito e può essere ampiamente utilizzata nei giunti isolanti di grande diametro, nelle valvole a sfera interrate interamente saldate, ecc.

2. Metodo di saldatura

Metodo di saldatura GTAW+SAW. In primo luogo, utilizziamo la saldatura ad arco di argon per il supporto e il riempimento delle radici per garantire la fusione delle radici, quindi utilizziamo il metodo di saldatura automatica multistrato ad arco sommerso per completare il riempimento e la copertura.

Trattamento termico post-saldatura

Per ridurre le tensioni residue della saldatura e prevenire la criccatura o la deformazione da stress, è necessario procedere alla distensione e al rinvenimento dopo la saldatura. Per il trattamento termico vengono utilizzati un riscaldatore elettrico a corda di tipo SCD (lungo 18,5 m) e una centralina di controllo della temperatura di tipo LWK-3×220-A. La termocoppia blindata di tipo K è stata scelta come strumento di misurazione della temperatura. La temperatura di trattamento termico è stata di 550℃ e il tempo di conservazione del calore di 2 ore.