Сварка разнородных и жаростойких сталей никелевыми электродами

Почему разнородный стык — отдельная инженерная задача

На установках нефтепереработки и нефтехимии почти нет аппаратов, целиком собранных из одной марки стали. Корпус реактора — теплоустойчивая 10Х2М1, внутренние устройства — 08Х18Н10Т. Радиантный змеевик печи — 15Х5М, а на выходе он переходит в аустенитную 12Х18Н10Т. Опора трубы отлита из жаростойкой стали, а рама печи — из обычной углеродистой. Каждое такое место — сварной стык двух металлов с разной структурой, разным поведением при нагреве и разной реакцией на сварочный термический цикл.

Ошибка в выборе присадочного материала здесь не проявляется на приёмке. Шов проходит контроль, аппарат запускают, и трещина появляется через два-три года — на остановах, при пусках, в месте, где ничто не предвещало проблем. Ремонт такого стыка на действующей установке обходится в порядок дороже, чем разница в цене электродов.

Разберём, что именно происходит в этом месте и почему в определённый момент аустенитный электрод перестаёт быть решением.

Три механизма разрушения линии сплавления

Миграция углерода

Это главный механизм. Хром — сильный карбидообразующий элемент, и в высокохромистом шве химический потенциал углерода ниже, чем в соседней ферритной стали. При температуре выше примерно 400 °C — то есть и при послесварочной термообработке, и при обычной эксплуатации горячего узла — углерод начинает диффундировать через линию сплавления в шов.

Результат двусторонний. Со стороны перлитной стали остаётся обезуглероженная ферритная полоса — участок с пониженной прочностью и резко повышенной ползучестью. Со стороны шва растёт твёрдая карбидная прослойка — концентратор напряжений и готовый путь для трещины. Со временем полоса расширяется, и соединение разрушается по границе, а не по металлу шва.

Разница температурного расширения

Аустенитная сталь расширяется при нагреве примерно на четверть сильнее углеродистой. Если сварить их напрямую аустенитным швом, весь скачок деформации приходится на узкую полосу по ферритной стороне линии сплавления. Каждый пуск и останов установки прогоняет это место через цикл нагружения — классическая термическая усталость.

Никелевый шов не убирает разницу расширения — он растягивает переход на большую ширину и снимает пиковую деформацию с линии сплавления.

Невозможность послесварочной термообработки

Теплоустойчивые стали после сварки требуют высокого отпуска. Аустенитная сторона в этом отпуске не нуждается, а иногда от него прямо страдает. На действующем аппарате провести локальную термообработку часто просто нельзя: приварка опорного кольца к корпусу реактора формально потребует отпуска всего аппарата при 690 °C — что на остановé нереально.

Никелевый металл шва решает это организационно: он сам не требует ни подогрева, ни отпуска, и позволяет разнести операции по времени. Подробнее — в разделе про буферный слой.

Что даёт никелевая основа

Три свойства никеля закрывают ровно три механизма выше.

• Низкое сродство к углероду. Никель практически не образует карбидов, поэтому никелевый шов не «вытягивает» углерод из ферритной стали. Барьер не абсолютный — хром в составе шва всё же создаёт некоторую движущую силу — но диффузия замедляется на порядки по сравнению с хромистым аустенитным швом.
• Промежуточное температурное расширение. Никелевый шов встаёт между перлитом и аустенитом и снимает пиковую деформацию с линии сплавления.
• Гранецентрированная решётка без фазовых превращений. Никелевый шов не закаливается: в нём физически не может образоваться мартенсит, поэтому холодные трещины в самом шве исключены, а ударная вязкость сохраняется вплоть до криогенных температур.

Четвёртое, менее очевидное: полностью аустенитная структура не содержит дельта-феррита, а значит в ней не может зародиться сигма-фаза. Для узлов, работающих в диапазоне 540–930 °C — циклоны установок каталитического крекинга, внутренние устройства реакторов — это отдельный практический плюс: аустенитный шов там охрупчивается за несколько лет, никелевый нет.

Два класса никелевых электродов: 6182 и 6082

Здесь начинается место, где под общим описанием «покрытый электрод на никелевой основе для разнородных сталей» продаются два принципиально разных материала. Различить их по описанию невозможно — только по обозначению стандарта.

Разница по рабочей температуре — более чем в полтора раза, и у неё есть конкретная металлургическая причина. В классе 6182 марганца от 5 до 10 %: он связывает серу и очень эффективно подавляет горячие трещины, из-за чего этот электрод десятилетиями любили за «прощающий» характер в жёстко закреплённых полевых стыках. Но тот же марганец снижает длительную прочность при высоких температурах — производители прямо ограничивают применение 6182 температурой около 900 °F, то есть 480 °C.

В классе 6082 марганец нормирован ниже, а хром выше — 18–22 % вместо 13–17 %. Более высокий хром даёт плотную плёнку оксида хрома и окалиностойкость до 1000 °C, а умеренный марганец сохраняет жаропрочность. Металл шва этого класса применяется для сплава Alloy 800H при рабочих температурах до 790 °C.

Второе следствие состава — железо до 4 % вместо 10 %. Это запас на разбавление основным металлом. В первом проходе доля расплавленной стали в шве может достигать трети и более; чем ниже исходное железо в электроде, тем увереннее корневой слой остаётся никелевым по составу, а не превращается в высоколегированную сталь с непредсказуемыми свойствами.

Электрод AWG 2428 относится к классу E Ni 6082 (NiCr20Mn3Nb) по EN ISO 14172. По AWS A5.11 он обозначается как ~E NiCrFe-3 — со знаком приблизительности, потому что в этом стандарте вообще отсутствует класс покрытого электрода с 20 % хрома: ближайшая композиция нормируется в A5.14 как присадочная проволока. Обозначения вида «ENiCrFe-3 mod.» и «~ENiCrFe-3» — стандартная отраслевая практика для этого состава.

Какие стали и сплавы варят никелевым электродом

Никелевые и железоникелевые сплавы

Жаростойкие и нержавеющие аустенитные стали

Трудносвариваемые хромистые стали

Теплоустойчивые и углеродистые — ферритная сторона стыка

Если марка стали ремонтируемой детали неизвестна, начинать нужно не с выбора электрода — см. как определить марку стали перед ремонтом.

Типовые разнородные пары и что для них брать

Отдельно про P91: для однородного стыка P91 + P91 никелевый электрод противопоказан — теряется расчётная жаропрочность, нужен матчинг. А вот для разнородного стыка P91 с аустенитом никелевая присадка как раз рекомендуемое решение.

Узлы нефтехимии и НПЗ

Где на установке физически находятся места, требующие никелевого электрода.

Трубчатые печи НПЗ

• Стыки радиантного змеевика на переходе с 15Х5М или P9 на 12Х18Н10Т и TP347H.
• Конвекционный змеевик: переход углеродистая сталь — 1,25Cr — 5Cr — аустенит.
• Ретурбенды и литые переходники: приварка литого элемента к катаной трубе, заварка дефектов литья.
• Подвески, опоры и кронштейны труб. Это чаще всего жаростойкое литьё с ограниченной свариваемостью, ремонт — без последующей термообработки. Разрушение подвески смещает трубу к факелу и лавинообразно ускоряет остальные повреждения змеевика.
• Промежуточные трубные решётки и литые карманы горелочных блоков.

Печи пиролиза этилена

• Ремонт трещин радиантного змеевика из HP-Mod, HK-40, IN-519. Важно, что варить приходится состаренный и науглероженный металл, где однородная присадка гарантированно даёт трещины.
• Переход радиантной секции на transfer line — стык с Alloy 800H или 321H.
• Закалочно-испарительный аппарат: входной узел, трубная решётка, стык с котловым углеродистым корпусом.
• Коллекторы и отводы декоксования, литые баффл-плиты.

Печи парового риформинга — водород, аммиак, метанол

• Выходные pigtails: приварка трубки Alloy 800H к литому коллектору.
• Выходной коллектор, горячий коллектор, врезки и тройники.
• Холодный коллектор, harp assembly, входные pigtails.
• Ремонт и вварка катушек в состаренные реакционные трубы.

Оговорка по-честному: для самых нагруженных ползучестью швов риформера — реакционных труб, работающих при 900 °C и выше — отраслевой выбор это Alloy 617 или матчинг литейного состава. Ниша никелевого электрода класса 6082 здесь — ремонт, буферные слои, pigtails и менее нагруженные узлы.

Реакторы гидроочистки и гидрокрекинга

• Первый, буферный слой антикоррозионной наплавки корпуса из 2,25Cr-1Mo перед целевым слоем 347 или 316L — компенсация разбавления железом.
• Наплавка расточек штуцеров, куда доступ только ручной сваркой.
• Приварка опорных колец тарелок, лап и клипс по наплавке, а не по основному металлу: иначе потребуется отпуск всего аппарата при 690 °C.
• Внутренние устройства: распределительные тарелки, узлы ввода квенча, коллекторы.
• Узел «труба — решётка» в водородной службе.

Установки каталитического крекинга

• Анкера футеровки и hexmetal — тысячи коротких разнородных приваров тонкого аустенитного анкера к корпусу из углеродистой или Cr-Mo стали, где термообработка невозможна в принципе.
• Циклоны реактора и регенератора: корпус, конус, спускной стояк. Ремонт швов, охрупченных сигма-фазой.
• Райзер, стояки, линии транспорта горячего катализатора.
• Воздушный распределитель регенератора, компенсаторы горячих линий.

Теплообменное оборудование

• Узел «труба — трубная решётка»: уплотнительный и прочностной шов.
• Плакировка и наплавка трубных решёток — никелевый буферный слой под 316L, 347 или 625.
• Котлы-утилизаторы за риформером и печью пиролиза.
• Ремонт пучков, U-образных труб, разнородные вставки.

Трубопроводы, арматура, колонны

• Разнородные стыки на технологических линиях, переходные катушки.
• Штуцера, врезки, накладки и ремонтные муфты «на потоке».
• Компенсаторы и сильфоны: стык сильфона из никелевого сплава с углеродистым патрубком.
• Корпуса задвижек и клапанов из литья: заварка дефектов, ремонт трещин, приварка литого корпуса к аустенитной трубе.
• Колонны: ремонт плакирующего слоя, приварка опорных колец тарелок и отбойников по плакировке.

Влияние элементов состава на свойства шва

Ниже — нормативные диапазоны класса E Ni 6082 по EN ISO 14172 и то, за что каждый элемент отвечает. Общий разбор роли легирующих элементов — в статье химические элементы в сварочных материалах.

Технология: режимы, техника, буферный слой

Чем никелевый шов отличается в работе

Расплав никелевых сплавов вязкий и малоподвижный: он не растекается по кромкам сам, как аустенитный. Металл приходится «класть» в разделку, а не рассчитывать на затекание. Отсюда все технологические требования этого класса — они не формальность, а следствие поведения расплава.

• Род тока — постоянный, обратная полярность, DC(+).
• Прокалка — 250–300 °C, 2–3 часа. Основное покрытие набирает влагу, а влага в никелевом шве — это поры.
• Короткая дуга и крутое ведение электрода. Длинная дуга даёт азот в шве и пористость.
• Ниточный валик. Поперечные колебания — не более трёх диаметров стержня, и это верхняя граница, а не рекомендация.
• Межслойная температура — не выше 150 °C. Перегрев многослойного никелевого шва ведёт к трещинам провала пластичности.
• Погонная энергия — не выше 1,5 кДж/мм.
• Кратер заваривать обязательно: из-за ниобия кратерная трещина здесь самый частый дефект.
• Скорость сварки ориентировочно 75–150 мм/мин.
• Кромки — до чистого металла. Сера, масло, следы углеродистой стали от щётки или шлифкруга дают горячие трещины.

Подогрев и термообработка в разнородном стыке

Правило простое: подогрев назначается по ферритной стороне. Для 15Х5М это 250–350 °C, для 10Х2М1 и 12ХМ — 150–250 °C. Сам никелевый металл шва в подогреве не нуждается и послесварочной термообработки не требует. Как выбирать температуру подогрева по марке и толщине — в статье температура подогрева сталей перед сваркой.

Буферный слой — приём, который решает больше всего задач

1. На кромку ферритной детали наплавляют два слоя никелевого металла.
2. Проводят высокий отпуск только этой детали — в цеху, до сборки узла, когда это ещё возможно.
3. Собирают стык с аустенитной деталью и заваривают тем же никелевым материалом без последующей термообработки.

Аустенитная сторона при этом вообще не подвергается вредному нагреву, а ферритная получает свой отпуск в нормальных условиях. Тот же приём применяют при ремонте состаренных и охрупченных сигма-фазой аустенитных узлов, где полевая термообработка нереализуема.

Буферный слой нужен и в другом качестве — как подслой перед антикоррозионной наплавкой или перед твёрдой наплавкой на закаливающейся стали. Для менее ответственных задач эту роль закрывают AWG 7000 M и AWG 3009.

Пять типичных ошибок

1. Выбор по слову «никелевый», а не по обозначению стандарта. Разница между классами 6182 и 6082 — 480 °C против 800 °C. В описании она не видна.
2. 309-й электрод в горячем стыке. Работает до 315 °C. Выше — миграция углерода и термоусталость по линии сплавления, отказ через несколько лет эксплуатации.
3. Широкие колебания и высокое тепловложение. Привычка от аустенитных электродов. У никелевого шва это прямая дорога к трещинам провала пластичности.
4. Незаваренный кратер. Из-за легкоплавких ниобиевых эвтектик кратерная трещина возникает почти гарантированно.
5. Никелевый электрод в горячей сернистой среде. Выше 500 °C никель и сера дают легкоплавкую эвтектику. Здесь нужен другой класс материала.

Где никелевый электрод не нужен и не годится

• Разнородный стык ниже 315 °C — достаточно AWG 3009, никель будет дороже без выигрыша.
• Однородные швы жаростойких хромоникелевых сталей — AWG ROST 4220 TR.
• Однородные швы литья HK-40 и HP-Mod при 900–1100 °C — только матчинг литейного состава.
• Серосодержащие среды выше 500 °C.
• Хлориды, питтинг, нафтеновая коррозия, сплавы Alloy 825 и Hastelloy — нужен молибден: AWG ROST 76Z TIG.
• Однородные швы P91 — только матчинг, иначе теряется расчётная жаропрочность.
• Зоны металлической пыли — нужен хром 25–30 %.

Частые вопросы

Чем варить 15Х5М с 12Х18Н10Т?

Никелевым электродом класса E Ni 6082 или E Ni 6182. Подогрев 250–350 °C назначается по стороне 15Х5М, доля расплавления ферритной стали ограничивается. Аустенитный электрод 309-го типа для этого стыка не подходит: рабочая температура змеевика заведомо выше 315 °C.

Можно ли варить разнородный стык обычным электродом 309-го типа?

До рабочей температуры около 315 °C — да, и это будет дешевле. Выше начинают работать миграция углерода и термическая усталость по линии сплавления, и нужен никелевый металл шва. Отдельный случай — соединения, где послесварочная термообработка невозможна: там никель берут независимо от температуры.

Чем отличаются электроды E Ni 6182 и E Ni 6082?

Хромом и марганцем. У 6082 хром 18–22 % против 13–17 % и умеренный марганец, отсюда окалиностойкость до 1000 °C и рабочая температура нагруженного шва до 800 °C. У 6182 марганца 5–10 %, он лучше подавляет горячие трещины, но снижает жаропрочность — применение ограничено примерно 480 °C.

Нужна ли термообработка после сварки никелевым электродом?

Сам никелевый металл шва её не требует. Если в стыке участвует теплоустойчивая сталь, отпуск нужен ей — и его выполняют по схеме буферного слоя: наплавка на ферритную кромку, отпуск только этой детали, затем сборка стыка без термообработки.

Какая максимальная рабочая температура у никелевого шва класса E Ni 6082?

До 800 °C для полностью нагруженного шва, окалиностойкость до 1000 °C. В серосодержащих атмосферах — не выше 500 °C.

Почему никелевые электроды варят на малом токе и без колебаний?

Расплав никелевых сплавов вязкий и не растекается по кромкам, а многослойный никелевый шов чувствителен к перегреву. Отсюда ниточный валик, колебания не более трёх диаметров стержня, межслойная температура не выше 150 °C и погонная энергия не выше 1,5 кДж/мм.

Итоги

• Разнородный стык разрушается по линии сплавления, а не по шву. Три причины: миграция углерода, разница температурного расширения, невозможность термообработки.
• Порог смены материала — около 315 °C рабочей температуры. Ниже достаточно 309-го типа, выше нужен никель.
• Никелевых электродов два класса, и разница между ними — 480 °C против 800 °C. Смотреть надо на обозначение по EN ISO 14172, а не на слово «никелевый» в описании.
• Технология не формальна: ниточный валик, межслойная температура 150 °C, погонная энергия до 1,5 кДж/мм, заваренный кратер.
• Буферный слой на ферритной кромке с отпуском только этой детали — приём, который решает большинство ремонтных задач на действующем оборудовании.

Электрод AWG 2428 относится к классу E Ni 6082 по EN ISO 14172 и рассчитан на весь перечисленный круг задач — от стыков змеевиков печей и анкеров футеровки установок каталитического крекинга до ремонта жаростойкого литья без последующей термообработки.