01 Visão geral do aço para baixa temperatura
1) Os requisitos técnicos gerais para o aço de baixa temperatura são os seguintes: deve ter resistência suficiente e ampla tenacidade sob condições de baixa temperatura, juntamente com boa soldabilidade, usinabilidade e resistência à corrosão.
Entre estes, a resistência a baixas temperaturas – ou seja, a capacidade de prevenir e impedir falhas frágeis sob baixas temperaturas – é o fator mais crucial. Portanto, cada país geralmente prescreve um certo valor de resistência ao impacto nas temperaturas mais baixas.
2. Seleção de Métodos de Soldagem
O aço de baixa temperatura pode ser soldado usando métodos típicos, como soldagem a arco, soldagem a arco submerso e soldagem a arco de metal a gás.
A soldagem a arco é o método mais comumente utilizado para aço de baixa temperatura e pode ser aplicada em diversas posições de soldagem. Sua entrada de calor é de aproximadamente 18~30KJ/cm.
Ao usar eletrodos com baixo teor de hidrogênio, podem ser alcançadas juntas de solda completamente satisfatórias, que não apenas exibem boas propriedades mecânicas, mas também excelente tenacidade ao entalhe.
Além disso, a soldagem a arco tem as vantagens de máquinas de soldagem simples e baratas, menor investimento em equipamentos e nenhuma limitação de posição ou direção.
A entrada de calor da soldagem por arco submerso para aço de baixa temperatura é de cerca de 10 ~ 22 KJ/cm. É amplamente utilizado devido à sua simplicidade, alta eficiência de soldagem e fácil operação.
Porém, devido ao efeito isolante do fluxo, ele retarda o resfriamento, levando a uma maior tendência à formação de trincas a quente.
Além disso, impurezas e silício podem entrar no metal de solda a partir do fluxo, o que pode exacerbar esta tendência. Portanto, ao usar soldagem por arco submerso, a escolha do fio e do fluxo deve ser cuidadosamente considerada, e as operações devem ser realizadas meticulosamente.
CO2 a soldagem com proteção a gás produz juntas com menor tenacidade e, portanto, não é utilizada na soldagem de aço de baixa temperatura.
A soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) é normalmente operada manualmente e sua entrada de calor é limitada na faixa de 9 ~ 15 KJ/cm. Embora a junta de soldagem produzida apresente desempenho satisfatório, este método não é aplicável quando a espessura do aço excede 12 mm.
A soldagem a arco de metal a gás (MIG) é o método de soldagem automática ou semiautomática mais amplamente utilizado para aço de baixa temperatura, com uma entrada de calor de 23 ~ 40KJ/cm.
Com base no método de transferência de gotículas, ela pode ser dividida em transferência por curto-circuito (menor aporte de calor), transferência globular (maior aporte de calor) e transferência por spray pulsado (maior aporte de calor). A soldagem MIG de curto-circuito pode ter profundidade de fusão insuficiente, o que pode levar a defeitos de fusão incompletos.
Outros modos de soldagem MIG também podem apresentar problemas semelhantes, mas em graus variados. Para alcançar uma profundidade de fusão satisfatória, tornando o arco mais concentrado, algumas a várias dezenas de por cento de CO2 ou O2 podem ser introduzidas no argônio puro usado como gás de proteção.
A percentagem apropriada deve ser determinada experimentalmente, com base no tipo específico de aço a ser soldado.
3) Seleção de materiais de soldagem
Os materiais de soldagem (incluindo eletrodos, fios de soldagem e fluxos) geralmente devem ser selecionados de acordo com o método de soldagem adotado, forma da junta, formato da ranhura e outras características necessárias.
Para aço de baixa temperatura, o mais importante é garantir que o metal de solda tenha tenacidade a baixa temperatura que corresponda ao metal original e minimizar a quantidade de hidrogênio difundido.
(1) Aço Morto com Alumínio
O aço apagado com alumínio é altamente sensível à velocidade de resfriamento pós-soldagem. Os eletrodos usados na soldagem a arco manual para aço temperado com alumínio são normalmente do tipo Si-Mn com baixo teor de hidrogênio ou tipo 1,5% Ni, tipo 2,0% Ni.
Para reduzir a entrada de calor da soldagem, o aço com alumínio geralmente adota soldagem multicamadas com eletrodos finos de 3 ~ 3,2 mm. Isto pode utilizar o ciclo térmico secundário do passe de soldagem superior para refinar os grãos.
A resistência ao impacto do metal de solda soldado com eletrodos de Si-Mn a 50°C diminuirá drasticamente à medida que a entrada de calor aumenta. Por exemplo, quando a entrada de calor aumenta de 18KJ/cm para 30KJ/cm, a tenacidade perderá mais de 60%. Os eletrodos do tipo 1,5% Ni e 2,5% Ni não são sensíveis a isso, portanto são a melhor escolha para soldagem.
A soldagem por arco submerso é um método comum de soldagem automática para aço temperado com alumínio. A melhor composição para o fio de soldagem usado na soldagem por arco submerso contém 1,5 ~ 3,5% de níquel e 0,5 ~ 1,0% de molibdênio.
De acordo com a literatura, com o uso de fio de soldagem 2,5%Ni-0,8%Cr-0,5%Mo ou 2%Ni e o fluxo apropriado, o valor médio de tenacidade do metal de solda a -55°C pode chegar a 56-70J (5,7~ 7,1Kg/fm). Mesmo com fio de soldagem 0,5%Mo e fluxo alcalino de liga de manganês, desde que a entrada de calor seja controlada abaixo de 26KJ/cm, um metal de solda com 55J (5,6Kg/fm) ainda pode ser feito.
Ao escolher o fluxo, preste atenção à correspondência de Si e Mn no metal de solda. Testes mostraram que diferentes teores de Si e Mn no metal de solda podem afetar muito sua tenacidade. A tenacidade ideal é obtida com 0,1~0,2% de Si e 0,7~1,1% de Mn. Isto deve ser observado ao selecionar fios e fluxos de soldagem.
A soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) e gás inerte de metal (MIG) é menos comumente usada em aço temperado com alumínio. Os arames de soldagem mencionados acima para soldagem por arco submerso também podem ser utilizados para soldagem TIG.
(2) Aço 2,5Ni e Aço 3,5Ni
Para soldagem por arco submerso ou soldagem MIG de aços 2,5Ni e 3,5Ni, geralmente podem ser usados fios de soldagem com o mesmo material do metal base. No entanto, conforme mostrado na fórmula de Wilkinson, o Mn é um inibidor de craqueamento a quente para aços de baixa temperatura e baixo teor de níquel.
Manter o teor de manganês no metal de solda em torno de 1,2% é benéfico para prevenir trincas de arco e outras trincas a quente. Isto deve ser priorizado ao selecionar a combinação de fio de soldagem e fluxo.
A tendência de fragilização por revenimento do aço 3,5Ni é alta, portanto, após o tratamento térmico pós-soldagem para alívio de tensão residual (por exemplo, 620 ℃ × 1 hora, depois resfriamento do forno), a tenacidade diminuirá drasticamente de 3,8Kg/fm para 2,1Kg/ fm e não atendem às especificações.
A tendência de fragilização por têmpera do metal de solda produzido pelo fio de soldagem 4,5%Ni-0,2%Mo é muito menor, e o uso deste fio pode evitar a dificuldade mencionada.
(3) Aço 9Ni
O aço 9Ni é geralmente submetido a tratamento térmico de têmpera ou revenimento duplo para maximizar sua tenacidade a baixas temperaturas. Porém, o metal de solda deste aço não pode sofrer o tratamento térmico mencionado.
Portanto, o uso de materiais de soldagem de ferrita dificulta a obtenção de metal de solda com tenacidade a baixas temperaturas comparável ao metal original. Os mais comumente usados são materiais de soldagem com alto teor de níquel.
O metal de solda desses materiais de soldagem é uma estrutura austenítica completa. Apesar das desvantagens da menor resistência em comparação com o metal base do aço 9Ni e do alto custo, a fratura frágil não é mais um problema sério para ele.
Do exposto, sabemos que:
Como o metal de solda é inteiramente austenítico, a tenacidade a baixas temperaturas do metal de solda soldado com os eletrodos e fios de soldagem usados pode competir totalmente com o metal original, embora sua resistência à tração e ponto de escoamento sejam inferiores aos do metal original.
O aço contendo níquel possui características de autoendurecimento, portanto, a maioria dos eletrodos e fios de soldagem tomaram medidas para limitar o teor de carbono para obter uma boa soldabilidade.
Em materiais de soldagem, o Mo é um importante elemento de reforço, enquanto o Nb, Ta, Ti e W são importantes elementos de reforço. A sua importância tem sido plenamente reconhecida na seleção e configuração de materiais de soldagem.
Quando o mesmo fio de soldagem é usado, a resistência e a tenacidade do metal de solda por arco submerso são um pouco inferiores às da soldagem MIG. Isto pode ser devido à velocidade de resfriamento mais lenta da solda e às possíveis impurezas ou infiltração de Si do fluxo.
03 Soldagem de tubo de aço de baixa temperatura A333-GR6
1) Análise de soldabilidade do aço A333-GR6
O aço A333 – GR6 é um aço de baixa temperatura, com a temperatura de uso mais baixa de -70 ℃, geralmente entregue em estado normalizado ou normalizado mais revenido. O aço A333-GR6 possui baixo teor de carbono, portanto possui pequena tendência de endurecimento e trincas a frio, boa tenacidade e plasticidade.
Geralmente não produz facilmente defeitos de endurecimento e trincas e tem boa soldabilidade.
O fio de soldagem a arco de argônio ER80S-Ni1 com eletrodos W707Ni pode ser usado, aplicando soldagem argônio-elétrica combinada, ou o fio de soldagem a arco de argônio ER80S-Ni1 pode ser usado para soldagem a arco de argônio completo para garantir boa resistência da junta de soldagem.
A marca do fio e eletrodo de soldagem a arco de argônio pode ser escolhida entre produtos com o mesmo desempenho, mas a aprovação do proprietário deve ser obtida antes do uso.
2) Processo de soldagem
Durante a soldagem, para tubos com diâmetro menor que 76,2 mm, são utilizadas juntas de topo tipo I e soldagem a arco de argônio total; para tubos com diâmetro superior a 76,2 mm, uma ranhura tipo V é aberta e o método de raiz de arco de argônio e soldagem elétrica de argônio com enchimento multicamadas ou soldagem a arco de argônio completo é usado.
As práticas específicas dependem do diâmetro do tubo e da espessura da parede aprovada pelo proprietário.
3) Processo de Tratamento Térmico
(1) Pré-aquecimento antes da soldagem
Quando a temperatura ambiente está abaixo de 5°C, é necessário o pré-aquecimento da soldagem.
A temperatura de pré-aquecimento é de 100~150°C; a faixa de pré-aquecimento é de 100 mm em ambos os lados da solda; chama de oxiacetileno (chama neutra) é usada para aquecimento, e a temperatura é medida a 50 ~ 100 mm de distância do centro da solda por uma caneta com sensor de temperatura, com pontos de temperatura distribuídos uniformemente para melhor controle de temperatura.
(2) Tratamento térmico pós-soldagem
A fim de melhorar a tenacidade ao entalhe do aço de baixa temperatura, os materiais geralmente utilizados já foram submetidos a têmpera e revenido. O tratamento térmico pós-soldagem inadequado muitas vezes deteriora seu desempenho em baixas temperaturas, o que deve receber atenção suficiente.
Portanto, exceto nas condições em que a espessura da soldagem é maior ou as condições de restrição são muito rigorosas, o aço de baixa temperatura geralmente não passa por tratamento térmico pós-soldagem.
Por exemplo, a soldagem do gasoduto de GLP recém-adicionado no CSPC não requer tratamento térmico pós-soldagem.
Se o tratamento térmico pós-soldagem for realmente necessário em alguns projetos, a taxa de aquecimento, o tempo de temperatura constante e a taxa de resfriamento do tratamento térmico pós-soldagem devem ser estritamente realizados de acordo com as seguintes disposições:
O tempo de temperatura constante deve ser de 1h por 25mm de espessura de parede e não inferior a 15min. A diferença de temperatura entre as temperaturas mais altas e mais baixas durante o período de temperatura constante deve ser inferior a 65°C.
Após a temperatura constante, a taxa de resfriamento não deve ser superior a 65×25/δ ℃/h e não superior a 260 ℃/h. Abaixo de 400°C, o resfriamento natural é aceitável. Deve ser utilizado equipamento de tratamento térmico controlado por computador.
4) Precauções
(1) Pré-aquecimento rigoroso de acordo com os regulamentos, controlando a temperatura intercalar dentro de 100 ~ 200 ℃. Cada soldagem deve ser concluída de uma só vez; se interrompida, devem ser tomadas medidas de resfriamento lento.
(2) Arranhões de arco na superfície da soldagem são estritamente proibidos. Após a extinção do arco, a cratera deve ser preenchida e quaisquer defeitos retificados com um rebolo. As juntas entre camadas na soldagem multicamadas devem ser escalonadas.
(3) A energia da linha deve ser rigorosamente controlada, utilizando pequenas correntes, baixas tensões e soldagem rápida. Para eletrodos W707Ni com diâmetro de 3,2 mm, o comprimento de soldagem por eletrodo deve exceder 8 cm.
(4) Deve ser adotada operação de arco curto e sem oscilação.
(5) O processo de soldagem de penetração total deve ser usado e deve seguir rigorosamente os requisitos das especificações do processo de soldagem e do cartão do processo de soldagem.
(6) O reforço da solda deve ser de 0 ~ 2 mm e o alargamento da solda deve ser ≤2 mm em cada lado.
(7) Após a aprovação na inspeção de aparência da solda, os testes não destrutivos só poderão ser realizados após pelo menos 24 horas. A norma JB 4730-94 deve ser aplicada nas costuras de solda de topo do tubo.
(8) A norma “Vaso de Pressão: Ensaios Não Destrutivos de Vasos de Pressão” deve ser seguida e a qualificação de nível II deve ser alcançada.
(9) Os reparos de soldagem devem ser realizados antes do tratamento térmico pós-soldagem. Se forem necessários reparos após o tratamento térmico, a solda deverá ser tratada novamente com calor após o reparo.
(10) Se o tamanho geométrico da superfície de solda não for conforme, é permitido retificá-la, desde que a espessura após a retificação não fique abaixo dos requisitos de projeto.
(11) Para defeitos gerais de soldagem são permitidas no máximo duas reparações. Se ainda assim não passar após dois reparos, a solda deverá ser cortada e soldada novamente de acordo com o processo completo de soldagem.
