Заваръчно покритие с никелови сплави: облицовка от въглеродна стомана за устойчивост на корозия

Заваръчно покритие -, наричано също облицовка за заваряване или твърда наварка - е доказан,-съвместим с кода метод за нанасяне на корозионно-устойчив слой от никелова сплав върху основа от въглеродна стомана или ниско-легирана стомана. Резултатът: механичната якост и ниската цена на въглеродната стомана, комбинирани с устойчивостта на корозия на никеловите сплави - при 40–60% по-ниска цена на материала в сравнение с конструкцията от твърда никелова сплав. Тази статия обяснява кога наслагването за заваряване е правилният избор, кои никелови сплави се използват, какви стандарти се прилагат и как да посочите правилно наслагването.

Заваръчното покритие с никелови сплави е-стандартното решение за индустрията за съдове под налягане, топлообменници и тръбопроводни компоненти, които трябва да са устойчиви на корозия от кисел газ (H₂S), хлориди, киселини и високо-температурно окисляване - без разходите за производство на твърда сплав.

Въведение в наслагването на заваръчния шев

Покриването на заваръчния шев е процес на отлагане на един или повече слоеве от устойчива на корозия-сплав (обикновено на базата на-никел) върху повърхността на по-евтин основен метал (обикновено въглеродна стомана или ниско-легирана стомана) с помощта на процеси на електродъгово заваряване. Покриващият слой - обикновено с дебелина 3–6 mm - действа като бариера между корозивната технологична течност и структурния основен метал.

Защо да използвате наслагване вместо твърда сплав?

Таблица. Сравнение на разходите и производителността - Твърда сплав срещу заваръчна конструкция

Източник: Код на ASME за котли и съдове под налягане, раздел VIII, раздел . 1 (2023 г.); ASME B31.3 Процесни тръбопроводи (2022); Special Metals Corporation „Каталог на продуктите за заваряване“ (2023); Технически данни за „корозионно-устойчиви сплави“ на Haynes International; Анализ на вътрешните разходи на JN Alloys за 2024–2025 г.

За съдове с голям-диаметър, черупки на топлообменници и тръбопроводни макари, където корозионното въздействие е ограничено до вътрешната повърхност, наслагването на заваръчния шев осигурява същата корозионна производителност като твърдата сплав при 40–60% по-ниска цена на материала.

Най-широко специфицираните материали за наслагване Сплав 625 и Сплав C-276

Не всички никелови сплави са подходящи за заваряване. Покриващият материал трябва да може да се заварява, да е съвместим с разреждането на въглеродна стомана и да е устойчив на специфичната корозивна среда. Две сплави доминират в индустрията: сплав 625 (UNS N06625) и сплав C-276 (UNS N10276).

Избор на сплав според корозионната среда

Таблица. Материали за покритие от никелова сплав - Ръководство за избор според корозионна среда

Източник: Информационни листове за „INCONEL® Alloy 625“ и „INCONEL® Alloy 725“ на Corporation Special Metals (2023); Технически данни на Haynes International 'HASTELLOY® C-276 Alloy' (2023); Код на ASME за котли и съдове под налягане, раздел IX (2023) QW-422 Групиране на P-номера; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015.

Сравнение на химическия състав

Таблица. Химичен състав на обикновени наслагващи материали от никелова сплав (тегло %, типично)

Източник: ASTM B443 (сплав 625); ASTM B575 (сплав C-276, C-22, 59); ASTM B425 (сплав 825); ASTM B168 (сплав 600); ASTM B435 (сплав X); Специални метали и информационни листове на Haynes International (2023).

Alloy 625 е изборът по подразбиране за обслужване с морска вода, хлорид и кисел газ (H₂S). Сплав C-276 е изборът по подразбиране за редуциращи киселини (HCl, H₂SO₄) и тежки химически среди. За гранични случаи се консултирайте с NACE MR0175 / ISO 15156-3 и направете тестове за корозия.

GTAW и GMAW за наслагване с висока-интегритет

Изборът на процес на заваряване влияе върху качеството на наслагването, степента на разреждане, скоростта на отлагане и цената. За критично оборудване под налягане GTAW (TIG) и GMAW (MIG) са най-честият избор. За облицовки с-големи площи FCAW и SAW предлагат по-висока производителност.

Сравнение на процеса за покритие от никелова сплав

Таблица. Заваръчни процеси за покритие от никелова сплав - Сравнение по качество и производителност

Източник: ASME за котли и съдове под налягане, раздел IX (2023 г.); AWS D1.6/D1.6M-22 „Кодекс за структурно заваряване-неръждаема стомана“; Специални метали „Насоки за заваряване на никелови сплави“ (2023); Техническо ръководство за „Продукти за заваряване на никелови сплави“ на Lincoln Electric (2023 г.).

Управлението на разреждането е критично за производителността на наслагването

Разреждането възниква, когато основният метал (въглеродна стомана) се разтопи и смеси с добавъчния метал (никелова сплав). Прекомерното разреждане намалява корозионната устойчивост на горния слой чрез понижаване на критичното съдържание на сплав (Cr, Mo, Nb). За покритие от сплав 625 съдържанието на желязо трябва да се поддържа под 10% в първия слой; за C-276, под 7%.

Таблица. Максимално допустимо разреждане - Граници на съдържанието на желязо по сплав

Източник: „Насоки за заваряване на специални метали за INCONEL® Alloy 625“ (2023); Haynes International „Заваряване и производство на сплав HASTELLOY® C-276“ (2023); ASME Раздел IX QW-404.12 „Разреждане на пълнежен метал“; AWS A5.14/A5.14M:2018 „Спецификация за никелови и никелови сплави без голи заваръчни електроди и пръти.“

Използвайте GTAW (TIG) за първия слой, за да сведете до минимум разреждането и да осигурите химичното съответствие. Използвайте GMAW, FCAW или SAW за следващите слоеве, за да увеличите производителността. Винаги проверявайте химическия състав на наслагването чрез PMI (положителна идентификация на материала) или лабораторен анализ.

Дебелина на наслагването 3–6 mm

Минималната дебелина на наслагването се определя от допускането на корозия, дълбочината на разреждане, способността за заваръчен процес и изискванията на кода. За повечето съдове под налягане и тръбопроводи 3–6 mm (2–3 слоя) е стандарт. По-тънките наслагвания крият риск от пробив; по-дебелите слоеве увеличават разходите и могат да доведат до проблеми с остатъчното напрежение.

Насоки за проектиране на дебелината

Таблица. Дизайн на дебелината на наслагването - Препоръчителни стойности по приложение

Източник: Код на ASME за котли и съдове под налягане, раздел VIII, раздел . 1 (2023) UG-16 „Минимална дебелина на стената“; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 „Петролна и газова промишленост – Материали за използване в среди, съдържащи H₂S“; API 6A (21-во издание, 2024 г.) „Оборудване за сондажи и дървета“; API 17D (3-то издание, 2021 г.) „Проектиране и експлоатация на системи за подводен добив“.

Изчисляване на допустимата корозия

Дебелината на наслагването трябва да включва: (1) допуск за корозия (обикновено 1,5–3,0 mm за 10–20 години експлоатационен живот), (2) допуск за механична обработка (0,5–1,0 mm за довършване на повърхността) и (3) дебелина на зоната на разреждане (1,0–1,5 mm за първия слой).

Таблица. Разбивка на дебелината на наслагването - допустима корозия и производствени толеранси

Източник: Код на ASME за котли и съдове под налягане, раздел VIII, раздел. 1 UG-25 ​​„Допускане на корозия“; ASME B46.1-2019 „Повърхностна текстура (грапавост на повърхността, вълнообразност и слой)“; ASME Раздел V Член 4 „Методи за ултразвуково изследване на заварки“; ASME Раздел IX „Квалификации за заваряване, спояване и топене“.

Заключение:За повечето приложения посочете минимална дебелина на слоя от 3,0 mm след обработка. За силно корозионни среди (киселинен газ, киселини, морска вода) посочете 4,0–5,0 mm. Винаги включвайте допускане на корозия в проектната спецификация.

PMI проверка и NDE

Тъй като наслагващият слой е тънък (3–6 mm) и устойчивостта на корозия зависи от прецизния химичен състав, контролът на качеството е по-критичен, отколкото при конструкцията от твърда сплав. Всяко покритие трябва да бъде потвърдено чрез положителна идентификация на материала (PMI) и инспектирано чрез ултразвуково изследване (UT) или радиографско изследване (RT).

Изисквания за инспекция за наслагване на заварки

Таблица. Тестове за контрол на качеството за заваръчно покритие от никелова сплав

Източник: ASTM E1621-21 „Стандартно ръководство за елементен анализ чрез спектрометрия с дисперсия на дължината на вълната на X-лъчева флуоресценция“; ASME Код за котли и съдове под налягане Раздел V (2023) Членове 2, 4, 5, 6; ASME Раздел VIII Div. 1 UW-51 „Радиографско изследване на заварки“; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 Таблица A.1 „Изисквания за твърдост за въглеродни и нисколегирани стомани“.

Често срещани дефекти и техните причини

Таблица. Често срещани дефекти при наслагване на заваръчните шевове - Причини и превенция

Източник: AWS D1.6/D1.6M-22 „Кодекс за структурно заваряване – неръждаема стомана“; Специални метали „Насоки за заваряване на никелови сплави“ (2023); ASME Раздел IX QW-190 „Изследване и ремонт на заварки“.

PMI проверката на химията на наслагването е задължителна за всяка работа. UT или RT проверка потвърждава целостта на връзката. За кисело обслужване се изисква изпитване на твърдост по NACE MR0175. Всички резултати от проверката трябва да бъдат документирани в протокола от изпитването на материала.

ASME VIII и ASME B31.3

Заваръчното покритие не е „алтернативен“ метод - то е изрично признато и управлявано от кодовете за проектиране на ASME. Покриващият слой може да се счита за допустима корозия, но не и като дебелина,-задържаща налягане, освен ако не е специално квалифицирана и документирана.

Изисквания на кода за заваряване

Таблица. Изисквания на кода на ASME за заваръчна конструкция

Източник: Код на ASME за котли и съдове под налягане, раздел VIII, раздел . 1 (2023) UG-16, UW-42, UCL-30 до UCL-46; Код на ASME за котли и съдове под налягане, раздел VIII, раздел. 2 (2023 г.), част D, член D.11; ASME B31.3-2022 „Тръбопровод за процес“ Параграфи 323.4.2, 328.5.1; Код на ASME за котли и съдове под налягане, раздел IX (2023) QW-214, QW-283; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015.

Когато наслагването може да бъде включено в проектната дебелина

По подразбиране кодовете на ASME третират наслагването на заваръчния шев като допуск за корозия - той не е включен в изчисляването-на дебелината на задържане на налягането. Въпреки това, ако процедурата на наслагване е квалифицирана да демонстрира пълно металургично свързване и проектната спецификация изрично го позволява, дебелината на наслагването (минус допустимото корозионно покритие) може да бъде призната.

Таблица. Условия за включване на наслагване в проекта за налягане

Източник: Код на ASME за бойлери и съдове под налягане, раздел VIII, раздел. 1 UCL-30 „Плаковани и заварени-метални-съдове“; ASME Раздел IX QW-283 „Променливи за заваряване за устойчиво на корозия покритие“; WRC Бюлетин 447 „Насоки за оценка на облицовка на заварени шевове в оборудване под налягане“ (1999).

Заваръчното покритие е напълно{0}}съвместимо с кода. По подразбиране се третира като допустима корозия и не е включена в проекта за налягане. Ако проектната спецификация позволява, наслагването може да бъде кредитирано към дебелината на налягането -, но това изисква квалифицирани процедури и изрично инженерно одобрение.

Нефт и газ, химическо производство и производство на енергия

Заваръчното покритие с никелови сплави се използва най-често в индустрии, където околната среда на процеса е силно корозивна, но размерът на оборудването прави конструкцията от твърда сплав икономически непривлекателна. Петролната и газовата промишленост е най-големият потребител, следван от химическата обработка и производството на електроенергия.

Примери за приложение по отрасли

Таблица. Приложения за наслагване на заварени шевове по промишлена и сервизна среда

Източник: API 6A (21-во издание, 2024 г.) „Оборудване за сондажи и дървета“; API 17D (3-то издание, 2021 г.) „Системи за подводен добив“; API 934-A (3-то издание, 2019 г.) „Материали и производство на 2¼Cr-1Mo и 3Cr-1Mo стоманени съдове под налягане с тежки стени за високо{21}}температурно обслужване с водород при високо налягане“; NACE RP045-2003 „Заваряване с наслагване за обслужване с водород“; ASME B31.3-2022 „Тръбопровод за процес“; DNVGL-OS-F101 (2021) „Подводни тръбопроводни системи“.

Казус от практиката: Наслагване на оборудването на устието на кладенеца

Оборудването за подводни кладенци и коледните елхи работят в някои от най-агресивните среди на корозия: морска вода отвън, кисел газ (H₂S) и саламура отвътре и температури до 200 градуса. Конструкцията от твърда сплав 625 би струвала 5–8 пъти въглеродна стомана. Заварено покритие от сплав 625 върху въглеродна стомана или ниско-легирана стомана (напр. AISI 4130, F22) осигурява същата устойчивост на корозия при 40–50% по-ниска цена.

Таблица. Казус от практиката - Подводен хъб на кладенеца: наслагване от сплав 625 върху стомана F22

Източник: API 6A (21-во издание, 2024 г.) „Оборудване за сондажи и дървета“; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015; Данни за вътрешния проект на JN Alloys за подводен хъб на кладенеца, произведен през 2023 г.; Информационен лист за специални метали „INCONEL® Alloy 625“ (2023).

За голямо, дебелостенно-оборудване, където корозионното въздействие е ограничено до вътрешната повърхност, заваръчното покритие е икономически най-добрият избор. Твърдата сплав трябва да бъде запазена за малки компоненти (вътрешни части на клапани, фитинги на инструменти), където наслагването е непрактично.

ERNiCrMo-4 и ERNiCr-3

Спецификацията на добавъчния метал (класификация по AWS) определя химическия състав на наслагването и устойчивостта на корозия. За покритие от сплав 625 използвайте ERNiCrMo-3 или ERNiCrMo-4; за наслагване C-276 използвайте ERNiCrMo-4. Класификацията -4 има по-високо съдържание на Mo и е предпочитана за силно редуциращо киселинно обслужване.

Класификации на метален пълнеж за покритие от никелова сплав

Таблица. AWS класификации на метален пълнеж за заварено покритие от никелова сплав

Източник: AWS A5.14/A5.14M:2018 „Спецификация за никелови и никелови-сплави за заваръчни електроди и пръти“; AWS A5.11/A5.11M:2017 „Спецификация за заваръчни електроди от никел и никелови -сплави за електродъгово заваряване в екраниран метал“; Специални метали „Каталог на продуктите за заваряване“ (2023); Технически данни на Haynes International „Заваръчни добавъчни метали“ (2023 г.).

Избор на добавъчен метал според работната среда

Таблица. Ръководство за избор на метален пълнеж - Покриване на никелова сплав според корозионна среда

Източник: NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 „Петролна и природен газ промишленост-Материали за използване в среди, съдържащи H₂S-; Специални метали „Ръководство за избор на устойчиви на корозия сплави“ (2023); Техническа брошура „Данни за корозия“ на Haynes International (2023 г.); Outokumpu „Наръчник по корозия за неръждаеми стомани и никелови сплави“ (2021 г.).

ERNiCrMo-3 (пълнител от сплав 625) е най-универсалният избор за общи приложения за наслагване. ERNiCrMo-4 (пълнител C-276) се предпочита за силно редуциращо киселинно обслужване. Винаги проверявайте химическия състав на наслагването от PMI, за да сте сигурни, че добавъчният метал и процедурата за заваряване осигуряват необходимото съдържание на Cr, Mo и Fe.