موضوعات علمی ، فنی مهندسی و بازرسی و دانلود کتاب و جزوه

ناتوانی در جوش ميان فولاد كربنی يا كم ­آلياژی و فولاد زنگ­ نزن آستنيتی

بهروز پهلوانی

چكيده

ناتواني در جوش ميان فولاد كربني يا كم­آلياژي و فولاد زنگ­ نزن آستنيتي مورد بررسي قرار گرفته است. از مطالعه منابع و مقالات، اين نتيجه حاصل شد كه جوش ميان فولاد­هاي كربني يا كم آلياژ فريتي و فولاد زنگ­نزن آستنيتي بدليل خصوصيات ريز ساختاري خاص نظير تشكيل مارتنزيت با سختي بالا در فصل مشترك جوش با فولاد فريتي، در محيط هاي ترش به SSC حساس است. بدليل سختي بالاي فصل مشترك جوش با فولاد كربني و درنتيجه حساسيت به SSC همچنين احتمال مهاجرت كربن از فلز پايه فولاد ساده كربني به منطقه جوش و تضعيف فلز پايه، احتمال ترك خوردن جوش از محل فصل مشترك با فولاد فريتي در محيط­هاي ترش وجود دارد. همچنين در منابع و مقالات مختلف عنوان شده است كه استفاده از فلز پركننده پايه نيكل نظير Inco182 بجاي استفاده از فلز پركننده متداول آستنيتي E309L، براي جوشكاري فولاد زنگ­نزن آستنيتي به فولاد­كربني يا كم­آلياژ فريتي مناسب­تر است. اين قضيه به علت كاهش چشمگير ضخامت لايه مارتنزيت و افزايش مقاومت به SSC و عمر سرويس جوش هنگام قرار گرفتن در محيط­هاي ترش مي­ باشد.

1- مقدمه

ناتواني در جوش فلزات نامشابه(Dissimilar Metal Welds Failures) ميان فولادهاي ساده­ كربني و فولادهاي زنگ­ نزن آستنيتي در بسياري از كاربردهاي صنعتي اتفاق مي­ افتد. اين ناتواني­ها عموماً ناشي از تغييرات بسيار ناگهاني(very sharp) تركيب شيميايي و در نتيجه خواص، در راستاي خط­ جوش و تشكيل نواحي پرتنش­ موضعي به­ همراه ناهمگوني انبساط حرارتي ميان فولاد­كربني و فولاد زنگ­ نزن مي ­باشد[1].

نمونه ­هايي از ناتواني جوش ميان فولادهاي كربني يا كم ­آلياژي و فولادهاي زنگ ­نزن آستنيتي با استفاده از فلز پركننده فولاد زنگ­ نزن آستنيتي در اينجا اشاره مي­ شود. هنگام جوشكاري فولاد كربني به فولاد زنگ ­نزن نوع 502 با استفاده از فلز پركننده فولاد زنگ­ نزن347، يك ناحيه ترد مارتنزيتي مجاور فولاد ساده­ كربني تشكيل مي­ شود كه ناتواني جوش از اين ناحيه گزارش شده است[2]. يك نمونه ناتواني ديگر در ناحيه جوش ميان ورق فولاد كم ­آلياژي 3-1/2Ni و فولاد زنگ ­نزن ناشي ازSSC گزارش شد كه دليل آن تشكيل ناحيه سخت با زمينه مارتنزيت حاوي دانه ­هاي كاربيدهاي تنگستن يا كرم هنگام جوشكاري با استفاده از فلز پركننده فولاد زنگ نزن آستنيتي تعيين گرديد[3]. هدف از ارايه اين مقاله بررسي عوامل بروز ناتواني در جوش فولاد كربني يا كم­آلياژي فريتي و فولاد زنگ ­نزن آستنيتي است.

2- مرور منابع(Literature Review)

2-1: جوشكاري فولاد زنگ­ نزن آستنيتي به فولاد كربني يا كم­ آلياژي

فولادهاي زنگ­ نزن آستنيتي، فريتي يا مارتنزيتي مي­ توانند به­ سهولت با استفاده از فلزات پركننده­اي كه محلوليت نسبي خوبي با هر دو فلز زمينه دارند، بدون اينكه عيوبي در اتصال ايجاد كنند به فولادهاي كربني يا كم ­آلياژي جوشكاري ذوبي شوند[4]. عموما از فولاد زنگ ­نزن آستنيتي يا آلياژهاي نيكل به عنوان فلز پركننده استفاده مي­ شود كه انتخاب آن بستگي به كاربري و شرايط سرويس دارد‍]5،4]. انتخاب فلز پركننده گام مهمي براي عمر سرويس هنگام طراحي جوش ميان فولاد­كربني يا كم­ آلياژي و فولاد زنگ­ نزن آستنيتي است. انتخاب مناسب به شرايط سرويس و اثر رقت (Dilution) بر تركيب فلز جوش بستگي دارد[4].

2-2: انتخاب نوع فلز پركننده

براي كاربري دماهاي معمولي (كمتر از 427ºC) معمولا از فلزات پركننده(filler) فولاد زنگ­ نزن آستنيتي استفاده مي شود. انواع E309 و E309L متداولترين فلزات پركننده براي جوشكاري فولادهاي كربني و كم ­آلياژ به فولادهاي زنگ ­نزن آستنيتي هستند. آلياژهاي نيكل-كرم-آهن هم مناسب، اما گرانتر هستند. انتخاب فلز پركننده از جنس فولاد زنگ ­نزن آستنيتي براي جوشكاري فولادهاي نامشابه بستگي به تركيب شيميايي و ريزساختار فلز جوش بعد از اختلاط با فلزات پايه دارد. اگر اين اختلاط مشكل­ آفرين باشد، اين قضيه مي­ تواند توسط buttering سطح اتصال فولاد كربني يا كم ­آلياژي با يك يا دولايه فولاد زنگ نزن 309 يا 310 برطرف گردد. بعد از ماشينكاري و بازرسي لايه butter و تنش­گيري در صورت لزوم، جوشكاري مي­ تواند ميان قطعه فولاد زنگ ­نزن و قطعه فولاد كربني butter شده به كمك روش­هاي معمول جوشكاري و فلزات پركننده مناسب براي جوشكاري فلز پايه فولاد زنگ­ نزن آستنيتي انجام گردد[5و4].

براي كاربري دماهاي بالاتر از 370ºC عموما از فلز پر­كننده آلياژ نيكل نظيرENiCrFe-2 استفاده مي ­شود. اين پركننده­ ها مزاياي متعددي براي جوشكاري فلزات نامشابه در سرويس دماهاي سيكلي دارند. هنگام جوشكاري، اين پركننده ­ها مي ­توانند بدون اينكه فلز پايه به ترك حساس شود با بسياري از فلزات مخلوط شوند. حلاليت آنها براي كربن كم است كه باعث مي­ شود مهاجرت كربن از فولاد كم­آلياژ به فلز جوش به حداقل برسد. به­علاوه اين پركننده ­ها ضريب انبساط حرارتي نزديكتري به فولاد هاي كم­ آلياژي دارند[5و4]. لذا هنگام سيكل­هاي حرارتي، تنش­هاي فصل مشترك كاهش مي ­يابند و در نهايت اينكه استفاده از اين پركننده­ ها مشكلات تنش­زدايي را به حداقل مي­ رسانند[5].

استفاده از الكترودهاي فولاد كربني يا كم ­آلياژي براي جوشكاري فولادهاي زنگ­ نزن آستنيتي و فولادهاي كربني يا كم ­آلياژي بايستي اجتناب شود، زيرا اختلاط اين پركننده­ ها با فولاد زنگ نزن آستنيتي منجر به تشكيل رسوبات جوش سخت وترد مي شود[5].

2-3: مهاجرت كربن(carbon migration)

كرم در فولاد تمايل بيشتري نسبت به آهن براي جذب كربن دارد. موقعي كه يك فولاد ساده كربني يا كم­ آلياژي با استفاده از يك پركننده فولادي حاوي مقدار زيادي كرم جوشكاري شود، در دماي بالاي 427ºC كربن از فلز پايه به فلز جوش نفوذ مي­ كند. نرخ نفوذ تابع دما و زمان است و در دماهاي برابر و بالاتر از 427ºC سريع رشد مي­ كند. مهاجرت كربن مي­ تواند هنگام عمليات حرارتي پس از جوشكاري يا سرويس در دماي بالا رخ دهد[5و4].

فولاد آستنيتي حلاليت بيشتري نسبت به فولاد فريتي براي كربن دارد‌[4]. بنابراين فقير شدن كربن فلز پايه از جنس فولاد كربني يا كم­ آلياژي هنگام استفاده از فلز پركننده از جنس فولاد زنگ­ نزن آستنيتي نسبت به فلز پركننده فريتي بيشتر است. از طرف ديگر موقعي كه از فلز پركننده نيكل-كرم-آهن نظير پركننده نوع ENiCrFe-2 استفاده مي ­شود، مشكل مهاجرت كربن وجود ندارد[5و4]. مهاجرت شديد كربن بداخل فولاد آستنيتي، باعث تضعيف فولاد كربني يا كم ­آلياژي خواهد شد[5‍].

تجربه در مورد اتصال فلزات نامشابه نشان داده است كه شكست در عمري كوتاهتر از عمر سرويس مورد انتظار رخ مي­ دهد. عمده اين شكست­ها در اتصال فلزات نامشابه به جوش ميان فولادهاي آستنيتي به فريتي در ناحيه متاثر از حرارت (HAZ) فولاد فريتي مربوط مي­ شود. اين شكست­ها به يك يا چند دليل ذيل مرتبط هستند[5و4]:

الف) تنش­هاي بالا و در نتيجه خزش در فصل مشترك به علت اختلاف ميان ضرايب انبساط حرارتي جوش و فلز پايه.

ب) مهاجرت كربن از فولاد فريتي به داخل فولاد زنگ ­نزن كه ناحيه متاثر از حرارت را در فولاد فريتي تضعيف مي­ كند.

ج) اكسيداسيون ترجيحي در فصل مشترك كه باحضور تنش، تشديد مي ­گردد.

2-4: سرويس گازهاي ترش(Sour Gas Service)

حضور سولفيد هيدروژن(H₂S) و دي اكسيد كربن در هيدروكربن­ها مي­ تواند مشكلات جدي براي مواد بوجود آورد. اين مشكلات عبارتند از: ترك تنشي سولفيدي(SSC)، ترك خوردن هيدروژني(HIC)، ترك ناشي از خوردگي تنشي(SCC) و كاهش وزن ناشي از خوردگي عمومي. خواص متالورژيكي شناخته شده مؤثر بر كارايي مواد در محيط­هاي حاوي H₂S عبارتند از: تركيب شيميايي، روش توليد، شكل محصول، استحكام، سختي، ميزان كار سرد، شرايط عمليات حرارتي و ريز ساختار[2].

2-5: شرايط استفاده از مواد در محيط هاي ترش

هر آلياژي در محيط خاصي به خسارتهاي هيدروژني حساس است. مثلا فولاد معمولي در محلول­هاي اسيدي H₂S و فولادهاي زنگ­نزن در محيطهاي حاوي H₂Sحساس هستند[5،2]. فولاد SA106-B در محلولهاي اسيدي حاوي H₂S مقاوم است، مگر اينكه سخت يا كارسرد شده[2] و سختي آن بالاتر از 22HRC (190HB[6و8]) باشد. سختي فولادهاي زنگ ­نزن آستنيتي براي كاربري در شرايط گاز ترش نيز بايستي كمتر از 22HRCباشد[2،7،8]. روش جوشكاري بايد بگونه­ اي باشد كه الزامات سختي فوق­الذكر را فراهم كند. در مورد فولادهاي كربني اگر فرايند جوشكاري خاصي بجاي تنش­زدايي استفاده شود، بايستي منحني سختي فلز جوش، HAZ و فلز پايه كمتر از 22HRC باشد[7].

3- بحث(Discussion)

جوشكاري فلزات نامشابه نظير جوش­هاي ميان فولادهاي كربني و فولادهاي زنگ­ نزن (مثل316L) باعث ايجاد خصوصيات ريزساختاري خاصي خواهد شد كه مي­ تواند تاثير نامطلوبي بر مقاومت در برابر ترك خوردگي سولفيدي(SSC) داشته باشد. در صنايع نفت و گاز براي سرويس محيط­هاي ترش (حاويH₂S) توجه ويژه­اي بهSSC بايستي مبذول داشت. اين توجه ويژه به جوش ميان فلزات نامشابه در محيط­هاي ترش به اين دليل است كه هنگام جوشكاري اين فلزات، نواحي خاصي موسوم به نواحي مخلوط مياني (Intermediate Mixed Zone(IMZ)) يا نواحي مخلوط شده جزئي (Partially Mixed Zone(PMZ)) تشكيل مي­ شود كه سختي آن حدود 400 ويكرز (معادل 379برينل و 41 راكولC) مي­ باشد[9تا11]. اين نواحي به علت سختي بالا مي تواند به SSC حساس باشد[8تا11]. تركيب شيميايي اين منطقه تركيبي ميان فلز زمينه و فلز جوش رقيق شده است. نواحيIMZ، زمينه مارتنزيت با تركيب شيميايي فولاد كم ­آلياژي دارد[9].

تاثير پارامترهاي جوشكاري بر تشكيل ناحيه سخت در فلزات جوش نامشابه بررسي شده است. در اين تحقيق، اثرات پارامترهاي جوشكاري و مقادير بهينه آنها كه بيشترين تاثير را بر حذف يا كاهش ميزان تشكيل ناحيه سخت در جوش فلزات نامشابه دارند تعيين شده است. مشاهده شده است كه پيشگرم، ضخامت فلز پايه و تركيب شيميايي الكترود از بيشترين تاثير برخوردار هستند. اعمال دماي بهينه پيشگرم براي يك ضخامت فلز پايه داده شده و كنترل ماكزيمم دماي بين پاس­ها، باعث كاهش شديد نواحي سخت در جوش فلزات نامشابه ايجاد شده به كمك الكترودهاي ENiCrFe-3‌ مي­گردد، اما در استفاده از الكترود E309L اينگونه نيست[12].

براي جوشكاري فولاد زنگ ­نزن نوع 316L به فولادهاي­كربني يا كم­آلياژ فريتي، متداولترين فلز پركننده مورد استفاده E309L مي­ باشد[13،5،4].متاسفانه هنگام جوشكاري فولادهاي زنگ نزن آستنيتي به فولادهاي كربني يا كم­ آلياژ فريتي با استفاده از فيلر E309L، يك ناحيه سخت ميان فلز جوش و فولاد­كربني(IMZ or PMZ) تشكيل مي­ شود[10،13،14]. تشكيل اين نواحي سخت اساسا اجتناب ناپذير است. علت تشكيل اين نواحي، شيب تركيب شيميايي موضعي است. كاهش سختي مارتنزيت IMZ و در نتيجه كاهش حساسيت به SSC به كمك PWHT امكان­پذير بوده، اما بدليل تنوع زياد تركيب شيميايي اجزا در اين ناحيه، مشكل و دماي PWHT لازم بالاتر از دماي PWHT فولادهاي كربني است[13]. در ضمن هنگام استفاده از فيلر E309L عمليات حرارتي پس از جوشكاري باعث تشديد نفوذ كربن از فولاد­كربني به فلز جوش زنگ­ نزن آستنيتي خواهد شد[5،4].

مطالعات نشان داده است كه استفاده از فلز پركننده پايه نيكل مي تواند جايگزين مناسبي براي فلز پر كننده E309L متداول باشد[14،13،11،10]. بررسي­هاي آزمايشگاهي نشان داده­اند كه فلزات پركننده پايه نيكل نظير Inco182 سختي قابل قبولي براي ناحيه جوش ايجاد مي­ كند[13]. فلزات پر كننده پايه نيكل به علت كمتر بودن حد حلاليت كربن در آنها، مشكل مهاجرت كربن اشاره شده هنگام استفاده از فلزات پركننده آستنيتي را ندارند[15،5،4].

ناحيه IMZ يا PMZ هنگام استفاده از پركننده Inco182 همچنان وجود دارد. اما ميزان و سختي اين ناحيه به كمك اعمال شرايط بهينه پيشگرم، به ميزان قابل توجهي كاهش مي يابد[12،14،22]. اين پديده مي­ تواند به علت كاهش نفوذ كربن از فولاد كربني به ناحيه جوش و كمتر بودن مقدار كرم آن (پايه نيكل با 15درصد وزني كرم) نسبت به E309L (آستنيت با 24 درصد وزني كرم) باشد[10].

4- جمع بندي ونتايج(Conclusions)

از مطالعه منابع و مقالات، اين نتيجه حاصل شد كه جوش ميان فولاد­هاي كربني و كم آلياژ بدليل خصوصيات ريز ساختاري خاص نظير تشكيل مارتنزيت با سختي بالا در فصل مشترك جوش با فولاد فريتي، در محيط هاي ترش به SSC حساس است. بدليل سختي بالاي فصل مشترك جوش با فولاد كربني و درنتيجه حساسيت به SSC همچنين احتمال مهاجرت كربن از فلز پايه فولاد كربني به منطقه جوش و تضعيف فلز پايه فولاد ساده ­كربني، احتمال ترك خوردن آن از محل فصل مشترك جوش با فولاد فريتي در محيط­هاي ترش وجود دارد.

در منابع و مقالات مختلف عنوان شده است كه استفاده از فلز پركننده پايه نيكل نظير Inco182 بجاي استفاده از فيلر متداول آستنيتي E309L، براي جوشكاري فولاد زنگ نزن آستنيتي به فولاد­كربني يا كم­آلياژ فريتي مناسب­تر است. اين قضيه به علت كاهش چشمگير ضخامت لايه مارتنزيت و افزايش مقاومت به SSC و عمر سرويس جوش در محيط­هاي ترش مي­ باشد.

7- منابع و مآخذ(References)

[1]. DuPont.J., "Avoiding Dissimilar Metal Weld Failures With Graded Transition Joints"., Lehigh Energy Update., Vol.25., No.1., January 2007.

[2]. ASM Handbook., Vol.11., 9žth Edition., "Failure Analysis and Prevention"., 1992.

[3]. Craig.B.D., Setterlund.R.B., "Catastrophic SSC Failure of a Dissimilar Metal Weld in a High Pressure Hydrogen Vessel"., Metallurgical Consultants, INC.

[4]. Welding Handbook., 7žth Edition., Vol.4., "Metals and their Weldability"., 1982.

[5]. ASM Handbook., Vol.6., "Welding, Brazing and Soldering"., 1993

[6]. Fontana. M.G., "Corrosion Engineering"., 3žth Edition., 1987.

[7]. NACE MR-01-75., "Sulfide Stress Resistant Metallic Materials for Oilfield Equipment"., 2001.

[8]. EN ISO 15156., "Petroleum and natural gas industries- Materials for use in H₂S -containing environments in oil and gas production- Part 1: General Principles for selection of cracking- resistant materials"., 2001., Part 2: Cracking resistant carbon and low alloy steels and the use of cast irons., 2003.

[9]. Doody.T., "Intermediate Mixed Zones in Dissimilar Metal Welds for Sour Service"., Welding Journal., Vol.71., No.3., pp.55-60., 1992.

[10]. Fallatah.G.M., Sheikh.A.K., Zafarullah Khan., Boah.J.K., "Reliability of Dissimilar Metal Welds Subjected to Sulfide Stress Cracking"., The 6žth Saudi Engineering Conference, KFUMP, Dhahran, December 2002.

[11]. Rowe.M.D., Nelson.T.W., Lippold.J.C., "Hydrogen Induced Cracking along the Fusion Boundary of Dissimilar Metal Welds"., Welding Research Suppliment., February 1999.

[12]. Omar.A.A., "Effects of Welding Parameters on Hard Zone Formation at Dissimilar Metal Welds"., Welding Journal., Vol.77., No.2., pp.86-93., 1998.

[13]. Blanger.R., Langenecker.F., "Challenges of P1 to P8 Welding in Sour Environments"., Banff Pressure Industry Conference., February 7-9 banff Alberta.

[14]. DuPONT.J.N., KUSKO.C.S., "Technical Note: Martensite Formation in Austenitic/Ferritic Dissimilar Alloy Welds"., Welding Journal., February 2007.

[15]. Sireesha.M., Shankar.V., Albert.K., Sundaresan.S., "Microstructural Features of Dissimilar Welds between 316LN Austenitic Stainless steel and alloy 800"., Material Science & Engineering., A292.,

pp.74-82., 2000.