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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schweißverfahren
für Schweißverbindungen
in hochfesten, hitzbeständigen
Stählen
vom Ferrit-Typ. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Mehrlagen-Aufbauschweißung (multi-pass
buildup welding) für
hochfeste, hitzebeständige
Stähle
vom Ferrit-Typ, welche eine Hochtemperaturbeständigkeit der Schweißverbindungen
verbessert (siehe Anspruch 1).
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Beschreibung des Standes der Technik
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In
jüngster
Zeit hat ein verbesserter Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Elektrizität in Wärmekraftwerken
die Temperaturen und Drücke
zur Dampferzeugung erhöht,
was wiederum die Anwendung von hochfesten, hitzebeständigen Stählen zugenommen
hat. Unter solchen hochfesten, hitzebeständigen Stählen von hoher Wirtschaftlichkeit
und hohen Wärmedehnungskoeffizienten
sind die in jüngster
Zeit entwickelten hochfesten hitzebeständigen Stähle vom Ferrit-Typ, die auf getemperten
Martensit-Verbindungen basieren, eingesetzt worden.
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Insbesondere
haben die hochfesten, hitzebeständigen
Stähle
vom Ferrit-Typ niedrige Wärmedehnungskoeffizienten,
die bei Austenit-Stählen
nicht anzutreffen sind, und weisen zusätzliche Beständigkeit
auf, wie z. B. eine hohe Druckfestigkeit, einen hohen Belastungswiderstand
und Korrosionsbeständigkeit
sowie Beständigkeit
gegenüber
einem Loslösen
ihrer Oxidschicht. Diese Vorteile sind bei Austenit-Stählen nicht
anzutreffen, und ihr niedriger Legierungsgehalt macht sie auch vom
Gesichtspunkt der Ressourcen her wirtschaftlich.
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Eine
große
Anzahl von Ferritstählen
mit hohem Chromgehalt wurden dann zur Anwendung in hitzebeständigen Materialien,
wie z. B. in Heizkesseln und in wärmeleitenden Stahlrohren, entwickelt;
diese Stähle nutzten
den Vorteil der inhärenten
Festigkeiten herkömmlicher
hitzebeständiger
Stähle
vom Ferrit-Typ, während
sie weitere Verbesserungen hinsichtlich einer hohen Temperaturbeständigkeit,
einer Korrosionsfestigkeit und einer Beständigkeit gegenüber Dampfkorrosion
boten.
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Die
japanische Patentveröffentlichung
Hei 3-97832 und die
japanische
Patentveröffentlichung
Hei 5-311345 offenbaren beispielsweise eine Technologie
von außergewöhnlichen
Stählen,
die eine angemessene Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Beständigkeit
gegenüber
Dampfkorrosion auch bei Hochtemperaturumgebungen von 600°C und darüber beibehalten.
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Die
oben offenbarten Stähle
und die herkömmlichen
Ferrit-Stähle
mit hohem Chromgehalt wurden jedoch nach wie vor von einem einzigen
ungelösten
Problem heimgesucht, das heißt,
der "Hochtemperaturbeständigkeit
von Schweißverbindungen". Obwohl die
japanische Patentveröffentlichung
Hei 9-13150 einen Ferrit-Stahl mit hohem Chromgehalt und
mit ausgezeichneten Kriecheigenschaften seiner Schweißverbindungen offenbarte,
blieb für
andere, allgemein eingesetzte Stähle
das Problem der Hochtemperaturbeständigkeit bei Schweißverbindungen,
das durch die die Schweißungshitze
verursacht wurde, welche strukturelle Änderungen in dem von der Hitze
beeinträchtigten
Bereich der Schweißverbindung
induzierte, ungelöst.
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Der
vorgenannte, von der Hitze beeinflusste Bereich ist der Bereich
der Schweißverbindung,
an dem ein Hitzeeinfluss während
des Schweißvorgangs
strukturelle Änderungen
bewirkt, und diese strukturellen Änderungen werden durch die
maximale von der Schweiß-Heizquelle
erzeugte Heiztemperatur und die Abkühlungsrate zwischen dem Basismetall
und dem Schweißnaht-Füllmetall von aufeinanderfolgenden
Temperaturänderungen
von einer hohen Temperatur unmittelbar unter ihrem Schmelzpunkt
zu niedrigen Temperaturen bestimmt. Nach einer raschen Erhitzung
verursacht die anschließende
rasche Abkühlung
eine Umwandlung, eine Ablagerung, eine Rückbildung, eine Rekristallisation,
ein Kristallwachstum, einen Glühvorgang,
einen Härtungsvorgang
oder andere metallurgische Änderungen.
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Da
ferner die Schweißungshitzequelle
ein Erhitzen auf hohe Temperaturen und dann ein rasches Abkühlen bewirkt,
unterscheidet sich die Struktur des Basismetalls in dem von der
Schweißungshitze
beeinflussten Bereich von der ursprünglichen Struktur des Basismetalls.
Im Fall von hochfesten Ferritstählen
ist dies eine der Ursachen einer Schwächung der Hochtemperatur-Beständigkeitseigenschaften
in der Schweißverbindung einschließlich dem
vorgenannten, von der Hitze beeinflussten Bereich.
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6(A) zeigt eine Schweißverbindung und die Nut für eine Schweißverbindung,
die an dem vorgenannten Basismetall aus Stahl mit hoher Festigkeit
und hoher Hitzebeständigkeit
mittels herkömmlicher Schweißtechniken
hergestellt wurde; 6(B) zeigt den Zeitbruch bzw.
Kriechbruch-Festigkeitsstatus
(creep rupture status).
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Wie
in 6(A) gezeigt ist, wurde eine
Schweißverbindung 55 in
einer Nut 51 mit einem Grund 52 unter Anwendung
von Mehrlagenschichten gebildet.
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Ein
Sprödbruchbereich 54 für die Schweißverbindung
mit der oben beschriebenen Struktur gemäß 6(B) liegt
innerhalb des von der Hitze beeinflussten Bereichs 53.
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Die
Festigkeitseigenschaften zwischen dem Basismetall 10 und
der Schweißverbindung 55 für den vorstehenden
herkömmlichen
Fall sind in 7 dargestellt. Wie in der Figur
gezeigt ist, verändern
sich die Eigenschaften entsprechend der Zeit und der Temperatur.
Im Stand der Technik waren Verringerungen der Kriechbruchbelastung
von 10 bis 15% in Bezug auf die Belastung des Basismetalls zu beobachten.
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8 ist
ein Strukturdiagramm zur Darstellung des in der
japanischen Patentveröffentlichung Hei 7-9147 offenbarten
Schweißverfahrens,
das als repräsentativ
für den
nächstliegenden
Stand der Technik anzusehen ist, um eine Brüchigkeit in dem von der Hitze
beeinflussten Bereich von hochreinen, rostfreien Ferritstählen zu
verhindern. Bei diesem Vorschlag wird eine Mehrlagen-Aufbauschweißung durch
abgedecktes Bogenschweißen
durchgeführt,
und das Schweißnaht- Füllmetall wird an der Endschicht
aufgebaut und dann die Basismetallfläche in dem von der Hitze beeinflussten
Bereich mittels eines Durchgangs von einem TIG-Bogen geschmolzen.
Der TIG-Bogen, der keinen Fluss erfordert, um Oxide in dem vorgenannten,
von der Hitze beeinflussten Bereich zu entfernen, verhindert eine
Brüchigkeit
in dem von der Hitze beeinflussten Bereich.
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Da
nach obiger Beschreibung eine strukturelle Veränderung unweigerlich in dem
oben genannten von der Hitze beeinflussten Bereich im Basismetall
stattfindet, wenn das Schweißnaht-Füllmetall
zur Herstellung einer Schweißverbindung
verwendet wird, was im Vergleich zum Basismetall die Hochtemperaturbeständigkeit der
gesamten Schweißverbindung
bewirkt, wie es in den vorangehenden Figuren beschrieben wurde,
wird eine Belastungsverringerung von etwa 10 bis 15% erreicht. Obwohl
ein Großteil
der Forschung dem Mechanismus für
diese Verringerung gewidmet wurde sowie der Verbesserung der Basismetallkomponente,
bleibt das Problem ungelöst.
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Wenn
demgemäß hochfeste,
hitzebeständige
Stähle
mit den vorgenannten hochfesten, hitzebeständigen Ferritstählen zur
Herstellung einer Hochtemperaturanlage benutzt werden, muss die
Gesamtgestaltung für
die Rohrleitung und die Stahlplatte etwa 10% dicker sein, um die
Abnahme der Hochtemperaturbeständigkeit
der Schweißverbindungen
zu kompensieren.
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Demgemäß ergeben
sich enorme Verluste aus der Materialmenge, die eingesetzt werden
muss, und die Wirtschaftlichkeit geht dabei verloren. Ferner sind
Vorfälle
eines Bruchs in dem vorstehenden, von der Wärme beeinflussten Bereich der
Schweißverbindungen
berichtet worden, und da ein Bruch einer solchen Hochtemperatur-Hochdruckanlage
lebensbedrohende Unfälle
verursachen kann, muss das Problem dringend gelöst werden.
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US-A-4049186 beschreibt
einen Prozess zum Verringern einer Belastungskorrosion in einer
Schweißverbindung
durch Anwenden einer Überlagerungsschweißung. Bei
diesem Prozess wird eine Sekundär-Schweißung, welche
eine Primär-Schweißzone einer
Schweißverbindung
eines geschweißten
Rohrs überbrückt, an
der Außenseite
des Rohrs aufgebracht. Die Sekundär-Schweißverbindung erstreckt sich
wesentlich über
die Krone der Primär-Schweißzone hinaus,
so dass sich der Bereich niedriger Belastung erheblich über die
Enden der durch Hitze beeinflussten Zone an der Rohroberfläche erstreckt.
Der Prozess dieses Standes der Technik bezieht sich auf rostfreie
Stahlrohre in Atomreaktoren.
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JP 6335769 A offenbart
eine Schweißverbindung
für eine
Trommel mit elektroabgelagerter Frontplatte für die Herstellung einer Titanschaufel,
die eine Mehrschichtschweißung
von zwei oder mehreren Schichten aufweist, die von der Außenseite
einer Trommel durchgeführt
werden, um eine V-förmige
Nut bzw. Rille zu füllen,
und zusätzlichen
Verkleidungen, die durch Schweißen
auf beiden Seiten eines rückwärtigen Wulstes
der von der Innenseite der Trommel durchgeführten Mehrschicht-Schweißverbindung
gebildet sind. Die durch die Schweißverbindung gebildeten Verkleidungen
sind kontinuierlich zueinander und zu der Mehrschichtschweißung in
der Nut.
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US-A-4624402 offenbart
ein Verfahren zum Aufbringen einer Überlappungsschweißung zum
Verhindern und Steuern einer Rissbildung durch Belastungskorrosion
in einer geschweißten
Rohrverbindung, die in einem Atomreaktor in Betrieb ist. Die Schweißverbindung
umfasst eine über
der Rohrverbindungs-Primär-Schweißzone in
mehreren Schichten übereinander
aufgebrachte Überlappungsschweißung. Die
Länge der Überlappungsschweißung sollte
etwa das Zweifache der Quadratwurzel des Produkts des Radius des Rohrs
und der Dicke des Rohrs betragen, so dass die Überlappungsschweißung sich
erheblich über
den von Hitze beeinflussten Bereich der Primär-Schweißzone hinaus erstreckt.
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Abriss der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Probleme
durch Bereitstellen eines Schweißverfahrens und einer daraus
entstehenden Schweißverbindung
für hochfeste,
temperaturbeständige
Ferritstähle,
welche dieselbe Festigkeit wie das Basismetall in der Schweißverbindung
erbringt, zu lösen, wodurch
die Festigkeitsprobleme in dem von Hitze beeinflussten Bereich der
herkömmlichen
Schweißverbindung
gelöst
werden, indem das Schweißverfahren
auf einfache Weise geändert
wird.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schweißverfahren
gemäß Anspruch
1 für eine
Schweißverbindung
für hochfeste,
hitzebeständige
Ferritstähle,
wobei bei Schweißverbindungen
in hochfesten, wärmebeständigen Stählen die
Schweißnut
mittels eines Mehrpass-Aufbauschweißverfahrens gefüllt wird
und anschließend
eine mehrschichtige Schweißkappe über der
Schweißseite
gebildet wird, welche zumindest einen Teil des von Hitze beeinflussten
Bereichs schmilzt, wobei der Schmelzbereich an dem vorgenannten,
von Hitze beeinflussten Bereich durch Verschieben der Schweißlinie von
dem Sockel der Nut und Erstreckenlassen über den gesamten Bereich der
von Hitze beeinflussten Zone auf der Oberfläche des Basismetalls gebildet
wird, um eine mehrschichtige Schweißkappe zu bilden, welche den
Erstreckungsbereich bedeckt, wobei der Oberflächenbereich der vorgenannten
Erstreckung, der erforderlich ist, um dasselbe Niveau an Kriechfestigkeit
zu verleihen, wie es dem Basismetall inhärent ist, auf der Beziehung
zwischen der Nutbreite und der Basismetalldicke beruht (siehe der
schraffierte Bereich von 1(B)).
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Das
heißt,
nach Abschluss der Mehrpass-Aufbauschweißung der Nut erfordert die
oben beschriebene Erfindung vor der Ausbildung des überschüssigen Metalls über der
Schweißverbindung,
bei der sich die Schweißlinie
von dem Boden der Nut über
den gesamten Bereich der von Hitze beeinflussten Zone des Basismetalls
erstreckt, um allmählich
den Fusionsbereich über
die vorgenannte, von Hitze beeinflusste Zone zu erstrecken und einen
Mehrpass-Aufbau auf dieser Oberfläche zu bilden, um die obere
Schweißkappe
des Basismetalls als Mittel zum Kompensieren der Festigkeit zu bilden,
die normalerweise in dem verwendeten Schweißmetall auftreten würde, ist
es möglich,
eine Hochtemperatur-Verbindungsfestigkeit
zu erreichen, welche der inhärenten
Festigkeit des Basismetalls gleichkommt.
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Außerdem absorbiert
beim Bilden der oberen mehrschichtigen Schweißkappe durch die Erweiterung des
Schmelzbereichs der Mehrfachaufbau allmählich die Restbelastung der
von Hitze beeinflussten Zone auf der Oberfläche des Basismetalls.
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Da
eine Restbelastung in der von Hitze beeinflussten Zone der Oberfläche des
Basismetalls in dem Bereich der mehrschichtigen Kappe durch die
vorgenannte Erweiterung der Fusion erfolgreich ausgeglichen wird,
kompensiert dies somit die Abnahme der Hochtemperaturbeständigkeit,
die sich aus den strukturellen Änderungen,
induziert durch die Hitze des Schweißvorgangs, ergeben hätte.
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Da
eine Kompensation, wie sie oben beschrieben wurde, hinsichtlich
der Abnahme der Hochtemperaturbeständigkeit erfolgt, die sich
in der von Hitze beeinflussten Zone durch die Hitze des Schweißvorgangs
ergeben hätte,
wodurch es möglich
wird, dass die Schweißverbindung
die gleiche Hochtemperaturbeständigkeit wie
das Basismetall behält,
kann die vorliegende Erfindung auch als Schweißverbindungsverfahren für Hochtemperatur-Hochfestigkeitsstähle vorgeschlagen
werden.
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Das
heißt,
diese Erfindung ist ein Schweißverfahren
für Schweißverbindungen,
bei denen nach Abschluss des Schweißens der Schweißnut durch
Mehrpass-Aufbauschweißen
das Mehrpass-Aufbauschweißverfahren
dazu verwendet wird, eine Überschußschweißung über mindestens
einem Teil des von Hitze beeinflussten Bereichs abzulagern, umfassend
das
Bilden eines Schmelzbereichs in dem vorgenannten, von der Hitze
beeinflussten Bereich durch Beginnen einer Schweißbahn am
Ansatz der Nut und vor dem Ausbilden von Überschussmetall auf der Schweißverbindung,
ein anschließendes
Erstreckenlassen der Schweißbahn über den
gesamten Bereich der von Hitze beeinflussten Zone auf der Oberfläche des
Basismetalls mittels eines Mehrpass-Aufbaus über dem Erstreckungsbereich,
wobei der gleiche Pegel einer Kriechfestigkeit, wie er dem Basismetall
inhärent
ist, mittels einer Berechnungskarte erreicht werden kann, die auf
der Beziehung zwischen der Nutbreite und der Dicke des Basismetalls
beruht, um den Oberflächenbereich
für die
vorgenannte Schmelz(zonen)erweiterung zu bestimmen.
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Da
die oben beschriebene Erfindung ein Schweißverfahren für Schweißverbindungen
bei den hochfesten, hitzebeständigen
Ferritstählen
bereitstellt, die in Hochtemperaturanlagen verwendet werden, ist
es nach wie vor möglich,
Verluste aus einem Bruch der Hochtemperatur-Hochdruck-Anlage zu
verringern, ohne auf eine Ausgestaltung mit etwa 10% mehr Wanddicke
für Rohre
und Platten zurückgreifen
zu müssen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1(A) ein Diagramm zur Darstellung der Nutform
der von Hitze beeinflussten Zone und der Form des Mehrpass-Aufbaus eines Schweiß-Füllmaterials,
wenn das Schweißverfahren
dieser Erfindung angewandt wird,
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1(B) eine graphische Darstellung der Beziehungen
unter den bekannten Werten von t (Basismetalldicke) und X (Nutenbreite)
sowie der unbekannten Werte von h (der Dicke des geschichteten Bereichs)
und W (der Breite des geschichteten Bereichs),
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2 eine
schematische Darstellung des Prozesses der Mehrschicht-Kappenbildung
mit einer Überschussschweißung, die
nach Mehrschichtaufbaufüllung
der Nut für
die Schweißverbindung 15 von 1 durchgeführt wird,
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3(A) eine schematische Darstellung einer Ausführungsform,
die sich aus der Anwendung des Schweißverfahrens dieser Erfindung
ergibt, wobei ein Mehrlagenaufbau in der im Basismetall mit einer
Dicke t gebildeten Schweißverbindung
sowie die Form der mehrschichtigen Kappe 15 mit einer Höhe h und
Breite W gezeigt ist,
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3(B) eine schematische Darstellung der Details
der Nut 11, die in dem Basismetall für die in 3(A) gezeigte Ausführungsform ausgebildet wurde,
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4(A) eine schematische Darstellung eines Zerstörungstests
bei der in der vorigen 3 gezeigten
Ausführungsform,
und
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4(B) eine graphische Darstellung der Belastungswiderstandseigenschaften,
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5 eine
schematische Darstellung des groben Aufbaus der Kriechbruchtestproben,
die in den Kriechbruchtests benutzt werden, welche zur Auswertung
des Hochtemperatur-Brüchigkeitsbruchstatus
für Schweißverbindungen
gemäß dem Verfahren
dieser Erfindung benutzt wurden,
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6(A) eine schematische Darstellung einer Schweißverbindung
gemäß einem
Stand der Technik, und
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6(B) eine schematische Darstellung des Kriechbruchstatus,
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7 eine
graphische Darstellung der Belastungswiderstandseigenschaften gemäß einem
Stand der Technik,
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8 ein
Aufbaudiagramm zur Darstellung des Schweißverfahrens gemäß einem
Stand der Technik zur Verhinderung von Brüchigkeit in dem von Hitze beeinflussten
Bereich einer Schweißverbindung.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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In
diesem Abschnitt werden mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Immer wenn die Größe, die
Materialien, die Formen, die Relativpositionen und andere Aspekte
der in den Ausführungsformen
beschriebenen Teile nicht klar definiert sind, ist der Schutzumfang
der Erfindung nicht nur auf die gezeigten Teile beschränkt, die
lediglich der Veranschaulichung dienen.
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1(A) ist ein Diagramm zur Darstellung der Nutform,
des von Hitze beeinflussten Bereichs und der Form des mehrlagigen
Aufbaus des Schweißfüllmaterials,
wenn das Schweißverfahren
dieser Erfindung verwendet wird; 1(B) ist
eine graphische Darstellung, die der Berechnungskarte dieser Erfindung
der Beziehungen zwischen den bekannten Werten von t (Basismetalldicke)
und X (Nutenbreite) sowie der unbekannten Werte von h (Dicke des
geschichteten Bereichs) und W (Breite des geschichteten Bereichs)
von 4(A) zeigen.
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Wie
in 1(A) dargestellt ist, besteht
die Schweißverbindung 15 dieser
Erfindung, die im Basismetall 10 mit einer Dicke t ausgebildet
ist, aus einer "I"-förmigen Nut 11 mit
einer Breite X und einem Ansatz 12; einem Schweißfüllmetallbereich 14 in
dem Basismetall, der durch Mehrlagen-Aufbauschweißen in der
Nut 11 mit einer Schweißbahn 14a gebildet
wird, und einer mehrschichtigen Kappe 15a des Schweißfüllmetalls
mit einer Dicke h.
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Wie
durch 1(A) gezeigt ist, erstreckt
sich der Schmelzbereich der mehrschichtigen Kappe 15a entlang
dem von Hitze beeinflussten Bereich 13a, der außerhalb
der Nut 11 liegt (dargestellt durch die nach rechts ansteigende
Schraffierung), und entlang dem von Hitze beeinflussten Bereich 13b (dargestellt
durch die nach rechts absteigende Schraffierung).
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Mit
anderen Worten wird beim Bilden der Schweißverbindung 15 im
Basismetall 10 mit einer Dicke t eine erste "I"-förmige
Nut 11 mit einem Ansatz 12 und einer Breite X
gebildet. Als nächstes
wird die Berechnungskarte, die 1(B) gezeigt
ist, mit den vorgenannten bekannten Werten für t und X angewandt, um so die
Höhe h
für die
mehrschichtige Kappe [(W – X)/2]
zu bestimmen, und dann wird die Breite T des von Hitze beeinflussten
Bereichs 13a dazu benutzt, aus dem Graphen einen optimalen
Gestaltungswert für
W, die Breite der vorgenannten mehrschichtigen oberen Kappe 15a,
zu bestimmen.
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Die
in 1(A) gezeigte Schnittansicht
ist auf das Basismetall in der Form eines flachen Stahlblechs oder
eines dickwandigen Stahlrohrs anwendbar.
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Der
Schraffierungsbereich in 1(B) stellt
den Bereich dar, in dem die Kriechfestigkeit äquivalent zu der des Basismetalls
ist, während
der Bereich unter der Kurve der Bereich ist, in dem die Kriechfestigkeit
niedriger ist als die des Basismetalls.
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Somit
kommt es bei der Dicke der Erstreckung der vorgenannten geschichteten
Kappe 15a über
dem von Hitze beeinflussten Bereich, wenn sie als Wert W abgeleitet
ist, was die Breite des von Hitze beeinflussten Bereichs A ist,
mit einer Dicke T aus dem Graphen (der Berechnungskarte), zu keinem
Hochtemperatur-Kriechbruch in der Schweißverbindung, sondern eher im
Basismetall.
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2 zeigt
den Vorgang der Mehrschicht-Kappenbildung mit Überschussschweißung, die
nach der Mehrschicht-Aufbaufüllung der
Nut für
die Schweißverbindung 15 der 1 durchgeführt wird.
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Wie
in der Figur dargestellt ist, wird die Mehrlagen-Aufbauschweißung an der Schmelzlinie 14b bis zum
Ansatz der Nut 11 durchgeführt, und dann nach der Ausbildung
der Überschussschweißung 15b,
um mindestens über
einen Teil des von Hitze beeinflussten Bereichs 13a einen
Schmelzvorgang zu bewirken,
der Schmelzbereich des vorgenannten
von Hitze beeinflussten Bereichs 13a wird mindestens bis
zur Breite T' erweitert,
die geringfügig
breiter ist als T, über
den von Hitze beeinflussten Bereich 13a auf der Oberfläche des Basismetalls,
wobei die Linie von 14a nach 14b bearbeitet wird,
wonach die mehrschichtige Kappe 15a über dem Erstreckungsbereich
auf der Oberfläche
des Basismetalls auf einer Breite W ausgebildet wird.
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Da
die mehrschichtige Kappe, die durch Erweitern des vorgenannten Schmelzbereichs
durch Bewegen der Schweißbahn
von 14a nach 14b eine allmähliche Absorption der Restbelastungen
in dem vorgenannten von Wärme
beeinflussten Bereich 13 auf der Oberfläche des Basismetalls durch
die Erweiterung des vorgenannten Schmelzbereichs bewirkt, ist das
Verfahren bei der Kompensation des Verlusts einer Hochtemperaturbeständigkeit
wirksam, der ansonsten beim Auftreten von Schweißhitze in der von Hitze beeinflussten Zone
auftreten würde.
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3(A) zeigt eine Ausführungsform, die sich aus der
Anwendung des Schweißverfahrens
dieser Erfindung gemäß 1 ergibt. Sie zeigt einen Mehrlagenaufbau 16 in
der im Basismetall gebildeten Schweißverbindung mit einer Dicke
t sowie die Form einer mehrschichtigen Kappe 15a mit einer
Höhe h
und einer Breite W.
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3(B) zeigt die Details der Nut 11, die
im Basismetall 10 für
die in 3(A) gezeigte Ausführungsform
gebildet wurde.
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Wie
oben beschrieben wurde, wurde die vorgenannte Nut 11 im
Basismetall 10 mit einer Dicke t zusammen mit dem Fuß 12 mit
einer Breite S ausgebildet, um eine "I"-förmige Nut
mit einem auf einen Radius D abgerundeten Boden zu erzeugen.
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Wie
in Tabelle 1 aufgeführt
ist, und gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist, war das Material in dem vorgenannten Beispiel ein
aus hochfestem, hitzebeständigem Ferritstahl
hergestelltes dickwandiges Rohr großen Durchmessers. Die Schweißverbindung
wird in einer inerten Atmosphäre
durch Erzeugen eines Bogens zwischen den Elektroden und dem Basismetall
hergestellt. Bei diesem Schritt wird eine sogenannte TIG-Schweißung angewandt,
bei der ein Schweißdraht
eines Schweißmittels
in den Bogen eingeführt
wird, um die Oxidmembran zu entfernen und eine Mehrschichtschweißung für 40 Schweißschichten
vorgenommen wird. Tabelle 1
| Basismetall | im
Handel erhältliches
ASME SA – 335
P91 dickwandiges Rohr mit großem
Durchmesser (Durchmesser 350 × Dicke
50) |
| Schweißmaterialien | im
Handel erhältlicher
verbesserter 9CR Kupfer TIG-Schweißdraht (Durchmesser 1,2 mm) |
| Schweißbedingungen:
Vorheiztemperatur 150 Grad C |
| Schweißstrom:
90–300A |
| Schweißspannung:
9–14V |
| Schweißrate: 60
mm/Minute |
| Anzahl
von Schichten: 40 Schichten |
| Wärmebehandlung | SR-Glühen zur
Belastungsminderung nach Schweißen
für 2 Std.
bei 750 Grad C |
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4(A) zeigt die Ergebnisse eines Bruchtests bei
der in der vorhergehenden 3 gezeigten
Ausführungsform.
Im Vergleich zu der vorher genannten herkömmlichen Schweißverbindung
gemäß 6(B), bei der die Bruchposition in einem Kriechbruchbereich 54 der
Schweißverbindung
und nahe dem von Hitze beeinflussten Bereich lag, zeigten die gemäß den Schweißverfahren
der vorliegenden Erfindung geschweißten Verbindungen einen Bruch 20 im
Basismetall 10, wodurch aufgezeigt wurde, dass die Verbindung
eine gleiche oder größere Festigkeit
als die des Basismetalls aufwies.
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Ferner
war, wie aus dem Hochtemperatur-Kriechbrucheigenschafts-Graphen
in 4(B) hervorgeht, die Festigkeit
der Schweißverbindung 15 gemäß dieser
Erfindung fast identisch zu der des Basismetalls 10, und
es wurde keine Belastungsminderung um 10 bis 15%, wie in der vorgenannten 6 für
eine herkömmliche
Schweißverbindung
dargestellt wurde, festgestellt. Diese Ergebnisse deuteten darauf
hin, dass Schweißverbindungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung etwa den gleichen Pegel einer Hochtemperaturbeständigkeit beibehalten
wie das Basismetall.
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Dies
bedeutet, dass im Vergleich zu einer mit herkömmlichen Schweißtechniken
geschweißten
Hochtemperaturanlage das vorliegende Verfahren eine Verringerung
der Rohrwanddicke von 10 bis 15% ermöglicht, und etwa den gleichen
Pegel einer Verringerung der zur Herstellung verwendeten Materialmenge.
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5 zeigt
die Dimensionen der Kriechbruch-Testprobestücke, die
bei den Kriechbruchtests eingesetzt wurden, und die dazu verwendet
wurden, den Hochtemperatur-Brüchigkeitsbruchstatus
für Schweißverbindungen
gemäß den Verfahren
dieser Erfindung einzuschätzen.
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Tabelle
2 zeigt die Ergebnisse der Kriechbruchtests für Schweißverbindungen, wenn konstante
Dimensionen für
das 50 mm dicke Basismetall und X = 15 mm für die Breite der Nut benutzt
wurden, während die
Dimensionen h und W für
den mehrlagigen Aufbau variierten. Tabelle 2
| Basismetall
Nummer | t | h | w | x | h/t | (w – x)/2 | Zeit
(Stunden) bei Kriechbruch bei 650°C × 100 MPa | Ergebnis des
Kriechbruchs |
| | 50 | - | - | - | - | - | 1012 | x |
| 1 | 50 | 0 | 15 | 15 | 0,00 | 0 | 176 | x |
| 2 | 50 | 2 | 15 | 15 | 0,04 | 0 | 216 | x |
| 3 | 50 | 4 | 15 | 15 | 0,08 | 0 | 214 | x |
| 4 | 50 | 6 | 15 | 15 | 0,12 | 0 | 242 | x |
| 5 | 50 | 8 | 15 | 15 | 0,16 | 0 | 185 | x |
| 6 | 50 | 10 | 15 | 15 | 0,20 | 0 | 104 | x |
| 7 | 50 | 12 | 15 | 15 | 0,24 | 0 | 134 | x |
| 8 | 50 | 14 | 15 | 15 | 0,28 | 0 | 135 | x |
| 9 | 50 | 0 | 17 | 15 | 0,00 | 1 | 219 | x |
| 10 | 50 | 2 | 17 | 15 | 0,04 | 1 | 236 | x |
| 11 | 50 | 4 | 17 | 15 | 0,08 | 1 | 126 | x |
| 12 | 50 | 6 | 17 | 15 | 0,12 | 1 | 151 | x |
| 13 | 50 | 8 | 17 | 15 | 0,16 | 1 | 235 | x |
| 14 | 50 | 10 | 17 | 15 | 0,20 | 1 | 107 | x |
| 15 | 50 | 12 | 17 | 15 | 0,24 | 1 | 161 | x |
| 16 | 50 | 14 | 17 | 15 | 0,28 | 1 | 111 | x |
| 17 | 50 | 0 | 19 | 15 | 0,00 | 2 | 210 | x |
| 18 | 50 | 2 | 19 | 15 | 0,04 | 2 | 160 | x |
| 19 | 50 | 4 | 19 | 15 | 0,08 | 2 | 134 | x |
| 20 | 50 | 6 | 19 | 15 | 0,12 | 2 | 121 | x |
| 21 | 50 | 8 | 19 | 15 | 0,16 | 2 | 167 | x |
| 22 | 50 | 10 | 19 | 15 | 0,20 | 2 | 213 | x |
| 23 | 50 | 12 | 19 | 15 | 0,24 | 2 | 113 | x |
| 24 | 50 | 14 | 19 | 15 | 0,28 | 2 | 224 | x |
| 25 | 50 | 0 | 21 | 15 | 0,00 | 3 | 217 | x |
| 26 | 50 | 2 | 21 | 15 | 0,04 | 3 | 121 | x |
| 27 | 50 | 4 | 21 | 15 | 0,08 | 3 | 160 | x |
| 28 | 50 | 6 | 21 | 15 | 0,12 | 3 | 249 | x |
| 29 | 50 | 8 | 21 | 15 | 0,16 | 3 | 121 | x |
| 30 | 50 | 10 | 21 | 15 | 0,20 | 3 | 243 | x |
| 31 | 50 | 12 | 21 | 15 | 0,24 | 3 | 135 | x |
| 32 | 50 | 14 | 21 | 15 | 0,28 | 3 | 213 | x |
| 33 | 50 | 0 | 23 | 15 | 0,00 | 4 | 177 | x |
| 34 | 50 | 2 | 23 | 15 | 0,04 | 4 | 225 | x |
| 35 | 50 | 4 | 23 | 15 | 0,08 | 4 | 165 | x |
| 36 | 50 | 6 | 23 | 15 | 0,12 | 4 | 198 | x |
| 37 | 50 | 8 | 23 | 15 | 0,16 | 4 | 247 | x |
| 38 | 50 | 10 | 23 | 15 | 0,20 | 4 | 880 | x |
| 39 | 50 | 12 | 23 | 15 | 0,24 | 4 | 1079 | O |
| 40 | 50 | 14 | 23 | 15 | 0,28 | 4 | 1111 | O |
| 41 | 50 | 0 | 25 | 15 | 0,00 | 5 | 220 | x |
| 42 | 50 | 2 | 25 | 15 | 0,04 | 5 | 219 | x |
| 43 | 50 | 4 | 25 | 15 | 0,08 | 5 | 560 | x |
| 44 | 50 | 6 | 25 | 15 | 0,12 | 5 | 735 | x |
| 45 | 50 | 8 | 25 | 15 | 0,16 | 5 | 1034 | O |
| 46 | 50 | 10 | 25 | 15 | 0,20 | 5 | 1142 | O |
| 47 | 50 | 12 | 25 | 15 | 0,24 | 5 | 1045 | O |
| 48 | 50 | 14 | 25 | 15 | 0,28 | 5 | 1125 | O |
| 49 | 50 | 0 | 27 | 15 | 0,00 | 6 | 235 | x |
| 50 | 50 | 2 | 27 | 15 | 0,04 | 6 | 498 | x |
| 51 | 50 | 4 | 27 | 15 | 0,08 | 6 | 980 | x |
| 52 | 50 | 6 | 27 | 15 | 0,12 | 6 | 1118 | O |
| 53 | 50 | 8 | 27 | 15 | 0,16 | 6 | 1033 | O |
| 54 | 50 | 10 | 27 | 15 | 0,20 | 6 | 1034 | O |
| 55 | 50 | 12 | 27 | 15 | 0,24 | 6 | 1018 | O |
| 56 | 50 | 14 | 27 | 15 | 0,28 | 6 | 1028 | O |
| 57 | 50 | 0 | 29 | 15 | 0,00 | 7 | 137 | x |
| 58 | 50 | 2 | 29 | 15 | 0,04 | 7 | 320 | x |
| 59 | 50 | 4 | 29 | 15 | 0,08 | 7 | 873 | x |
| 60 | 50 | 6 | 29 | 15 | 0,12 | 7 | 1034 | O |
| 61 | 50 | 8 | 29 | 15 | 0,16 | 7 | 1055 | O |
| 62 | 50 | 10 | 29 | 15 | 0,20 | 7 | 1034 | O |
| 63 | 50 | 12 | 29 | 15 | 0,24 | 7 | 1100 | O |
| 64 | 50 | 14 | 29 | 15 | 0,28 | 7 | 1034 | O |
| 65 | 50 | 0 | 31 | 15 | 0,00 | 8 | 237 | x |
| 66 | 50 | 2 | 31 | 15 | 0,04 | 8 | 354 | x |
| 67 | 50 | 4 | 31 | 15 | 0,08 | 8 | 698 | x |
| 68 | 50 | 6 | 31 | 15 | 0,12 | 8 | 1034 | O |
| 69 | 50 | 8 | 31 | 15 | 0,16 | 8 | 1076 | O |
| 70 | 50 | 10 | 31 | 15 | 0,20 | 8 | 1034 | O |
| 71 | 50 | 12 | 31 | 15 | 0,24 | 8 | 1005 | O |
| 72 | 50 | 14 | 31 | 15 | 0,28 | 8 | 1117 | O |
- (Anmerkung:) In der Tabelle 2 bedeuten
die Kreismarkierungen bei der Kriechfestigkeit, dass die Festigkeit
den gleichen Pegel hat wie die des Basismetalls, und die X-Markierungen
bedeuten eine geringere Festigkeit als die des Basismetalls.
-
Wie
aus Tabelle 2 hervorgeht, erfüllt
die Kriech(bruch)festigkeit, damit sie etwa den gleichen Pegel wie das
Basismetall erreicht, in etwa die Beziehung zwischen h/t und (W – X)/2,
wie in den Graphen der 1(B) gezeigt
ist.
-
Somit
ist es möglich,
eine bestehende Schweißanlage
zu benutzen und einfach die Schweißtechnik zu variieren, um Schweißverbindungen
mit einer Festigkeit zu erzeugen, die gleich der des Basismetalls
ist. Im Vergleich zu einer durch herkömmliche Schweißtechniken
hergestellten Hochtemperatur-, anlage macht es diese Erfindung möglich, eine
Rohrwanddicke um 10 bis 15 Prozent zu verringern und ähnliche
Verringerungen bei der eingesetzten Materialmenge zu erreichen.
-
Dies
wiederum senkt die Herstellungskosten für eine Hochtemperaturanlage,
schont die Ressourcen und trägt
dazu bei, die Kosten pro erzeugter Elektrizitätseinheit zu reduzieren. Es
verbessert auch die Zuverlässigkeit
der Hochtemperaturanlagen.
-
Die
vorliegende Erfindung ist bei hochfesten, hitzebeständigen Ferritstählen wirksam,
die normalerweise dramatischen Festigkeitsverlusten in dem von Hitze
beeinflussten Schweißbereich
unterliegen. Sie ermöglicht
es, ihre einzigartigen Vorteile, die sich bei Austenit-Stählen nicht
finden, wirksam zu nutzen.