RU2198771C2 - Superhigh strength cryogenic welded joints - Google Patents
Superhigh strength cryogenic welded joints Download PDFInfo
- Publication number
- RU2198771C2 RU2198771C2 RU99128034/02A RU99128034A RU2198771C2 RU 2198771 C2 RU2198771 C2 RU 2198771C2 RU 99128034/02 A RU99128034/02 A RU 99128034/02A RU 99128034 A RU99128034 A RU 99128034A RU 2198771 C2 RU2198771 C2 RU 2198771C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- welding
- less
- weight
- metal
- weld
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам получения сверхвысокопрочных сварных соединений, в которых металл сварного шва обладает превосходной ударной вязкостью при криогенных температурах. Конкретнее изобретение относится к способам получения сверхвысокопрочных сварных соединений, в которых металл сварного шва обладает превосходной ударной вязкостью при криогенных температурах, из сверхвысокорочных, низколегированных сталей.FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to methods for producing ultrahigh-strength welds in which the weld metal has excellent toughness at cryogenic temperatures. More specifically, the invention relates to methods for producing ultrahigh-strength welded joints, in which the weld metal has excellent toughness at cryogenic temperatures, from ultrahigh-strength, low alloy steels.
Предпосылки к созданию изобретения
В следующем описании используются различные термины. В целях удобства здесь приводится глоссарий этих терминов, который размещен непосредственно перед формулой изобретения.BACKGROUND OF THE INVENTION
The following description uses various terms. For convenience, a glossary of these terms is provided here, which is placed immediately before the claims.
Часто возникает необходимость в хранении и транспортировке находящихся под давлением текучих сред при криогенных температурах, т.е. температурах ниже приблизительно -40oС (-40oF). Так, например, существует потребность в контейнерах для хранения и транспортировки находящегося под высоким давлением сжиженного природного газа при давлении в диапазоне от приблизительно 1035 кПа (150 фунт/кв.дюйм) до приблизительно 7590 кПа (1100 фунт/кв.дюйм) и при температуре, превышающей приблизительно -123oС (-190oF). Существует также потребность в контейнерах для безопасного и экономичного хранения и транспортировки при криогенных температурах других сжатых текучих сред, таких как метан, этан и пропан. Для изготовления таких контейнеров из сварной стали эта сталь и ее сварные соединения (см. глоссарий) должны обладать достаточной прочностью для того, чтобы противостоять давлению текучей среды, и достаточной вязкостью для того, чтобы предупредить возникновение разрушения, т.е. повреждение в условиях эксплуатации.Often there is a need for storage and transportation of pressurized fluids at cryogenic temperatures, i.e. temperatures below about -40 ° C (-40 ° F). For example, there is a need for containers for storing and transporting high-pressure liquefied natural gas at pressures ranging from about 1035 kPa (150 psi) to about 7590 kPa (1100 psi) and at a temperature exceeding approximately -123 o C (-190 o F). There is also a need for containers for safely and economically storing and transporting other compressed fluids such as methane, ethane and propane at cryogenic temperatures. For the manufacture of such containers from welded steel, this steel and its welded joints (see the glossary) must have sufficient strength to withstand the pressure of the fluid, and sufficient viscosity to prevent fracture, i.e. damage in operating conditions.
Как должно быть известно специалистам в данной области техники, для определения вязкости разрушения и для контроля разрушения контейнеров для транспортировки находящихся под давлением и при криогенной температуре текучих сред, таких как сжиженный природный газ, в особенности при использовании температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое, может применяться ударное испытание по Шарпи образца с V-образным надрезом. Температура перехода в хрупкое состояние очерчивает два режима разрушения для конструкционных сталей. При температурах ниже температуры перехода в хрупкое состояние разрушение образца при испытаниях по Шарпи имеет тенденцию к возникновению в форме низкоэнергетического хрупкого излома, в то время как при температурах, превышающих температуру перехода в хрупкое состояние разрушение образца происходит в форме высокоэнергетического вязкого излома. Необходимо, чтобы контейнеры для хранения и транспортировки, изготовленные из сварной стали и предназначенные для применения при упомянутых криогенных температурах, и для других ответственных сфер применения при криогенной температуре должны иметь определенные с помощью испытания по Шарпи температуры перехода в хрупкое состояние, которые значительно ниже температуры эксплуатации, чтобы не допустить хрупкого разрушения. В зависимости от конструкции, условий эксплуатации и/или требований соответствующего разрабатывающего технические условия общества, требующееся смещение температуры перехода в хрупкое состояние (т. е. насколько температура перехода в хрупкое состояние должна быть ниже предполагаемой температуры эксплуатации) может составлять от 5oС до 30oС (от 9oF до 54oF) ниже температуры эксплуатации.As should be known to those skilled in the art, to determine the fracture toughness and to control the fracture of containers for transporting pressurized and cryogenic temperatures fluids such as liquefied natural gas, especially when using the transition temperature from a viscous to a brittle state, apply Charpy impact test with V-notch specimen. The temperature of transition to a brittle state outlines two fracture modes for structural steels. At temperatures below the transition temperature to the brittle state, fracture of the sample during Charpy testing tends to occur in the form of a low-energy brittle fracture, while at temperatures higher than the temperature of the transition to the brittle state, fracture of the sample occurs in the form of a high-energy viscous fracture. It is necessary that containers for storage and transportation made of welded steel and intended for use at the mentioned cryogenic temperatures, and for other critical applications at cryogenic temperatures, should have transition temperatures to the brittle state determined using the Charpy test, which are significantly lower than the operating temperature to prevent brittle destruction. Depending on the design, operating conditions and / or requirements of the relevant company developing the technical conditions, the required shift in the temperature of transition to a brittle state (i.e., how much the temperature of transition to a brittle state should be lower than the expected operating temperature) can be from 5 o С to 30 o C (from 9 o F to 54 o F) below the operating temperature.
Никельсодержащие стали, обычно применяющиеся в конструкционных изделиях, предназначенных для использования при криогенных температурах, т.е. стали с содержанием никеля свыше приблизительно 3 весовых %, имеют низкую температуру перехода в хрупкое состояние, но при этом и относительно низкие пределы прочности на разрыв. Обычно поставляемые промышленностью стали с содержанием 3,5 весовых % Ni, 5,5 весовых % Ni и 9 весовых % Ni, имеют температуру перехода в хрупкое состояние -100oС (-150oF), -155oС (-250oF), и -175oС (-280oF), и предел прочности на разрыв до приблизительно 485 МПа (70 тыс. фунт/кв. дюйм), 620 МПа (90 тыс. фунт/кв.дюйм) и 830 МПа (120 тыс. фунт/кв. дюйм) соответственно. Для того, чтобы получить такие сочетания прочности и ударной вязкости, эти стали обычно подвергают дорогостоящей обработке, например двойному отжигу. В сферах применения, предусматривающих эксплуатацию при криогенных температурах, промышленность в настоящее время использует эти промышленные никельсодержащие стали, поскольку они обладают при низких температурах хорошей ударной вязкостью, однако при конструировании необходимо учитывать относительно низкий предел прочности на разрыв. Конструкции обычно требуют использования в ответственных сферах применения при криогенной температуре стали избыточной толщины. Таким образом, использование этих никельсодержащих сталей в ответственных сферах применения при криогенной температуре может оказаться дорогостоящим из-за высокой стоимости стали в сочетании с требуемой толщиной стали.Nickel-containing steels commonly used in structural products intended for use at cryogenic temperatures, i.e. steels with a nickel content of more than about 3 weight%, have a low temperature of transition to a brittle state, but at the same time relatively low tensile strengths. Typically, commercially available steels containing 3.5 weight% Ni, 5.5 weight% Ni and 9 weight% Ni, have a brittle temperature of -100 ° C (-150 ° F), -155 ° C (-250 ° C) F), and -175 o C (-280 o F), and tensile strength to approximately 485 MPa (70 thousand psi), 620 MPa (90 thousand psi) and 830 MPa (120 thousand pounds per square inch), respectively. In order to obtain such combinations of strength and toughness, these steels are usually subjected to expensive processing, for example double annealing. For applications involving cryogenic temperatures, industry currently uses these industrial nickel-containing steels because they have good toughness at low temperatures, however, the design must take into account the relatively low tensile strength. Structures usually require use in critical applications at excess cryogenic steel temperatures. Thus, the use of these nickel-containing steels in critical applications at cryogenic temperatures can be costly due to the high cost of the steel combined with the required thickness of the steel.
Применяющиеся в настоящее время промышленные контейнеры для хранения и транспортировки сжиженного природного газа при температуре -162oС (-260oF) и атмосферном давлении обычно изготавливают из упомянутых промышленных никельсодержащих сталей, аустенитных нержавеющих сталей или алюминия. При использовании со сжиженным природным газом требования к прочности и ударной вязкости таких материалов, а также сварных соединений таких материалов заметно отличаются от таких же требований в случае использования со сжиженным природным газом, находящимся под высоким давлением. Так, например, при анализе сварных соединений сталей, содержащих от 2 1/4 весовых % до 9 весовых % Ni и предназначенных для применения при криогенных температурах, G. E. Limert в работе "Welding Metallurgy", American Welding Society, 3rd Ed., Vol. 2, 1967, pp. 550-570, перечисляет требования к ударной вязкости таких сварных соединений по результатам испытаний по Шарпи, как составляющие от приблизительно 20 Дж до 61 Дж при температуре эксплуатации. Кроме того, в издании Det Norske Veritas (DNV) Rules For Classification of Ships от 1995 г. указано, что материалы, используемые на вновь строящихся судах, предназначенных для перевозки сжиженного газа, должны отвечать некоторым минимальным требованиям к ударной вязкости по результатам испытаний по Шарпи. А именно, в DNV Rules указано, что толстый лист и сварные соединения, применяемые в емкостях высокого давления при проектной температуре эксплуатации, составляющей от -60oС до -165oС, должны обладать минимальной ударной вязкостью 27 Дж при испытаниях по Шарпи, проводимых при температуре, которая на 5-30oС (9-54oF) ниже проектной температуры эксплуатации. Требования, перечисленные Linnet и DNV Rules, нельзя непосредственно применить к изготовлению контейнеров для транспортировки находящегося под высоким давлением сжиженного природного газа (или иных текучих сред, находящихся под давлением и при криогенных температурах), поскольку высокое давление, под которым может находиться в емкости сжиженный природный газ, обычно составляет около 2760 кПа (400 фунт/кв. дюйм), значительно выше, чем при обычных способах транспортировки сжиженного природного газа, когда давление обычно близко к атмосферному. В случае контейнеров для хранения и транспортировки сжиженного природного газа, находящегося под высоким давлением, существует необходимость в более жестких требованиях к ударной вязкости и поэтому возникает необходимость в сварных соединениях с более высокими прочностными характеристиками, чем применяемые при изготовлении контейнеров для хранения сжиженного природного газа.Currently used industrial containers for storing and transporting liquefied natural gas at a temperature of -162 o C (-260 o F) and atmospheric pressure are usually made of the mentioned industrial Nickel-containing steels, austenitic stainless steels or aluminum. When used with liquefied natural gas, the requirements for the strength and toughness of such materials, as well as welded joints of such materials, differ markedly from the same requirements when used with liquefied natural gas under high pressure. For example, in the analysis of welded joints of steels containing from 2 1/4 weight% to 9 weight% Ni and intended for use at cryogenic temperatures, GE Limert in Welding Metallurgy, American Welding Society, 3 rd Ed., Vol . 2, 1967, pp. 550-570, lists the toughness requirements of such welded joints according to Charpy test results, as components from approximately 20 J to 61 J at operating temperature. In addition, the 1995 Det Norske Veritas (DNV) Rules For Classification of Ships states that materials used on newly built ships designed to transport liquefied gas must meet some minimum impact strength requirements from Charpy tests . Namely, the DNV Rules indicate that the thick sheet and welded joints used in high pressure vessels at a design operating temperature of from -60 o С to -165 o С must have a minimum impact strength of 27 J during Charpy tests carried out at a temperature that is 5-30 o C (9-54 o F) below the design operating temperature. The requirements listed by Linnet and DNV Rules cannot be directly applied to the manufacture of containers for transporting high-pressure liquefied natural gas (or other fluids that are pressurized and at cryogenic temperatures), since the high pressure under which a liquefied natural gas, typically around 2760 kPa (400 psi), is significantly higher than with conventional methods of transporting liquefied natural gas, when the pressure is usually close to atmospheric. In the case of containers for storing and transporting liquefied natural gas under high pressure, there is a need for more stringent toughness requirements and therefore there is a need for welded joints with higher strength characteristics than those used in the manufacture of containers for storing liquefied natural gas.
Толстолистовой материал основы
Контейнеры для хранения находящихся под высоким давлением и при криогенных температурах текучих сред, таких на находящийся под высоким давлением природный газ, предпочтительно изготавливаются из отдельных толстых листов из сверхвысокопрочной низколегированной стали. В трех находящихся одновременно на рассмотрении предварительных патентных заявках США указаны различные поддающиеся сварке, сверхвысокопрочные низколегированные стали, обладающие превосходной ударной вязкостью при криогенной температуре, предназначенные для изготовления контейнеров для хранения и транспортировки находящегося под высоким давлением сжиженного природного газа и других находящихся под давлением и при криогенной температуре текучих сред. Стали описаны в находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявке США, озаглавленной "СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ, ОБЛАДАЮЩИЕ ПРЕВОСХОДНОЙ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ПРИ КРИОГЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ", с датой приоритета 19 декабря 1997 г., которой Бюро патентов и торговых знаков США (БПТ США) присвоило номер 60/068194; в находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявке США, озаглавленной "СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ СО СТАРЕНИЕМ, ОБЛАДАЮЩИЕ ПРЕВОСХОДНОЙ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ПРИ КРИОГЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ", с датой приоритета 19 декабря 1997 г., которой БПТ США присвоило номер 60/068252, в находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявке США, озаглавленной "СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫЕ ДВУХФАЗНЫЕ СТАЛИ, ОБЛАДАЮЩИЕ ПРЕВОСХОДНОЙ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ПРИ КРИОГЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ", с датой приоритета 19 декабря 1997 г., которой БПТ США присвоило номер 60/068816. Эти виды стали особенно подходят для многих сфер применения при криогенных температурах, включая транспортировку находящегося под высоким давлением сжиженного природного газа, причем эти стали обладают следующими характеристиками в случае применения в виде стального листа толщиной предпочтительно около 2,5 см (1 дюйм) и более: (i) температура перехода в хрупкое состояние у металла основы и в зоне термического влияния ниже приблизительно -73oС (-100oF), предпочтительно ниже -107oС (-160oF); (ii) предел прочности на разрыв более 830 МПа (120 тыс. фунт/кв. дюйм), предпочтительно больше чем 860 МПа (125 тыс. фунт/кв. дюйм) и более предпочтительно больше чем 900 МПа (130 тыс. фунт/кв. дюйм); (iii) более высокой свариваемостью; (iv) по существу одинаковой по всей толщине микроструктурой и свойствами; и (v) повышенной ударной вязкостью по сравнению со стандартной поставляемой промышленностью сверхвысокопрочной низколегированной сталью. Стали, описанные в упомянутых выше находящихся одновременно на рассмотрении предварительных патентных заявках США, могут обладать пределом прочности на разрыв более 930 МПа (135 тыс. фунт/кв. дюйм), или больше чем 965 МПа (140 тыс. фунт/кв. дюйм) или больше чем 1000 МПа (145 тыс. фунт/кв. дюйм). Другие подходящие виды стали описаны в Европейской патентной заявке, опубликованной 5 февраля 1997 и имеющей номер Международной заявки PCT/JP96/00157 и Международный номер публикации WO 96/23909 (08.08.1996 Gazette 1996/36) (такие виды стали предпочтительно содержат от 0,1 до 1,2 весовых % меди), и в находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявке США, озаглавленной "СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ СТАЛИ, ОБЛАДАЮЩИЕ ПРЕВОСХОДНОЙ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ", с датой приоритета 28 июля 1997 г., которой БПТ присвоило номер 60/053915.Plate base material
Containers for storing high-pressure and at cryogenic temperatures fluids, such as high-pressure natural gas, are preferably made of separate thick sheets of ultra-high-strength low alloy steel. The three pending U.S. patent applications simultaneously list various weldable, ultra high strength, low alloy steels with excellent toughness at cryogenic temperatures for the manufacture of containers for storing and transporting high pressure liquefied natural gas and other pressurized and cryogenic fluid temperature. The steels are described in a pending U.S. patent application entitled "EXCELLENT STRONG STRESS PERFORMANCE WITH CRYOGENIC TEMPERATURE", with a priority date of December 19, 1997, assigned by the US Patent and Trademark Office (US No. 60) 068194; in a pending U.S. patent application entitled "EXCELLENT HIGH-STRENGTH STEEL AGING WITH EXCELLENT IMPACT VISCOSITY AT CRYOGENIC TEMPERATURE", with a priority date of December 19, 1997, which U.S. Pat. US Patent Application entitled "SUPER HIGH STRENGTH TWO PHASE STEELS WITH EXCELLENT IMPACT VISCOSITY AT CRYOGENIC TEMPERATURE", with a priority date of December 19, 1997, which the US number 60/068816. These steels are particularly suitable for many applications at cryogenic temperatures, including the transportation of high-pressure liquefied natural gas, these steels having the following characteristics when used as a steel sheet with a thickness of preferably about 2.5 cm (1 inch) or more: (i) the brittle temperature at the base metal and in the heat affected zone is below about -73 ° C (-100 ° F), preferably below -107 ° C (-160 ° F); (ii) a tensile strength of more than 830 MPa (120 thousand psi), preferably more than 860 MPa (125 thousand psi) and more preferably more than 900 MPa (130 thousand psi) . inch); (iii) higher weldability; (iv) essentially the same microstructure and properties throughout the entire thickness; and (v) increased toughness compared to standard industry-supplied ultra-high strength low alloy steel. The steels described in the aforementioned pending U.S. patent applications may have a tensile strength of more than 930 MPa (135 thousand psi), or more than 965 MPa (140 thousand psi) or more than 1000 MPa (145 thousand psi). Other suitable types of steel are described in European Patent Application published on February 5, 1997 and having International Application Number PCT / JP96 / 00157 and International Publication Number WO 96/23909 (08/08/1996 Gazette 1996/36) (such types of steel preferably contain from 0, 1 to 1.2 weight% copper), and in the pending US patent application, entitled “EXCELLENT STRONG MAGNIZABLE STEEL WITH EXCELLENT IMPACT VISCOSITY AT LOW TEMPERATURE”, with priority date July 28, 1997, which assigned number 60 / 053915.
Сварка
Такие стали можно соединить между собой для формирования контейнеров для хранения находящихся под давлением и при криогенной температуре текучих сред, таких как находящийся под высоким давлением сжиженный природный газ, способом сварки, пригодным для получения сварного соединения, обладающего прочностью и вязкостью разрушения, достаточными для предполагаемой сферы применения. Такой способ сварки предпочтительно включает в себя подходящий сварочный процесс, такой например, без ограничений, как дуговая сварка металлическим электродом в среде защитного газа ("GMAW"), дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа ("TIG"), или дуговая сварка под флюсом ("SAW"); подходящий расходуемый сварочный электрод; подходящий расходуемый сварочный газ (если требуется); подходящий сварочный флюс (если требуется); и подходящие сварочные процедуры, такие, например, без ограничений, как температуры предварительного подогрева и нагрев при сварке. Сварное соединение состоит из следующих частей: (i) металл сварного шва, (ii) зона термического влияния, и (iii) металл основы, находящийся в "непосредственной близости" от зоны термического влияния. Металлом сварного шва является сварочный расходуемый электрод (и флюс в случае его применения), наложенный и разбавленный частью металла толстого листа, который плавится во время процесса сварки. Зона термического влияния образована частью металла основы, которая не плавится во время сварки, однако микроструктура и свойства которых изменяются под воздействием тепла во время процесса сварки. Часть металла основы, которая считается находящейся в "непосредственной близости" от зоны термического влияния и, следовательно, образующая часть сварного соединения, меняется в зависимости от факторов, известных специалистам в данной области техники, например, без ограничения, ширины сварного соединения, размеров свариваемого толстого листа из металла основы и расстояния между сварными соединениями.Welding
Such steels can be joined together to form containers for storing pressurized and cryogenic temperatures fluids, such as high-pressure liquefied natural gas, by a welding method suitable for producing a welded joint with a strength and fracture toughness sufficient for the intended scope application. Such a welding method preferably includes a suitable welding process, such as, for example, without limitation, such as arc welding with a metal electrode in a shielding gas medium ("GMAW"), arc welding with a tungsten electrode in an inert gas medium ("TIG"), or submerged arc welding flux ("SAW"); suitable consumable welding electrode; suitable consumable welding gas (if required); suitable welding flux (if required); and suitable welding procedures, such as, for example, without limitation, such as preheating temperatures and heating during welding. A welded joint consists of the following parts: (i) a weld metal, (ii) a heat-affected zone, and (iii) a base metal located in “close proximity” to the heat-affected zone. The weld metal is a consumable welding electrode (and flux if used), superimposed and diluted with a portion of the metal of the thick sheet that melts during the welding process. The heat-affected zone is formed by a part of the base metal, which does not melt during welding, however, the microstructure and properties of which change under the influence of heat during the welding process. The part of the base metal, which is considered to be located in "close proximity" to the heat affected zone and, therefore, forming part of the welded joint, varies depending on factors known to specialists in this field of technology, for example, without limitation, the width of the welded joint, the dimensions of the thick sheet of metal base and the distance between welded joints.
Характеристики сварных соединений, требующихся для применения со сжиженным природным газом, находящимся под высоким давлением. Characteristics of welds required for use with high pressure liquefied natural gas.
Для изготовления контейнеров для хранения находящегося под высоким давлением сжиженного природного газа и других находящихся под давлением и при криогенной температуре текучих сред желательно располагать способом сварки, включая расходуемый сварочный электрод, расходуемый сварочный газ, сварочный процесс и сварочные процедуры, обеспечивающим получение сварных соединений с пределом прочности на разрыв и вязкостью разрушения, подходящими для намеченного применения при криогенных температурах согласно известным принципам механики разрушения, как описано здесь. Более конкретно для сооружения контейнеров для хранения находящегося под высоким давлением сжиженного природного газа желательно располагать способом сварки, который позволил бы получить сварные соединения с пределом прочности на разрыв, превышающим приблизительно 900 МПа (130 тыс.фунт/кв.дюйм), вязкостью разрушения, подходящей для применения с находящимся под высоким давлением сжиженным природным газом согласно известным принципам механики разрушения, как описано здесь. Предел прочности на разрыв таких сварных соединений предпочтительно превышает приблизительно 930 МПа (135 тыс.фунт/кв.дюйм), более предпочтительно превышает приблизительно 965 МПа (140 тыс.фунт/кв.дюйм) и еще более предпочтительно превышает по меньшей мере приблизительно 1000 МПа (145 тыс. фунт/кв. дюйм). Существующие промышленные способы сварки с использованием поставляемых промышленностью расходуемых сварочных электродов не подходят для сварки упомянутых выше высокопрочных низколегированных сталей и получения сварных соединений, обладающих нужными свойствами для промышленного применения при высоком давлении и при криогенных температурах. For the manufacture of containers for storing high-pressure liquefied natural gas and other pressurized and cryogenic temperature fluids, it is desirable to have a welding method, including consumable welding electrode, consumable welding gas, welding process and welding procedures that provide welded joints with tensile strength tensile strength and fracture toughness, suitable for the intended use at cryogenic temperatures according to the known principles of mechanics azrusheniya as described herein. More specifically, for the construction of containers for storing high-pressure liquefied natural gas, it is desirable to have a welding method that would produce welded joints with a tensile strength exceeding approximately 900 MPa (130 thousand pounds per square inch), fracture toughness suitable for use with high pressure liquefied natural gas according to the known principles of fracture mechanics, as described here. The tensile strength of such welded joints preferably exceeds about 930 MPa (135 thousand pounds per square inch), more preferably exceeds about 965 MPa (140 thousand pounds / square inch) and even more preferably exceeds at least about 1000 MPa (145 thousand psi). Existing industrial welding methods using commercially available consumable welding electrodes are not suitable for welding the aforementioned high-strength low alloy steels and for producing welded joints with the necessary properties for industrial applications at high pressure and at cryogenic temperatures.
Следовательно, главной задачей настоящего изобретения является совершенствование современной технологии сварки таким образом, чтобы добиться ее применимости к сверхвысокопрочным низколегированным сталям таким образом, чтобы создать способ сварки, который позволяет получить сварные швы, обладающие пределом прочности на разрыв, превышающем приблизительно 900 МПа (130 тыс. фунт/кв. дюйм), и вязкость разрушения, подходящую для намеченного применения при криогенных температурах согласно известным принципам механики разрушения, как описано здесь. Therefore, the main objective of the present invention is to improve the modern welding technology in such a way as to achieve its applicability to ultrahigh-strength low alloy steels in such a way as to create a welding method that allows one to obtain welds having a tensile strength exceeding approximately 900 MPa (130 thousand psi) and fracture toughness suitable for the intended use at cryogenic temperatures according to known principles of fracture mechanics as described ere.
Сущность изобретения
Предлагается способ сварки (включающий в себя расходуемый сварочный электрод, вид сварочного процесса и набор определенных параметров и приемов сварки), который может быть использован для соединения сверхвысокопрочных низколегированных сталей, обладающих превосходной вязкостью разрушения при криогенных температурах и предназначенных для применения при криогенных температурах. Способ сварки, являющийся предметом настоящего изобретения, нацелен на получение микроструктуры, создающей ряд механических характеристик, отвечающих жестким требованиям использования с находящимися под давлением и при криогенной температуре текучими средами, например использования с находящимся под высоким давлением сжиженным природным газом. Способ сварки позволяет получить металл сварного шва, в котором доминирует очень мелкозернистая объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка. Способ сварки позволяет также получить металл сварного шва с низким содержанием примесей и, следовательно, низким содержанием неметаллических включений и, кроме того, создает отдельные включения небольших размеров. Специалистам в данной области техники хорошо известно, какое фундаментальное воздействие оказывает мелкий размер зерен на прочность и ударную вязкость конструкционных сталей, а также фундаментальное воздействие на ударную вязкость низкого содержания примесей. Однако приемы получения таких характеристик металла сварного шва, подходящего для применения с находящимся под высоким давлением сжиженным природным газом, недостаточно хорошо известны. Сварное соединение, полученное в результате использования способа сварки, являющегося предметом настоящего изобретения, обладает пределом прочности на разрыв, превышающим приблизительно 900 МПа (130 тыс.фунт/кв.дюйм) и ударной вязкостью, достаточной для применения с находящимся под высоким давлением сжиженным природным газом согласно известным принципам механики разрушения.SUMMARY OF THE INVENTION
A welding method is proposed (including a consumable welding electrode, type of welding process and a set of specific welding parameters and techniques), which can be used to connect ultrahigh-strength low alloy steels with excellent fracture toughness at cryogenic temperatures and intended for use at cryogenic temperatures. The welding method, which is the subject of the present invention, is aimed at obtaining a microstructure that creates a number of mechanical characteristics that meet stringent requirements for use with pressurized and at cryogenic temperatures fluids, for example, use under high pressure liquefied natural gas. The welding method allows to obtain a weld metal, which is dominated by a very fine-grained volume-centered cubic crystal lattice. The welding method also allows to obtain a weld metal with a low content of impurities and, therefore, a low content of non-metallic inclusions and, in addition, creates individual inclusions of small sizes. Those skilled in the art are well aware of the fundamental effect of the fine grain size on the strength and toughness of structural steels, as well as the fundamental effect on the toughness of a low impurity content. However, techniques for obtaining such characteristics of a weld metal suitable for use with high pressure liquefied natural gas are not well known. The weld obtained by using the welding method of the present invention has a tensile strength exceeding approximately 900 MPa (130 thousand psi) and impact strength sufficient for use with high pressure liquefied natural gas according to the known principles of fracture mechanics.
Описание чертежей
Преимущества настоящего изобретения можно будет лучше понять, изучив следующее подробное описание и прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1А графически показана критическая глубина дефекта при данной длине дефекта как функция вязкости разрушения при раскрытии на вершине трещины и остаточного напряжения; и
на фиг.1В показана геометрическая форма (длина и глубина) дефекта.Description of drawings
The advantages of the present invention can be better understood by studying the following detailed description and the accompanying drawings, in which:
in FIG. 1A graphically shows the critical defect depth for a given defect length as a function of fracture toughness when opening at the crack tip and residual stress; and
on figv shows the geometric shape (length and depth) of the defect.
В то время как изобретение будет описано на примере предпочтительных вариантов его реализации, следует помнить, что изобретение не ограничивается ими. Напротив, изобретение должно охватывать все альтернативные решения, модификации и эквиваленты, которые могут быть отнесены к существу и объему изобретения, описанных в прилагаемой формуле изобретения. While the invention will be described using preferred embodiments as an example, it should be remembered that the invention is not limited to them. On the contrary, the invention should cover all alternative solutions, modifications and equivalents that may be attributed to the essence and scope of the invention described in the attached claims.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к способу сварки, предназначенному для использования для соединения сверхвысокопрочных низколегированных сталей и получения таким образом сварных соединений, обладающих сверхвысокой прочностью и превосходной ударной вязкостью при криогенной температуре. Эти требующиеся характеристики обеспечиваются в первую очередь двумя особенностями микроструктуры металла сварного шва. Первой особенностью является очень мелкозернистая объемно-центрированная кристаллическая решетка, а второй особенностью является низкое содержание неметаллических включений, причем отдельные включения имеют небольшие размеры. Способ сварки включает в себя расходуемый сварочный электрод, вид сварочного процесса и набор определенных параметров и приемов сварки. Предпочтительными сварочными процессами для способа сварки, являющегося предметом настоящего изобретения, являются любые из процессов, предусматривающих применение газовой защиты, таких как дуговая сварка металлическим электродом в среде защитного газа (GMAW), дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG), плазменно-дуговая сварка (PAW), или их производные. Далее описаны предпочтительные параметры и приемы сварки, такие как нагрев при сварке и химический состав защитного газа.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to a welding method for use in joining ultra-high-strength low alloy steels and thus producing welded joints having ultra-high strength and excellent toughness at cryogenic temperature. These required characteristics are provided primarily by two features of the microstructure of the weld metal. The first feature is a very fine-grained body-centered crystal lattice, and the second feature is the low content of non-metallic inclusions, with individual inclusions having small dimensions. The welding method includes a consumable welding electrode, a type of welding process and a set of specific welding parameters and techniques. Preferred welding processes for the welding method of the present invention are any of the processes involving the use of gas shielding, such as arc welding with a metal electrode in a shielding gas medium (GMAW), arc welding with a tungsten electrode in an inert gas medium (TIG), plasma arc welding (PAW), or their derivatives. The following describes preferred welding parameters and techniques, such as welding heat and shielding gas chemistry.
Химический состав металла сварного шва. The chemical composition of the weld metal.
В одном из вариантов реализации химический состав металла сварного шва согласно настоящему изобретению содержит железо и легирующие элементы в количествах, указанных в табл.1. In one embodiment, the chemical composition of the weld metal according to the present invention contains iron and alloying elements in the amounts indicated in Table 1.
Более предпочтительно верхнее предельное содержание никеля составляет около 4,00 весовых %. More preferably, the upper limit nickel content is about 4.00 weight%.
Эффект мелкозернистой структуры. The effect of fine-grained structure.
Мелкие размеры зерна в микроструктуре металла сварного шва, полученного согласно настоящему изобретению, способствуют повышению прочности сварного соединения за счет блокирования дислокаций. Мелкий размер зерна повышает сопротивление разрушению по плоскости спайности за счет уменьшения длины скопления дислокации, что способствует уменьшению максимальной возможной интенсивности напряжений в вершине любого отдельного скопления. В результате снижается вероятность возникновения микротрещин. Уменьшение интенсивности скоплений улучшает также вязкость пластического разрушения за счет уменьшения местных микронапряжений, что делает менее вероятным возникновение микропустот. Кроме того, мелкий размер зерна способствует повышению общей ударной вязкости, образуя многочисленные "заграждения" на пути развития трещин (см. в глоссарии определения терминов: блокирование дислокации, сопротивление разрушению по плоскости спайности, скопление дислокации, микротрещина, микронапряжения и микропустота). The fine grain sizes in the microstructure of the weld metal obtained according to the present invention increase the strength of the weld due to blocking of dislocations. The fine grain size increases the fracture resistance along the cleavage plane by reducing the length of the dislocation cluster, which helps to reduce the maximum possible stress intensity at the apex of any individual cluster. As a result, the likelihood of microcracks is reduced. Reducing the intensity of clusters also improves the plastic fracture toughness by reducing local microstresses, which makes the occurrence of microvoids less likely. In addition, the small grain size contributes to an increase in overall toughness, forming numerous "barriers" on the path of crack development (see the glossary for definitions of terms: blocking of dislocation, fracture resistance along the cleavage plane, accumulation of dislocation, microcrack, microstress, and microvoid).
Получение нужной микроструктуры и размера зерна. Obtaining the desired microstructure and grain size.
В мелкозернистой объемно-центрированной кубической кристаллической структуре доминирует самоотпущенный реечный мартенсит, т.е. содержание в ней самоотпущенного реечного мартенсита составляет по меньшей мере около 50 объемных процентов, более предпочтительно по меньшей мере около 70 объемных процентов и даже более предпочтительно по меньшей мере около 90 объемных процентов. Однако наряду с этим возможно присутствие также значительных количеств нижнего бейнита, например приблизительно до 49 объемных процентов. В небольших количествах могут также присутствовать малые составляющие, такие как игольчатый феррит, полигональный феррит и верхний бейнит (или другие вырожденные формы бейнита), но предпочтительно они не образуют доминантной морфологии. Нужную мартенситно/бейнитную структуру получают за счет применения нужного химического состава металла сварного шва и должного контроля скорости охлаждения металла сварного шва. Ниже приведены несколько примеров, в которых рассматривается химический состав. Применяется сварка с низким нагревом, так что металл сварного шва охлаждается быстрее, чем при обычно применяемом более интенсивным нагревом. Нагрев равен напряжению сварки, умноженному на силу сварочного тока и разделенному на скорость хода сварки, т.е. энергии дуги. Сварка с низким нагревом, применяемая согласно способу сварки, являющемуся предметом настоящего изобретения, обладает энергией дуги предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0,3 кДж/мм до приблизительно 2,5 кДж/мм (7,6 кДж/дюйм до 63,5 кДж/дюйм), но более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0,5 кДж/мм до приблизительно 1,5 кДж/мм (12,7 кДж/дюйм до 38 кДж/дюйм). В пределах нужной микроструктуры может быть описано несколько различных уровней "размеров зерна", и техника сварки с низким нагревом предназначена для уменьшения размеров каждого кристалла. Сварка с низким нагревом способствует образованию мелких столбчатых зерен, мелких зерен исходного аустенита, мелких пакетов мартенсита/бейнита и узких реек мартенсита и/или бейнита. Применяемый здесь в отношении структуры термин "мелкозернистый" означает, что размер (ширина) столбчатого зерна предпочтительно составляет менее чем приблизительно 150 мкм, и более предпочтительно менее чем приблизительно 100 мкм; что размер зерен исходного аустенита предпочтительно составляет менее чем приблизительно 50 мкм, более предпочтительно менее чем приблизительно 35 мкм, и еще более предпочтительно менее чем приблизительно 20 мкм; что размер пакета мартенсита/бейнита предпочтительно составляет менее чем приблизительно 20 мкм, более предпочтительно менее чем приблизительно 15 мкм и даже более предпочтительно менее чем приблизительно 10 мкм. В данном случае под "размером зерна" подразумевается размер зерна, определенный с помощью способа линии пересечения, известного специалистам в данной области техники. In a fine-grained, volume-centered cubic crystalline structure, self-released rack martensite dominates, i.e. the content of self-releasing rack martensite is at least about 50 volume percent, more preferably at least about 70 volume percent, and even more preferably at least about 90 volume percent. However, along with this, the presence of significant amounts of lower bainite is also possible, for example up to about 49 volume percent. Small amounts may also be present in small amounts, such as acicular ferrite, polygonal ferrite and upper bainite (or other degenerate forms of bainite), but preferably they do not form a dominant morphology. The desired martensitic / bainitic structure is obtained by applying the desired chemical composition of the weld metal and proper control of the cooling rate of the weld metal. The following are a few examples that examine the chemical composition. Low heat welding is used so that the weld metal cools faster than with the more commonly used heat. The heating is equal to the welding voltage multiplied by the strength of the welding current and divided by the welding speed, i.e. arc energy. The low heat welding used according to the welding method of the present invention has an arc energy preferably in the range of from about 0.3 kJ / mm to about 2.5 kJ / mm (7.6 kJ / inch to 63.5 kJ / inch), but more preferably in the range of from about 0.5 kJ / mm to about 1.5 kJ / mm (12.7 kJ / inch to 38 kJ / inch). Within the desired microstructure, several different levels of “grain size” can be described, and the low-heat welding technique is designed to reduce the size of each crystal. Low-heat welding contributes to the formation of small columnar grains, small grains of initial austenite, small packets of martensite / bainite and narrow battens of martensite and / or bainite. As used herein with respect to structure, the term “fine grain” means that the size (width) of the columnar grain is preferably less than about 150 microns, and more preferably less than about 100 microns; that the grain size of the starting austenite is preferably less than about 50 microns, more preferably less than about 35 microns, and even more preferably less than about 20 microns; that the martensite / bainite packet size is preferably less than about 20 microns, more preferably less than about 15 microns, and even more preferably less than about 10 microns. In this case, by "grain size" is meant the grain size determined using the method of the intersection line, known to specialists in this field of technology.
Эффект низкого содержания включений. The effect of low inclusion content.
Низкое содержание включений способствует повышению сопротивления разрушению по плоскости спайности за счет устранения возможного возникновения трещин скола и/или уменьшения количества место концентрации микронапряжений. Низкое содержание включений способствует повышению вязкости пластического разрушения за счет уменьшения количества мест возникновения микропустот. The low content of inclusions contributes to an increase in fracture resistance along the cleavage plane by eliminating the possible occurrence of cleavage cracks and / or reducing the number of microstress concentration sites. The low content of inclusions contributes to an increase in the plastic fracture toughness due to a decrease in the number of micro-hollow sites.
Сварные соединения, полученные согласно настоящему изобретению, предпочтительно имеют низкое содержание включений, но не вполне свободны от включений. Включения могут в значительной степени способствовать получению оптимальных характеристик металла сварного шва. Во-первых, они служат раскислителями жидкого металла в сварочной ванне. При получении сварных швов согласно настоящему изобретению предпочтительным является низкое содержание кислорода в защитном газе, что снижает потребность в раскислении; однако желательным является сохранение определенного восстановительного потенциала сварочной ванны. Во-вторых, включения могут оказаться полезными при контроле роста столбчатого зерна и зерна исходного аустенита за счет закрепления границ зерен. Ограничение роста зерен при повышенных температурах способствует получению небольших размеров зерна при комнатной температуре. Однако, поскольку низкий нагрев при получении сварных соединений согласно настоящему изобретению способствует ограничению размеров зерна, содержание включений можно уменьшить до уровня, который улучшает ударную вязкость, но и при этом создает полезный эффект закрепления границ зерен. The welded joints obtained according to the present invention preferably have a low content of inclusions, but are not completely free from inclusions. Inclusions can greatly contribute to obtaining optimal weld metal characteristics. Firstly, they serve as deoxidizers of liquid metal in a weld pool. In the preparation of the welds of the present invention, a low oxygen content in the shielding gas is preferable, which reduces the need for deoxidation; however, it is desirable to maintain a certain reduction potential of the weld pool. Secondly, inclusions can be useful in controlling the growth of columnar and initial austenite grains by fixing grain boundaries. The restriction of grain growth at elevated temperatures helps to obtain small grain sizes at room temperature. However, since low heat in the production of welded joints according to the present invention helps to limit grain size, the content of inclusions can be reduced to a level that improves toughness, but also creates a useful effect of fixing grain boundaries.
Сварные соединения, полученные согласно настоящему изобретению, достигают, как было отмечено выше, высокой прочности. В случае менее прочных металлов сварного шва часто желательно создать значительную объемную долю включений на основе титана для образования зародышей игольчатого феррита. В случае таких сварных соединений с более низкой прочностью игольчатый феррит является предпочтительной микроструктурой, что объясняется его хорошими показателями прочности и ударной вязкости. Однако в случае данного изобретения, когда стоит задача добиться более высокой прочности, нужно избежать большой объемной доли включений, служащих зародышами игольчатого феррита. Вместо этого желательно создать микроструктуру с доминированием реечного мартенсита. The welded joints obtained according to the present invention achieve, as noted above, high strength. In the case of less strong weld metals, it is often desirable to create a significant volume fraction of titanium-based inclusions for the formation of acicular ferrite nuclei. In the case of such welded joints with lower strength, needle ferrite is the preferred microstructure, due to its good strength and toughness. However, in the case of the present invention, when the task is to achieve higher strength, it is necessary to avoid a large volume fraction of inclusions serving as acicular ferrite nuclei. Instead, it is desirable to create a microstructure dominated by rack martensite.
Получение нужных размеров и содержания включений. Getting the right size and content of inclusions.
Предпочтительное низкое содержание включений в сварных соединениях, являющихся предметом настоящего изобретения, обеспечивается путем подбора и применения подходящего защитного газа, сохранением чистоты сварного шва и использованием расходуемого сварочного электрода с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и кремния. Конкретный химический состав расходуемого сварочного электрода должен обеспечить нужный химический состав металла сварного шва, который в свою очередь подбирают в зависимости от нужных механических свойств. Нужные механические свойства зависят от конкретной конструкции контейнера; настоящее изобретение охватывает ряд вариантов химического состава металла сварного шва, пригодных для применения при различных конструкциях. При использовании способа сварки, являющегося предметом настоящего изобретения, основная масса металла сварного шва будет в минимальной степени разбавлена металлом основы, и поэтому химический состав расходуемого сварочного электрода будет почти таким же, как химический состав металла сварного шва. Согласно технике сварки, являющейся предметом настоящего изобретения, ожидается, что разбавление составит менее чем приблизительно 15%, но часто меньше чем приблизительно 10%. Для областей, близких к центру металла сварного шва, разбавление должно составить меньше чем приблизительно 5%. Используя любой известный способ расчета обратного разбавления специалист в данной области техники может рассчитать химический состав расходуемого сварочного электрода, предназначенного для использования согласно настоящему изобретению с тем, чтобы получить нужный химический состав металла сварного шва. В защитном газе предпочтительно имеет место низкое содержание СO2 и/или O2. Предпочтительно защитный газ содержит менее чем приблизительно 10 объемных %, более предпочтительно меньше чем приблизительно 5 объемных % и еще более предпочтительно меньше чем приблизительно 2 объемных процента СО2 и/или О2. Основным компонентом защитного газа предпочтительно является аргон; и защитный газ предпочтительно содержит около 80 объемных % или больше аргона, и более предпочтительно больше чем приблизительно 90 объемных % аргона. В количестве до приблизительно 12 объемных % к защитному газу может быть добавлен гелий с целью улучшения характеристик работы дуги или проникновения и профиля наплавленного валика. В случае необходимости при изготовлении контейнера определенной конструкции можно дополнительно уменьшить количество примесей из защитного газа, которые имеют тенденцию к образованию в металле сварного шва неметаллических включений, подавая газ через сверхтонкий фильтр, устройство, известное специалистам в области прецизионной дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Для того, чтобы добиться низкого содержания включений в металле сварного шва сами расходуемый сварочный электрод и металл основы предпочтительно имеют низкое содержание кислорода, серы и фосфора. Указанные признаки способа сварки согласно настоящему изобретению позволяют получить металл сварочного шва, который содержит предпочтительно 150 млн-1 Р, но более предпочтительно меньше чем приблизительно 50 млн-1 Р, менее чем приблизительно 150 млн-1 серы, но более предпочтительно меньше чем приблизительно 30 млн-1 серы, и менее чем приблизительно 300 млн-1 кислорода, но более предпочтительно меньше чем приблизительно 250 млн-1 кислорода. Для определенных конструкций контейнеров содержание кислорода в металле сварного шва предпочтительно поддерживается на уровне менее чем приблизительно 200 млн-1.The preferred low content of inclusions in the welded joints of the present invention is achieved by selecting and using a suitable shielding gas, preserving the purity of the weld and using a consumable welding electrode with a low content of sulfur, phosphorus, oxygen and silicon. The specific chemical composition of the consumable welding electrode should provide the desired chemical composition of the weld metal, which in turn is selected depending on the desired mechanical properties. The required mechanical properties depend on the specific design of the container; the present invention encompasses a number of variations in the chemical composition of the weld metal suitable for use in various designs. When using the welding method that is the subject of the present invention, the bulk of the weld metal will be minimally diluted with the base metal, and therefore the chemical composition of the consumable welding electrode will be almost the same as the chemical composition of the weld metal. According to the welding technique of the present invention, it is expected that the dilution is less than about 15%, but often less than about 10%. For areas close to the center of the weld metal, the dilution should be less than about 5%. Using any known method for calculating back-dilution, one skilled in the art can calculate the chemical composition of a consumable welding electrode for use in accordance with the present invention in order to obtain the desired chemical composition of the weld metal. Preferably, a low content of CO 2 and / or O 2 takes place in the shielding gas. Preferably, the shielding gas contains less than about 10 volume%, more preferably less than about 5 volume%, and even more preferably less than about 2 volume percent, CO 2 and / or O 2 . The main component of the shielding gas is preferably argon; and the shielding gas preferably contains about 80 volume% or more argon, and more preferably more than about 90 volume% argon. In an amount of up to about 12 volume%, helium can be added to the shielding gas in order to improve the arc performance or penetration and the weld bead profile. If necessary, in the manufacture of a container of a certain design, it is possible to further reduce the amount of impurities from the protective gas, which tend to form non-metallic inclusions in the weld metal by supplying gas through an ultrafine filter, a device known to specialists in the field of precision arc welding with a tungsten electrode in an inert gas . In order to achieve a low content of inclusions in the weld metal, the consumable welding electrode and the base metal themselves preferably have a low content of oxygen, sulfur and phosphorus. These signs welding method according to the present invention make it possible to obtain a weld metal that contains preferably 150 million -1 P, but more preferably less than about 50 million -1 P, less than about 150 million -1 sulfur, but more preferably less than about 30 -1 million of sulfur and less than about 300 mn -1 oxygen, but more preferably less than about 250 mn -1 oxygen. For certain designs of containers the oxygen content in the weld metal is preferably maintained at less than about 200 million -1.
Что касается размеров включений, то низкий нагрев при сварке, являющийся предпочтительным при получении сварных швов согласно настоящему изобретению, подбирают таким образом, чтобы получить ограниченный перегрев и высокую скорость охлаждения, ограничивая таким образом время роста включений в расплавленном металле сварочной ванны. Кроме того, для формирования небольшого количества оксидов возможно добавление по отдельности или вместе небольших количеств Al, Ti и Zr (менее чем приблизительно 0,015 весовых % каждого). Эти элементы выбраны благодаря их химическому сродству с кислородом. Что касается Ti, то количество этого элемента следует поддерживать на низком уровне, предпочтительное меньше чем приблизительно 0,010%, чтобы не допустить образования слишком большого количества зародышей игольчатого феррита. Включения, образовавшиеся при реализации настоящего изобретения, имеют в среднем диаметр менее чем приблизительно 700 мм, но предпочтительно диаметр в диапазоне от приблизительно 200 мм до приблизительно 700 мм. Количество неметаллических включений диаметром больше чем приблизительно 1000 нм, в расчете на единицу площади, напр. поверхности среза металла сварного шва, созданного согласно настоящему изобретению, предпочтительно является низким, т.е. предпочтительно меньше чем приблизительно 250 единиц на мм2.As for the dimensions of the inclusions, the low heat during welding, which is preferable when producing welds according to the present invention, is selected so as to obtain limited overheating and high cooling rate, thereby limiting the growth time of inclusions in the molten metal of the weld pool. In addition, to form a small amount of oxides, it is possible to add individually or together small amounts of Al, Ti and Zr (less than about 0.015 weight% each). These elements are selected due to their chemical affinity for oxygen. As for Ti, the amount of this element should be kept low, preferably less than about 0.010%, to prevent the formation of too many acicular ferrite nuclei. The inclusions resulting from the implementation of the present invention have an average diameter of less than about 700 mm, but preferably a diameter in the range of from about 200 mm to about 700 mm. The number of non-metallic inclusions with a diameter greater than approximately 1000 nm, per unit area, e.g. The cut surface of the weld metal created according to the present invention is preferably low, i.e. preferably less than about 250 units per mm 2 .
Баланс между предварительным нагревом и нагревом. The balance between preheating and preheating.
Для использования с находящимся под высоким давлением сжиженным природным газом требуется высокопрочная сталь, которую может оказаться необходимым до некоторой степени предварительно подогреть, чтобы не допустить образования трещин в сварном шве. Предварительный нагрев может изменить скорость охлаждения сварного шва (более сильный предварительный нагрев ведет к замедлению охлаждения) и целью настоящего изобретения является сбалансирование предварительного нагрева и нагрева при сварке таким образом, чтобы (1) исключить образование трещин в сварном шве, и (2) получить мелкозернистую микроструктуру. Предпочтительно предварительный нагрев осуществляется в пределах между комнатной температурой и температурой около 200oС (392oF), но, как должно быть известно специалистам в данной области техники, конкретную температуру предварительного нагрева предпочтительно выбирают, учитывая свариваемость материала и величину нагрева при сварке. Свариваемость материала можно определить любым из нескольких способов испытаний, известных специалистам в данной области техники, таких как испытание контролируемой термической жесткости, испытание с Y-образным пазом или испытание Института сварки Канады. Для этой цели могут также служить модели-болванки, на которых с помощью намеченных процедур изготовления получают сварные соединения истинных металлов основы и сварного шва. Модели предпочтительно обладают достаточными размерами для того, чтобы имитировать уровень напряжений, который возникает в настоящем контейнере для хранения.For use with high-pressure liquefied natural gas, high-strength steel is required, which may be necessary to preheat to some extent to prevent cracking in the weld. Preheating can alter the cooling rate of the weld (stronger preheating slows down cooling) and the aim of the present invention is to balance the preheating and heating during welding so that (1) to prevent cracking in the weld, and (2) to obtain a fine grain microstructure. Preferably, the preheating is carried out between room temperature and a temperature of about 200 ° C. (392 ° F.), but, as those skilled in the art would know, the particular temperature of the preheating is preferably chosen taking into account the weldability of the material and the amount of heating during welding. The weldability of the material can be determined by any of several test methods known to those skilled in the art, such as controlled thermal stiffness testing, Y-groove testing, or the Welding Institute of Canada test. For this purpose, models can also serve as models on which, using the intended manufacturing procedures, welded joints of the true base metals and the weld are obtained. The models are preferably large enough to simulate the level of stress that occurs in a real storage container.
Источник питания переменного тока. AC power source.
В целом источник питания переменного тока может использоваться с любым из процессов сварки в защитном газе, являющихся предпочтительными для применения в способе сварки, являющемся предметом настоящего изобретения. Снижение стабильности дуги или глубины проплавления, связанное с химическим составом электрода или дуги можно в значительной степени компенсировать за счет применения источника питания переменного тока. Так, например, в случае если настоящее изобретение применяется на практике с использованием процесса сварки вольфрамовым электродом с низким нагревом и расходуемого электрода с низким содержанием серы, с помощью переменного тока можно улучшить проплавление наплавленного валика. In general, an AC power source may be used with any of the shielding gas welding processes that are preferred for use in the welding method of the present invention. The decrease in the stability of the arc or the depth of penetration associated with the chemical composition of the electrode or arc can be largely compensated by the use of an AC power source. So, for example, if the present invention is applied in practice using a welding process with a low heat tungsten electrode and a low sulfur consumable electrode, the penetration of the weld bead can be improved by using alternating current.
Контроль разрушений. Destruction control.
Как должно быть известно специалистам в данной области техники, условия эксплуатации, которые принимаются во внимание при конструировании контейнеров, изготовленных из сварной стали и предназначенных для транспортировки находящихся под давлением и при криогенной температуре текучих сред, включают среди прочего рабочие давление и температуру, а также дополнительные напряжения, которые могут возникать в стали и сварных соединениях. Стандартные показатели механики разрушений, такие как (i) критический коэффициент интенсивности напряжений (KIC), который является показателем вязкости разрушения в условиях плоской деформации, и (ii) раскрытие на вершине трещины (CTOD), которое может быть использовано как показатель вязкости разрушения в условиях упругопластических деформаций, причем оба эти показателя, известные специалистам в данной области техники, могут быть использованы для определения вязкости разрушения стали и сварных соединений. Промышленные нормы и правила, применимые обычно при проектировании стальной конструкции, представлены, например, публикацией BSI "Guidance on methods for assessing the acceptability of flaws in fusion welded structures" (Руководство по способам оценки допустимости дефектов в конструкциях, полученных сваркой оплавлением), которую часто сокращенно называют "PD 6493:1991", могут быть использованы для определения максимальных допустимых размеров дефектов в контейнерах, исходя из вязкости разрушения стали и сварного соединения (включая зону термического влияния) и напряжений, приложенных к контейнеру. Специалист в данной области техники может разработать программу контроля разрушений с целью сдерживать возникновение разрушений за счет (i) оптимальной конструкции контейнера, позволяющей свести к минимуму приложенные напряжения, (ii) оптимального контроля качества изготовления, позволяющего свести к минимуму количество дефектов, (iii) оптимального контроля нагрузок и давлений, приложенных к контейнеру, и (iv) оптимальной программы проверки, позволяющей надежно обнаруживать пороки и дефекты контейнера. Предпочтительным принципом конструкции контейнеров для хранения, сваренных согласно настоящему изобретению, является протечка перед разрушением, что известно специалистам в данной области техники. Эти соображения упоминаются здесь как "известные принципы механики разрушения".As should be known to specialists in this field of technology, the operating conditions that are taken into account when designing containers made of welded steel and intended for transportation of pressurized and cryogenic temperature fluids include, among other things, working pressure and temperature, as well as additional stresses that may occur in steel and welded joints. Standard indicators of fracture mechanics, such as (i) the critical stress intensity factor (K IC ), which is an indicator of fracture toughness under conditions of plane deformation, and (ii) crack tip opening (CTOD), which can be used as an indicator of fracture toughness in conditions of elastoplastic deformations, both of which are known to specialists in this field of technology, can be used to determine the fracture toughness of steel and welded joints. Industry norms and rules that are usually applicable in the design of steel structures are presented, for example, in the BSI publication “Guidance on methods for assessing the acceptability of flaws in fusion welded structures” (Guide to methods for assessing the tolerance of defects in structures obtained by fusion welding), which is often abbreviated as "PD 6493: 1991", can be used to determine the maximum allowable size of defects in containers, based on the fracture toughness of steel and welded joint (including the heat-affected zone) and the stresses applied x to the container. A person skilled in the art can develop a damage control program to control the occurrence of damage due to (i) optimal container design to minimize applied stresses, (ii) optimal manufacturing quality control to minimize defects, (iii) optimal monitoring loads and pressures applied to the container, and (iv) an optimal verification program that reliably detects defects and defects of the container. A preferred design principle for storage containers welded in accordance with the present invention is leakage prior to failure, as is known to those skilled in the art. These considerations are referred to herein as “known principles of fracture mechanics”.
Ниже приведен не ограничивающий объем изобретения пример применения этих известных принципов механики разрушения в процедуре расчета критической глубины дефекта для заданной длины дефекта, предназначенной для использования в плане контроля разрушений, предназначенном для предупреждения возникновения разрушений в сосуде высокого давления или контейнере. The following is a non-limiting example of the application of these well-known principles of fracture mechanics in the procedure for calculating the critical defect depth for a given defect length for use in a fracture control plan for preventing fracture in a pressure vessel or container.
На фиг.1В показан дефект, длина которого обозначена позицией 315 и глубина - позицией 310. PD6493 используется для расчета числовых значений критических размеров дефекта для графика 300, показанного на фиг.1А, исходя из следующих проектных показателей:
Диаметр сосуда: - 4,57 м (15 фут)
Толщина стенок сосуда: - 25,4 мм (1,00 дюйм)
Проектное давление: - 3445 кПа (500 фунт/кв.дюйм)
Допустимое окружное напряжение: - 333 МПа (48,3 тыс.фунт/кв.дюйм)
Для целей настоящего примера принят поверхностный дефект длиной 100 мм (4 дюйма), напр. осевой дефект, находящийся в сварном шве. На фиг.1А график 300 показывает значение критической глубины дефекта как функцию вязкости разрушения раскрытия в вершине трещины и остаточного напряжения для уровней остаточного напряжения, составляющих 15, 50 и 100 процентов от предела текучести. Остаточные напряжения могут возникать в результате монтажа и сварки; и PD6493 рекомендует использовать в сварных швах (включая зону термического влияния) остаточное напряжение, равное 100 процентам предела текучести, если только в швах не производится снятие напряжений с использованием таких приемов как термообработка после сварки или механическое снятие напряжений.On figv shows a defect, the length of which is indicated by the position 315 and the depth by the position 310. PD6493 is used to calculate the numerical values of the critical dimensions of the defect for the graph 300, shown in figa, based on the following design indicators:
Vessel Diameter: - 4.57 m (15 ft)
Vessel Wall Thickness: - 25.4 mm (1.00 in)
Design Pressure: - 3445 kPa (500 psi)
Permissible circumferential stress: - 333 MPa (48.3 thousand pounds per square inch)
For the purposes of this example, a surface defect of 100 mm (4 in.) In length, e.g. axial defect in the weld. On figa graph 300 shows the value of the critical depth of the defect as a function of the fracture toughness of the opening at the crack tip and residual stress for residual stress levels of 15, 50 and 100 percent of the yield strength. Residual stresses may occur as a result of installation and welding; and PD6493 recommends using weld seams (including the heat affected zone) with a residual stress equal to 100 percent of the yield strength, unless stress relief is used in the seams using techniques such as post-weld heat treatment or mechanical stress relieving.
Исходя из вязкости разрушения раскрытия в вершине трещины стали сосуда высокого давления при минимальной рабочей температуре можно таким образом организовать изготовление сосуда, чтобы уменьшить остаточные напряжения, и внедрить программу проверки (как для первоначальной проверки, так и проверки в процессе эксплуатации), предназначенную для выявления и измерения дефектов с сопоставлением их с критическим размером дефектов. В данном примере, если сталь имеет ударную вязкость раскрытия в вершине трещины 0,025 мм при минимальной рабочей температуре (при измерении на лабораторных образцах) и остаточные напряжения уменьшаются до 15 процентов от предела текучести стали, то значение критической глубины дефекта равно приблизительно 4 мм (см. точку 320 на фиг.1А). Используя сходные процедуры расчета, хорошо известные специалистам в данной области техники, можно определить критическую глубину дефекта для различной длины, а также различной геометрической формы дефекта. Основываясь на этой информации можно разработать программу контроля качества и программу проверки (приемы, размеры поддающихся обнаружению дефектов, их частота), позволяющие гарантировать, что дефекты будут обнаружены и устранены до достижения критической глубины дефекта или до приложения проектных нагрузок. Исходя из опубликованной эмпирической корреляции между результатом ударного испытания по Шарпи, KIC, и вязкостью разрушения раскрытия в вершине трещины, вязкость раскрытия в вершине трещины на 0,025 мм обычно соответствует результату ударного испытания по Шарпи, равному примерно 37 Дж. Приведенный пример никоим образом не ограничивает объем настоящего изобретения.Based on the fracture toughness of the opening at the top of the crack of the steel of the pressure vessel at the minimum operating temperature, it is thus possible to organize the manufacture of the vessel in order to reduce residual stresses, and introduce a verification program (both for the initial inspection and verification during operation) designed to identify and measuring defects with comparing them with the critical size of defects. In this example, if the steel has an opening toughness of 0.025 mm at the crack tip at the minimum working temperature (when measured on laboratory samples) and the residual stresses are reduced to 15 percent of the yield strength of the steel, then the critical defect depth is approximately 4 mm (see point 320 in FIG. 1A). Using similar calculation procedures that are well known to those skilled in the art, it is possible to determine the critical depth of a defect for different lengths as well as various geometric shapes of the defect. Based on this information, it is possible to develop a quality control program and a verification program (techniques, sizes of detectable defects, their frequency) to ensure that defects are detected and eliminated before reaching the critical depth of the defect or before design loads are applied. Based on the published empirical correlation between the Charpy impact test result, K IC , and the fracture tip fracture toughness, the fracture tip fracture toughness of 0.025 mm usually corresponds to a Charpy impact test result of approximately 37 J. This example in no way limits scope of the present invention.
Примеры. Examples.
В приведенных ниже Примерах способ сварки, являющийся предметом настоящего изобретения, применяется для сварки стали основы типа, описанного в находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявке США, озаглавленной "СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫЕ ДВУХФАЗНЫЕ СТАЛИ, ОБЛАДАЮЩИЕ ПРЕВОСХОДНОЙ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ПРИ КРИОГЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ", с датой приоритета 19 декабря 1997 г., которой БПТ США присвоило номер 60/068816. В данных примерах базовая сталь содержит 0,05 весовых % углерода, 1,70 весовых % марганца, 0,075 весовых % кремния, 0,40 весовых % хрома, 0,2 весовых % молибдена, 2,0 весовых % никеля, 0,05 весовых % Nb и другие легирующие элементы в пределах, указанных в заявке 60/068816, включая, как минимум, от приблизительно 0,008 до приблизительно 0,03 весовых % титана, от приблизительно 0,001 до приблизительно 0,05 весовых % алюминия и от приблизительно 0,002 до приблизительно 0,005 весовых % азота. Кроме того, в стали основы предпочтительным является сведение к минимуму остаточных включений, напр. содержание фосфора (Р) - предпочтительно до менее чем приблизительно 0,01 весового %; содержание серы (S) - предпочтительно до менее чем приблизительно 0,004 весовых %; и содержание кислорода (О) - предпочтительно до менее чем приблизительно 0,002 весовых %. Из стального сляба с таким химическим составом прокатывают толстый лист из сверхвысокопрочной двухфазной стали, имеющей микроструктуру, содержащую от примерно 10 объемных % до примерно 40 объемных % первой фазы, состоящей по существу на 100% ("практически") из феррита, и от примерно 60 объемных % до примерно 90 объемных % второй фазы, преимущественно состоящей из мелкозернистого реечного мартенсита, мелкозернистого нижнего бейнита или их смесей. Если конкретнее, то сталь основы для этих Примеров готовят путем формирования сляба нужного химического состава, описанного выше, нагревают этот сляб до температуры от приблизительно 955oС до приблизительно 1065oС (1750oF-1950oF); подвергают сляб горячей прокатке для получения толстого листа в один или несколько проходов, обеспечивая при этом степень обжатия от приблизительно 30 процентов до приблизительно 70 процентов в первом диапазоне температур, в котором происходит перекристаллизация аустенита, т.е. приблизительно превышающем температуру Тnr, дополнительной горячей прокатке в один или несколько проходов, обеспечивая при этом степень обжатия от приблизительно 40 процентов до приблизительно 80 процентов в первом диапазоне температур, ниже приблизительно температуры Тnr и выше приблизительно температуры фазового превращения Ar3, и окончательной горячей прокатке в один или несколько проходов, обеспечивая при этом степень обжатия от приблизительно 15 процентов до приблизительно 50 процентов при межкритическом диапазоне температур ниже приблизительно температуры фазового превращения Ar3 и выше приблизительно температуры фазового превращения Ar1. Затем горячекатаный толстый стальной лист подвергают закалке при скорости охлаждения от приблизительно 10oС в секунду до приблизительно 40oС в секунду (18oF/сек-72oF/сек) до подходящей температуры прекращения закалки, которая предпочтительно ниже приблизительно температуры превращения Ms, равной плюс 200oС (360oF), когда оканчивается закалка. После окончания закалки стальной лист охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды (см. в глоссарии определения температуры Тnr и температур превращения Ar3, Ar1 и Ms.)
Пример 1
В первом примере применения способа, являющегося предметом настоящего изобретения, процесс дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа используют для получения металла сварного шва, химический состав которого включает железо и около 0,07 весовых % углерода, около 2,05 весовых % марганца, около 0,32 весовых % кремния, около 2,20 весовых % никеля, около 0,45 весовых % хрома, около 0,56 весовых % молибдена, менее чем приблизительно 110 млн-1 фосфора и менее чем приблизительно 50 млн-1 серы. Сварной шов выполнен на стали, такой как описанная выше сталь основы, с использованием защитного газа на основе аргона, содержащего менее чем приблизительно 1 весовой % кислорода. Нагрев при сварке составляет от приблизительно 0,3 кДж/мм. до приблизительно 1,5 кДж/мм (7,6 кДж/дюйм - 38 кДж/дюйм). Сварка таким способом позволяет получить сварное соединение, обладающее пределом прочности на разрыв, превышающим примерно 900 МПа (130 тыс.фунт/кв.дюйм), предпочтительно превышающим примерно 930 МПа (135 тыс.фунт/кв.дюйм), более предпочтительно превышающим примерно 965 МПа (140 тыс.фунт/кв. дюйм), и еще более предпочтительно превышающим примерно 1000 МПа (145 тыс.фунт/кв.дюйм). Кроме того, сварка этим способом позволяет получить металл сварного шва с температурой перехода в хрупкое состояние ниже примерно -73oС (-100oF), предпочтительно ниже примерно -96oС (-140oF), более предпочтительно ниже примерно -106oС (-160oF) и еще более предпочтительно ниже примерно -115oС (-175oF).In the Examples below, the welding method that is the subject of the present invention is used to weld steel of the base type described in the pending US patent application, entitled "SUPERHIGH-STRENGTH TWO-PHASE STEELS WITH EXCELLENT IMPACT VISCOSITY AT CRYEROGENE DECEMBER 19, December 1997, to which the USTN assigned the number 60/068816. In these examples, base steel contains 0.05 weight% carbon, 1.70 weight% manganese, 0.075 weight% silicon, 0.40 weight% chromium, 0.2 weight% molybdenum, 2.0 weight% nickel, 0.05 weight% % Nb and other alloying elements within the limits specified in application 60/068816, including at least from about 0.008 to about 0.03 weight% of titanium, from about 0.001 to about 0.05 weight% of aluminum, and from about 0.002 to about 0.005 weight% nitrogen. In addition, in base steels, it is preferable to minimize residual inclusions, e.g. phosphorus content (P) - preferably up to less than about 0.01 weight%; sulfur content (S) - preferably up to less than about 0.004 weight%; and the oxygen content (O) is preferably up to less than about 0.002 weight%. A thick sheet of ultra-high-strength two-phase steel having a microstructure containing from about 10 volume% to about 40 volume% of the first phase, consisting essentially of 100% ("practically") ferrite, and from about 60, is rolled from a steel slab with such a chemical composition. volume% to about 90 volume% of the second phase, mainly consisting of fine-grained rack martensite, fine-grained lower bainite or mixtures thereof. More specifically, the base steel for these Examples is prepared by forming a slab of the desired chemical composition described above, heating this slab to a temperature of from about 955 ° C. to about 1065 ° C. (1750 ° F-1950 ° F); the slab is hot rolled to produce a thick sheet in one or more passes, while providing a reduction ratio of from about 30 percent to about 70 percent in the first temperature range in which austenite recrystallizes, i.e. approximately exceeding the temperature T nr , additional hot rolling in one or several passes, while providing a degree of reduction from about 40 percent to about 80 percent in the first temperature range, below about the temperature T nr and above about the phase transformation temperature Ar 3 , and the final hot rolling in one or more passes, while providing a reduction ratio of from about 15 percent to about 50 percent at an intercritical temperature range below approximately the temperature of the phase transformation of Ar 3 and above approximately the temperature of the phase transformation of Ar 1 . Then, the hot-rolled thick steel sheet is quenched at a cooling rate of from about 10 ° C. per second to about 40 ° C. per second (18 ° F / sec-72 ° F / sec) to a suitable quenching termination temperature, which is preferably below about the conversion temperature M s equal to plus 200 ° C (360 ° F) when quenching ends. After quenching, the steel sheet is cooled in air to ambient temperature (see the glossary for determining the temperature T nr and the transformation temperatures Ar 3 , Ar 1 and M s .)
Example 1
In a first example application of the method that is the subject of the present invention, the metal electrode arc welding process in a shielding gas medium is used to produce a weld metal whose chemical composition includes iron and about 0.07 weight% carbon, about 2.05 weight% manganese, about 0.32 wt% silicon, about 2.20 wt% nickel, about 0.45 wt% chromium, about 0.56 wt% molybdenum, less than about 110 million -1 phosphorus and less than about 50 million sulfur -1. The weld is made on steel, such as the base steel described above, using an argon-based shielding gas containing less than about 1 weight% oxygen. Welding heat ranges from approximately 0.3 kJ / mm. up to approximately 1.5 kJ / mm (7.6 kJ / in - 38 kJ / in). Welding in this way allows a weld to be obtained having a tensile strength greater than about 900 MPa (130 thousand pounds per square inch), preferably more than about 930 MPa (135 thousand pounds / square inch), more preferably more than about 965 MPa (140 thousand pounds per square inch), and even more preferably in excess of about 1000 MPa (145 thousand pounds per square inch). In addition, welding by this method allows one to obtain a weld metal with a brittle temperature below about -73 ° C (-100 ° F), preferably below about -96 ° C (-140 ° F), more preferably below about -106 o C (-160 o F) and even more preferably below about -115 o C (-175 o F).
Пример 2
В другом примере применения способа, являющегося предметом настоящего изобретения, процесс дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа используют для получения металла сварного шва, химический состав которого включает железо и около 0,10 весовых % углерода (предпочтительно меньше чем приблизительно 0,10 весовых % углерода, более предпочтительно меньше чем приблизительно 0,07-0,08 весовых % углерода), около 1,60 весовых % марганца, около 0,25 весовых % кремния, около 1,87 весовых % никеля, около 0,87 весовых % хрома, около 0,51 весовых % молибдена, менее чем приблизительно 75 млн-1 фосфора и менее чем приблизительно 100 млн-1 серы. Нагрев при сварке составляет от приблизительно 0,3 кДж/мм до приблизительно 1,5 кДж/мм (7,6 кДж/дюйм - 38 кДж/дюйм) при предварительном подогреве примерно до 100oС (212oF). Сварной шов выполнен на стали, такой как описанная выше сталь основы, с использованием защитного газа на основе аргона, содержащего менее чем приблизительно 1 весовой % кислорода. Сварка таким способом позволяет получить сварное соединение, обладающее пределом прочности на разрыв, превышающим примерно 900 МПа (130 тыс.фунт/кв.дюйм), предпочтительно превышающим примерно 930 МПа (135 тыс.фунт/кв.дюйм), более предпочтительно превышающим примерно 965 МПа (140 тыс. фунт/кв.дюйм), и еще более предпочтительно превышающим примерно 1000 МПа (145 тыс.фунт/кв.дюйм). Кроме того, сварка этим способом позволяет получить металл сварного шва с температурой перехода в хрупкое состояние ниже примерно -73oС (-100oF), предпочтительно ниже примерно -96oС (-140oF), более предпочтительно ниже примерно -106oС (-160oF) и еще более предпочтительно ниже примерно -115oС (-175oF).Example 2
In another example application of the method of the present invention, a metal electrode arc welding process in a shielding gas medium is used to produce a weld metal whose chemical composition includes iron and about 0.10 weight% carbon (preferably less than about 0.10 weight% carbon, more preferably less than about 0.07-0.08 weight% carbon), about 1.60 weight% manganese, about 0.25 weight% silicon, about 1.87 weight% nickel, about 0.87 weight% chromium , about 0.51 weight% moth Vigil, less than about 75 million -1 phosphorus and less than about 100 million sulfur -1. The heat during welding is from about 0.3 kJ / mm to about 1.5 kJ / mm (7.6 kJ / inch to 38 kJ / inch) when preheated to about 100 ° C (212 ° F). The weld is made on steel, such as the base steel described above, using an argon-based shielding gas containing less than about 1 weight% oxygen. Welding in this way allows a weld to be obtained having a tensile strength greater than about 900 MPa (130 thousand pounds per square inch), preferably more than about 930 MPa (135 thousand pounds / square inch), more preferably more than about 965 MPa (140 thousand pounds per square inch), and even more preferably in excess of about 1000 MPa (145 thousand pounds per square inch). In addition, welding by this method allows one to obtain a weld metal with a brittle temperature below about -73 ° C (-100 ° F), preferably below about -96 ° C (-140 ° F), more preferably below about -106 o C (-160 o F) and even more preferably below about -115 o C (-175 o F).
Пример 3
В другом примере применения способа, являющегося предметом настоящего изобретения, процесс дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа используют для получения металла сварного шва, химический состав которого включает железо и около 0,07 весовых % углерода (предпочтительно меньше чем приблизительно 0,07 весовых % углерода), около 1,80 весовых % марганца, около 0,20 весовых % кремния, около 4,00 весовых % никеля, около 0,5 весовых % хрома, около 0,40 весовых % молибдена, около 0,02 весовых % меди, около 0,02 весовых % алюминия, около 0,010 весовых % титана, около 0,015 весовых % Zr, менее чем приблизительно 50 млн-1 фосфора и менее чем приблизительно 30 млн-1 серы. Нагрев при сварке составляет от приблизительно 0,3 кДж/мм до приблизительно 1,5 кДж/мм (7,6 кДж/дюйм - 38 кДж/дюйм) при предварительном подогреве примерно до 100oС (212oF). Сварной шов выполнен на стали, такой как описанная выше сталь основы, с использованием защитного газа на основе аргона, содержащего менее чем приблизительно 1 весовой % кислорода. Сварка таким способом позволяет получить сварное соединение, обладающее пределом прочности на разрыв, превышающим примерно 900 МПа (130 тыс. фунт/кв. дюйм), предпочтительно превышающим примерно 930 МПа (135 тыс. фунт/кв. дюйм), более предпочтительно превышающим примерно 965 МПа (140 тыс. фунт/кв. дюйм), и еще более предпочтительно превышающим примерно 1000 МПа (145 тыс.фунт/кв.дюйм). Кроме того, сварка этим способом позволяет получить металл сварного шва с температурой перехода в хрупкое состояние ниже примерно -73oС (-100oF), предпочтительно ниже примерно -96oС (-140oF), более предпочтительно ниже примерно -106oС (-160oF) и еще более предпочтительно ниже примерно -115oС (-175oF).Example 3
In another example application of the method of the present invention, a metal electrode arc welding process in a shielding gas medium is used to produce a weld metal whose chemical composition includes iron and about 0.07 weight% carbon (preferably less than about 0.07 weight% carbon), about 1.80 weight% manganese, about 0.20 weight% silicon, about 4.00 weight% nickel, about 0.5 weight% chromium, about 0.40 weight% molybdenum, about 0.02 weight% copper , about 0.02 weight% of aluminum, about 0.010 weight % Titanium, about 0.015 wt% Zr, less than about 50 million -1 phosphorus and less than about 30 million sulfur -1. The heat during welding is from about 0.3 kJ / mm to about 1.5 kJ / mm (7.6 kJ / inch to 38 kJ / inch) when preheated to about 100 ° C (212 ° F). The weld is made on steel, such as the base steel described above, using an argon-based shielding gas containing less than about 1 weight% oxygen. Welding in this way allows you to get a welded joint having a tensile strength greater than about 900 MPa (130 thousand psi), preferably more than about 930 MPa (135 thousand psi), more preferably greater than about 965 MPa (140 thousand pounds per square inch), and even more preferably greater than about 1000 MPa (145 thousand pounds per square inch). In addition, welding by this method allows one to obtain a weld metal with a brittle temperature below about -73 ° C (-100 ° F), preferably below about -96 ° C (-140 ° F), more preferably below about -106 o C (-160 o F) and even more preferably below about -115 o C (-175 o F).
Сходный с описанным в приведенных примерах химический состав можно получить, используя сварочные процессы дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа или дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Однако ожидается, что сварные швы, полученные процессом дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа, имеют меньшее содержание примесей и более рафинированную микроструктуру, чем швы, полученные процессом дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа, и обладают, таким образом, более высокой ударной вязкостью при низкой температуре (см. табл.2). The chemical composition similar to that described in the above examples can be obtained using welding processes of metal-arc welding with a metal electrode in a shielding gas medium or with a tungsten-metal arc welding in an inert gas environment. However, it is expected that the welds obtained by the process of arc welding with a tungsten electrode in an inert gas medium have a lower content of impurities and a more refined microstructure than the welds obtained by the process of arc welding with a metal electrode in a protective gas medium, and thus have a higher impact viscosity at low temperature (see table 2).
Хотя настоящее изобретение описано в виде одного или нескольких примеров предпочтительных вариантов реализации, следует помнить о возможности создания других модификаций без отступления от объема изобретения, приведенного в следующей далее формуле изобретения. Способ сварки, являющийся предметом настоящего изобретения, может быть использован со многими марками стали, отличающимися от сверхвысокопрочных, низколегированных сталей, описанных здесь и приведенных исключительно в качестве примера. Although the present invention has been described as one or more examples of preferred embodiments, it should be remembered that other modifications can be made without departing from the scope of the invention as set forth in the following claims. The welding method, which is the subject of the present invention, can be used with many grades of steel that differ from the ultra-high strength, low alloy steels described here and are given solely as an example.
Claims (12)
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US60/050,280 | 1997-06-20 | ||
| US60/053,966 | 1997-07-28 | ||
| US8546298P | 1998-05-14 | 1998-05-14 | |
| US60/085,462 | 1998-05-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99128034A RU99128034A (en) | 2001-09-20 |
| RU2198771C2 true RU2198771C2 (en) | 2003-02-20 |
Family
ID=22191775
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99128034/02A RU2198771C2 (en) | 1998-05-14 | 1998-06-18 | Superhigh strength cryogenic welded joints |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2198771C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2458174C1 (en) * | 2009-05-19 | 2012-08-10 | Ниппон Стил Корпорейшн | Steel for welded structures and method for its obtaining |
| US8361248B2 (en) | 2007-12-07 | 2013-01-29 | Nippon Steel Corporation | Steel superior in CTOD properties of weld heat-affected zone and method of production of same |
| US8920713B2 (en) | 2009-05-21 | 2014-12-30 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Steel for welded structure and producing method thereof |
| US9403242B2 (en) | 2011-03-24 | 2016-08-02 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Steel for welding |
-
1998
- 1998-06-18 RU RU99128034/02A patent/RU2198771C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ХРЕНОВ К.К. Словарь-справочник по сварке. - Киев: Наукова Думка, 1974, с.129,133,135,141-142. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8361248B2 (en) | 2007-12-07 | 2013-01-29 | Nippon Steel Corporation | Steel superior in CTOD properties of weld heat-affected zone and method of production of same |
| RU2458174C1 (en) * | 2009-05-19 | 2012-08-10 | Ниппон Стил Корпорейшн | Steel for welded structures and method for its obtaining |
| US8668784B2 (en) | 2009-05-19 | 2014-03-11 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Steel for welded structure and producing method thereof |
| US8920713B2 (en) | 2009-05-21 | 2014-12-30 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Steel for welded structure and producing method thereof |
| US9403242B2 (en) | 2011-03-24 | 2016-08-02 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Steel for welding |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3964467B2 (en) | Ultra-high strength low-temperature weldment | |
| RU2275281C2 (en) | Welded seam metal for joining high-strength low-alloy steels | |
| El-Batahgy et al. | Comparison between GTA and laser beam welding of 9% Ni steel for critical cryogenic applications | |
| US6892926B2 (en) | Toughness-optimized weld joints and methods for producing said weld joints | |
| RU2198771C2 (en) | Superhigh strength cryogenic welded joints | |
| US6852175B2 (en) | High strength marine structures | |
| WO2001063974A1 (en) | Welding consumable wires | |
| Batista et al. | Girth welding of API 5L X70 and X80 sour service pipes | |
| Wang et al. | Weldability of high strength and enhanced hardenability steels | |
| Connolly et al. | Determining Steel Weld Qualification and Performance for Hydrogen Pipelines* Phase I Report to The US Department of Transportation, Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration, 693JK319000013 | |
| Gáspár et al. | Challenges and opportunities in the arc welding of offshore steels | |
| Namegawa et al. | Suitability evaluation of high-strength 15% Ni steel for liquid hydrogen tank | |
| Xu et al. | Characterization of Microstructure, Tensile (23° C to 850° C) and Charpy Transition Curves of a Current Tank Car Steel (TC128B) Circumferential Weld | |
| MXPA99011349A (en) | Ultra-high strength cryogenic weldments | |
| Keltanen | Narrow Gap flux-cored arc welding of high strength shipbuilding steels | |
| Ju´ nior et al. | Influence of Nitrogen Gas of Three Different Procedures of GTAW Welding on Final Metallurgical and Mechanical Properties of a 2% W SDSS Piping |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20030619 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120619 |