Vusić_Projekt PI - Finalno

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

PROJEKT PI

Filip Vusić

Zagreb, 2015.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

Zavarivanje pod zaštitom praška (EPP)

kotlovskih limova

Mentor: Student:

Prof. dr. sc. Zoran Kožuh Filip Vusić

Zagreb, 2015.

Filip Vusić Projekt PI

Fakultet strojarstva i brodogradnje I

SADRŽAJ

SADRŽAJ ................................................................................................................................... I

POPIS SLIKA ............................................................................................................................ II

POPIS TABLICA ..................................................................................................................... III

1. UVOD .................................................................................................................................. 1

2. EPP POSTUPAK ZAVARIVANJA ................................................................................... 3

2.1. Parametri zavarivanja ................................................................................................... 4

2.2. Prašak ........................................................................................................................... 5

2.3. Podloge pri zavarivanju prvog sloja ............................................................................. 7

2.4. EPP zavarivanje s dvije žice ........................................................................................ 8

3. ČELICI U KOTLOGRADNJI ........................................................................................... 10

3.1. Super 12% Cr – čelicic ............................................................................................... 10

3.2. Moderni martenzitni čelici za kotlogradnju ............................................................... 13

3.3. Zavarljivost i primjer zavarivanja čelika za kotlogradnju.......................................... 16

3.3.1. Predgrijavanje čelika P91 i P92 ......................................................................... 20

3.3.2. Zavarivanje čelika P91 i P92 .............................................................................. 21

3.3.3. Toplinska obrada nakon zavarivanja................................................................... 23

4. ZAKLJUČAK .................................................................................................................... 25

5. POPIS LITERATURE ....................................................................................................... 26


Fakultet strojarstva i brodogradnje II

POPIS SLIKA

Slika 1. Shematski prikaz taljenja i skrućivanja kod EPP zavarivanja [5] ....................... ....3

Slika 2. Utjecaj nekih parametara zavarivanja na geometrijski oblik zavara [5] ................. 4

Slika 3. Tandem tehnika EPP zavarivanja [10] .................................................................... 9

Slika 4. Dijagram stanja Fe-Cr-C pri % Cr=12=const. [12] ............................................... 11

Slika 5. Zavisnost granice puzanja od temperature glavnih grupa martenzitnih čelika za

kotlogradnju [13] ................................................................................................... 13

Slika 6. Oksidacija čelika 9 – 12% Cr uslijed djelovanja pare na 650 °C [13] .................. 15

Slika 7. Smanjenje debljine stijenke cijevi primjenom različitih materijala [13] .............. 16

Slika 8. CCT dijagram za čelik X20CrMoV12-1 [13] ....................................................... 17

Slika 9. CCT dijagram za čelik P91 [13] ............................................................................ 17

Slika 10. CCT dijagram za čelik P92 [13] ............................................................................ 18

Slika 11. Tipičan ciklus obrade čelika P92 za vrijeme i nakon zavarivanja [1] ................... 19

Slika 12 Proces predgrijavanja prije zavarivanja čelika P91 [14].......................................20

Slika 13. Tople pukotine nastale zavarivanjem mehaniziranim EPP postupkom [1] ........... 22

Slika 14. Raspored tvrdoća nakon zavarivanja i toplinske obrade na čeliku P91 [14].........24


Fakultet strojarstva i brodogradnje III

POPIS TABLICA

Tablica 1. Poboljšanje parametara energetskih kotlovskih postrojenja u najrazvijenijim

zemljama svijeta [1] ................................................................................................ 1

Tablica 2. Usporedba EPP zavarivanja s jednom i dvije žice [9] .............................................. 8

Tablica 3. Super – 12% Cr toplinski visokopostojani čelici [12] ............................................. 12

Tablica 4. Kemijski sastav martenzitnih čelika za komponente u kotlogradnji [13] ............... 14

Tablica 5. Mehanička svojstva čelika za komponente u kotlogradnji na 20 °C [13] ............... 14


Fakultet strojarstva i brodogradnje IV


Fakultet strojarstva i brodogradnje 1

1. UVOD

Povećani životni standard i povećanje svjetske populacije utječu na sve veću potrošnju

električne energije, što zahtijeva i povećanje proizvodnje iste. Najveći dio električne energije

proizvodi se izgaranjem fosilnih goriva pomoću energetskih kotlovskih postrojenja, zatim u

nuklearnim elektranama, te upotrebom različitih obnovljivih izvora energije, kao što su sunčeva

energija, energija vjetra, valova, plime i oseke. Za proizvodnju električne energije najviše se

koriste i u bližoj budućnosti će se koristiti fosilna goriva. Također sve više se koristi prerađeni

otpad kao gorivo za proizvodnju iste. Zalihe fosilnih goriva su sve manje. Prema nekim

izvorima pretpostavlja se da su zalihe ugljena 200 do 300 godina, a zalihe tekućih derivata 50

do 60 godina. Što se tiče energetskih kotlovskih postrojenja potrebe za izgradnjom novih i

rekonstrukcijom starih su sve veće. Zbog smanjenja zaliha fosilnih goriva i današnjih zahtjeva

za što manjim zagađivanjem okoline, teži se da u eksploataciji kotlovska postrojenja imaju

iskoristivost veću od 50%. To se može ostvariti samo ako kotlovska postrojenja budu u

eksploataciji radila sa višim parametrima pare, temperaturom i tlakom [1]. Tablica 1 pokazuje

poboljšanje parametara energetskih kotlovskih postrojenja u najrazvijenijim zemljama svijeta.

Tablica 1. Poboljšanje parametara energetskih kotlovskih postrojenja u najrazvijenijim

zemljama svijeta [1]

Zahjtevi za većom efikasnošću, i shodno tome povećanje radnih parametara (tlak,

temperatura) i veličina postrojenja, uvjetovali su razvoj čelika veće čvrstoće. U Europi su tokom

ranih 60-tih godina razvijena dva čelika sa povećanom prekidnom čvrstoćom puzanja: X20

CrMoV 12-1 i EM12. Čelik X20 CrMoV 12-1 sadrži 12 % Cr i 1 % Mo, uz dodatak V. EM12

je čelik sa 9 % Cr, 2 % Mo i sa dodatkom V i Nb. Sljedeći logični korak je bio razvoj

modificiranog 9 % Cr čelika; ova klasa je uspješno prihvaćena širom svijeta tokom kasnih

osamdesetih. Do danas X20 CrMoV 12-1 i EM 12 čelici uveliko se zamjenjuju sa T/P91 [2].



Kotlovska postrojenja i posude pod tlakom spadaju u strojarske konstrukcije s, u pravilu,

velikom debljinom stijenke. Prema normi HRN M.E2. 150 debljine stijenke (s) se dijele u četiri

grupe: tanka do 6 mm; srednja iznad 6 do 30 mm; debela iznad 30 do 100 mm i vrlo debela

debljine iznad 100 mm [3].

Zavarivanje debelih stijenki često se obavlja zavarivanjem pod zaštitom praška (EPP)

postupkom zbog prednosti u odnosu na druge elektrolučne postupke zavarivanja, a najznačajniji

su: veliki depozit materijala, velike brzine zavarivanja i dubine penetracije, mogućnosti

automatizacije postupka te također poboljšani uvjeti rada zavarivača zbog zaštite električnog

luka slojem praška [4].

U radu će detaljnije biti opisani sam postupak EPP zavarivanja te čelici za kotlovske

limove na koje se najčešće aplicira ovaj postupak zavarivanja.



2. EPP POSTUPAK ZAVARIVANJA

Zavarivanje pod zaštitom praška (EPP) ubraja se u elektrolučne postupke. Električni luk

se održava između kontinuirane taljive elektrode (najčešće u obliku žice) i radnog komada.

Električni luk se u toku procesa ne vidi jer je prekriven slojem praška i troske koja nastaje

taljenjem dijela tog praška. Prašak štiti rastaljeni metal od djelovanja okolne atmosfere,

sprječava naglo hlađenje zavara i oblikuje zavar. Također on ima utjecaja na kemijski sastav

metala zavara. Proces teljenja i skrućivanja kod EPP zavarivanja prikazan je slikom 1. [5].

Slika 1. Shematski prikaz taljenja i skrućivanja kod EPP zavarivanja [5]

Ovaj postupak namijenjen je prvenstveno za zavarivanje i navarivanje debljih i duljih

spojeva, na primjer u gradnji velikih spremnika te za navarivanje nehrđajućih čelika na

nelegirani čelik i slično. U ovisnosti o debljini osnovnog materijala priprema za zavarivanje

može biti u obliku I ili Y spoja. I spoj se koristi za debljine do približno 12 mm, a Y spoj za

debljine veće od 10 mm. Najčešće se primjenjuje mehanizirana varijanta postupka, gdje je

mehanizirano dodavanje elektrodne žice i pomicanje u smjeru zavarivanja. Postoje i

poluautomatski uređaji gdje se vođenje glave vrši ručno [5].



Smatra se da je primjena ovog postupka ekonomična za zavarivanje spojeva dužih od

0,5 m te za limove debljine iznad 10 mm. Postupak se primjenjuje za zavarivanje u položenom

položaju, ili u posebnim slučajevima u PC položaju ( npr. gradnja plašta rezervoara). U ostalim

položajima je postupak teško primjenjiv, jer zbog padanja praška nema zaštite mjesta

zavarivanja. Kod EPP zavarivanja česta je upotreba naprava (okretaljki, pozicionera i slično)

kojima se zavareni spoj dovodi u položeni položaj [5].

2.1. Parametri zavarivanja

Geometrijski oblik zavara značajno ovisi o parametrima zavarivanja od kojih su

najvažniji struja zavarivanja, napon na električnom luku te brzina zavarivanja. Na slici 2

prikazan je utjecaj pojedninih navedenih parametara, a konačni oblik spoja ovisiti će o

zajedničkom djelovanju tih parametara. Naime, promjena jednog parametra izaziva odmah i

promjenu ostalih parametara, iako u nešto manjoj mjeri [5].

Slika 2. Utjecaj nekih parametara zavarivanja na geometrijski oblik zavara [5]



Jakost struje zavarivanja najviše utječe na količinu nataljenog materijala u jedinici

vremena (depozit) i na dubinu protaljivanja (penetraciju) i to tako da se povećanjem jakosti

struje povećavaju depozit i penetracija. Jakosti struje kod EPP-a se nalaze u rasponu 300 A do

1500 A, ovisno o postavljenim zahtjevima i vrsti materijala koji se zavaruje [6].

Povećanjem napona električni luk se produljuje, smanjuje se penetracija, a povećavaju

se širina zavara, metalurške reakcije i potrošnja praška. Viši napon, također, olakšava uspostavu

električnog luka. Napon luka se odabire s obzirom na jakost struje i željeni oblik i dimenzije

zavara [6].

Brzina zavarivanja odnosno brzina pomicanja električnog luka utječe na penetraciju i

širinu zavara. Povećanjem brzine zavarivanja uz konstantne ostale parametre, smanjuje se

penetracija i širina zavara. Iznimno, kod premalih brzina zavarivanja penetracija se, također,

smanjuje. To se objašnjava stvaranjem velike količine taline koja se „podvlači“ ispod luka i

tako sprečava njegovo prodiranje u osnovni materijal [6].

Najbolja penetracija i oblik zavara dobivaju se zavarivanjem istosmjernom strujom sa

elektrodom na plus polu. Elektroda na minus polu daje manju penetraciju i veće nadvišenje

zavara. Rezultati zavarivanja izmjeničnom strujom negdje su na sredini između plus i minus

pola istosmjerne struje. EPP zavarivanje se najčešće obavlja istosmjernom strujom sa žicom na

plus polu [7].

2.2. Prašak

Praškovi se razlikuju prema kemijskom sastavu, načinu proizvodnje, obliku i veličini

zrna. Po kemijskom sastavu, praškovi su vrlo slični sastavu obloge kod obloženih elektroda i

imaju iste funkcije [5].

Pri izboru kombinacije praška/žice treba uzeti u obzir [4]:

- uklanjanje troske,

- sposobnost zavarivanja na nečistim površinama,

- brzinu zavarivanja,

- mogućnost višeslojnog zavarivanja,

- cijenu i potrošnju praška,

- mehaničke osobine.



Čistoća osnovnog materijala je naročito važna kod većih brzina zavarivanja zbog moguće

pojave poroznosti zavara [4].

Vrste praška prema stupnju legiranja Si i Mn se dijele na [4]:

neutralne: nemaju veliki utjecaj na promjene sadržaja Mn i Si, obično prouzrokuju sniženje

sadržaja Cr, mali je utjecaj parametara zavarivanja na kemijski sastav i

mehaničke osobine metala zavara, pogodni su za višeslojno zavarivanje,

pogotovo za debljine iznad 25 mm, kod jednoslojnog zavarivanja i pri

zavarivanju preko zahrđalih površina može doći do poroznosti metala zavara.

aktivne: kroz prašak se dodaju male količine Mn i Si što smanjuje pojavu poroznosti

posebno kod zavarivanja preko zahrđalih površina, ovi praškovi su pogodni za

jednoslojno zavarivanje, parametri zavarivanja moraju biti kontrolirani, najčešće

se koriste pri naponu luka do 36 V, koriste se za velike brzine zavarivanja, troska

se lako uklanja.

legirane: legirajući elementi se dodaju kroz prašak, na stupanj legiranja veliki utjecaj

imaju parametri zavarivanja.

Prema načinu proizvodnje razlikujemo [5]:

- taljene praškove,

- aglomerirane praškove,

- sinterirane praškove,

- miješane praškove.

Taljeni praškovi proizvode se teljenjem u elektrolučnim ili plinskim pećima pri

temperaturi iznad 1500 °C do 1600 °C. Rastaljena masa lijeva se u vodu gdje se talina skrućuje

u obliku grumena koje se kasnije suše i drobe na potrebnu veličinu. Aglomerirani praškovi

dobivaju se vezivanjem sitno mljevenih komponenti, a kao vezivo služi neka od vrsta vodenog

stakla. Miješani praškovi su praškovi koji su miješani od dva ili više tipova praška. Prednost

taljenih prašaka je što nisu higroskopni za razliku od aglomeriranih koji su vrlo osjetljivi na

vlagu, pa ih je često puta potrebno sušiti prije upotrebe. Nedostatak taljenih u odnosu an

aglomerirane praškove je u načinu proizvodnje. Za proizvodnju teljenog praška potrebno je

uložiti značajno više energije, a izaziva se i prilično zagađivanje okoline [5].



2.3. Podloge pri zavarivanju prvog sloja

Izraz „podloge pri zavarivanju“ podrazumijeva primjenu različito profiliranih dijelova,

postavljenih uz spoj, s donje strane žlijeba koji će biti zavaren, tako da osiguravaju pravilno

oblikovanje prvog tzv. korijenskog sloja. Izvođenje korijenskog sloja smatra se najkritičnijom

operacijom u proizvodnji zavarivanjem. Potrebno je uravnotežiti brojne sile koje djeluju na

talinu, uz zahtjev da se osigura potpuna penetracija, bez prevelikog nadvišenja i ugorina.

Podloga ispunjava ovu funkciju oblikujući korijen [5].

Osim ove funkcije, primjenom podloga, ostvaruju se i neke vrlo važne ekonomsko –

tehnološke prednosti. Jedna od najvažnijih je svakako toplinska izolacija, koju osiguravaju

nemetalne podloge, a povoljno utječe na smanjenje krutih deformacija spoja, jer se izjednačuje

brzina hlađenja u licu i korijenu zavara. S ekonomskog gledišta to je mogućnost rada s

povećanim parametrima, čime se spoj izvodi u manje slojeva i kraćem vremenu [5].

Prema vrsti materijala podloge se mogu razvrstati na [5]:

- metalne,

- podloge iz praška za zavarivanje,

- keramičke podloge,

- podloge iz stakla.

Metalne podloge dijele se u dvije osnovne grupe. U prvoj grupi su podloge koje nakon

zavarivanja čine sastavni dio spoja i konstrukcije tj. pri zavarivanju potpuno se tale i ulaze u

metal zavara. U drugoj grupi metalnih podloga su podloge koje pridržavaju talinu pri

zavarivanju, a nakon zavarivanja uklanjaju se s mjesta spoja. Ta vrsta podloga je najčešće

izrađena iz bakra i može biti hlađena vodom [5].

Prašak kod ovih podloga može biti rastresit, rastresit omotan tkanjem, povezan vezivom

u želatinastu masu ili kompaktan (briketiran, sinteriran). Nedostatak podloga iz rastresitog

praška je u tome što se mogu primjenjivati samo za vodoravni položaj [5].

Keramičke podloge prema vrsti keramike i načinu proizvodnje podloge mogu biti

higroskopne ili otporne na vlagu. Pri primjeni higroskopnih podloga mogu se pojaviti

poroznosti u zavarenom spoju [5].

Podloge iz stakla mogu biti krute, na primjer obično prozorsko staklo ili elastične

izrađene iz staklenog tkanja u više slojeva. Prednost ovih podloga je da ne postoji opasnost od

privarivanja na konstrukciju te se zbog manjeg toplinskog kapaciteta upotrebljavaju uglavnom

za tanje limove [5].



2.4. EPP zavarivanje s dvije žice

Zahtjevi za daljnjim povećanjem produktivnosti uvjetovali su razvoj većeg broja

varijanti, kako drugih postupaka, tako i EPP-a. Produktivnost je izuzetno bitna pri izboru

postupka zavarivanja debelih materijala poput kotlovskih limova. EPP pruža široke mogućnosti

u mijenjanju elemenata procesa zavarivanja [8].

EPP zavarivanje s dvije žice ne razlikuje se mnogo od konvencijalong postupka EPP

zavarivanja. Zavarivanje s dvije žice realizira se ugradnjom dodatne kontaktne cjevčice u isti

vodič elektrode. Ova tehnika se prvenstveno upotrebljava u interesu veće produktivnosti bez

velikih ulaganja u postojeći EPP sustav zavarivanja. Zbog veće jakosti struje kod uporabe dvije

žice povećava se depozit nataljenog materijala od 30 – 40 %. Struja zavarivanja dijeli se jednako

između dvije žice. Promjeri žica koji se koriste kod EPP zavarivanja sa dvije žice iznose 2, 2.5

i 3 mm s razmakom između žica od 8 mm. Struja zavarivanja je istosmjerna s žicama na plus

polu. Ovakav polaritet struje daje najveću stabilnost luka i najmanju opasnost od poroznosti

[9]. Tablica 2 prikazuje usporedbu između EPP zavarivanja s jednom i dvije žice. U tablici su

dani podaci o korištenim strujama zavarivanja i depozitu materijala u ovisnosti o debljini žice

i korištenom postupku EPP zavarivanja.

Tablica 2. Usporedba EPP zavarivanja s jednom i dvije žice [9]



Kada su po dvije žice spojene u odvojene sapnice za zavarivanje te su priključene na

odvojene jedinice snage, a zavarivanje se vrši na istom spoju govorimo o tzv. tandem tehnici

EPP zavarivanja. Debljine žice za zavarivanje kod tandem tehnike iznose 3 – 4 mm. Žice mogu

biti raspoređene u liniji jedna iza druge u pravcu ili pod određenim kutom na pravac

zavarivanja. Kod svih kombinacija najvažniji je optimalan razmak među žicama kako se ne bi

međusobno doticale i kako bi, pod praškom, tvorile jednu kupku taline što je preduvjet za

kvalitetan zavar. [10] Slika 3 prikazuje tandem tehniku EPP zavarivanja.

Slika 3. Tandem tehnika EPP zavarivanja [10]



3. ČELICI U KOTLOGRADNJI

U kotlogradnji se koriste čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama. Pri izboru

materijala za dijelove u kotlogradnji najvažnija je mehanička otpornost, ali uz to se, također,

traži često i kemijska postojanost na različite medije, djelovanje plinova i vatre (otpornost na

intenzivnu oksidaciju) [11].

Kod čelika i željeznih materijala do 180 °C nema bitnijih promjena mehaničkih

svojstava, pa se te temperature smatraju niskim. Radne temperature od 180...450 °C za čelik su

povišene, a one iznad 450 °C visoke jer pri njima počinje puzanje čelika. Iskustvo pokazuje da

se, kod metalnih materijala, zadovoljavajuća mehanička svojstva postižu do temperatura od 2/3

temperature tališta [11].

3.1. Super 12% Cr – čelici

Radi se o skupini čelika nastaloj od martenzitnog korozijski postojanog čelika X20 Cr

13, ali koji je prikladan za rad pri povišenim temperaturama samo do oko 400 °C (kratkotrajno

do 480 °C) Razlozi razvoja ovih čelika su [12]:

- težnja prema primjenjivosti i na višim radnim temperaturama, jer čelici s udjelima

Cr znatno višim od 12% postaju u duljem radu pri temperaturama iznad 480 °C

krhki.

- težnja prema višoj otpornosti na popuštanje budući da u cilju postignuća otpornosti

na napetosnu koroziju treba popuštati barem pri 650 °C. Također, ta temperatura

popuštanja je pri donjoj granici dopuštene u cilju izbjegavanja korozije zbog pojave

karbida po granicama zrna.

- težnja prema postignuću korozijske postojanosti i pri visokim radnim

temperaturama.

Fizikalne osnove toplinske postojanosti postižu se, osim odmjerenim sastavom, još i

vrlo preciznom toplinskom obradom, posebno popuštanjem. Toplinska se obrada ove grupe

čelika sastoji od kaljenja i visokog popuštanja (poboljšavanja), pri čemu treba glavnu pažnju

posvetiti izbjegavanju pojave δ – ferita (pri preniskoj ili previsokoj austenitizaciji) [12].

Dijagram stanja na slici 4 pokazuje raspon temperatura u kojima se javlja δ – ferit. Kako se vidi

na slici neželjeni ferit se javlja kod temperature austenitizacije ispod 700 °C, te iznad

temperature 1000 °C.



Slika 4. Dijagram stanja Fe-Cr-C pri % Cr=12=const. [12]

Kaljenjem postaje matrica čelika martenzitna (s manje od 5 % δ – ferita), a popuštanjem pri

550 do 750 °C (ovisno o čeliku) treba u toj martenzitnoj matrici izazvati [12]:

- izlučivanje posebnih karbida popuštanja (npr. Mo2C, V4C3, Cr7C3)

- precipitaciju intermetalnih faza kao npr. Fe2Mo (Lavesova faza), Fe36Cr12Mo10 (χ –

faza), a eventualno i FeCr (σ – faza).

Radi se, dakle, o procesima istodobnog popuštanja kaljenog čelika i starenja precipitacijski

očvrsnute legure.



Disperzija karbida i precipitacija intermetalnih spojeva (posebno) pridonosi povišenju

otpornosti na puzanje otežanjem penjanja dislokacija i sklizanja ravnina, dok dio udjela Cr i

Mo, otopljen u martenzitu, utječe na povišenje rekristalizacijske temperature, a time i na

usporenje puzanja. Zahvaljujući razmjerno visokom udjelu Cr, otopljenom u martenzitu, čelici

ove podskupine su ipak postojani i na opću koroziju, ali ne u tolikoj mjeri kao oni koji sadrže

više od 12 % Cr. Zahvaljujući prisutnosti „jakih“ posebnih karbida (Cr7C3, Mo2C) u popuštenoj

strukturi, ovi su čelici otporni na djelovanje vodika, no da bi bili otporni i na sulfidnu napetosnu

koroziju treba ih popustiti na 24 HRC (ili niže) (tj. na Rm ~ 850 N/mm²), a to se postiže

popuštanjem pri 700 °C [12].

Čelici s 12 %Cr i oko 1 %Mo prikladni su za dulji rad do oko 600 °C i tako uspješno

pokrivaju prazninu radnih temperatura između 550 i 600 °C, (a samo kratkotrajno i do 650 °C)

gdje primjena austenitnih čelika ne bi još bila ekonomična zbog preniskih vremenskih

vrijednosti čvrstoće i granica razvlačenja, a primjena niskolegiranih Mo – Cr čelika više nije

ekonomična zbog istog razloga (koagulacija karbida). Pri dugom radu iznad 620 °C u strukturi

super 12% Cr – čelika došlo bi do umnožavanja i koagulacije karbida i intermetalnih spojeva,

što bi dalje osiromašilo martenzitnu matricu, ali i manje učinkovito kočilo gibanje dislokacija,

tj. pogodovalo bi i snižavanju čvrstoće [12].

Super 12% Cr – čelici zavarljivi su samo uz posebnu opreznost: predgrijati treba do

barem 450 °C, ohladiti nakon zavarivanja sporo do 100...150 °C i odmah odžariti pri 750...780

°C te ohladiti u peći. Primjenjivi su zavarivački postupci ručnog elektrolučnog zavarivanja

(REL) i zavarivanje pod zaštitiom praška (EPP). Nakon zavarivanja tek slijedi postupak

poboljšavanja (tj. kaljenja i visokog popuštanja). Super 12% Cr – čelici su toplo oblikovljivi

između 1100 i 850 °C, nakon čega treba izvesti kaljenje i popuštanje [12]. U tablici 3 navedeni

su sastavi i svojstva super 12% Cr čelika.

Tablica 3. Super – 12% Cr toplinski visokopostojani čelici [12]



3.2. Moderni martenzitni čelici za kotlogradnju

U odnosu na konvencionalni X20CrMoV12.1 čelik, novi materijali su relativno kratko

u upotrebi. Svi doprinosi u vezi istraživanja zavarljivosti kao i iskustva tokom upotrebe su

dobrodošli.

Suvremeni martenzitni čelici za kotlogradnju su razvijeni sa ciljem povećanja

parametara eksploatacije u elektranama na povišenim radnim temperaturama. Pored zahtjeva

da osnovni materijal i zavareni spoj budu otporni na puzanje i razne vidove korozije, pred ove

čelike postavljaju se dodatni zahtjevi po pitanju zavarljivosti [13].

Na slici 5 prikazane su glavne grupe materijala pogodnih za primjenu u kotlogradnji.

Slika daje dijagramski prikaz ovisnosti granice puzanja od temperature glavnih grupa

martenzitnih čelika za kotlogradnju. Najpogodniji materijal za izradu dijelova u kotlogradnji su

legure na bazi nikla, a najlošija svojstva pokazuju nisko legirani čelici. Kemijski sastav

martenzitnih čelika za komponente u kotlogradnji naveden je u tablici 4. U tablici 5 navedene

su mehaničke karakteristike ovih čelika [13].

Slika 5. Zavisnost granice puzanja od temperature glavnih grupa martenzitnih čelika za

kotlogradnju [13]



Tablica 4. Kemijski sastav martenzitnih čelika za komponente u kotlogradnji [13]

Tablica 5. Mehanička svojstva čelika za komponente u kotlogradnji na 20 °C [13]

Osnova za razvoj ovih čelika bio je T/P 9 (X11CrMo9- 1) čelik, koji je poslužio kao

polazište za razvoj čelika T/P 91 (X10CrMoVNb9-1) tokom 80-ih godina prošlog stoljeća.

Dodatkom V, Nb i N povećana je granica puzanja. Nadalje, došlo je do paralelnog razvoja

čelika T/P 92 (Nf616) u Japanu i čelika E911 (X11CrMoWVNb9-11) u Europi. Blagi porast

granice puzanja u odnosu na T/P 91 postignut je dodatkom titana. Čelik E911 sadrži 0,9 do 1,1

% W, a čelik T/P 92 (Nf616) 1,5 do 2% W. Radne temperature za ova dva čelika su od 585 do

625 °C, pri čemu oba imaju nižu otpornost na koroziju u odnosu na konvencionalni martenzitni

čelik X20CrMoV11-1 koji je namjenjen za izradu komponenti parnih kotlova [13].



Ova niža otpornost na koroziju prikazana je sljedećom slikom. Na slici 6 dan je dijagramski

prikaz debljine oksidnog sloja u ovisnosti o vremenu izlaganja kotlovskih limova na 650 °C. Iz

grafa se vidi da se najmanja debljina oksidnog sloja nakon 5000 sati pojavila upravo na čeliku

X20CrMoV11-1 koji ima najvišu otpornost na koroziju. Ova otpornost koroziji rezultat je višeg

sadržaja kroma (10,0 – 12,5 %) u odnosu na druge čelike u toj grupi.

Slika 6. Oksidacija čelika 9 – 12% Cr uslijed djelovanja pare na 650 °C [13]

Veoma važna činjenica za primjenu suvremenih materijala X10CrMoVNb9 – 1 i

X10CrWMoVNb9 – 2 u odnosu na konvencionalni martenzitni čelik X20CrMoV12 – 1 za

izradu komponenti parnih kotlova je smanjenje debljine stijenke cijevi parovoda. Smanjenje

debljine je moguće zbog boljih mehaničkih osobina suvremenih marerijala na povišenim

temperaturama i u drugim uvjetima rada [13]. Slika 7 prikazuje utjecaj primjene različitih

martenzitnih čelika na smanjenje debljine stijenke cijevi.



U odnosu na konvencionalni čelik X20CrMoV12 – 1, primjenom čelika X10CrWMoVNb9 –

2, uz radne uvjete, tlak 300 bara i temperature 580 °C, debljina stijenke cijevi duplo je smanjena

što donosi značajne uštede materijala i značajno smanjuje težinu konstrukcije.

Slika 7. Smanjenje debljine stijenke cijevi primjenom različitih materijala [13]

3.3. Zavarljivost i primjer zavarivanja čelika za kotlogradnju

Ovi čelici spadaju u grupu feritnih čelika otpornih na puzanje. Posljedica otpornosti na

puzanje je stvaranje precizne mikrostrukture, posebno faze martenzita ili bainita, koje

stabiliziraju tijekom kaljenja kontroliranim taloženjem tvrdih otpornih karbida, karbo – nitrida

ili drugih stabilnih i metastabilnih faza [14].

Ovi čelici se odabiru za konstrukciju debelih stijenki koje zahtjevaju dobra mehanička

svojstva pri povišenim temperaturama. Ti čelici pokazuju puno bolje karakteristike nego čelici

sa sličnim udijelima kroma i molibdena. Također povećana toplinska vodljivost nudi dodatne

mogućnosti primjne. Čelici otporni na puzanje koriste se samo onda ako aplikacija to zahtijeva.

Prijelazi između ovih čelika i čelika niže čvrstoće moraju se izvoditi na mjestima gdje su radne

temperature i tlakovi na razini dopuštenih za čelik niže čvrstoće kako bi se izbjegli otkazi

konstrukcija [14].

Svi martenzitni čelici za izradu komponenti u kotlogradnji, zahtjevaju predgrijavanje

prije zavarivanja, kao i veoma strogu i ozbiljnu toplinsku obradu nakon zavarivanja [1]. Uslijed

nepravilne toplinske obrade ovi čelici mogu imati znatno slabija svojstva od zajamčenih.



Većina problema kod toplinske obrade odnosi se na ne postizanje odgovarajuće temperature ili

prelaska dopuštene temperature. Proces toplinske obrade nakon zavarivanja moraju obavljati

obučeni i iskusni stručnjaci koji slijede propisane upute [14].

Usporedbom tvrdoća dobivenih dijagramima kontinuiranog hlađenja (CCT) za čelike

P91 i P92 u odnosu na konvencionalni čelik X20CrMoV12-1 uočavaju se znatno više tvrdoće

za X20CrMoV12-1 pri istim parametrima hlađenja. U slučaju povećane tvrdoće raste i problem

u vezi zavarljivosti (hladne pukotine). Može se stoga zaključiti da će čelici P91 i P92 biti lakše

zavarljivi u odnosu na konvencionalni čelik X20CrMoV12-1. U svakom slučaju, i kod čelika

P91 i P92 naknadna toplinska obrada je obavezna [13]. Slika 8 prikazuje dijagram

kontinuiranog hlađenja za čelik X20CrMoV12-1, a slike 9 i 10 dijagrame kontinuiranog

hlađenja za čelike P91 i P92.

Slika 8. CCT dijagram za čelik X20CrMoV12-1 [13]



Slika 9. CCT dijagram za čelik P91 [13]

Slika 10. CCT dijagram za čelik P92 [13]



Čelik P92 (X10CrWMoVNb9 – 2) sličan je čeliku P91 (X10CrMoVNb9 – 1), tako da

tehnologija zavarivanja može biti direktno preuzeta od čelika P91. P92 je visokolegirani

martenzitni čelik, a kvaliteta zavarenog spoja prvenstveno ovisi o kontroli temperature tokom

zavarivanja i naknadne toplinske obrade. Slika 11 pokazuje tipičan ciklus obrade čelika P92 za

vrijeme i nakon zavarivanja. Cjelokupni toplinski ciklus zavarivanja sastoji se od [1]:

- predgrijavanja,

- održavanja temperature između prolaza

- zavarivanja,

- hlađenja na temperaturu ispod 100 °C, odnosno na sobnu temperaturu, ovisno o

debljini zavarenog spoja,

- zagrijavanja i termičke obrade nakon zavarivanja.

Slika 11. Tipičan ciklus obrade čelika P92 za vrijeme i nakon zavarivanja [1]



3.3.1. Predgrijavanje čelika P91 (X10CrMoVNb9 – 1) i P92 (X10CrWMoVNb9 – 2)

Predgrijavanje čelika se provodi sa ciljem izbjegavanja rizika od pojave pukotina,

posebno pukotina koje uzrokuje vodik (hladne pukotine). Da bi došlo do pojave hladnih

pukotina moraju biti ispunjena tri uvjeta: struktura sklona zakaljivanju, prisutnost vodika i

zaostala naprezanja. Sva tri uvjeta su prisutna kod zavarivanja čelika P92 i to je glavni razlog

predgrijavanja ovog čelika. P92 se predgrijava na temperaturu od 200 °C (to je minimalna

temperatura predgrijavanja kod koje se može garantirati da se pukotine ovog tipa neće pojaviti).

Predgrijavanje se može izvoditi na dva načina: plinskim i indukcijskim postupkom. Koji od ta

dva postupka predgrijavanja će se primjeniti ovisi o dimenzijama i obliku predmeta koji se

zavaruju. Za predgrijavanje cijevi većih dimenzija (komora) primjenjuje se električni postupak

predgrijavanja, elektrootporno ili indukcijsko predgrijavanje [1]. Praćenje temperature i

kontrola toplinskih gradijenta je izuzetno važna. Iz tog razloga lokalno zagrijavanje plamenom

se ne preporučuje. Slika 12 prikazuje proces predgrijavanja prije zavarivanja čelika P91. Zbog

velike toplinske vodljivosti ovog čelika grijači trebaju biti veći od onih kod konvencionalno

korištenih čelika. Temperaturni gradijent između unutarnjeg i vanjskog dijela debelih stijenki

može biti takav da se ne vidi efekt predgrijavanja. Na dijelovima debljine 50 mm uobičajeni su

temperaturni gradijenti od 20 °C do 90 °C [14].

Slika 12. Proces predgrijavanja prije zavarivanja čelika P91 [14]



Predgrijavanje ima važnu ulogu kod zavarivanja P92 čelika. Kvalitetan zavareni spoj

čelika P92 je nemoguće izvesti bez adekvatnog predgrijavanja. Jedan od problema je

predgrijavnje priključaka koji se postavljaju na komoru tokom pripajanja. Sljedeći problem je

određivanje postupka predgrijavanja same komore, koja treba biti cijela zagrijana na

temperaturu predgrijavanja tokom zavarivanja [1].

Također kod ovih čelika je preporučeno održavanje temperature između prolaza.

Tipične temperature između prolaza kod ovih čelika iznose 300 °C, ali se ne preporučuje da

ove temperature budu više od 370 °C. Održavanje temperature između prolaza sprječava

pucanje metala zavara kojeg mogu uzrokovati silicij i niobij koje sadrži metal zavara [15]

3.3.2. Zavarivanje čelika P91 (X10CrMoVNb9 – 1) i P92 (X10CrWMoVNb9 – 2)

Nakon predgrijavanja, pristupa se zavarivanju. Zavarivanje se izvodi u temperaturnom

području između 200ºC i 300ºC (slika 11). Zavarivanje se izvodi u području smanjenih

naprezanja, gdje se struktura zavarenog spoja sastoji od martenzitna i zaostalog austenita. Za

zavarivanje čelika P92 koriste se TIG, REL i EPP postupci zavarivanja [1].

EPP postupak zavarivanja upotrebljava se za zavarivanje popune sučeonih spojeva i za

mehanizirano zavarivanje ravnih priključaka sa komorama. Prilikom EPP zavarivanja potrebno

je obratiti pažnju na parametre zavarivanja. Tako kod zavarivanja sučeonih spojeva struje

zavarivanja iznose od 235 do 250 A, napon zavarivanja od 26 do 29 V i brzina zavarivanja

iznad 50 cm/min. Parametri zavarivanja odnose se na žicu promjera 2,5 mm. Također kao i kod

REL postupka potrebno je zavarivati gusjenice manje debljine i širine. Svaki sljedeći sloj

odžaruje sloj ispod i na takav način osiguravaju se dobre vrijednosti žilavosti [1].

Najčešće graške koje se javljaju kod mehaniziranog postupka zavarivanja u kotlogradnji

su tople kristalizacijske pukotine nastale za vrijeme očvršćivanja metala zavara. Na te pukotine

utječu kemijski sastav zavara P, S, Si, Nb, B i delta ferit (povećavaju sklonost pukotinama),

parametri zavarivanja, sastav praška, geometrija spoja i kemijski sastav osnovnog materijala

[1]. Slika 13 prikazuje tople pukotine nastale na zavarenom spoju priključka s komorom. Zavar

je izveden mehaniziranim EPP postupkom.



Slika 13. Tople pukotine nastale zavarivanjem mehaniziranim EPP postupkom [1]

Osim toplih pukotina drugi problem kod zavarivanja EPP postupkom su greške

mikrostrukture metala zavara. U mikrostrukturi se mogu pronaći područja delta ferita okružena

karbidima Cr, Mo i W. Da bi se spriječio razvoj takvih grešaka, proizvođač dodatnog materijala

izvršio je modifikaciju praška za zavarivanje. Proizvođač je poboljšao selekciju sirovine,

povećao bazicitet praška, i reducirao područje parametara zavarivanja. Modifikacijom praška

smanjila se učestalost pojave pukotina u završnom zavaru, ali se i smanjila operativna

zavarljivost, otežalo se uklanjanje troske sa površine zavara zbog većeg baziciteta praška [1].

Nakon zavarivanja, zavareni spoj se treba hladiti na temperaturu ispod 100 ºC

minimalno 2 sata, kako bi se sav zaostali austenit pretvorio u martenzit (slika 11). Zavari

debljine do 50 mm mogu se ohladiti na sobnu temperaturu [1].



3.3.3. Toplinska obrada nakon zavarivanja

Toplinska obrada čelika P91 i P92 nakon zavarivanja provodi se u cilju popuštanja,

odnosno smanjenja zaostalih naprezanja u zavarenom spoju. Ona je neophodna kod ovih čelika,

bez obzira na njihove promjere ili debljine, te je jedna od najvažnijih čimbenika za kvalitetu

zavarenog spoja kod ovih čelika [15]. Toplinskom obradom se izbjegavaju hladne pukotine u

zavarenom spoju, koje bi propagirale u eksploataciji i izazvale havarije na kotlovskim

postrojenjima. Posljedice toplinske obrade su smanjenje tvrdoće zavarenog spoja sa 400 do 450

HV na 200 do 300 HV, te povećanje udarne žilavosti loma na zahtijevanu vrijednost, minimalno

27 J.

Temperatura toplinske obrade je između 750ºC i 780ºC u trajanju od 2 do 4 sata ovisno

o debljini i oblika zavarenog spoja, te postupka zavarivanja, (slika 11) [1]. Kod ovih čelika vrlo

su uske granice najniže i najviše dopuštene temperature toplinske obrade. Ovaj raspon iznosi

svega 10 °C do 24 °C. Gornja granica je određena sastavom Ni + Mn, što utječe na nižu

dopuštenu temperaturu u ovisnosti o porastu masenog udjela ovih elemenata. Maksimalan

maseni udio ovih elemenata je 1,5 %. Ako je maseni udio ovih elemenata nepoznat ograničenje

temperaturnog raspona je od 730 °C do 775 °C. Ako je udio Ni + Mn manji od 1,0 % dozvoljen

je temperaturni raspon od 730 °C do 800 °C [14].

Toplinska obrada nekad ima i uže polje tolerancija 755±5ºC kod zavarivanja

kombinacije martenzitnih i bainitnih čelika. To je jako usko područje u kojem se treba provesti

toplinska obrada velikih i teških komada kao što su komore. Da bi se toplinska obrada mogla

provesti u tako uskom području tolerancija potrebno je kalibrirati opremu za toplinsku obradu,

pisač temperature, termoparove i izvršiti provjeru izotermije peći. Također je vrlo važno imati

osposobljene i iskusne operatere koji nadgledaju i vode proces toplinske obrade za popuštanje

zaostalih naprezanja [1].

Također je kod ovih čelika prisutno i zagrijavanje neposredno nakon zavarivanja tzv.

„Bake Out“ tretman, koji može biti od velike važnosti, osobito ako su u pitanju teški dijelovi ili

postupak zavarivanja pod zaštitom praška. Ovaj postupak uključuje držanje na temperaturi

predgrijavanja ili na temperaturi između prolaza tijekom duljeg vremenskog razdoblja nakon

završetka procesa zavarivanja. Kod utvrđivanja vremena potrebnog za ovo zagrijavanje

čimbenici koji igraju ulogu su debljina materijala, duljina vremena zavarivanja te uneseni

vodik. Ovaj tretman se može izbjeći ukoliko se dio ispravno zagrijava, te ako se s dijelom

ispravno rukuje i ako se dio dobro skladišti [15].



Slika 14 prikazuje raspored tvrdoća nakon zavarivanja i toplinske obrade na čeliku P91.

Mjerenje tvrdoće je sredstvo za procjenu inicijalnog stanja matrijala. Većina materijala ima

definiranu dopuštenu tvrdoću [14]. Kako se može vidjeti na slici u području zone utjecaja

topline dolazi kod ovih čelika do mekšanja materijala. Razlog ovog mekšanja je uglavnom

pregrijavanje dijelova koji su podvrgnuti toplinskoj obradi. Većina ovih mjesta nije blizu

zavara. Preporuka za izbjegavanje pregrijavanja je mjerenje temperature s dodatnim

termoparom, a ne samo s minimalnim brojem preporučnih [14].

Slika 14. Raspored tvrdoća nakon zavarivanja i toplinske obrade na čeliku P91 [14]



4. ZAKLJUČAK

U ovom radu opisan je postupak EPP zavarivanja, te su opisani čelici za izradu kotlovskih

limova. EPP postupak zavarivanja pokazuje svoje prednosti pred drugim elektrolučnim

postupcima ako je u pitanju zavarivanje debelih stijenki, kao i potreba za velikim depozitom i

brzinom zavarivanja. Također, EPP postupak je najčešće automatiziran, što jamči uz uvjet

dobro odabranih parametara zavarivanja kvalitetan zavareni spoj. Depozit nateljenog materijala

može se povećati različitim modifikacijama EPP zavarivanja (npr. tandem tehnika EPP

zavarivanja), uz ne prevelika ulaganja u postojeći sustav što je također prednost ovog postupka

zavarivanja.

Postupak se vrlo često koristi kod čelika za izradu kotlovskih limova i posuda pod tlakom.

Ove konstrukcije zahtijevaju posebnu pozornost kada je u pitanju zavarivanje, jer greške u

zavarenim spojevima mogu dovesti do otkaza cijelih kotlova i velikih havarija. Stoga treba

posebnu pažnju obratiti zavarljivosti ovih čelika. S aspekta zavarljivosti ovi čelici spadaju u

dobro zavarljive čelike, ali tokom zavarivanja posebnu pažnju treba pridati kontroli temperature

tokom zavarivanja, kao i naknadnoj toplinskoj obradi. Uz to važno je prilagoditi parametre

zavarivanja debljini koja se zavaruje, kao i odabrati adekvatni prašak i dodatni materijal.

S daljnjim razvojem energetskih kotlovskih postrojenja, u vidu povećanja parametara tlaka

i temperature, rasti će potreba za proizvodnjom kvalitetnijih kotlovskih čelika. EPP postupak

zavarivanja, sa svim svojim modifikacijma, također će nastaviti pratiti taj razvoj kao glavni

elektrolučni postupak kada su u pitanju kotlovski limovi.



5. POPIS LITERATURE

[1] B. Despotović, T. Marasević, I. Samardžić, Š. Klarić: „Iskustva iz primjene čelika P92 u

kotlogradnji“, Zavarivanje i zavarene konstrukcije (1/2009.), str. 9 – 14

[2] G. Gnirs: „Zavarivanje modernih kotlovskih čelika“, Zavarivanje i zavarene konstrukcije

(2/2002.), str. 103 – 112

[3] http://www.fsb.unizg.hr/termolab/nastava/ega.php - preuzeto 21.6.2015.

[4] J. Cankar, M. Bregant, M. Šolar: „Novine kod zavarivanja i navarivanja pod praškom“,

Zavarivanje i zavarene konstrukcije (3/2010), str. 97 – 100

[5] S. Kralj, Š. Andrić: „Osnove zavarivačkih i srodnih postupaka“, Fakultet strojarstva i

brodogradnje, Zagreb, 1992.

[6] M. Živčić: „Elektrolučno zavarivanje pod zaštitom praška – EPP“, 1. nastavak,

Zavarivanje 26 (1983) 5, 281-288

[7] M. Gojić: „Tehnike spajanja i razdvajanja materijala“, Metalurški fakultet, Sisak, 2008.

[8] D. Petti: „Varijante automatskog elektrolučnog zavarivanja pod zaštitom praška“,

Zavarivanje 27 (1984) 3, 307-315

[9] ESAB: „Submerged Arc Welding“,pdf, 02 – 10 – 08/KW

[10] http://www.thefabricator.com/article/arcwelding/improving-productivity-with-

submerged-arc-welding - preuzeto 22.6.2015. – preuzeto 22.6.2015.

[11] T. Filetin, F. Kovačiček, J. Indof: „Svojstva i primjena materijala“, Fakultet strojarstva i

brodogradnje, Zagreb, 2002.

[12] M. Novosel, D. Krumes: „Posebni čelici“, Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu,

Slavonski Brod, 1998.

[13] B. Despotović, T. Marasević, D. Bajić, T. Vuherer, I. Samardžić: „Zavarljivost

suvremenih 9 – 12 Cr martenzitnih čelika za komponente u kotlogradnji“, Zavarivanje i

zavarene konstrukcije (1/2013.), str 5 – 14

[14] W. F. Newell JR.: „Welding and Postweld Heat Treatment of P91 Steels“, Welding

Journal, April, 2010.

[15] K. K. Coleman, W. F. Newell JR.: „P91 and Beyond“, Welding Journal, August, 2007.

Documents

Vusić_Projekt PI - Finalno