kotle, tlakové nádoby, potrubí a nízkotlaké kotelny
[Tisk] [Poslat e-mailem] [Hledat v článcích] Svařování materiálů pracujících za kryogenních teplot Datum: 14.10.2005Autor: Ing. Jiří Martinec, Ing. Aleš Plíhal, Zdeněk Šveidler, - ESAB VAMBERK, s. r. o. a Doc. Ing. Jiří Janovec, CSc. -ČVUT Praha Pod pojmem kryogenní teploty si představujeme oblast teplot pohybující se v rozmezí 273 K (0°C) až do teploty absolutní nuly 0 K (-273,15°C). Ocelové svařované konstrukce pracující v podmínkách nízkých teplot musí splňovat několik základních předpokladů. Základní podmínkou je u těchto materiálů vysoká úroveň plasticity při dané pracovní teplotě. Při navrhování konstrukcí nesmíme však zapomenout ani na pevnostní charakteristiky materiálů. Většinou se jedná o zařízení, kde by případná havárie mohla mít nedozírné lidské, materiálové, ekologické a finanční následky. Výrazný vliv na hodnotu přechodové teploty má čistota oceli. Křehnutí nelze ovšem redukovat jen na vliv nečistot. Přispívají k němu i nevhodné strukturní charakteristiky, malá teplotní stálost vyloučených minoritních fází a velikost původního austenitického zrna. Ukázka nádoby na zkapalněný plyn je na obr.1: Obr. 1 Nádoba pro zkapalněné plyny uskladněné při teplotě -163°C (např. etylen) svařená elektrodou OK 92.55 a kombinací drátu OK Autrod 19.82 + tavidla OK Flux 10.61. 
Podle minimální pracovní teploty můžeme konstrukční materiály pracující v oblasti kryogenních teplot rozdělit do třech základních skupin:
Materiály skupin 2. a 3. se nejčastěji používají na výrobu nádob na zkapalněné plyny. Tabulka 1 uvádí přehled teplot zkapalněných plynů a vhodný materiál na jejich výrobu: 
Výběr oceli pro danou pracovní teplotu záleží na její struktuře, která je dána především chemickým složením, méně pak způsobem tváření, ale výrazný vliv má způsob tepelného zpracování. Jako nejvhodnější se jeví pro teploty pohybující se pod -150°C oceli se strukturou martenzitu nebo austenitu, neboť mají i za nízkých teplot relativně vysokou hodnotu nárazové práce vykazují vysokou odolnost proti křehkému porušení. V oblasti nejnižších kryogenních teplot se nejčastěji používají austenitické oceli. Základním představitelem austenitických ocelí je ocel typu X10Cr18Ni10 (AISI 304). Austenitické ocele je možné dále dělit na nestabilní a stabilní podle toho, jestli vlivem poklesu teploty a působením deformace dochází u nich k martenzitické přeměně nebo si austenitickou strukturu zachovávají. Mezi nestabilní patří např. Cr18Ni(8-10). Mezi stabilní řadíme ocele typu Cr25Ni20. Relativně nízké pevnostní vlastnosti je možné zvýšit přísadou dusíku. Nejstabilnější materiály pro kryogenní teploty jsou slitiny Ni (např. INCONEL 706, 718). Tabulka 2 uvádí přehled vybraných typů ocelí pro práci za nízkých teplot. 
Volba vhodného přídavného materiálu pro svařování ocelí pracujících za nízkých teplot Pokud jde o svary, požaduje se pro svarový kov čistota srovnatelná se základním materiálem. Zároveň je nezbytné minimalizovat tepelné ovlivnění svarových spojů pečlivým dodržováním svařovací technologie a parametrů svařování. Všechny přídavné materiály by měly splňovat minimální hodnotu obsahu difúzního vodíku. Nejvíce používané materiály pro nízkoteplotní a kryogenní aplikace jsou spolu s doporučenými přídavnými svařovacími materiály uvedeny v tabulce 3. Výjimku tvoří Ni oceli. Zaměřme proto pozornost na svařování např. 9 % Ni ocele. Tato ocel je charakterizována nízkým obsahem uhlíku (0,05 - 0,08 %), obsah křemíku se pohybuje v rozmezí 0,20 - 0,30 %, obsah manganu se pohybuje od 0,4 do 1,9 % a je charakteristická nízkým obsahem nečistot ( P < 0,008 % a S < 0,008 %). Výsledná struktura této oceli může být martenzitická nebo duplexní. Přísadou molybdenu v této oceli zvyšujeme prokalitelnost a snižujeme náchylnost k popouštěcí křehkosti v teplotním intervalu 200 - 450°C. Přísadou titanu se vedle zvýšení pevnostních charakteristik může dosáhnout po složitém tepelném zpracování vysoké odolnosti proti křehkému porušení, a to i za teplot nižších než -196°C tehdy, jeli v základní jemnozrnné matrici vyloučen i nízký podíl austenitu. ARA diagram oceli 9 % Ni je na obrázku 1. 
Ze znalostí svařitelnosti vysokopevné 9 % Ni oceli pro použití v oblasti kryogenních teplot můžeme učinit následující doporučení. Jako přídavné svařovací materiály lze doporučit legované materiály na bázi NiCrMoNb. Při svařování kořenových vrstev je třeba počítat s nebezpečím vzniku krystalizačních trhlin v kráterech svarové housenky a s nutností jejich odstranění. Toto nebezpečí nelze eliminovat žádnou úpravou parametrů svařování, lze je však snížit vhodnou technologií svařování. Tam, kde není možné zajistit žíhání (ani lokální) doporučuje se limitovat množství vneseného tepla na hodnotu maximálně 25 kJ/cm. Přídavné svařovací materiály pro nízkoteplotní aplikace ze sortimentu ESAB uvádí tabulka 3: 
Přídavné svařovací materiály pro kryogenní aplikace ze sortimentu ESAB uvádí tabulka 4: 
Použitá literatura:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
