Het lassen van roestvaststalen leidingen voor cryogeen gebruik
Austenitisch roestvast staal is zeer geschikt voor opslagvaten en leidingwerk voor gebruik bij cryogene temperaturen, omdat het dan nog steeds beschikt over uitstekende mechanische eigenschappen. Gassen worden vaak op efficiënte wijze opgeslagen en vervoerd als vloeistoffen bij cryogene temperaturen. Zuivere gassen die gewoonlijk worden opgeslagen bij temperaturen onder hun kookpunt zijn onder andere zuurstof -183°C, argon -186°C, stikstof -196°C, waterstof -253°C en helium -269°C. Aardgas wordt ook vervoerd en opgeslagen in de vorm van een vloeistof (LNG: liquefied natural gas) bij temperaturen beneden -163°C. Ferritisch staal, waaronder ook laaggelegeerd staal, verliest zijn taaiheid en sterkte bij lage temperaturen. De overgangstemperatuur van taai naar bros gedrag, dat wil zeggen de temperatuur waaronder een metaal bros wordt, wordt beïnvloed door het staalfabricageproces. Een stijgend nikkelgehalte verbetert de lage-temperatuurtaaiheid.
R.D. Lawton
Austenitisch roestvast staal en aluminium vertonen geen van beide een taai-brosovergang. ASME Section VIII, die veel wordt gebruikt voor in de werkplaats gebouwde opslagvaten, schrijft dan ook geen kerfslagproeven voor de typen 304, 304L, 316, 316L en 347 die zullen worden gebruikt bij temperaturen van -254°C en hoger. De regels voor neergesmolten lasmetaal zijn echter veel scherper en er worden kerfslagproeven voorgeschreven voor lassen die een verbinding vormen tussen onderdelen van austenitisch roestvast staal die dienst moeten doen bij temperaturen van -198°C en lager als er wordt voldaan aan bepaalde omstandigheden. Factoren die bijdragen tot optimale cryogene lasmetaaleigenschappen zijn lage ferriet-, stikstof- en koolstofgehalten , hoge nikkelgehalten en in geval van schermgaslassen, basische elektrodes.
Roestvast staal
Het vaakst gebruikt voor cryogene apparatuur zijn de roestvaststaaltypen 304, 304L, 316 en 316L. Standaard typen zoals 347 en 201L en enkele aangepaste typen worden ook wel gebruikt. Type 210L wordt gebruikt voor temperaturen tot -196°C. De 300-reeks wordt doorgaans gebruikt onder voornoemde temperatuur. Type 201L heeft echter als voordeel een 25% hogere mechanische sterkte ten opzichte van type 304. Roestvaststaalplaat wordt gewoonlijk geleverd volgens de specificaties van ASTM A240 Heat-Resisting Chromium and Chromium- Nickel Stainless Steel Plate, Sheet and Strip for Pressure Vessels. Er kan worden gekozen tussen het gebruik van de laagkoolstofhoudende of L-typen, zoals 304L en 316L elk met een maximum koolstofgehalte van 0,03%, en de standaard typen 304 en 316, elk met een maximum koolstofgehalte van 0,08%. Voordeel van het gebruik van de standaardtypen zijn wat hogere toelaatbare ontwerpeigenschappen (zie de tabel). Daar staat tegenover dat een hoger koolstofgehalte bijdraagt tot lagere taaiheid, zoals wordt gemeten met kerfslagproeven. Het merendeel van de in fabrieken gebouwde cryogene apparatuur wordt gebouwd volgens de ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII. In het veld gebouwde apparatuur volgt dikwijls API 620 Q. Section VIII schrijft geen kerfslagproeven voor 304, 304L, 316, 316L en 347 basismetaal voor gebruik bij temperaturen tot -253°C. Deze minimum temperatuur sluit helium uit dat pas bij -269°C vloeibaar wordt. De code vereist wel kerfslagproeven op neergesmolten lasmetaal voor elke partij elektrodes en van elke 157 m gelaste naden in austenitisch roestvast staal dat dienst moet doen bij temperaturen lager dan -198°C, op voorwaarde dat er wordt voldaan aan andere voorzieningen. Sommige daarvan zijn: minder dan 0,10% koolstof; lasproces blijft beperkt tot het lassen met beklede elektrodes, TIG- en MIG-lassen en onder poederdeklassen; las-kerfslagproeven zoals die zijn vastgelegd in de lasprocedures, bij temperaturen die ten minste even laag zijn als de ontwerptemperatuur. De Charpy-kerfslagproefstukken moeten de voorgeschreven afmetingen hebben en de bij die afmetingen behorende waarden voor kerfslagenergie en laterale uitzetting halen. Indien de wanddikte dat toelaat moet altijd gebruik worden gemaakt van het standaard 10 x 10 mm proefstuk. Kleinere proefstukken geven minder betrouwbare resultaten. ASME Section VIII, Part ULT biedt de ontwerper de mogelijkheid om profijt te trekken van de hogere sterkte bij lage temperaturen. Zo ligt de toelaatbare spanning bij -196°C 10% hoger dan de toelaatbare spanning bij kamertemperatuur. Helaas wordt dit voordeel weer deels teniet gedaan doordat Part ULT een aantal ontwerp- en lasvereisten stelt die zorgvuldige aandacht vergen.
Mechanische eigenschappen van ASTM A240 Plate, Sheet and Strip.
Roestvast staal voor cryogene apparatuur
Austenitisch roestvast staal is het constructiemetaal bij uitstek voor nagenoeg 60% van alle in huis gefabriceerde cryogene apparatuur. De rest komt voor rekening van 5 en 9% nikkelstaal en aluminium. Er zijn drie gebieden waar vrijwel uitsluitend roestvast staal wordt toegepast:
- Kleine tot middelgrote vaten die werken bij matige drukken en met wanddikten van 9,5 mm en lager. Als er hogere mechanische sterkten worden geëist, is 9% nikkelstaal vaak economischer.
- Daar waar verontreiniging door het metaaloppervlak dient te worden vermeden. De halfgeleider- en farmaceutische industrie zijn voorbeelden waar gassen vrij moeten zijn van opgenomen metaal of oxide.
- Leidingwerk. Er wordt op grote schaal gebruikgemaakt van roestvaststalen pijpen voor cryogene leidingen. De pijpen zijn leverbaar in tal van afmetingen en afwerkingen, waaronder elektrolytisch gepolijste binnenwanden.
Om nog even het gebruik van roestvast te staal te benadrukken zij hier vermeld dat nikkelstaal net zo kan roesten als gewoon staal en aldus zuivere gassen kan verontreinigen met metaaloxide. Voor de verwerking van zeer zuiver gas moeten vaten en leidingen worden gelast zonder backingstaven. Het laswerk wordt gevolgd door slijpen, mechanisch of elektrolytisch polijsten van alle inwendige oppervlakken. Alle las- en polijstwerk aan vaten moeten indien mogelijk van binnenuit worden gemaakt. Hiervoor moet een uitsparing worden gemaakt met een diameter van zo’n 0,5 m, die als laatste wordt dichtgelast met het TIG-proces met argon als backinggas.
Factoren die van invloed zijn op laseigenschappen
De taaiheid bij lage temperatuur van roestvaststalen gietwerk en neergesmolten lasmetaal kan van partij tot partij verschillen en is gewoonlijk lager dan die van vergelijkbare kneedlegeringen. Factoren die de taaiheid van lassen beïnvloeden zijn gemeld door een aantal auteurs [1-4]. De volgende factoren dienen bij het opstellen van lasprocedurespecificaties voor cryogene apparatuur in acht te worden genomen.
- Laag ferriet. De aanwezigheid van ferriet in lassen in austenitisch roestvast staal, bijvoorbeeld 4 tot 8 FN, is een doeltreffend middel om warmscheuring tegen te gaan. Een ferrietgehalte van meer dan 3 tot 4 FN verlaagt echter de kerfslagsterkte bij lage temperatuur, terwijl een zo laag mogelijk ferrietgehalte en liefst een geheel austenitische structuur een hogere kerfslagsterkte oplevert. Een veilig compromis is dan een ferrietgehalte van ongeveer 2 FN die een zo hoog mogelijke kerfslagsterkte paart aan een goede weerstand tegen warmscheuring. De vorm van de ferriet in het lasmetaal is eveneens van invloed op de kerfslagsterkte, maar dit is echter in de praktijk een moeilijk te beheersen factor.
- Laag koolstof. Een laag koolstofgehalte, bij voorkeur niet meer dan 0,03%, geeft een betere taaiheid van het lasmetaal.
- Laag stikstof. Stikstof verhoogt de treksterkte en rekgrens van lassen in roestvast staal. Een auteur opperde dat lasmetaal van 304 en 316L niet meer dan 0,05% stikstof mag bevatten [2].
- Hoger nikkel. Meer nikkel, maar wel binnen de grenzen van de specificatie, blijkt de taaiheid van het lasmetaal te verhogen [1, 2]. Sommige auteurs wijzen erop dat de taaiheid van het lasmetaal aanzienlijk toeneemt als het nikkelgehalte wordt verhoogd van 10 tot 20%, maar dergelijke hoog nikkelhoudende lasmetaalelektrodes zijn
nooit in de handel gebracht [4].
- Basische elektrodes. Beklede basische elektrodes hebben een hogere taaiheid bij lage temperatuur dan rutiel elektrodes en ze zijn min of meer de standaard elektrodes voor het lassen van cryogene onderdelen [1, 2].
- Laag gehalte aan insluitsels in het lasmetaal. Er is aangetoond dat wanneer er in 316L- lassen een laag gehalte insluitsels aanwezig was, hierdoor de taaiheid bij lage temperatuur toenam. Het lasproces en lasprocedure kunnen een sterke invloed uitoefenen op het gehalte aan insluitsels. Zo vinden fabrikanten het MIG-proces betrouwbaarder dan het onder poederdek lassen om te voldoen aan de kerfslageisen bij temperaturen beneden
-198°C. Omdat lasinsluitsels doorgaans bestaan uit een of ander oxide, helpen lage zuurstofniveaus in het schermgas mee om insluitsels tot een minimum te beperken.
Lasprocessen voor roestvast staal
Onder poederdek lassen
Dit proces is doorgaans het snelste en meest economische proces voor fabricage in de werkplaats. Er zijn een aantal commercieel leverbare fluxen voor gebruik met lastoevoegmetaal van het type 308, 308L, 316, 316L. De fabrikant moet de lasprocedurespecificatie ontwikkelen en kwalificeren voor de combinatie flux-lastoevoegmetaal in kwestie en kerfslagproeven uitvoeren tot aan de laagst te verwachten bedrijfstemperatuur. Ervaring heeft uitgewezen dat het moeilijk is om met dit lasproces voortdurend te voldoen aan de kerfslageisen beneden -198°C. Om die reden wordt gewoonlijk gekozen voor het MIG-proces voor lassen die worden blootgesteld aan dit soort lage bedrijfstemperaturen.
MIG-lassen
Hoewel geen bijzonder snel proces, beschikt het over uitstekende eigenschappen voor het maken van lassen die dienst moeten doen onder -198°C en het kan worden ingezet als half- of volledig automatisch lasproces. Omdat zoals gezegd een laag gehalte aan insluitsels belangrijk is voor goede taaiheid bij lage temperatuur, zijn de wijze van schermgasgebruik en gastype belangrijke elementen van de lasprocedure. Weinig zuurstof in het schermgas beperkt insluitsels tot een minimum.
Lassen met beklede elektrodes
Het ferrietgetal moet laag zijn; een goed compromis is 2 FN. Verder moeten lassen worden gemaakt met basische elektrodes, omdat die over betere lagetemperatuur eigenschappen beschikken dan lassen die zijn gemaakt met elektrodes met andersoortige bekledingen. Er zijn roestvast staalelektrodes in de handel die speciaal zijn ontwikkeld voor cryogeen gebruik.
TIG-lassen
TIG-lassen wordt op ruime schaal toegepast voor het lassen van leidingwerk voor gebruik bij cryogene temperaturen. De lassen die met dit proces zijn gemaakt voldoen met gemak aan de lagetemperatuurtesteisen.
Roestvaststalen leidingwerk
Cryogeen leidingwerk voor bijvoorbeeld de procesindustrie of halfgeleiderindustrie, vereist een glad inwendig oppervlak dat zoveel mogelijk vrij is van oneffenheden. Om hieraan te voldoen heeft het gebruik van buizen en pijpen met een elektrolytisch gepolijst inwendig oppervlak ruim ingang gevonden. Er wordt grote nadruk gelegd
op het maken van stompe lassen met minimale ruwheid, lasrimpels en oxiden. Automatische orbitaal TIG-lasapparatuur is in staat om aan deze eisen te voldoen bij een hoog reproduceerbaarheidsniveau. Hierbij worden lage lasstromen gebruikt zonder pulsen om te komen tot lassen die vrij zijn van rimpels. De naadvoorbereiding bij dunwandiger leidingwerk bestaat gewoonlijk uit een nauwkeurig verspaande rechte hoek, die vrij is van bramen. Het schermgas is vaak een argon-waterstofmengsel en wordt soms voorgeschreven als spoelgas om mee te helpen aan het verkrijgen van een glad inwendig oppervlak. Sommige afnamespecificaties vereisen een lasmonster van elke buisdiameter voordat er productielassen worden gemaakt. Deze proeven worden herhaald na tien productielassen of als de wolfraamelektrode wordt vervangen.
Voorbereiding en beproeving van proefmonsters
Transversale trekproefmonsters bestaan gewoonlijk uitproeven met plaat met gereduceerde dikte volgens de van toepassing zijnde code. Er mogen geen kerven of scherpe randen aanwezig zijn. De beproevingssnelheid is van grote invloed. Proeven bij hoge snelheid geven doorgaans lagere testresultaten in geval van trekproeven, mogelijk zelfs tot beneden de verwachte 655 MPa of 690 MPa. ASTM A370, Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products schrijft de toegestane beproevingssnelheden voor. Geleide buigproeven kunnen zowel in dwars- als in lengterichting worden uitgevoerd. Buigmonsters worden bij voorkeur uitgenomen door middel van mechanisch snijden. Oppervlakteruwheid, kerven en scherpe overgangen moeten door middel van slijpen worden verwijderd. Randen in het te buigen gedeelte moeten worden afgeslepen tot de afrondingsstraal zoals door de betreffende code wordt toegestaan. Als er een buiging in dwarsrichting wordt gebruikt, dan worden er van vier zijden monsters genomen in geval van plaat met een dikte van 9,5 mm en hoger, in plaats van twee face en twee root buigingen. Codes zoals ASME Section IX staan drie typen buigopspanning toe: de geleide buigopspanning, de geleide rollende buigopspanning en de geleide rondbuigopspanning. Bij deze laatste opspanning kan er geen slippen van het proefmonster optreden, zodat alle rek in een gebied plaatsvindt. De root en face buiging in langsrichting is een aanvaardbaar alternatief voor dwarse buigproeven. Bij de buiging in langsrichting wordt elk deel van de lasverbinding gedwongen om in dezelfde mate te rekken en het resultaat wordt niet beïnvloed door slip van het monster in de opspanning. De meeste codes schrijven Charpy V kerfslagproeven voor op het lasmetaal en de warmtebeïnvloede zone bij -198°C. Testprocedure, apparatuur en acceptatiecriteria dienen conform ASTM A370 te zijn. De resultaten kunnen worden opgegeven als kerfslagenergie (J), breukuiterlijk (percentage afschuifbreuk), of als dwarsuitzetting (toename van de monsterbreedte aan de drukzijde). Acceptatie van apparatuur die is gebouwd volgens ASME Section VIII is gebaseerd op alleen laatstgenoemd criterium. Goede proefstukvoorbereiding is van het allerhoogste belang. Vaker blijkt slechte afwerking van het proefstuk de oorzaak te zijn van het niet halen van de testcriteria, dan slecht uitgevoerd laswerk.
Referenties
1. E.R. Szumachowski, H.F. Reid. Welding Journal, 57(11)1978 p. 325-s - 333-s.
2. E.R. Szumachowski, H.F. Reid. Welding Journal, 58(2)1979 p. 34-s - 44-s.
3. L. Karlsson, S. Pak, S.L. Andersson. Int. Conf. on Applications of Stainless Steel ‘92, Vol. 2. Kista, Stockholm, Sweden. p. 631- 639.
4. T.A. Siewert, C.N. McCowan. Metals Progress Nov. 1985.