Lassen en oplassen van hoog-molybdeenhoudende materialen, toegepast in de chemische industrie
Verhoging van het procesrendement is momenteel het hoofddoel in de chemische, petrochemische, olie-, gas-, papier-en andere industrieën. Factoren zoals temperatuur, druk, concentraties, aanwezigheid van putcorrosie veroorzakende elementen zoals chloriden, toepassing van zout water als koelmedium, aanwezigheid van zwavel en andere factoren beïnvloeden de keuze van materialen voor een speciale toepassing. Vaak worden hoger gelegeerde materialen gekozen op grond van hun betere corrosieweerstand en hun betere mechanische eigenschappen. Dit artikel beschrijft een aantal lastoevoegmaterialen en technieken die zijn en worden toegepast voor het verbinden en oplassen van deze speciale legeringen zoals duplex en super-duplex roestvast-staal soorten, volledig austenitische roestvast-staalsoorten en legeringen op basis van nikkel.
R. Demuzere en W. Pors
(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 7, 1993- artikel 71)
Basismaterialen en hun eigenschappen
Definities zoals van staal, roestvast staal of nikkellegeringen zijn in vele gevallen voor chemische installaties van puur formele aard. Daarom wordt dit onderwerp, bezien uit het oogpunt van de toepassingen en de metaalkunde, behandeld als een afzonderlijke metaalgroep. Voor een duidelijk begrip zouden we de diverse metalen, afhankelijk van hun aard, in subgroepen kunnen onderverdelen. De staalsoorten, beschreven in dit artikel, liggen tussen de klassieke AISI 316L austenitische roestvast-staalsoorten en de legeringen op basis van nikkel in, waarbij alle meer of minder molybdeen bevatten. In tabel 1 zijn de chemische samenstellingen van de verschillende legeringen weergegeven. De grondslag achter de verschillende methoden van legeren is gebaseerd op de eis: optimale weerstand tegen de verschillende vormen van corrosie zoals putvormige, alge hele, spannings-en andere vormen van corrosie. Bij de keuze van materialen voor een speciale toepassing moeten de specifieke bedrijfsomstandigheden zoals corrosieve media, temperatuur en druk in de beschouwingen worden meegenomen.
Tabel 1. Chemische samenstellingen van enkele klassieke molybdeenhoudende legeringen. (De aangegeven waarden zijn maximumwaarden.)
Optimale resultaten voor de fabricage van de installaties kunnen echter alleen worden bereikt indien de eigenschappen van het basismateriaal in overeenstemming zijn met de lastoevoegmaterialen die zijn gekozen om de diverse onderdelen te verbinden. De combinatie basismetaal, warmtebeïnvloede zone en lasmetaal moet worden overwogen indien een procesinstallatie wordt ontworpen.
Het lassen van hoog-molybdeenhoudende legeringen
Alle genoemde materialen kunnen met de 'klassieke' lasprocessen zoals lassen met beklede elektrode, TIG-, MIG-, plasmalassen en lassen onder poeder met draad worden verbonden. Bovendien kunnen zij worden opgelast met band middels de onder poeder-alsook de elektroslaktechniek. Op de bovengenoemde lasprocessen wordt in het kader van dit artikel niet ingegaan. Van deze processen zijn in het verleden reeds uitvoerige beschrijvingen alsmede specifieke eigenschappen gepubliceerd. Zeer belangrijk bij het lassen van gelegeerde materialen is het voorbereidende werk. Speciale aandacht dient te worden geschonken aan de oppervlaktereinheid van de te lassen materialen. De aanwezigheid van olie en andere oppervlakteverontreinigende middelen dient te worden voorkomen. Zoals reeds opgemerkt kunnen de meeste lasprocessen voor het verbinden en oplassen van de legeringen worden toegepast. Elk proces heeft zijn toepassingsgebied. Volledige afscherming van het smeltbad is absoluut nood zakelijk. Bovendien dienen de gekozen lastoevoegmaterialen een zeer laag gehalte aan verontreinigingen te bezitten (laag gehalte aan S, P en oxyden), zodat mechanische en corrosie-eigenschappen worden verkregen die ten minste op het niveau van het basismateriaal liggen. Bij het TIG-en MIG-lassen wordt de bescherming van het lasbad verkregen door een juist gekozen gas (bijvoorbeeld puur argon).
In het geval van beklede elektroden moet de bekleding zijn samengesteld uit speciaal geselecteerde grondstoffen die een zeer laag gehalte aan verontreinigingen bevatten. Bij het onder-poeder-lassen met draad moeten hoog-basische laspoeders worden toegepast die een goede weerstand tegen warmscheuren bieden. Tevens moeten zij een zeer laag gehalte aan zuurstof bezitten, opdat goede corrosieeigenschappen worden verkregen. Wat betreft het oplassen met band hebben laboratoriumtesten, aangevuld met ervaringen uit de praktijk, aangetoond dat het elektroslak-oplassen met band de beste resultaten oplevert en uitermate geschikt is voor deze hooggelegeerde materialen. Het elektroslakproces maakt het bovendien mogelijk hogere neersmeltsnelheden te verkrijgen bij een lager opmengpercentage van de lasband met het basismetaaL Deze lagere opmenging (tot circa 8 %) maakt het mogelijk het aantallagen te verminderen en toch een neergesmolten metaal te verkrijgen dat binnen de geldende specificaties valt. Bovendien wordt het elektroslakprocesgekenmerkt door een zeer laag gehalte aan verontreinigingen (bijvoorbeeld gehalte aan zuurstof). Enige typische voorbeelden van elektroslakoplassingen zijn opgenomen in tabel 2.
Tabel 2. Enkele k enmerk ende voorbeelden van bandoplassingen. Vergelijking tussen onder-poeder- en elektroslak-oplassingen.
Lastoevoegmaterialen
Er is een complete reeks beklede elektroden ontwikkeld en wel zodanig dat het risico voor warmscheuren, karakteristiek voor deze materialen, sterk is gereduceerd. Bovendien is het mogelijk de scheurgevoeligheid door het type bekleding te beïnvloeden middels daarvoor speciaal geselecteerde grondstoffen (een laag gehalte aan verontreinigingen) en door basische of rutiel-basische bekledingen te kiezen. Tabel 3 geeft een overzicht van enkele lastoevoegmaterialen met de eigenschappen van het zuivere neergesmolten lasmetaal.
Tabel 3. Eigenschappen van met elektroden neergesmolten lasmetalen (zuivere neersmelten).
In afbeelding 1 is een kenmerkend voorbeeld weergegeven van een lasverbinding van een beklede laselektrode in een duplex roestvast stalen pijp met een diameter van 250 mm. Er zijn speciale geagglomereerde laspoeders ontwikkeld die het mogelijk maken deze molybdeenhoudende materialen middels het onder-poeder-proces te lassen. De laspoeders zijn zodanig ontwikkeld dat optimale mechanische alsook corrosie-eigenschappen worden gerealiseerd, ondanks de relatief hoge warmte-inbreng welke met deze techniek wordt toegepast. 
Afbeelding 1. Typische lasverbinding gemaakt met een duplex roestvast-staal elektrode.
Afbeelding 2 vertoont een kenmerkende onder-poederlasverbinding in een legering 825, gemaakt met de overmatching combinatie 625-draad en een hoog-basisch poeder, welke een laag Si-houdend lasmetaal oplevert. In afbeelding 3 is een praktische toepassing weergegeven van een twee-laags elektroslak-bandoplassing met legering C4 in een vat met een diameter van 2,5 meter. 
Afbeelding 2. Onder-poeder-lasverbinding in legering 825.
Afbeelding 3. Uitvoering van een twee-laagsoplassing legering C4 in een vat met een diameter van 2,5 meter. Courtesy Fa. Kosik-Kelheim.
Afbeelding 4 toont een getekende doorsnede van een heterogene verbinding tussen een koolstofstaal en een legering type 904 L, gemaakt met de elektrode Soudoeram S6 (een 20% Cr -25% Ni -1,5 % Cu-type beklede elektrode). Tevens zijn de resultaten van de hardheidsmetingen weergegeven.
Afbeelding 4. Verbinding tussen een koolstoftaal en legering 904L, uitgevoerd met de elektrode Soudoeram S6 (20 Cr- 25 Ni- 1,5 Cu).
Corrosie-eigenschappen
De molybdeenhoudende austenitische roestvast-staalsoorten en legeringen op basis van nikkel zijn ontwikkeld voor toepassingen in ernstig corrosieve milieus, namelijk daar waar de conventionele roestvast-staalsoorten onvoldoende corrosieweerstand bieden. Typische omgevingen waar een vergroot risico voor corrosieve aantasting kan optreden zijn bijvoorbeeld hoog Cl-houdende media, hoog-temperatuurcorrosieve media, zeewateromstandigheden, zwavelwaterstofhoudende vloeistoffen enzovoort. De keuze voor een speciale toepassing in te zetten materiaal hangt af van de vereiste specifieke corrosie-eigenschappen. Het zal duidelijk zijn dat voor de meeste toepassingen verschillende oplossingen mogelijk zijn. Uiteraard zal voor de meest economische oplossingen worden gekozen. Teneinde de corrosie-eigenschappen van de lasmetalen te onderzoeken maakt men gebruik van gestandaardiseerde corrosie-testen zoals ASTM A 462, G 48, G 28 en dergelijke. Gedurende de ontwikkeling van de lastoevoegmaterialen wordt over het algemeen de weerstand tegen corrosie van het zuivere neergesmolten lasmetaal onderzocht, teneinde de invloeden van de lasvoorbereiding alsmede die van het basismetaal uit te schakelen. Wanneer een goed lasmetaal is ontwikkeld wordt het beproefd in een lasverbinding, gemaakt in een overeenkomstig basismetaal.
De laboratoriumbeproevingen zijn afgestemd op de typische eigenschappen van de basismetalen. Er bestaan standaard corrosietesten voor de meeste soorten corrosieve aantasting: algehele corrosie, putcorrosie, spanningscorrosie enzovoort. In sommige gevallen moet een 'over-matching' lasmetaal (dit is een hoger gelegeerd lasmetaal ) worden toegepast teneinde voldoende corrosieweerstand te bieden, in vergelijking met het basismetaaL Een sprekend voorbeeld is legering 254 die wordt gelast met legering type 625. Dit vanwege de relatief hoge neiging tot segregatie, vooral van het element molybdeen, in de als-gelaste neersmelt. Het gebruik van overgelegeerde lasmetalen is een compensatie voor de verarmde gebieden, veroorzaakt door de reeds eerder genoemde segregatie. Tabel 4 geeft enkele corrosie-eigenschappen weer van verschillende neergesmolten lasmetalen, verkregen met behulp van verschillende lastechnieken. Voor de met band opgelaste lasmetalen zijn de corrosie-eigenschappen weergegeven voor de eerste alsook de tweede oplaslaag op een koolstofstaal met 0,18% C.
Tabel 4 Corrosie-eigenschappen van zuivere neergesmolten lasmetalen, verkregen met verschillende lasprocessen.
Conclusie
Er is een grote verscheidenheid aan roestvast-staalsoorten en legeringen op basis van nikkel ontwikkeld die een hoog gehalte aan molybdeen bevatten. Zij worden hoofdzakelijk gebruikt vanwege hun uitstekende corrosie-eigenschappen. Tevens is een grote verscheidenheid aan lastoevoegmaterialen ontwikkeld om deze metalen te verbinden alsook op te lassen. Bovendien is er ontzettend veel ervaring opgedaan om deze metalen in de praktijk te kunnen lassen. Succesvolle toepassingen gemaakt met geselecteerde lastoevoegmaterialen bewijzen dat deze hoog-molybdeenhoudende materialen uitstekend kunnen worden gelast.
Literatuur
1. R. Daemen, New developments in strip cladding, Nuclex Conference, 6 - 9 october 1981.
2. Fontana en Green, Corrosion Engineering, 2nd edition, Me Graw - Hili.
3. W.Z. Friend, Corrosion of nickel and nickel base alloys, 1980, London Wiley.