Bron Böhler Thyssen Lastechniek
In de chemische procesindustrie worden
nikkellegeringen voor het leidingwerk of drukvaten uit de alloy C-serie gekozen.
Door de steeds toenemende eisen ten aanzien van de corrosiebestendigheid worden
deze legeringen vervangen door hoger-gelegeerde materialen, zoals bv. alloy 59.
Met dit onderzoek werd nagegaan of met èèn lastoevoegmateriaal alle combinatie’s
van deze basismaterialen gelast konden worden.
Nikkellegeringen uit de zgn. alloy
C-serie hebben een uitstekende corrosiebestendigheid in neutrale en
in zuur en basisch reagerende
zouthoudende milieus. Dit geldt zowel voor de oxiderende als de reducerende type
milieus. Dit berust op het feit dat chroom (Cr) de bestendigheid tegenover
oxiderende oplossingen en molybdeen (Mo) de bestendigheid tegenover reducerende
oplossingen sterk verbeterd.
De alloy C-legeringen,afgeleid van het eerste type
alloy C of alloy C-276, zijn daarom in heel veel corrosieve milieus als beste in
te zetten. Vooral in de chemische procesindustrie waar de bestendigheid tegen
put- en spleetcorrosie in chloor (Cl)- houdende, oxiderende milieus een zeer
belangrijke rol speelt. Dit geldt tevens bij lage pH-waarden. Deze alloys zijn
tevens bijzonder bestand tegen interkristallijne spanningscorrosie wat een
bijzonder voordeel is ten opzichte van de hooggelegeerde RVS soorten. Deze
legeringen hebben de laatste decennia een behoorlijke ontwikkeling meegemaakt.
De nieuwste ontwikkeling, alloy 59 (w.st.no:.2.4605; NiCr23Mo16Al; UNS N06059),
heeft van die legeringen de optimale chemische samenstelling. De laatste 10 jaar
is alloy 59 succesvol ingezet in de chemische- en milieutechnische industrie
zoals bv. in rookgasontzwavelingsinstallaties! Als lastoevoegmateriaal is er een
gelijksoortige (matching) alloy 59 ontwikkeld die universeel voor het lassen van
NiCrMo-legeringen en voor bijzondere hooggeleerde RVS soorten ingezet kan
worden.
Lasbaarheid
In principe zijn alle nikkellegeringen uit de
C-serie goed lasbaar met alle conventionele lasprocessen, zoals TIG, TIG met
hete draad toevoer, plasma, beklede elektroden en MIG/MAG (puls). Op grond van
een ongunstige gietstructuur in de las t.o.v. de structuur van het gewalste
basismateriaal wordt om een goede corrosiebestendigheid van het lasmetaal te
waarborgen, gelast met overgelegeerd toevoegmateriaal. In het verleden werd bv.
alloy C-276 altijd matching gelast daar nog geen hoger gelegeerd
toevoegmateriaal ter beschikking was. Met de opkomst van alloy C-22® was er een licht overgelegeerd toevoegmateriaal
ter beschikking. Tegenwoordig geeft men de voorkeur om beide legeringen met
alloy 59 te lassen. Tabel 1 toont een overzicht van de chemische samenstelling
van diverse NiCrMo-legeringen
Naast een uitstekende corrosiebestendigheid (hoog
Cr- en Mo-gehalte) bezit alloy 59 ook t.o.v. de alloy C-serie een uitstekende
thermische (structuur)stabiliteit en dit heeft dus een positieve uitwerking op
de lasbaarbaarheid. Criteria voor deze thermische (structuur)stabiliteit is het
Tijd-Temperatuur-Uitscheidings- en Tijd-Temperatuur-Sensibiliserings diagram.
Ook bij gebruik in de rookgasontzwavelingsinstallaties kan de bijzondere goede
corrosiebestendigheid na talrijke, onder praktijkomstandigheden uitgevoerde,
beproevingen aangetoond worden. Figuur 1. betreft een samenvatting van de
beproevingsresultaten waarmee vastgesteld kan worden hoe gevoelig het
basismateriaal voor interkristallijne corrosie is. Middels de corrosiebeproeving
ASTM G-28 methode A, blijkt dat
alloy C-276 (w.st.no: 2.4819) zeer gevoelig is voor interkristallijne corrosie.
Dit betekent dat het lassen van dikwandige onderdelen in deze alloy
problematisch kan zijn. Daartegenover gedraagt alloy 59 zich beduidend
gunstiger, in vergelijk met de andere alloys zoals C-4 (w.st.no: 2.4610) en C-22® (w.st.no:
2.4602). Beslissend hierin is niet zo zeer de vorm van de curve maar de tijd tot
de eerst optredende sensibilisering. Op basis van 50
mm interkristallijne corrosie criteruim begint bij
alloy C-276 de sensibilisering al na enige minuten terwijl alloy 59 pas na 2 uur
problemen gaat geven. Dit is een veel meer bruikbare tijd om interkristallijne
corrosie na een warmvormgeving, warmtebehandeling en/of lassen van dikwandige
materialen, te voorkomen. Meerdere vergelijkende beproevingen tonen aan dat
alloy 59 na 1, 3 en 5 uur sensibiliseringsgloeiing op 781°C maar slechts zeer
geringe corrosieaantasting geeft volgens ASTM G-28, methode A en B. De alloys
uit de C-serie inclusief alloy 686 (21Cr16Mo4W) en alloy C-2000® (als alloy 59 + 1,6% koper) zijn al gevoelig na 1
uur waarbij ook nog sterke putcorrosie waarneembaar was!
Deze resultaten zouden daarmee het ongunstige
effect van de structuurstabiliteit kunnen aangeven van de toevoeging van
wolfraam (W) bij alloy 686 en koper (Cu) bij alloy C2000®.
Bij de vervaardiging van dikwandige drukvaten van alloy 59 evenals
warmvormgeving van de bodems en uiteraard het lassen daarvan, zijn in de
praktijk nog geen negatieve resultaten op de corrosiebestendigheid waargenomen.
Als lastoevoegmaterialen worden aanbevolen:
Voor
het lassen onder beschermgas (TIG/MIG):
W.st.no: 2.4607, SG-NiCr23Mo16
Voor
beklede elektrode:
W.st.no:
2.4609 , EL NiCr22Mo16
Omdat lasparameters zoals
warmte-inbreng, interpasstemperatuur, draad- en elektrodediameter een
zeer grote invloed hebben op de corrosiebestendigheid is het van wezenlijk
belang deze informatie na te vragen bij de leveranciers van het basismateriaal
en/of lasmateriaal.
Corrosiebeproevingen van de verschillende alloy
C-legeringen
Inmiddels zijn er een veelvoud aan
beproevingsresultaten beschikbaar in diverse corrosieve milieus. Enerzijds zijn
dit de standaard laboratoriumbeproevingen, die in eerste instantie
voorgeschreven zijn ter controle van de leveringstoestand van het
basismateriaal. Anderzijds zijn beproevingen uit de hoek van de chemische- en
milieutechnische- industrie voor specifieke toepassingen (bv. “nat”
rookgasontzwavelingsapparatuur) aanzienlijk toegenomen, overwegend aan het
basismateriaal en aansluitend ook aan het gelaste materiaal.
Voorop bij zulke beproevingen staat altijd de
bestendigheid in chloor (Cl)-houdende en meestal zure milieus. Alle alloy
C-legeringen zijn bestand tegen de standaard lokale corrosie FeCl3-test.
Daarom zijn met betrekking tot de hogere eisen in de praktijk veel corrosievere
tests ontwikkeld. Dit zijn o.a. de ASTM G-28, methode A en B. Figuur 2 toont een
overzicht van testresultaten in verschillende milieus met betrekking ttot de
basismaterialen. Hierbij komt alloy 59 er als beste uit. Dit geldt ook in voor
ander hoog corrosief milieu, “Groene dood” genoemd. Tabel 2 laat zien dat alloy
59 de hoogste kritische put- en spleetcorrosietemperatuur (resp. CPT en CCT) in
dit medium heeft. Dezelfde beproevingen maar nu gelast met matching alloy 59
toevoegmateriaal en optimale lasparameters tonen aan dat ook voor de lasnaad
deze corrosiebestendigheid garandeerd kan worden.
Doel van deze beproevingen.
Voor de kwalificering van alloy C-legeringen in
gelaste toestand zijn eerst beproevingen gedaan met de ongelijksoortige
verbinding tussen alloy C-22® en alloy 59. Er is gelast met alloy 59
lastoevoegmateriaal. Men was ook geïnteresseerd
in de lasverbinding van deze nieuwe alloy C-legeringen aan de installatie
aanwezige oudere C-legeringen en de eventueel te verwachten problemen
betreffende de corrosiebestendigheid van deze lasverbinding. Deze combinatie van
basismaterialen werden ook opgenomen in het onderzoek. Hierbij bleek dat het
lasmateriaal van alloy 59 (TIG en beklede elektrode) zich verschillend gedroeg
bij de verschillende combinatie’s van basismateriaal en milieus. Terwijl de test
volgens ASTM G-28 methode A en B geen onderscheid gaf in de
corrosiebestendigheid, gaf bij de corrosievere “Groene dood” test het matching
lastoevoegmateriaal (alloy C-22®) een minder goed resultaat dan bij de combinatie
met alloy 59 lastoevoegmateriaal. In een aansluitend onderzoeksprogramma zijn de
basismaterialen alloy C-22 en alloy C-276 in gelaste toestand onderzocht met
toevoegmaterialen alloy C-22® en
alloy 59 (TIG en beklede elektrode). In de tabellen 1 en 3 zijn de kenmerkende
samenstellingen van de onderzochte materialen opgenomen.
Theo, het gaat hier om de specifieke samenstelling getest
basismateriaal!!
Lassen van de proefmonsters
Voor het lassen met beklede elektrode werd voor een
5 mm dikke plaat gekozen. Deze werd door middel van frezen van een V-naad met
een 70° openingshoek voorzien. Eerst werd er met twee lagen gelast en daarna
werd de tegenlaag uitgeslepen en tegengelast. Hiervoor werden de beklede
elektroden EL-NiCr20Mo14W (alloy C-22®) en EL
NiCr22Mo16 (alloy 59) Ø 2,5 mm gebruikt. Met een gelijkspanning van 20 V,
stroomsterkten van 55-65 Amp. en lassnelheden van 15-20 cm/min werd een Heat
Input van 3,5 tot 6,5 kJ/cm gerealiseerd.
Voor het TIG lassen werd een pijp van Ø 82,6 mm en
2,77 mm wanddikte in 2 lagen gelast met de lastoevoegmaterialen SG-NiCr22Mo14W (alloy
C-22) en SG-NiCr23Mo16 (alloy 59) in de diameter Ø 2,0 mm.
Met lassnelheden van ca. 8 cm/min realiseerde men
een Heat Input van 7 KJ/cm bij de doorlassing en 5,5 KJ/cm bij de sluitlaag.
Beschermgas (5-7 l/min) en backinggas was zuiver Argon (I1 vlg’s EN 439). Uit
deze lasproefstukken werden een groot aantal monsters genomen (50 x 50 mm voor
de plaat en halve schalen met een lengte van 50 mm uit de pijp). De
proefmonsters werden afzonderlijk in diverse laboratoria getest.
Beproevingsnormen
De navolgende drie milieus kwamen in aanmerking:
1)
ASTM G-28, methode A
50% H2SO4,
41,7 G/L Fe2(SO4)3 x 9 H2O
rest water
2)
ASTM G-28, methode B
16,7 g/l FeCl3 x 6 H2O
12 g/l
CuCl2x 2 H2O
150 ml H2SO4, 96%
30 ml HCl, 37%
rest water
3)
Als “Groene dood” bekend
6,4 %
H2SO4
3,1 % HCl
1 % CuCl2
0,6 % FeCl3
rest water
De beproevingstemperatuur was voor alle milieus
100°C en de beproevingstijden: 1, 5 en 7 dagen. Alle proefstukken werden vooraf
gebeitst zodat alle aanloopkleuren door het lassen niet meer zichtbaar waren.
Het beitsen duurde ongeveer 40 min. in een beitsmiddel van: 5 % HF + 20 % HNO3
+ rest water. Na de beproeving werden de proefstukken op gewichtsverlies
gecontroleerd en omgerekend in een corrosiesnelheid van mm/j (j = jaar). Alle
proefstukken werden naderhand visueel en microscopisch onderzocht waarbij het
gehele oppervlak op alle lokale aantastingen werd gecontroleerd om deze
eventueel . te kunnen beschrijven. Bij de beoordeling van het gewichtsverlies
moet er wel rekening mee gehouden worden dat het overwegend basismateriaal
betreft, omdat het lasmetaal maar ca. (even afgezien van de snijkanten) 1/10
deel van het totaaloppervlak uitmaakt. Bij lokale corrosie, die vooral optreedt
bij de ASTM G-28 methode B en de “Groene dood”, is strikt genomen de omrekening
van gewichtsverlies in een corrosiesnelheid niet toelaatbaar. In dit geval is
het gewichtsverlies eenduidig te herleiden op lokale aantasting in het
lasmetaal. Als dit gewichtverlies berekend wordt op het veel kleinere
lasoppervlak dan zal dit een verkeerd beeld geven van de corrosiesnelheid.
Resultaten van het corrosie-onderzoek en de
interpretatie ervan
De resultaten zijn in de figuren 3,4 en 5 door
middel van een duidelijk staafdiagram weergegeven. Bij de met beklede elektroden
gelaste werkstukken wordt aanvankelijk bij de ASTM G-28 methode A en B test,
overwegend geen lokale corrosieaantasting waargenomen en nauwelijks
gewichtsverlies. Een uitzondering hierop toont de lasverbinding tussen alloy
C-22® en alloy C-276
gelast met de beklede elektrode op basis van alloy C-22® (EL-NiCr20Mo14W). Hierbij werd putvormige corrosie
waargenomen. In het medium “Groene dood” werd bij dezelfde combinatie zeer
sterke putvorming waargenomen zowel in de las alsmede naast de lasnaad (figuur
6). Dat lokale corrosie sterk aanwezig is blijkt ook uit de corrosiesnelheid van
3,6 mm/j!! Daartegenover gedraagt dezelfde combinatie gelast met een elektrode
op basis van alloy 59 (EL-NiCr22Mo16) zich beduidend beter. Er werd slechts
marginale putvorming geconstateerd. Een putvorming, die maar 1/10 deel van de
eerder genoemde corrosiesnelheid bedroeg, nl. 0,36 mm/j. Ongeveer gelijk liggen
de verhoudingen bij het “matching” lassen van alloy C-22® aan alloy C-22®. Ook
hier blijkt dat bij het lassen met een beklede elektrode op basis van alloy C-22® er sprake is van sterke putvormige corrosie in de
lasnaad en een hoge corrosiesnelheid van 2,0 mm/j. Voor dezelfde verbinding
gelast met alloy 59 elektrode werd geen lokale corrosie
gevonden (de geconstateerde spleetcorrosie bevond zich in het
basismateriaal alloy C-22®). De
corrosiesnelheid lag wederom op een zeer lage waarde van 0,064 mm/j. Hiermede
wordt de uitstekende corrosiebestendigheid van alloy 59 aangetoond. Beperkt door
de algemene lage corrosiebestendigheid van het basismateriaal C-276 in het
“Groene dood” medium (lager Cr-gehalte) werd wederom bij het lassen van alloy
C-276 met beklede elektrode type alloy C-22®,
sterke lokale corrosie aangetroffen en een corrosiesnelheid gemeten van maar
liefst 3,9 mm/j (figuur 7). Dezelfde verbinding maar nu met alloy 59 beklede
elektrode gelast, werd alleen corrosie gevonden aan de snijkanten van de
lasnaad.
Resultaten bij de lasverbindingen
Bij de TIG-gelaste verbindingen zien de
verhoudingen er in het algemeen iets ongunstiger uit. Men moet hier tussen de
drie testmilieus duidelijk differentiëren. Allereerst waren de
beproevingsresultaten van de ASTM G-28, methode A, het gemakkelijkst omdat bij
alle proeven geen lokale corrosie werd waargenomen. Hier blijkt in principe weer
de geringe agressiviteit van dit milieu (dit komt door de afwezigheid van - de
voor lokale corrosie verantwoordelijke - chloriden en de oxiderende werking van
de zware metaal-ionen). Bij de beproevingsmethode volgens ASTM G-28 methode B,
is bij alle proeven putvormige aantasting waargenomen. Dit wordt veroorzaakt
door de bij deze proef aanwezige chloriden en zware metaal-ionen . In het
bijzonder is putvorming aanwezig bij de verbindingen van alloy C-22® aan alloy C-276 en alloy C-276 aan alloy C-276,
onafhankelijk van het type lastoevoegmateriaal. Bij nauwkeurige inspectie bleek
dat het in alle gevallen om een lichte aantasting ging en dat enkel bij de
minder corrosiebestendigere alloy C-276 van een sterkere putvormige aantasting
gesproken kon worden. Na beproeving in de zgn. “Groene dood” werd in alle
geteste proefstukken putvorming geconstateerd. Het bewijs dat het hier om een
buitengewoon hoog agressief (hoger HCl aandeel) praktisch beproevingsmilieu
gaat. Een onderscheidt tussen de basismateriaal combinaties en het lasmateriaal
is hier niet te maken. Deze systematische beproevingen tonen de goede
corrosiebestendigheid aan van het lastoevoegmateriaal op basis van alloy 59.
Hierbij moet onderstreept worden dat corrosieproeven worden uitgevoerd op 120°
C, 20° C hoger in vergelijk met vroegere beproevingen. Dat dan zelfs onder deze
omstandigheden basismateriaal alloy 59 met alloy 59 gelaste beklede elektroden
goede bestendigheid biedt is typerend voor deze alloy C-legering. De reden van
deze buitengewone corrosiebestendigheid is het hogere Cr-gehalte en het lage
Fe-gehalte (max. 1,5%). Dit biedt tevens een voordeel bij het oplassen op bv.
staal. Het lastoevoegmateriaal alloy 59 is tevens geschikt voor de lager
gelegeerde NiCrMoFe-basismaterialen zoals bv.
alloy 625 (w.st.no. 2.4856) en alloy 825 (w.st.no. 2.4858) en ook de
hoog-gelegeerde austenitische stalen met in het bijzonder de hoog Cr- en
Mo-gelegeerde alloy 926 (w.st.no. 1.4529) en alloy 31 (w.st.no. 1.4562).
Samenvatting
Bij deze testresultaten kan geconstateerd worden
dat volgens de ASTM G-28, methode A, geen onderscheidt in corrosie waargenomen
kon worden. Zowel het basismateriaal en de las zijn hiertegen bestand.
Daarentegen toont de ASTM G-28, methode B, aan dat vanwege de aanwezigheid van
HCl en zware metaalionen er wel
sprake is van verschillen in de resultaten. Dit geldt ook voor de TIG-lasnaden
van de pijpjes. Deze methode is agressiever en meer praktischer gericht (denk
aan chemie en milieu zoals bv. rookgasontzwaveling). De waargenomen putvormige
corrosie is bij de lasnaden op basis van alloy C-22®
duidelijker aanwezig dan bij de lasnaden op basis van alloy 59. Dit is door
middel van de corrosiesnelheden aangetoond. Bij het lassen met beklede
elektroden werd bij geen enkele proef lokale corrosie waargenomen. De
corrosiesnelheden zijn specifiek vergelijkbaar met die van het basismateriaal.
Met de agressieve “Groene dood” test trad sterke putvormige corrosie bij
meerdere proefstukken op, wederom voornamelijk bij de TIG-lasnaden van de pijp.
Terwijl de verbindingen op basis van alloy C-22®
putvormige corrosie vertoonden gaven de
verbindingen gelast met alloy 59 slechts in een enkel geval een aantasting,
verder waren ze vrij van elke lokale putvorming. De iets betere resultaten van
de met beklede elektrode gelaste werkstukken t.o.v. de TIG-gelaste proefstukken
is te verklaren door de lagere warmte-inbreng. Dit geldt zowel voor de lasnaad
als voor de warmtebeïnvloede zone.
De verwerkende industrie heeft hierbij de mogelijkheid een lasmateriaal te
kiezen dat geschikt is voor alle C-alloys en hooggelegeerde (CrNiMo) stalen (en
eventuele combinaties). Een
lastoevoegmateriaal dat een hoge zekerheid biedt.
J. Heinemann, Böhler Thyssen Special Welding, UTP
Bad Krozingen
Ch.
Richli, Roche AG, Sisseln
Bewerkt door J. Cobben, Böhler Thyssen Lastechniek
B.V. Haarlem
Alloy C22®
en C2000® zijn handelsnamen van Haynes International Inc.