Lars-Åke Bylund voestalpine Böhler Welding

Transkript

1 Svetsning av moderna rostfria stål för pappers och massa industrin Lars-Åke Bylund

2 Historian om rostfritt stål i papper- och massa industrin Den kommersiella utvecklingen av rostfritt stål och den moderna pappers- och massa industrin växte upp tillsammans på 40-talet. Pappers- och massabruk i Norden och Nord-Amerika krävde korrisionsresistenta material och stålproducenterna utvecklade och levererade material som uppfyllde dessa kriterier. Ett unikt samarbete mellan pappersindustrins ingenjörsfirmor och stålproducenterna har lett till en enastående kunskap om rostfria stål i olika typer av papper och massa applikationer. Samarbetet har även lett till att nya stålsorter har kommersialicerats, såsom 254 SMO and LDX

3 Trender inom papper och massa processer Stängda verk för minimering av emissioner Minimering av vattenförbrukning Reducering eller eliminering av användning av klorid (Cl 2 ) och klordioxid (ClO 2 ) ECF (Elementary Chlorine Free) eller TCF (Totally Chlorine Free) blekning Ökad produktion och produktivitet 3

4 Varför Rostfritt Stål? Korrosiva miljö finns i en mängd olika processteg i pappers- och massa industrin. Höga kostnader på grund av skador, oförutsedda stängningar och utbyte av material under årens lopp. Faktorer som påverkar korrosionsresistensen och därigenom valet av material är temperatur, ph, närvaro av korrosiva substanser, flöden och mekaniska påfrestningar. Skador som uppkommer pga korrosion kan förhindras genom att reglera processen och välja rätt material. Idag är de flesta utrustningar i den moderna papper- och massa industrin tillverkade i olika typer av rostfria stål. Vanligtvis används standard austinitiska, duplexa och högt legerade austenitiska rostfria stål. 4

5 Kemisk sammansättning ASTM EN Outokumpu Cr Ni Mo N PRE* R ** p0,2 304L ,1 8, L ,2 10,1 2, L ,9 10,7 2, L L , S SMO ,1 0, S ,5 0, S LDX ,5 1,5 0,3 0, S SAF ,8 0,3 0, S ,7 3,1 0, S SAF , * PRE = %Cr + 3.3x%Mo + 16x%N ** Hot rolled plate, min values at 20 o C according to EN 10088

6 Korrosionsmotstånd Bildplacering Bildplacering 6

7 Rostfria Stål - Egenskaper Bildplacering Bildplacering 7

8 Betydande faktorer för moderna rostfria stål i pappers och pappersmassa applikationer Rätt val av material Låg investeringskostnad Kortare byggnadstid Prestandan på utrustningen Tillgänglighet/användbarhet Tillförlitlighet Process flexibilitet Låg livscykel kostnad Utseende 8

9 Massabruket 9

10 Massabruket Kokning 10

11 Kokare Duplex stål ger bättre korrosionsmotstånd Duplex 2205 bättre än austenitiska (304L) i kraft processer LDX 2101 och 2304 även bättre 2205 bättre än (317L) i sulfit processer Duplex adderar även hållfasthet => tunnare godstjocklek Sulfat (kraft) NaOH Na 2 S 2 O 3 NaHS ph C bar Kontinuerlig (2205), Kina Super Batch (2205), Thailand Sulfit (HSO 3 ) Na-, Mg- eller NH 4 - ph C bar Sulfit kokare (2205), Amerika Nord- 11

12 Kraft Kokare Den första kraft kokaren i duplex rostfritt stål, NZ, 1988, tillverkades i Avesta, Sweden Ytterliggare 83 kokare blev installerade mellan Idag är de flesta kokare av byggda av duplex rostfritt stål Den vanligaste stålsorten är (2205), Rp0.2 = 460 MPa För högre hållfasthet finns SAF 2507 (1.4410), Rp0.2= 530 MPa Ett nytt kostnadseffektivt material är: LDX 2101 (1.4161), Rp0.2 = 450 Mpa 12

13 Design Case (EN) Pressure Vessel Kraft pulp digester Diameter: 12.5 m Total height: 54 m Media density: 1100 kg/m 3 Design temperature: 185 C Internal pressure: 9 bar External pressure: -1 bar 42% weight savings! 13

14 Massabruket Tvättning och Silning 14

15 Tvättning och silning Reducering av emissioner => Stängda system => Mer klorider, tiosulfater, polysulfider Ökad korrosion och erosion Material trender Kolstål => 304 => 316 (hög Mo) => LDX 2101/2304/2205 Silnings tank (2205) Duplexa stål reducerar underhållskostnaderna Utmärkt ythårdhet mot erosion (sand) från massa suspensionen Blow tank 15

16 Massabruket Blekning 16

17 Blekning - TCF Syrgasdelignifikering och Peroxid blekning Minimering av användningen av Cl 2 and ClO 2 i blekning Ej så korrosivt Tryckkärl Owner: Smurfit Kappa Kraftliner Completion: 2006 Location: Piteå, Sweden Dimensions: 32m high and 4m in diameter Material: LDX 2101 Thickness and volumes: 8-13 mm, 50 tons O 2 -reaktor (904L) C ph Peroxid reaktor (2205 & LDX 2101) C ph

18 Blekning Konventionell (C/D) Något eller ingen Cl 2 och ClO 2 Mindre korrosivt Ej behov av titan / inmurning Filter press (2205 & 254 SMO) Filter trumma (254 SMO) Filter tråg (654 SMO) Material trender Titan, inmurning à Rostfritt stål C-stage och tuffa D-stage tvättar 254 SMO (eller SAF 2507) D-stage och andra blekstegstvättar 254 SMO or

19 Massabruket Kemikalie återvinning 19

20 Indunstning Flerstegsindunstning (5-6) Högre koncentrationer 75-80% torrmassa Ökad korrosion, speciellt i sista indunstaren Kolstål => 304 => 2205 => /2304 mycket bra punkt- och spännings korrosionsmotstånd. 20

21 Massabruket Lagringstorn & tankar 21

22 Lagringstorn & tankar Slurry tank LDX LDX ton 36.6 ton m 14 Erforderlig tjocklek Erforderlig tjocklek LDX 2101 Min tjocklek (stabilitet) = 6 mm Ø 17 m [mm]

23 Lagringstorn & tankar Utnyttjande av den otroliga kombinationen av hög hållfasthet och ett bra korrosionsmotstånd Hög mekanisk hållfasthet Reducerad godstjocklek Kostnadsbesparingar! Lagring tank (2304), Sweden Massatorn (2205), Sydafrika Lagringstank (LDX 2101), Norge Vitluts tank (LDX 2101), Finland 23

24 Pappersbruket Papersbruket 24

25 Pappersbruket 25

26 Pappersmaskinen Minskad användning av vatten => Mer korrosiva miljöer Bredare Högre hastigheter (>2000 m/min) Material trender Sugvalsmantlar med högre hållfasthet och bättre utmattningsegenskaper Delar delvis av rostfritt eller klädda med rostfritt 26

27 Rostfria Stål - Sammanfattning Duplexa stål är i de flesta fallen ett kostnadseffektivt alternativ till traditionella austenitiska rostfria stål. Korrosonsresistenta och kräver mindre underhåll. Egenskaperna medför att man kan reducera godstjocklekar, få lägre vikt och reducera där igenom total kostnaderna. Erfarenhet har visat att fabrikation av dessa stålsorter fungerar utmärkt. 27

28 Svetsning av moderna rostfria stål för pappers- och massa industrin Tillsatsmaterial Fogberedning Svetsprocedurer n Kokare n Rör (olika godstjocklekar) n Indunstare n Lagringstankar Svetsteknik Svetsning av blandskarvar Defekter hur man undviker dom Efterbehandling 28

29 Duplexa stål Kemisk sammansättning C Cr Ni Mo N Mn Base material LDX101 0,03 21,5 1,5 0,3 0,22 5,0 SMAW 3D LDX D 0,04 23,5 7,0 0,3 0,14 0,7 FCW LDX 2101-PW 0,03 24,0 9,0 0,4 0,13 0,9 Wire LDX ,02 23,0 7,0 <0,5 0,14 0,5 Base material , ,7 3,1 0,17 SMAW D 0,02 23,0 9,5 3,0 0,15 0,7 FCW 2205-PW 0,03 22,7 9,0 3,2 0,13 0,9 Solid tråd ,02 23,0 8,5 3,1 0,17 1,6 Base material ,02 23,0 4,8 0,3 0,10 SMAW D 0,02 24,5 9,0-0,12 0,8 FCW 2304-PW 0,03 24,0 9,0 0,7 0,14 0,8 Solid tråd ,02 23,5 7,0 <0,5 0,14 0,5 Base material SAF , ,27 SMAW 2507/P100 3D 0,02 25,5 9,2 3,6 0,24 0,9 FCW 2507/P100 0,02 25,3 9, ,23 0,4 Solid tråd 2507/P100 0,02 25,0 9,5 4,0 0,25 0,4 Base material LDX ,02 24,0 3,6 1,6 0,27 3,0 SMAW ,02 24,0 8,5 2,0 0,16 0,7 FCW ,03 24,5 8,5 1,9 0,16 0,9 Wire ,02 23,0 8,5 3,1 0,17 1,6 29

30 Duplexa stål Tillsatsmaterial SMAW / MMA Type AWS A5.4 EN-ISO 3581 LDX D All-round - E 23 7 N L R LDX D Thin wall & pipe - E 23 7 N L R LDX D All round All-round - E 23 7 N L R D High recovery E E N L R D All-round E E N L R D Thin wall & pipe E E N L R 2205-PW Position E E N L R 2205 Basic High impact E E N L B 2507/P100 rut High impact E E N L R 2507/P100-3D All-round E E N L R 2507/P100-4D Thin wall & pipe E E N L R 30

31 Svetsmetoder - Avesta 4D elektroder Perfekta lägessvetselektroder för tunnplåt och rör Extrem lägeselektrod Tunnplåt och tunnväggiga rör Mjuk och stabil ljusbåge även vid låg ström Minimalt med sprut Tunt hölje och litet smältbad Full kontroll av smälta och slagg Mycket bra slagglossning > 2 mm 31

32 Svetsmetoder - Avesta 4D elektroder Fördel 4D: Svetsning av tunnväggiga rör PG PF Extrem kontroll av smälta och slagg ger perfekt svetsresultat på tunnväggiga rör 32

33 Duplexa stål Tillsatsmaterial Solid wire Type AWS A5.9 EN-ISO LDX 2101 MIG, TIG, SAW - G/W/S 23 7 N L 2304 MIG, TIG, SAW - G/W/S 23 7 N L 2205 MIG, TIG, SAW ER2209 G/W/S N L 2507/P100 MIG, TIG, SAW ER2594 G/W/S N L 2507/P100 Cu/W MIG, TIG, SAW ER2594 G/W/S N L Notering: Avesta 2507/P100 finns som två olika typere: Avesta 2507/P100 Avesta 2507/P100 Cu/W legerad med ca 0.5% Cu och 0.5% W enligt Zeron

34 Duplexa stål Skydsgaser Type Grades 1 st choice 2 nd choice MIG LDX 2101, 2304, Ar+1-2%CO2+30%He Ar+1-2%O 2 / Ar+2-3%CO 2205 MIG 2507/P100 Ar* Ar+30%He+2%CO 2 TIG All Ar Ar+2%N 2 FCAW All Ar+16-25%CO 2 100%CO 2 PAW All Ar / Ar+20-30%He* Ar / Ar+20-30%He+1-2N2* Laser All Ar /* Ar+20-30%He Also as plasma gas - Allmänna rekommendationer: Gasflöde MIG l/min * Dålig bågstabilitet ** Risk för porer vid fleralgersvetsning Gasflöde TIG 8-12 l/min För lågt eller för högt gasflöde kan ge porer Alla metoder är känsligt för drag. Kontrollera kopplingar och ledningar 34

35 Duplexa stål Skydsgaser Kväve i skyddsgasen Inverkan av kväve En tillsats på upp till 3% kväve ger en positiv effekt på korrosionsmotståndet Mer än 3% ger förhöjt slitage på wolframelektroden Svetsning utan tillsatsmaterial är inte rekommenderat. 35

36 Duplexa stål Skydsgaser Effekten av rotgas Vid ensides svetsning med TIG och MIG krävs en rotskyddsgas som skyddar rotsidan mot oxidering. Om rotskydd saknas eller inte är tillräckligt bra kommer rotsträngen att bli kraftigt oxiderad. Lämpliga rotskyddsgaser är: 90%N 2 +10%H 2 (Formier gas) 100%N 2 Ar (99,995%) 36

37 Duplexa stål Skydsgaser Applicering av rotskyddsgas För att få full effekt krävs noggrann applicering av rotskyddsgasen: 1. Adaptrar 2. Pappskivor eller tejp För att minska syrehalten måste den slutna volymen spolas minst 7 gånger. Rotskyddsgasen måste vara på tills minst 8 mm har svetsats. Syrehaltsmätare kan vara ett bra verktyg. 37

38 Duplexa stål Skydsgaser Ensidessvetsning av rotsträng Med rätt fogberedning, toleranser och rotstödsgas ger Avestas tråd stabil svetsning, rent svetsgods, bra vätningsegenskaper och utmärkta mekaniska egenskaper.

39 Duplexa stål Skydsgaser Vad är godkänd syrehalt i rotskyddet? En halmgul färg är normallt set acceptabelt. Detta kräver syrehalter runt ppm. 39

40 Duplexa stål Tillsatsmaterial Welding flux Filler EN 760 Egenskaper Avesta 801 Austenitska SA CS 2 Cr DC Låg basictet, Cr-legerat Avesta 805 All SA AF 2 Cr DC Mellanhög basictet, Cr-legerat Avesta 807 All SA FB 2 64 DC Hög basicitet, Cr-neutralt 40

41 Duplexa stål Tillsatsmaterial Rörtråd Typ AWS A5.22 EN-ISO FCW -2D LDX 2101 Horisontal - - FCW LDX 2101-PW Alla positioner - - FCW LDX 2404-PW Alla positioner - - FCW 2304 Horisontal - - FCW-2D 2205 Horisontal E2209T0-1/4 T N L R FCW 2205-PW Alla positioner E2209T1-1/4 T N L P FCW 2507/P100-PW Alla positioner E2594T1-1/4 T N L P FCW 2507/P100-PW NOR Alla positioner Hög slagseghet E2594T1-1/4 T N L P 41

42 Duplexa stål Fogberedning Vid svetsning av rostfria stål krävs en väl genomtänkt och nogrann utförd fogberedning: Undvik små fogvinklar sträva efter 60-70º Rotöppning nödvändig för att få full genombränning (tillräckligt med insmält tillsatsmaterial) Om plasma skärning används bör fogytorna slipas lätt före svetsning (TIG, MIG, FCW) Bryggor eller klämmor kan användas för att underlätta vid foginpassning och för att slippa häftor Tätt mellan häftsvetsar Undvik att slipa fogytorna Noggrann rengöring av fogarna/plåt före svetsning Grader Olja Smuts 42

43 Duplexa stål Fogberedning Jämförelse låglegerat och rostfritt 43

44 Duplexa stål Häftsvetsning Längdutvidgningen är betydligt större för rostfria stål jämfört med låglegerade. Placera häftorna i rätt följd för att undvika krympning och deformation Lägg häftorna på ungefär halva avståndet vid svetsning av rostfritt stål jämfört med kolstål. Var observant mot missanpassning. 44

45 Duplexa stål Häftsvetsning mm mm 1. Håll en jämn spaltöppning 2. Tillräcklig häftlängd: n T=3-12 mm längd = mm n T>12 mm längd = mm 3. Tänkt på avståndet mellan häftor 4. Slipa häftor efter häftning 45

46 Duplexa stål Häftsvetsning Häftsvetsning av rör Bryggor eller distansbitar rekommenderas vid ensides svetsning Var noga med rotöppningen!! Använd rostfria bryggor eller distansbitar Alla häftor utanför fogen måste repareras Undvik missanpassning Bra häftsvetsning är förutsättning för bra resultat 46

47 Duplexa stål Häftsvetsning Duplex tillsats! Lyftöron, startbitar, bryggor etc skall vara gjorda i rostfritt! 47

48 Duplexa stål Fogberedning och häftsvetsning Sammanfattning Vid svetsning är rostfria stål känsligare för hög värmetillförsel och har större benägenhet att deformeras än kolstål Sämre inträngning och flytbarhet - öka rotöppning (>2 mm) och fogvinkel (+10 ) Anpassa konstruktionen och häftsvetsningen efter det rostfria stålet Halva svetsningen är fogberedning - inkorrekt fogberedning kostar tid och pengar Slipning av start och stopp för att minska risken för svetsfel 48

49 Duplexa stål Temperaturer Svetsning bör sker normalt utan förvärmning. Vid utomhussvetsning vid låga temperaturer är det lämpligt att värma upp materialet till max 40 C för att driva bort fukt. Mellansträngstemperatur max 150 C LDX 2101, 2404 och 2507: max 150 C 2304 och 2205: max 200 C Värmebehandling efter svetsning är normalt inte nödvändigt. Sträckenergi LDX 2101, 2404 och 2507: 0,3-1,5 kj/mm 2304: 0,3-2,0 kj/mm 2205: 0,5-3,0 kj/mm 49

50 Duplexa stål Svetsteknik Allmänna riktlinjer: Tvåsides svetsning är enklare än ensides FCW mot backing ett bra allternativ Visuell kontroll mellan varje sträng (av svetsaren) Om det krävs skall strängarna slipas för att underlätta för kommande strängar och för att öppna fogen Slipning av start och stopp Stränga i horisontalläge (PA) Pendling i stigande vertikal (PF) Undvik för tunna strängar (porer, bindfel etc) Undvik för tjocka strängar (porer, bindfel etc) Skydda svetszonen mot blåst Rådfråga experterna! 50

51 Duplexa stål Svetsteknik Rengöring före svetsning För att uppnå bästa resultat skall svetszonen vara ren och fri från smuts och andra föroreningar som kan störa svetsningen. Använd lämpligt rengöringsmedel som t ex Avesta Cleaner 401 or 410. Alla skarpa kanter och ojämna ytor bör jämnas till genom lätt slipning och polering. Oxid, färg eller primer måst tas bort till och med 50 mm från svetsfogen. 51

52 Duplexa stål Svetsteknik En för convex yta där inneslutningar så som slagger kan samlas bör slipas före svetsning. Slipning av convexa ytor 52

53 Duplexa stål Svetsteknik Planering av svetsföljd ensides svets 1. Root Full genombränning - spaltöppning Fin rotsida - rotgas eller rotskena Ej för tunn 2. Fyllning Sträng 2-3 ca 80% sträckenergi av rotsträng Produktivitet Svets utan inre defekter MMA, FCW, MIG, SAW 3. Råge Ytutseende avgörande för korrosion Bra yta minskar efterbehandling 53

54 Duplexa stål Svetsprocedurer Kvalificera en procedur och följ den!! 54

55 Duplexa stål Svetsfel Svetsfel Svetsfel eller diskontinuiteter går inte alltid att undvika. Alla typer av svetsfel påverkar egenskaperna och därmed också livslängden på konstruktionen. Det är ytterst viktigt att känna till vilka typer av svetsfel som kan uppstå samt hur man skall minska risken men även hur de skall repareras. Typiska svetsfel för duplexa stål är: Ofullständig inträngning Bindfel Slaginneslutningar Sprickor Porer Ytfel som kan påverka korrosionsmotståndet 55

56 Duplexa stål Svetsfel Ofullständig inträngning Förmågan till inträngningen i grundmaterialet är sämre för duplex än austenitiska stål typ (304) och (316). Minska risken genom att: Öka fogvinkel med +10 Öka rotöppning, min 2-2,5 mm Rätt svetsteknik 56

57 Duplexa stål Svetsfel Bindfel Risken för bindfel är något större för duplex än austenitiska stål typ (304) och (316). Risken är störst vid svetsning av super duplex. Minska risken genom att: Öka fogvinkel med +10 Öka rotöppning, min 2-2,5 mm Rätt svetsteknik. FCW ger mindre risk än ex MIG/MAG Undvik för kall svetsning ex kalla metoder så som CMT kan ge problem 57 DATE TITLE

58 Duplexa stål Svetsfel Inneslutningar Smältans flytbarhet och slaggkontrollen är något sämre än för (304) och (316). Minska risken genom att: Öka fogvinkel med +10 Öka rotöppning, min 2-2,5 mm Rätt svetsteknik Ljusbågslängden viktig för FCW Konvexa ytor kan ge upphov till inneslutningar 58

59 Duplexa stål Svetsfel Porer Den höga kvävehalten i de duplexa stål ger en ökad risk för porer jämfört med (304) och (316). Minska risken genom att: Undvik trånga fogar Rätt svetsteknik med balanserade parametrar Undvik för tunna eller för tjocka strängar Rengör svetsytan från föroreningar Torra plåtar och tillsatsmaterial 59

60 Duplexa stål Svetsfel Ytdefekter Tändsår, sliprepor, ytoxider, spalter, häftor påverkar korrosionsmotståndet. Minska risken genom att: Slipa endast om det är nödvändigt för att få rena ytor Avsluta all slipning med att polera med min 320 Mesh Var försiktig med tändning och släckning av ljusbågen 60

61 Duplexa stål Svetsfel Varmsprickor Risken för varmsprickor är generellt sett inte särskilt stor för duplexa stål men kan förekomma om: Blandförband med kolstål och nickelbas Höga spänningstillstånd (inspända konstruktioner) Vida fogar med liten rakkant 61

62 Duplexa stål Reparationssvetsning Sekvens för svetsreparation 62

63 DUPLEX STEELS Post weld cleaning Weld metal Slag Undercut Heat oxide Iron contamination Organic contamination Spatter Parent metal Post-weld cleaning is critical in achieving fully satisfactory corrosion resistance. In order to restore the corrosion resistance defects such as welding oxide, organic contaminants and carbon steel contamination must be removed from weld and parent metal surfaces. 63

64 DUPLEX STEELS Post weld cleaning The passive layer protects the metal from corrosion Passive layer Thickness of passive layer 0,00025 µm (0, mm) Base metal Cr > 12%, nickel, molybdenum, etc Thinnfilm of protective chromium oxide Self healing under certain circumstances 64

65 DUPLEX STEELS Post weld cleaning Chromium depleted zone Chromium depleted zone Heat oxide Cr = 50-60% 2 8 µm chromium depleted zone Cr < 10% Heat treatment or heat from welding will cause compisition/structural changes on plate surface Base metal Cr = 18% Both must be removed 65

66 DUPLEX STEELS Post weld cleaning Mechanical methods Brushing Removes heat discoloration and slag but not chromium depleted zone Use stainless brush or Scotch Brite Scotch Grinding Removes slag, scars, discoloration and chromium depleted zone how to control Surface quality/roughness depends on type of grinding disc. Finer the better. Min Mesh 180. Blasting May removes heat discoloration and slag but not chromium depleted zone Surface quality/roughness depends on type of sand/pearls, grain size and hit angle. Gives uniform appearance but risk of stresses 66

67 DUPLEX STEELS Post weld cleaning Grinding Wrong grinding or grinding with coarse disc may cause grinding scars that may work as starting points for corrosion. Coarse grinding must be followed by fine grinding. 67

68 DUPLEX STEELS Post weld cleaning Chemical methods Removes the heat oxide and chromium depleted zone in a controlled way. Pickling and passivation Pickling DO NOT remove greas and fat 1. Removes the discoloration, chromium depleted zone as well as iron contaminations. 2. The combination of hydro fluoric acid and nitric acid penetrates the coarse heat oxide (discoloration) and dissolves weak areas by means of corrosion. 3. Favours the reforming of a resistant passive layer. 68

69 DUPLEX STEELS Post weld cleaning Pickling conditions The concentration of pickling agent, time and temperature for pickling affects the result. Under pickled Remaining oxide Rust Low resistance to corrosion Normal pickling Nice smooth surface Best resistance to corrosion Over pickled Rough surface Greyish finsih Still acceptable resistance 69

70 DUPLEX STEELS Post weld cleaning Pickling different ways same result Paste Pickling paste /gel over weld and and heat affected area. Spray Pickling spray covers big surfaces and complex structures. Bath The whole component is dipped in pickling solution. Good for series. 70

71 Welding Duplex Stainless Steels is not difficult just different How to weld duplex / 71 Böhler Welding Group Nordic AB How to weld duplex stainless steels I June 2012