Microstructural characterization and mechanical properties of 9%Ni steel welds by submerged arc welding process using nickel-base alloys

Abstract

Natural Gas with more than 80% methane has a liquefaction temperature around -165 ° C. Temperature at which the gas reduces its volume by a factor of 600/1.

This operating temperature makes the use of ferritic materials unfeasible because they have a brittle fracture mode below a critical temperature, called transition temperature. For the construction of large containers, the most commonly used material is Steel A-553-T1 which has a nominal content of 9% nickel and whose crystalline structure is formed by a martensite matrix with some austenite reacted. This microstructure is achieved through double heat treatment; Tempering and tempering.

To weld this steel, for this application, it is not possible to use materials of 9% Ni feed, in view of the impossibility of performing the necessary thermal treatments to achieve homogeneity of properties. On the other hand, the austenitic welding consumables present a ductile behavior with a high energy absorbed even to -196ºC and within these NiCrMo family nickel base alloys have a high mechanical strength, and a coefficient of thermal expansion close to the steel 9% Ni.

Within this family of nickel base alloys, the Hastalloy C-276 alloy has been used, which increases its mechanical strength by solid solution, the main alloys being chromium and molybdenum both about 15% and with 2.5% of Tungsten and 5% iron. Although this is an alloy that is essentially single-phase Gamma, the last liquid is usually transformed into carbides or TCP phases as the pass Mu and P. These three phases have a very close composition so that their identification through the EDX is not possible .

Currently, most of the tanks being built have a storage capacity between 150,000 and 200,000, so the sheet thickness of 1 was ferrule between 27 to 50mm, implying that the welds are multi-pass, Requiring between 16 and 30 passes to fill the joints of this first ferrule. Normally the vertical joints are welded with manual or semi-automatic processes while the horizontal joints are welded with automatic submerged arc process.

According to the atmospheric tank design standards for cryogenic storage, the thickness of the sheets is determined by the Maximum Admissible Efforts that are calculated from the mechanical strength of the weakest structural element, the base metal or the weld joint. In the case of welding, the mechanical strength of the weld is determined from the cylindrical specimen tensile test obtained from the deposited metal, from the homologation coupon of the welding process.

During the homologation of the manual or semi-automatic procedures, the results obtained in the tests of longitudinal and transverse traction are equivalent. In the case of automatic welding In addition to the low values obtained from the cylindrical tensions of the weld metal of the horizontal joints with respect to the transverse tensions, it is very often observed that an important difference in the resistance presented by the different tensile tests of the same welded specimen , These differences being much greater than the observed difference between two experimental conditions.

Prior to this experimental work, 6 other tests and a few procedural approvals were carried out, in which sheets of 12, 21, 26.5 and 27 mm of thickness were used, with 2.4 mm and 1.6 mm threads always of the classification AWS A5.14 ER-NiCrMo-4, corresponding to the Hastalloy C-276 alloy, with different fluxes, stiffening levels, cylindrical probe diameter etc.

This PhD work was carried out on the seventh test carried out in the summer of 2008 at Lincoln Electric Cleveland, where 4 fluxes, 2 wire diameters, alternating and continuous current and two voltage levels were tested, with an experimental design 23 with each flux. As all DOE tests were performed, 8 specimens were welded per flux, and a total of 32 specimens were welded. The purpose of this test was to select the best flux wire pair, and determine the optimum parameters to maximize the mechanical strength of the weld metal.

The base material used in this experiment were A553 T1 steel sheets, with 9% Ni and annealed and tempered with a thickness of 21mm. The joint design of these specimens is asymmetrical and unbalanced "X" with a 1mm bead and a 2mm spacing. Following the actual joint design of the production plates. In order to prevent the melting bath from being picked up, a flux backing was placed.

The tests performed on each specimen were as follows: Cylindrical traction welding metal: 4 per test pieces Charpy V Notch at -196 ° C Macro General Chemical Analysis, performed on the side faces of the macros. Chemical analysis on tensile specimens. Microhardness tests Vickers and Knoob.

The wire-flux pair selected in these tests has been used for the welding of eight tanks: three in Spain: two in Gijón 2011-2013 and one in Bilbao 2014-2015; A tank in Chile, 2011-2013 and four other tanks in China, 2011-2013. With this pair, good results have been obtained in the approvals of welding procedures of these projects, both in the transversal tensions and in the cylindrical tensions, fulfilling the requisites of resistance necessary in each project. During the production, a welding metal with very few inclusions of slag has been deposited, presenting good degreasing and degassing.

The objective of this research is to determine the factors that produce the variability of results in the tensile tests, correlating the structural and micro structural factors with the mechanical properties of the deposited metal, in order to maximize its mechanical resistance.

Hasta mediados del siglo XX, el gas era considerado como un residuo de la explotación petrolera con importantes barreras tecnológicas y económicas para su procesado y comercialización por lo que gran parte de este era quemado en los países de producción.

Desde finales del siglo XX, el aumento de la demanda de energía sumado con los altos niveles de contaminación producido por la quema de petróleo y carbón hicieron que se desarrollen las tecnologías y normas para el transporte seguro y rentable de los gases derivados del petróleo.

Desde entonces, El gas natural ha tenido una penetración muy importante en la cadena de consumo debido a su alto poder energético y a la baja cantidad, comparada con el petróleo y carbón, de residuos, sólidos y gaseosos, que han hecho que este se perciba como un combustible limpio.

El transporte de este producto se realiza en estado líquido, por medio de 2 tecnologías, presurización o por enfriamiento, LPG y LNG. La primera requiere de plantas de presurizado y gasoductos. Las distancias económicamente rentables para la conducción por gasoducto rondan la docena de miles de kilómetros, requiriendo de plantas de re presurización a lo largo del gasoducto.

Cuando la distancia entre los productores y los consumidores que muy grande la licuación por enfriamiento a presión atmosférica es la opción más económica y segura. En este caso en, el gas obtenido del pozo se conduce hasta la planta de licuefacción donde se realiza la separación de los distintos componentes sólidos, líquidos y gaseosos, por procesos de filtración y licuación diferencial. El Gas natural producto de este proceso se almacena temporalmente en un tanque de LNG mientras en cargado en el barco que lo transportará a destino. Una vez en destino el barco descarga a un tanque de LNG, de donde se suministra a la planta de regasificación. De esta el gas es canalizado a alta presión por los gasoductos de distribución o a las plantas de generación eléctrica.

El Gas Natural, con más de un 80% de metano tiene una temperatura de licuefacción alrededor de los -165ºC. Temperatura a la cual el gas reduce su volumen por un factor de 600/1.

Esta temperatura de operación hace inviable el uso de materiales ferríticos, debido a que estos presentan un modo de fractura frágil por debajo de una temperatura crítica, llamada de transición. Para la construcción de grandes contenedores el material más usado en es Acero A-553-T1 que tiene un contenido nominal de 9% de níquel y cuya estructura cristalina está formada por una matriz de martensita con algo de austenita revenida. Esta microestructura se consigue a través del doble tratamiento térmico; de temple y revenido.

Para soldar este acero, para esta aplicación, no se pueden usar materiales de aportes similares al 9%Ni en vista de la imposibilidad de realizar los tratamientos térmicos necesarios para conseguir la homogeneidad de propiedades. Por otro lado, los consumibles de soldadura austeníticos presentan un comportamiento dúctil con una alta energía absorbida incluso a -196ºC y dentro de estos las aleaciones base níquel de la familia NiCrMo presentan una alta resistencia mecánica, y un coeficiente de expansión térmica cercano a del acero 9%Ni.

Dentro de esta familia de aleaciones base níquel se ha usado la aleación Hastalloy C-276, la cual incrementa su resistencia mecánica por solución sólida, siendo los principales aleantes el cromo y molibdeno ambos alrededor de 15%, y con un 2,5% de tungsteno y un 5% de hierro. Aun que ésta es una aleación que en esencia es monofásica Gamma, el último liquido suele transformarse en carburos o fases TCP como la pase Mu y P. Estas tres fases tienen una composición muy cercana por lo que su identificación a través del EDX no es posible.

Actualmente, la mayoría de los tanques que se están construyendo tienen una capacidad de almacenamiento entre los 150.000 y 200.000, por lo que el espesor de chapa de la 1 era virola de entre 27 a 50mm, lo que implica que las soldaduras son multi pasada, necesitándose entre 16 y 30 pasadas para rellenar las juntas de esta primera virola. Normalmente las juntas verticales se sueldan con procesos manuales o semi-automáticos mientras que las horizontales se sueldan con proceso automático de arco sumergido.

Según las normas de diseño de tanques atmosféricos para almacenamiento criogénico, el espesor de las chapas está determinado por los Esfuerzos Máximos Admisibles que se calculan a partir de la resistencia mecánica del elemento estructural más débil, el metal base o la junta de soldadura. En el caso de la soldadura, la resistencia mecánica de ésta se determina a partir del ensayo de tracción con probeta cilíndricas obtenidas del metal depositado, a partir del cupón de homologación del procedimiento de soldadura.

Durante la homologación de los procedimientos manuales o semi automáticos los resultados obtenidos en los ensayos de tracción longitudinal y transversal son equivalentes. En el caso de la soldadura automática de las juntas horizontales, los resultados obtenidos de las tracciones transversales siempre han sido muy superiores a los resultados de las tracciones cilíndricas.

Además de los bajos valores que se obtienen de las tracciones cilíndricas del metal de soldadura de las juntas horizontales con respecto a las tracciones transversales, con mucha frecuencia se observa que una importante diferencia en la resistencia presentada los diferentes ensayos de tracción de una misma probeta soldada, siendo estas diferencias mucho mayores que la diferencia observada entre dos condiciones experimentales. Situación que dificulta la correcta interpretación de los resultados de los diferentes ensayos o pruebas realizadas.

Antes de este trabajo experimental se realizaron otros 6 ensayos y unas cuantas homologaciones de procedimientos, en las cuales se usaron chapas de 12, 21, 26,5 y 27mm de espesor, con hilos de 2,4mm y 1,6mm siempre de la clasificación AWS A5.14 ER-NiCrMo-4, correspondiente a la aleación Hastalloy C-276, con diferentes fluxes, niveles de rigidización, diámetro de probeta cilíndrica etc.

Este trabajo de doctorado se he realizado sobre el séptimo ensayo realizado en verano de 2008 en las instalaciones de Lincoln Electric Cleveland, en que se probaron 4 fluxes, 2 diámetros de hilo, corriente alterna y continua y dos niveles de voltaje, desarrollándose un diseño experimental 23 con cada flux. Como se realizaron todas las pruebas correspondientes al DOE, se soldaron 8 probetas por flux, y en total 32 probetas. El objetivo de este ensayo era seleccionar el mejor par alambre fundente, y determinar los parámetros óptimos para maximizar la resistencia mecánica del metal de soldadura.

El material base usado en este experimento fueron chapas de acero A553 T1, con 9%Ni y templadas y revenidas con un espesor de 21mm. El diseño de junta de estas probetas es en “X” asimétrica y desbalanceada con un talón de 1mm y una separación de 2mm. Siguiendo el diseño de junta real de las chapas de producción. Con el fin de evitar que el baño de fusión se descuelgue se colocó un respaldo de flux.

Los ensayos realizados a cada probeta han sido los siguientes: Tracciones Cilíndricas de metal de soldadura: 4 por probetas Charpy V Notch a -196ºC Macro Análisis Químico General, realizado sobre las caras laterales de las macros. Análisis Químico en las probetas de tracción. Ensayos de microdureza Vickers y Knoob.

El par alambre-fundente seleccionado en estas pruebas ha sido usado para el soldeo de ocho tanques: tres en España: dos en Gijón 2011-2013 y uno en Bilbao 2014-2015; un tanque en Chile, 2011-2013 y otros cuatro tanques en China, 2011-2013. Con este par se han conseguido buenos resultados en las homologaciones de procedimientos de soldadura de estos proyectos, tanto en las tracciones transversales como en las tracciones cilíndricas, cumpliendo con los requisitos de resistencia necesarios en cada proyecto. Durante la producción se ha depositado un metal de soldadura con muy pocas inclusiones de escoria, presentando buen desescoriado y desgasificado.

El objetivo de este trabajo de investigación es determinar los factores que producen la variabilidad de resultados el los ensayos de tracción, correlacionando los factores estructurales y micro estructurales con las propiedades mecánicas del metal depositado, con el fin de maximizar su resistencia mecánica.