Wytrzymałość łączy sprawnym w niskich temperaturach

WYTRZYMAŁOŚĆ ZŁĄCZY SPAWANYCH W NISKICH TEMPERATURACH

Obniżona temperatura eksploatacji konstrukcji sprzyja kruchości stali, powodując zmianę w sposobie pękania od plastycznego do kruchego. Zmiana w sposobie pękania występuje w pewnym przedziale temperatury. Przyjmując określony poziom udarności można wyznaczyć dla różnych rodzajów stali temperaturę przejścia w stan kruchy

Niska temperatura ma szczególnie duże znaczenie przy budowie zbiorników na ciekłe i sprężone gazy. Szybki rozwój budowy i eksploatacji urządzeń pracujących w niskich temperaturach jest również wynikiem wzrostu wykorzystania zjawisk kriogenicznych do celów codziennej techniki.
Podstawowym problemem przy budowie wszelkiego rodzaju konstrukcji i urządzeń pracujących w obniżonych temperaturach jest dobór właściwego materiału. Stal zwykła, jako podstawowy materiał konstrukcyjny, wraz z obniżeniem temperatury traci plastyczność, ma zatem ograniczone zastosowanie. W niskich temperaturach dobrze zachowują się stopy aluminium, stopy miedzi oraz niektóre typy stali wysokostopowych.
Biorąc pod uwagę warunki klimatyczne, a także urządzenia chłodnicze lub zbiorniki na ciekłe gazy temperatura pracy konstrukcji i urządzeń może wynosić od 0oC do minus 268oC (temperatura wrzenia helu). Materiał do pracy w odpowiedniej temperaturze dobierany jest z punktu widzenia odporności na pękanie, jednak przy wyborze materiału względy ekonomiczne również odgrywają bardzo dużą rolę. Zwykłe stale niskowęglowe, ze względu na przejście w stan kruchy w stosunkowo wysokiej temperaturze maja ograniczone zastosowanie. Udarność stali zależy jednak od wielu czynników i temperatura przejścia tych stali w stan kruchy może być nieco przesunięta w kierunku temperatur dodatnich lub ujemnych, np.
-węgiel przesuwa gwałtownie temperaturę przejścia w stan kruchy w stronę temperatur dodatnich; każde 0,01% C przesuwa tę temperaturę o 12oC,
-mangan w ilości do 2% dodatnio wpływa na udarność stali w niskich temperaturach,
-nikiel ma podobny wpływ jak mangan i jest dodawany do stali niskowęglowych łącznie z manganem,
-krzem w ilości do 0,3% wpływa dodatnio na udarność (uspokojenie), natomiast domieszki fosforu i siarki wpływają ujemnie.

Stale niskowęglowe całkowicie uspokojone drobnoziarniste mogą być przy odpowiednio starannej produkcji (mała ilość zanieczyszczeń) przydatne do pracy nawet w temperaturze do –60oC. Do pracy w bardziej niskich temperaturach należy stosować stale stopowe lub inne stopy.

Na zbiorniki do transportu ciekłych gazów o różnych temperaturach wrzenia zaleca się stosowanie materiałów przeznaczonych do pracy w zakresie temperatur -50-100oC. Na przykład stal niskowęglowa ulepszona cieplnie może być dopuszczona do pracy w temperaturze do –80oC. Podobnie stale niskostopowe mogą pracować do tego samego zakresu obniżonych temperatur.
Z punktu widzenia najniższej dopuszczalnej temperatury pracy stale można podzielić na następujące grupy:

1.stale niskowęglowe zwykłe o podwyższonej odporności na pękanie, np. stale kadłubowe typu E wg Lloyds Register of Shipping, mogą znaleźć zastosowanie bez specjalnych zastrzeżeń w temperaturach do –30oC;

2.stale niskowęglowe o składzie chemicznym zbliżonym do stali typu E, mogą znaleźć zastosowanie w temperaturach do – 50oC po ich uprzednim starannym przebadaniu (w stanie ulepszonym cieplnie mają one znaczną plastyczność w temperaturach do – 80oC);

3.stale drobnoziarniste mikrostopowe mogące pracować w temperaturach do – 60oC; stal drobnoziarnista specjalnego typu „D – arktyczna” znalazła zastosowanie w budowie zbiorników na gazy płynne o temperaturze wrzenia do – 60oC;

4.stale niklowe o zawartości 2,5% Ni są stosowane najczęściej do temperatur rzędu – 42oC (propan);

5.stale niklowe o zawartości 3,5% Ni są stosowane na zbiorniki dwutlenku węgla (– 78oC) i etanu (– 42oC);

6.stale o zawartości 9% Ni są stosowane na zbiorniki etylenu (– 104oC) oraz na płynny azot (– 196oC);

7.stale austenityczne typu 18-8 nadają się do pracy w najbardziej niskich temperaturach, jak temperatura skroplonego wodoru (– 253oC) i helu (– 270oC).

Dodatek niklu w stali wyraźnie poprawia jej udarność w obniżonych temperaturach, przy 13% Ni udarność prawie przestaje zależeć od temperatury badania. Stąd duże znaczenie znalazły stale z 9% Ni, które mają w obniżonych temperaturach nieco gorszą udarność od stali o zawartości 13% Ni, jednak wystarczająco dużą dla celów technicznych.
Wśród wszystkich stali nadających się do pracy w temperaturze do – 196oC, stale z 9% Ni mają najwyższą wytrzymałość oraz dobrą udarność, dorównującą stali typu 18-8.
Na części pracujące w najniższych temperaturach jest stosowana stal chromowo-niklowa typu 18-8. Stale tego typu są dobrze spawalne i łatwo dają się obrabiać za pomocą obróbki skrawaniem oraz formować za pomocą obróbki plastycznej. Pod tym względem stale austenityczne są znacznie lepsze od stali o zawartości 9% Ni. Ta ostatnia należy do materiałów trudno obrabialnych i dlatego jest stosowana na zbiorniki o prostej konstrukcji.