Dlaczego zawartość procentowa ferrytu w rurze grzejnej ze stali nierdzewnej 316 kontroluje spawanie Podatność na pękanie na gorąco podczas spawania zamknięcia zaślepki

Rola ferrytu Delta w zapobieganiu pęknięciom podczas krzepnięcia

W przypadku elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316, operacja spawania zaślepki w celu zamknięcia rury po wprowadzeniu drutu oporowego i tlenku magnezu wymaga stanu metalurgicznego odpornego na pękanie na gorąco podczas krzepnięcia jeziorka spawalniczego. Procent ferrytu delta w metalu nieszlachetnym 316 i stopiwie, zwykle mieszczący się w zakresie od 0% (w pełni austenityczny) do 10% (struktura-podobna do duplexu), jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na podatność spoiny na pękanie na gorąco. W pełni austenityczny 316 (ferryt < 2%) krzepnie z grubymi ziarnami kolumnowymi, które wychwytują zanieczyszczenia o niskiej temperaturze topnienia (fosfor, siarka, krzem) na granicach ziaren, gdzie tworzą ciekłe warstwy, które pękają pod naprężeniami skurczu termicznego. Stopiwo zawierające 3-8% ferrytu delta jest krzepnięte w trybie duplex (ferryt-austenit) w celu wytworzenia drobnej, skomplikowanej sieci granic ziaren, które rozprowadzają zanieczyszczenia i wytrzymują naprężenia skurczowe bez pękania. W artykule oceniano korelację pomiędzy zawartością ferrytu, integralnością uszczelnienia zaślepki i szybkością pękania spoin, a także podano ograniczenia specyfikacji dla zastosowań związanych ze spawaniem grzejnikowym.

Mechanizm ferrytu-Zapobieganie pęknięciom wywołanym

Kiedy metal spoiny ze stali nierdzewnej 316 krzepnie, pierwszą fazą powstającą z cieczy jest ferryt delta (sześcienny-centrowany w korpusie), a nie austenit (sześcienny-centrowany na powierzchni czołowej), ponieważ ferryt ma wyższą temperaturę krzepnięcia. Podczas chłodzenia większa część ferrytu zmienia się w austenit w wyniku reakcji w stanie stałym, chociaż w temperaturze otoczenia występuje niewielka ilość ferrytu (zwykle 3-10%). Ten zatrzymany ferryt ma dwie funkcje zapobiegania pęknięciom. Po pierwsze, ferryt ma znacznie wyższą rozpuszczalność w zanieczyszczeniach takich jak fosfor i siarka (nawet 10 razy większa niż austenit). Zanieczyszczenia te nie skupiają się na granicach ziaren austenitu, ale są skoncentrowane w fazie ferrytu, usuwając w ten sposób warstewki cieczy powodujące pękanie podczas krzepnięcia. Po drugie, granica międzyfazowa-austenitu ferrytowego ma bardziej krętą strukturę niż granica ziaren austenitu-austenitu, co utrudnia propagację pęknięć. W przypadku metalu nieszlachetnego 316 zawartość ferrytu jest funkcją składu stopu, w szczególności równoważników chromu i niklu, oszacowanych na podstawie diagramów Schaefflera lub DeLonga. Kompozycja zawierająca około 20 równoważników chromu (Cr + Mo + 1.5×Si) i około 12 równoważników niklu (Ni + 30×C + 0.5×Mn) daje zawartość ferrytu 4-8%, która jest odpowiednia do spawania. Jeśli równoważnik niklu jest zbyt wysoki w stosunku do chromu, spoiny krzepną jako całkowicie austenityczne (ferryt poniżej 2%) i są bardzo podatne na pęknięcia.

Ilościowy związek między szybkością pękania spoiny a zawartością ferrytu

Kontrolowane badania spawania rur 316 do zaślepek końcowych grzejników (autogeniczny GTAW, bez dodatkowego metalu, dopływ ciepła 0,5-1,0 kJ/mm) wskazują na wyraźną odwrotną zależność pomiędzy zawartością ferrytu i częstością występowania pęknięć. Rury o składzie ferrytu poniżej 2% (całkowicie austenityczne) charakteryzują się współczynnikiem pękania na gorąco wynoszącym ponad 30% – w przybliżeniu jedna na trzy spoiny wykazuje oczywiste pęknięcia przy powiększeniu 10x. Dla ferrytu pomiędzy 2-3%, pękanie spada do 10-15%. Ilość pęknięć zmniejsza się do 2-5% przy zawartości ferrytu wynoszącej 3-5%. 5-8% oznacza pękanie dla ferrytu poniżej 1%. Ferryt powyżej 8% nadal powoduje niewielkie pęknięcia, ale metal spoiny staje się magnetyczny i może wykazywać słabą odporność na korozję w określonych warunkach z powodu selektywnego ataku fazy ferrytowej. Realnym celem spawania pokryw końcowych grzejnika jest zawartość ferrytu w stopiwie wynosząca 4-8%. Często wymaga to zawartości ferrytu metalu nieszlachetnego w ilości 3-6%, ponieważ rozcieńczenie metalu nieszlachetnego w jeziorku spawalniczym (spawanie autogeniczne) powoduje, że ferryt metalu spoiny jest nieco mniejszy niż ferryt metalu nieszlachetnego. Poniższa tabela podsumowuje związek pomiędzy zawartością ferrytu metalu nieszlachetnego, zawartością ferrytu metalu spoiny i występowaniem pęknięć na gorąco oraz zalecanymi zastosowaniami.

Zawartość ferrytu w metalu nieszlachetnym (%) Zawartość ferrytu w metalu spoiny (%) (autogeniczny GTAW) Częstość pękania na gorąco (%, widoczna przy 10x) Integralność uszczelki zaślepki Zalecana do obsługi grzejników<1 <1 >40Bardzo zły (wysoki stopień nieszczelności) Nie nadaje się do żadnego serwisu
1-2 1-2 20-35 Słaba (często przecieka) Tylko do zastosowań suchych i bez-ciśnienia
2-3 2-3 10-15 Marginalne (wymagana inspekcja 100%) Woda pod niskim ciśnieniem, bez chlorków
3-4 2.5-3.5 5-10 Ogólne zastosowania przemysłowe, przy umiarkowanym ciśnieniu. Dopuszczalne po kontroli penetracyjnej
4-6 3-5 2-5 Dobrze (niski poziom nieszczelności) Większość podgrzewania wody 6-8 5-7<1 Excellent (extremely high reliability) Pressurised systems, chlorides, thermal cycling
8-12 7-10 <1 Excellent (although ferrite may be subject to selective corrosion) Acceptable but ferrite attack in acids to be watched 
Pomiar zawartości ferrytu w rurach i spoinach 316

For buyers specifying 316 sheathed heaters, three methods confirm ferrite content in the base metal and weld metal. The first one is the magnetic induction measurement via ferritescope. Ferrite is ferromagnetic, austenite is not magnetic. A calibrated ferritescope provides direct ferrite percentage readings on the tube surface and across welds. For base metal, values under 2% indicate totally austenitic material with bad weldability. The second method is microstructure examination after etching with modified Murakami's reagent (potassium ferrocyanide + potassium hydroxide), which stains ferrite dark blue or brown while leaving austenite unaffected. The ferrite fraction is estimated by point count or image analysis according to ASTM E562. The third way is to use chemical analysis to determine the chromium and nickel equivalents and then use the DeLong diagram to forecast the amount of ferrite. For 316 a typical ferrite range is 3-7 %, but some heats (particularly high nickel heats, >13% Ni) może wynosić poniżej 2%. W przypadku krytycznych zastosowań spawalniczych kupujący powinni wymagać certyfikacji zawartości ferrytu w certyfikacie walcowni dla każdego ciepła rury.

Wpływ spoiwa na zawartość ferrytu w spoinie

W przypadkach, gdy zaślepki grzejnika są spawane z materiałem dodatkowym (rzadko w przypadku osłon grzejnika o małej średnicy, ale powszechnie w przypadku większych zespołów kołnierzowych), skład metalu dodatkowego może kontrolować zawartość ferrytu w metalu spoiny niezależnie od metalu rodzimego. Podatność na pękanie można skorygować poprzez wykonanie spoiny zawierającej 5-10% ferrytu z wykorzystaniem spoiwa 308L (wyższy stosunek chromu-do niklu) dla metalu nieszlachetnego 316 o niskiej zawartości ferrytu (poniżej 3%). W przypadku metalu nieszlachetnego 316L, metal wypełniający 316L zwykle daje 4-8% ferrytu. Nie należy stosować takiego materiału na zgrzewane zamknięcia grzejników. Metal nieszlachetny całkowicie austenityczny (np.. 310 stal nierdzewna lub niektóre wysokie temperatury niklu 316) nie może zawierać żadnego metalu wypełniającego, aby całkowicie uniknąć ryzyka pękania. Dostępność rurek o zweryfikowanej zawartości ferrytu metalu nieszlachetnego wynoszącej 4–8% eliminuje potrzebę stosowania metalu dodatkowego i zapewnia producentom grzejników spójność spoiny.

Oznaki pęknięć na gorąco w spoinach końcówek nagrzewnicy

Wewnętrzny proszek tlenku magnezu może tymczasowo uszczelnić drobne szczeliny w pękniętej spoinie zaślepki końcowych grzejników w eksploatacji, dzięki czemu nie może wyciekać natychmiast. Niemniej jednak trzy znaki polowe sugerują pękanie spoiny. Pierwszym z nich jest stały spadek rezystancji izolacji elektrycznej w miarę upływu czasu, w miarę wnikania wilgoci przez mikropęknięcia i zwilżania MgO. Drugi to widoczne plamy lub ślady korozji w pobliżu miejsca spawania, gdy grzejnik jest wyłączony z użytku. Trzeci to syczący dźwięk podczas ogrzewania (w przypadku grzejników-gazowych) lub okazjonalne zadziałanie zabezpieczenia ziemnozwarciowego. W przypadku nowych grzejników łatwym testem zapewniającym jakość jest poddanie zbudowanej (ale jeszcze nie wypełnionej MgO) osłony helem pod ciśnieniem 0,5 MPa i zmierzenie szybkości wycieku za pomocą spektrometru mas. Dobra spoina będzie miała współczynnik nieszczelności mniejszy niż 1x10 -7 mbar-l/s. Dla kupujących wymaganie, aby wszystkie spoiny zakończeń przeszły 100% kontrolę penetracji barwnika zgodnie z sekcją V ASME, z kryteriami akceptacji braku oznaczeń liniowych, stanowi praktyczną weryfikację jakości.

Wniosek: Określanie zawartości ferrytu dla niezawodnych spoin zaślepek końcowych

Zawartość ferrytu delta w rurkach osłonowych ze stali nierdzewnej 316 bezpośrednio kontroluje pękanie na gorąco podczas spawania zamknięcia zaślepki. Przy zawartości ferrytu poniżej 3% w metalu rodzimym, metal spoiny krzepnie, tworząc całkowicie austenityczną strukturę, która wychwytuje zanieczyszczenia na granicach ziaren i powoduje pęknięcia z szybkością przekraczającą 10-15%. Metal spoiny zawierający 3–7% ferrytu można uzyskać, stosując 4–8% ferrytu metalu nieszlachetnego, co zmniejsza pękanie do<2-5% and durable end cap seals for pressurised and corrosive use. Engineers specifying 316 sheathed heaters for any application requiring hermetic sealing, including water immersion, pressurised systems or corrosive environments, must require certification of ferrite content (minimum 4% by ferritescope) on the tubing mill certificate or specify that the manufacturer tests each heat before use. This paper outlines the basis for correlating ferrite % with measured rates of weld cracking so that purchasers may pick 316 sheath tubing that provides crack-free end cap welds, so avoiding the insidious failure mode of weld microcracking.