Zašto postotak sadržaja ferita u cijevi grijača od nehrđajućeg čelika 316 kontrolira osjetljivost zavarivanja na vruće pukotine tokom zavarivanja zatvaranja poklopca

Uloga Delta ferita u prevenciji pucanja u očvršćavanju

U slučaju električnih grijaćih cijevi od nehrđajućeg čelika obloženih nehrđajućim čelikom, operacija zavarivanja završne kapice za zatvaranje cijevi nakon što se umetnu otporna žica i magnezijev oksid zahtijeva metalurško stanje koje je otporno na vruće pucanje tokom skrućivanja zavarenog bazena. Procenat delta ferita u osnovnom metalu 316 i metalu šava, obično u rasponu od 0 % (potpuno austenit) do 10 % (dupleks-slična struktura), je najvažniji faktor koji utječe na osjetljivost šava na vruće pucanje. Potpuno austenitni 316 (ferit < 2 %) se stvrdnjava sa krupnim stupčastim zrnima koja zadržavaju nečistoće niske tačke topljenja (fosfor, sumpor, silicijum) na granicama zrna gde formiraju tečne filmove koji pucaju pod naponom termičke kontrakcije. Metal šava koji sadrži 3-8 % delta ferita očvršćava se u dupleks modu (ferit-austenit) kako bi se proizvela fina mučna mreža granica zrna koje distribuiraju nečistoće i prilagođavaju naprezanja kontrakcije bez lomljenja. Ovaj rad procjenjuje korelaciju između sadržaja ferita, integriteta zaptivke krajnjeg poklopca i brzine pucanja šava i daje ograničenja specifikacije za primjene zavarivanja grijačem.

Mehanizam prevencije pukotina izazvanih feritom{0}}

Kada se metal šava od nehrđajućeg čelika 316 stvrdne, prva faza koja se formira iz tekućine je delta ferit (kubna-centrirana kubna), a ne austenit (kubna-centrirana na lice), jer ferit ima višu temperaturu skrućivanja. Prilikom hlađenja, veći dio ferita prelazi u austenit reakcijom u čvrstom stanju, iako je mala količina ferita (obično 3-10%) prisutna na temperaturi okoline. Ovaj zadržani ferit ima dvije funkcije prevencije loma. Prvo, ferit ima znatno veću rastvorljivost za zagađivače kao što su fosfor i sumpor (do 10 puta više od austenita). Ove nečistoće nisu koncentrisane na granicama zrna austenita, već su koncentrisane u feritnoj fazi i na taj način uklanjaju tečne filmove koji izazivaju pukotine pri skrućivanju. Drugo, sučelje ferit{11}}austenita ima vijugaviju strukturu od granice zrna austenita-austenita i to ometa širenje pukotina. Za osnovni metal 316, sadržaj ferita je funkcija sastava legure, posebno ekvivalenata hroma i nikla kako je procijenjeno iz Schaeffler ili DeLong dijagrama. Kompozicija sa oko 20 ekvivalenta hroma (Cr + Mo + 1.5×Si) i oko 12 ekvivalenta nikla (Ni + 30×C + 0.5×Mn) daje sadržaj ferita od 4-8 %, što je pogodno za zavarljivost. Ako je ekvivalent nikla previsok u odnosu na hrom, zavari se skrućuju kao potpuno austenitni (ferit ispod 2 %) i vrlo su osjetljivi na pucanje.

Kvantifikovani odnos između brzine pucanja zavara i sadržaja ferita

Kontrolisane studije zavarivanja na 316 cijevi za zatvaranje krajnjeg poklopca grijača (autogeni GTAW, bez metala za punjenje, unos topline 0,5-1,0 kJ/mm) ukazuju na jasnu inverznu povezanost između sadržaja ferita i učestalosti loma. Cijevi sa sastavom ferita ispod 2 % (potpuno austenitne) imaju stopu vrućeg pucanja veću od 30 % – otprilike svaki treći zavar otkriva očigledne pukotine pri 10x uvećanju. Za ferit između 2-3 %, pukotina pada na 10-15 %. Količina pukotina se smanjuje na 2-5 % pri količini ferita od 3-5 %. 5-8% je pukotina za ferit ispod 1%. Ferit iznad 8 % još uvijek daje malo pucanja, ali metal šava postaje magnetski i može pokazati slabu otpornost na koroziju u određenim uvjetima zbog selektivnog napada feritne faze. Izvediv cilj zavarivanja poklopca grijača je 4-8% ferita u metalu šava. Ovo često zahtijeva osnovni metal sa 3-6% ferita jer razrjeđivanje osnovnog metala u bazenu za zavarivanje (autogeno zavarivanje) rezultira sa feritom metala šava nešto manje od ferita osnovnog metala. Tabela ispod rezimira vezu između sadržaja ferita osnovnog metala, sadržaja ferita u metalu šava i pojavljivanja vrućih pukotina i preporučene primjene.

Sadržaj ferita osnovnog metala (%) Sadržaj ferita zavarenog metala (%) (autogeni GTAW) Incidencija vrućeg pucanja (%, vidljivo pri 10x) Integritet zaptivke završne kapice Preporučuje se za servis grijača<1 <1 >40Vrlo loše (velika stopa curenja) Nije prikladno za bilo koju uslugu
1-2 1-2 20-35 Loše (često curi) Samo za suhe aplikacije bez-pritiska
2-3 2-3 10-15 Granica (potrebna 100% inspekcija)Voda, nizak pritisak, bez hlorida
3-4 2.5-3.5 5-10 Opće industrijske, umjerene upotrebe pod pritiskom Prihvatljivo sa inspekcijom penetracije boje
4-6 3-5 2-5 Dobro (niska stopa curenja) Većina grijanja vode 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 
Mjerenje sadržaja ferita u 316 cijevima i zavarenim spojevima

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) može biti ispod 2 %. Za kritične primjene zavarivanja, kupci bi trebali zahtijevati certifikaciju sadržaja ferita na certifikatu mlina za svaku toplinu cijevi.

Utjecaj dodatnog metala na sadržaj ferita zavara

U slučajevima kada su završni poklopci grijača zavareni dodatnim metalom (rijetko za omote grijača malog promjera, ali uobičajeno za veće sklopove s prirubnicama), sastav metala za punjenje može kontrolirati sadržaj ferita u metalu šava neovisno o osnovnom metalu. Osjetljivost na lom može se korigirati izradom šava sa 5-10% ferita korištenjem 308L dodatnog metala (veći omjer hroma-na-nikla) ​​za niski ferit (ispod 3%) 316 osnovni metal. Sa osnovnim metalom 316L, dodatni metal od 316L obično daje 4-8 % ferita. Takav materijal se ne smije koristiti za zavarene zatvarače grijača. Osnovni metal koji je potpuno austenitan (npr. . 310 nerđajući čelik ili neke visoke temperature nikla 316) ne može koristiti nikakav dodatni metal da bi se izbjegao rizik od pucanja u potpunosti. Dostupnost cijevi sa provjerenim sadržajem ferita osnovnog metala od 4-8 % eliminira zahtjev za dodatnim metalom i osigurava konzistentnost zavara za proizvođače grijača.

Terenski znaci vrućih pukotina u zavarenim zavarenim poklopcima grijača

Unutrašnji prah magnezijum oksida može privremeno zapečatiti manje praznine u napuknutom zavaru završne kapice za grijače u radu, tako da možda neće odmah procuriti. Tri znaka polja ipak ukazuju na pucanje zavara. Prvi je postojano smanjenje električnog izolacijskog otpora s vremenom, jer vlaga prodire kroz mikropukotine i vlaži MgO. Drugi je vidljiva mrlja ili rezultat korozije u blizini područja zavara kada se grijač povuče iz upotrebe. Treći je šištanje pri grijanju (za plinske{4}}grijalice) ili povremeno aktiviranje zaštite od zemljospoja. Za nove grijače jednostavan test za osiguranje kvaliteta je da se ugrađeni (ali još ne napunjen MgO) omotač stavi pod tlak helijumom na 0,5 MPa i izmjeri brzinu curenja masenim spektrometrom. Dobar zavar će imati brzinu curenja manju od 1x10 -7 mbar-L/sec. Za kupce, koji zahtijevaju da svi zavareni spojevi krajnjeg poklopca prođu 100% inspekciju penetracije boje prema ASME odjeljak V, uz kriterije prihvatljivosti bez linearnih indikacija, pruža praktičnu verifikaciju kvaliteta.

Zaključak: Određivanje sadržaja ferita za pouzdane zavarene čepove

Sadržaj delta ferita u cijevi omotača od nehrđajućeg čelika 316 direktno kontrolira vruće pucanje tokom zavarivanja zatvarača poklopca. Sa manje od 3 % ferita u osnovnom metalu, metal šava se stvrdnjava sa potpuno austenitnom strukturom, koja zadržava nečistoće na granicama zrna i puca brzinom većom od 10-15 %. Zavareni metal sa 3-7% ferita može se postići upotrebom 4-8% ferita osnovnog metala što rezultira smanjenim pucanjem 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.