Proč procento obsahu feritu v 316 nerezové ocelové trubce ohřívače řídí svar náchylnost k praskání za horka během svařování uzávěru koncovky

Role delta feritu v prevenci praskání při tuhnutí

V případě elektrických topných trubek 316 s pláštěm z nerezové oceli vyžaduje operace svařování koncovky pro uzavření trubky po vložení odporového drátu a oxidu hořečnatého metalurgický stav, který je odolný proti praskání za tepla při tuhnutí svarové lázně. Procento delta feritu v 316 obecném kovu a svarovém kovu, typicky v rozmezí od 0 % (plně austenitický) do 10 % (duplexní -struktura), je jediným nejdůležitějším faktorem, který řídí náchylnost k praskání za tepla při svařování. Plně austenitický 316 (ferit < 2 %) tuhne s hrubými sloupcovými zrny, která zachycují nečistoty s nízkým bodem tání (fosfor, síra, křemík) na hranicích zrn, kde vytvářejí kapalné filmy, které pod napětím tepelné kontrakce praskají. Svarový kov obsahující 3-}8 % delta feritu se ztuhne v duplexním režimu (ferit-austenit), aby se vytvořila jemná mučivá síť hranic zrn, která rozděluje nečistoty a přizpůsobuje se smršťování bez porušení. Tento dokument hodnotí korelaci mezi obsahem feritu, integritou těsnění koncového uzávěru a rychlostí praskání svaru a poskytuje specifikační limity pro aplikace svařování ohřívačem.

Mechanismus prevence trhlin-indukovaných feritem

Když svarový kov z nerezové oceli 316 tuhne, první fází, která se vytvoří z kapaliny, je delta ferit (krychlový-centrovaný krychlový) spíše než austenit (krychlový-obličejový střed), protože ferit má vyšší teplotu tuhnutí. Při ochlazení se větší část feritu mění na austenit reakcí v pevném stavu, i když malé množství feritu (obvykle 3-}10 %) je přítomno při teplotě okolí. Tento zadržený ferit má dvě funkce prevence lomu. Za prvé, ferit má podstatně vyšší rozpustnost pro nečistoty, jako je fosfor a síra (až 10krát více než austenit). Tyto nečistoty nejsou koncentrovány na hranicích austenitových zrn, ale jsou koncentrovány ve feritové fázi, čímž se odstraňují tekuté filmy, které způsobují praskání tuhnutím. Za druhé, rozhraní feritu{11}}austenitu má klikatější strukturu než hranice zrn austenitu{24}}a to brání šíření trhlin. U obecného kovu 316 je obsah feritu funkcí složení slitiny, zejména ekvivalentů chrómu a niklu, jak se odhaduje ze Schaefflerových nebo DeLongových diagramů. Složení s přibližně 20 ekvivalentu chrómu (Cr + Mo + 1.5×Si) a přibližně 12 ekvivalentu niklu (Ni + 30×C + 0.5×Mn) poskytuje obsah feritu 4–8 %, což je vhodné pro svařitelnost. Pokud je ekvivalent niklu nadměrně vysoký vzhledem k chrómu, svary tuhnou jako zcela austenitické (ferit pod 2 %) a jsou velmi náchylné k praskání.

Kvantitativní vztah mezi mírou praskání svaru a obsahem feritu

Kontrolované svařovací studie na hadicích 316 pro uzávěry koncovek ohřívače (autogenní GTAW, žádný přídavný kov, tepelný příkon 0,5-1,0 kJ/mm) naznačují jasnou inverzní souvislost mezi obsahem feritu a výskytem zlomenin. Trubky s feritovým složením pod 2 % (zcela austenitické) mají rychlost praskání za tepla více než 30 % – přibližně jeden svar ze tří odhalí zjevné trhliny při 10násobném zvětšení. U feritu mezi 2-3 %, praskání klesá na 10-15 %. Množství praskání se sníží na 2–5 % při množství feritu 3–5 %. 5-8% je praskání pro ferit pod 1 %. Ferit nad 8 % stále málo praská, ale svarový kov se stává magnetickým a může vykazovat špatnou odolnost proti korozi za určitých podmínek v důsledku selektivního napadení feritové fáze. Dosažitelným cílem pro svařování koncovek ohřívače je 4-8 % feritu ve svarovém kovu. To často vyžaduje základní kov s 3-6 % feritu, protože ředění základního kovu do svarové lázně (autogenní svařování) vede k tomu, že ferit svarového kovu je o něco méně než ferit obecného kovu. Níže uvedená tabulka shrnuje souvislost mezi obsahem feritu obecného kovu, obsahem feritu svarového kovu a výskytem trhlin za tepla a doporučenými aplikacemi.

Obsah feritu základního kovu (%) Obsah feritu svarového kovu (%) (autogenní GTAW) Výskyt praskání za tepla (%, viditelné při 10x) Integrita těsnění koncového uzávěru Doporučeno pro servis ohřívače<1 <1 >40Velmi špatné (vysoká míra úniku) Nevhodné pro žádný servis
1-2 1-2 20-35 Špatné (často uniká) Pouze pro suché, -netlakové aplikace
2-3 2-3 10-15 Marginální (vyžadována 100% kontrola)Voda, nízký tlak, žádný chlorid
3-4 2.5-3.5 5-10 Obecné průmyslové použití při mírném tlaku Přijatelné s kontrolou penetrantu barviva
4-6 3-5 2-5 Dobrá (nízká míra úniku) Většina ohřevu vody 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 
Měření obsahu feritu v 316 trubkách a svarech

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) může být pod 2 %. Pro kritické svarové aplikace by kupující měli vyžadovat certifikaci obsahu feritu na certifikátu válcovny pro každé teplo trubky.

Vliv přídavného kovu na obsah svarového feritu

V případech, kdy jsou koncové uzávěry ohřívačů svařeny s přídavným kovem (vzácné u plášťů ohřívačů o malém průměru, ale běžné u větších přírubových sestav), může složení přídavného kovu řídit obsah feritu ve svarovém kovu nezávisle na základním kovu. Náchylnost k lomu lze korigovat vytvořením svaru s 5-10 % feritu s použitím přídavného kovu 308L (vyšší poměr chrom{4}}k niklu) pro nízký ferit (pod 3 %) 316 obecný kov. U základního kovu 316L má přídavný kov 316L běžně za následek 4-8 ​​% feritu. Takový materiál by se neměl používat pro svařované uzávěry ohřívačů. Základní kov zcela austenitický (např. . 310 nerezová ocel nebo některé vysoké teploty niklu 316) nemůže používat žádný přídavný kov, aby se zabránilo riziku úplného prasknutí. Dostupnost trubek s ověřeným obsahem 4-8 % feritu obecného kovu eliminuje požadavek na přídavný kov a zajišťuje výrobcům ohřívačů konzistenci svaru.

Polní známky praskání za horka ve svarech koncového uzávěru ohřívače

Vnitřní prášek oxidu hořečnatého může dočasně utěsnit menší mezery ve sváru prasklé koncovky u ohřívačů v provozu, takže nemusí okamžitě unikat. Tři znaky pole nicméně naznačují praskání svaru. Prvním je postupné snižování elektrického izolačního odporu s časem, protože vlhkost proniká mikrotrhlinami a smáčí MgO. Druhým je viditelná skvrna nebo výsledek koroze v blízkosti oblasti svaru, když je ohřívač vyřazen z provozu. Třetím je syčivý zvuk při topení (u plynových-ohřívačů) nebo občasné vypnutí zemní ochrany. U nových ohřívačů je snadným testem zajištění kvality natlakování vestavěného (ale ještě ne plněného MgO) pláště heliem na 0,5 MPa a měření rychlosti úniku pomocí hmotnostního spektrometru. Dobrý svar bude mít netěsnost menší než 1x10 -7 mbar-l/s. Požadavek, aby všechny koncové svary prošly 100% kontrolou průniku barviva podle ASME sekce V, s kritérii přijatelnosti bez lineárních indikací, pro kupující představuje praktické ověření kvality.

Závěr: Specifikace obsahu feritu pro spolehlivé svary koncovek

Obsah delta feritu v trubici z nerezové oceli 316 přímo řídí praskání za horka během svařování uzávěru koncovky. S méně než 3 % feritu v základním kovu tuhne svarový kov se zcela austenitickou strukturou, která zachycuje nečistoty na hranicích zrn a praská rychlostí přesahující 10-15 %. Svarový kov s 3–7 % feritu lze dosáhnout použitím 4–8 % feritu obecného kovu, což vede ke snížení praskání na<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.