De ce procentul de ferită din oțel inoxidabil 316 învelișul tubului de control al încălzitorului sudează Susceptibilitatea la fisurare la cald în timpul sudării închiderii capacului

Rolul feritei Delta în prevenirea fisurilor prin solidificare

În cazul tuburilor electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil 316, operațiunea de sudare a capacului de capăt pentru a închide tubul după introducerea firului de rezistență și a oxidului de magneziu necesită o stare metalurgică care să fie rezistentă la fisurarea la cald în timpul solidificării bazinului de sudură. Procentul de ferită delta din metalul de bază 316 și metalul de sudură, variind de obicei de la 0 % (complet austenitic) la 10 % (structură duplex-), este cel mai important factor care guvernează susceptibilitatea la fisurarea la cald la sudare. Complet austenitic 316 (ferită < 2 %) se solidifică cu granule grosiere columnare care captează impuritățile cu punct de topire scăzut (fosfor, sulf, siliciu) la limitele granulelor unde formează pelicule lichide care crapă sub solicitările contracției termice. Metalul de sudură care conține 3-8 % ferită delta este solidificat într-un mod duplex (ferită-austenită) pentru a produce o rețea fină și chinuitoare de granule care distribuie impuritățile și suportă tensiunile de contracție fără a se rupe. Această lucrare evaluează corelația dintre conținutul de ferită, integritatea etanșării capacului de capăt și rata de fisurare a sudurii și oferă limite de specificație pentru aplicațiile de sudare cu încălzitor.

Mecanismul de prevenire a fisurilor induse de ferită-

Când metalul de sudură din oțel inoxidabil 316 se solidifică, prima fază care se formează din lichid este ferita delta (cubic cu corp-centrat) și nu austenita (cubic cu față-centrat), deoarece ferita are o temperatură de solidificare mai mare. La răcire, cea mai mare parte a ferită se transformă în austenită printr-o reacție în stare solidă, deși o cantitate mică de ferită (de obicei 3-10%) este prezentă la temperatura ambiantă. Această ferită reținută are două funcții de prevenire a fracturilor. În primul rând, ferita are o solubilitate substanțial mai mare pentru contaminanți precum fosfor și sulf (de până la 10 ori mai mult decât austenita). Aceste impurități nu sunt concentrate la granițele de austenită, ci sunt concentrate în faza de ferită, îndepărtând astfel peliculele lichide care provoacă fisurarea prin solidificare. În al doilea rând, interfața cu ferită-austenită are o structură mai sinuoasă decât granița granulelor de austenită-austenită și acest lucru împiedică propagarea fisurilor. Pentru metalul de bază 316, conținutul de ferită este o funcție de compoziția aliajului, în special echivalenții de crom și nichel, estimați din diagramele Schaeffler sau DeLong. O compoziție cu aproximativ 20 de echivalent de crom (Cr + Mo + 1.5×Si) și aproximativ 12 de echivalent de nichel (Ni + 30×C + 0.5×Mn) dă un conținut de ferită de 4-8 %, care este potrivit pentru sudabilitate. Dacă echivalentul de nichel este excesiv de mare în raport cu crom, sudurile se solidifică ca fiind total austenitice (ferită sub 2 %) și sunt foarte susceptibile la fisurare.

Relația cuantificată între rata de fisurare a sudurii și conținutul de ferită

Studiile de sudură controlate pe tubulatura 316 pentru închiderea capacului terminalului de încălzire (GTAW autogen, fără metal de umplutură, aport de căldură 0,5-1,0 kJ/mm) indică o asociere inversă clară între conținutul de ferită și incidența fracturilor. Tuburile cu o compoziție de ferită sub 2 % (total austenitică) au o rată de fisurare la cald de peste 30 % – aproximativ o sudură din trei dezvăluie fisuri evidente la o mărire de 10×. Pentru ferită între 2-3 %, fisurarea scade la 10-15 %. Cantitatea de cracare se reduce la 2-5 % la o cantitate de ferită de 3-5 %. 5-8% este cracarea pentru ferită sub 1%. Ferita peste 8 % dă încă puține fisuri, dar metalul de sudură devine magnetic și poate prezenta o rezistență slabă la coroziune în anumite condiții datorită atacului selectiv al fazei de ferită. Scopul fezabil pentru sudarea capacului de încălzire este 4-8% ferită în metalul sudat. Acest lucru necesită adesea metal de bază cu 3-6% ferită, deoarece diluarea metalului de bază în bazin de sudură (sudare autogenă) are ca rezultat o ferită metalică de sudură puțin mai mică decât ferita metalului de bază. Tabelul de mai jos rezumă legătura dintre conținutul de ferită de metal de bază, conținutul de ferită de metal de sudură și incidența fisurilor la cald și aplicațiile recomandate.

Conținut de ferită de metal de bază (%) Conținut de ferită de metal de sudură (%) (GTAW autogen) Incidența fisurilor la cald (%, vizibilă la 10x) Integritatea etanșării capacului de capăt Recomandat pentru serviciul de încălzire<1 <1 >40 Foarte rău (rata mare de scurgere) Nu este potrivit pentru niciun serviciu
1-2 1-2 20-35 Slab (scurgeri des) Numai pentru aplicații uscate, fără-presurizare
2-3 2-3 10-15 Marginal (este necesară o inspecție de 100%) Apă, presiune joasă, fără clorură
3-4 2.5-3.5 5-10 Utilizări industriale generale, cu presiune moderată. Acceptabil cu inspecția vopselelor penetrante
4-6 3-5 2-5 Bună (rata scăzută de scurgere) Majoritatea încălzirii apei 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 
Măsurarea conținutului de ferită în țevi și suduri 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) poate fi sub 2 %. Pentru aplicațiile critice de sudură, cumpărătorii ar trebui să solicite certificarea conținutului de ferită pe certificatul morii pentru fiecare căldură a tubului.

Efectul metalului de umplutură asupra conținutului de ferită de sudură

În cazurile în care capacele de capăt ale încălzitorului sunt sudate cu metal de adaos (rar pentru teaca de încălzire cu diametru mic, dar obișnuit pentru ansamblurile cu flanșe mai mari), compoziția metalului de adaos poate controla conținutul de ferită al metalului de sudură independent de metalul de bază. Susceptibilitatea la rupere poate fi corectată prin producerea unei suduri cu 5-10% ferită utilizând metalul de umplutură 308L (raport mai mare crom-la nichel) pentru metalul de bază 316 cu ferită scăzută (sub 3%). Cu metalul de bază 316L, metalul de umplutură 316L are de obicei 4-8 % ferită. Un astfel de material nu trebuie utilizat pentru închiderile sudate ale încălzitoarelor. Metalul de bază complet austenitic (de exemplu,. 310 oțel inoxidabil sau unele temperaturi ridicate de nichel 316) nu poate folosi niciun metal de adaos pentru a evita riscul de fisurare complet. Disponibilitatea tuburilor cu conținut verificat de ferită de metal de bază de 4-8 % elimină cerința de metal de adaos și asigură consistența sudurii pentru producătorii de încălzitoare.

Semne de câmp de fisurare la cald în sudurile capacului de încălzire

Pulberea interioară de oxid de magneziu poate sigila temporar golurile minore dintr-o sudură a capacului de capăt fracturat pentru încălzitoarele aflate în funcțiune, astfel încât să nu se scurgă imediat. Cele trei semne de câmp sugerează totuși fisurarea sudurii. Prima este o scădere constantă a rezistenței de izolație electrică în timp, deoarece umiditatea pătrunde prin microfisuri și umezește MgO. Al doilea este o pată vizibilă sau un rezultat de coroziune în vecinătatea regiunii de sudură atunci când încălzitorul este scos din funcțiune. Al treilea este un zgomot de șuierat la încălzire (pentru încălzitoarele cu gaz-) sau declanșarea ocazională a protecției defecțiunii la pământ. Pentru încălzitoarele noi, un test ușor de asigurare a calității este de a presuriza învelișul construit (dar nu încă umplut cu MgO) cu heliu la 0,5 MPa și de a măsura rata de scurgere cu un spectrometru de masă. O sudură bună va avea o rată de scurgere mai mică de 1x10 -7 mbar-l/s. Pentru cumpărători, solicitarea ca toate sudurile capacului să treacă 100 % inspecție cu penetrant de colorant conform ASME Secțiunea V, cu criterii de acceptare fără indicații liniare, oferă o verificare practică a calității.

Concluzie: Specificarea conținutului de ferită pentru suduri fiabile pentru capac

Conținutul de ferită delta al tubului de manta din oțel inoxidabil 316 controlează direct fisurarea la cald în timpul sudării închiderii capacului. Cu mai puțin de 3 % ferită în metalul de bază, metalul de sudură se solidifică cu o structură complet austenitică, care captează impuritățile la limitele granulelor și se fisurează la rate care depășesc 10-15 %. Metalul de sudură cu 3-7% ferită poate fi realizat prin utilizarea 4-8% ferită de metal de bază, rezultând o fisurare redusă la<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.