Hvorfor er ferritindholdsprocenten i 316 rustfrit stål varmekappe-rørstyringssvejsning følsomhed over for varm revnedannelse under endehættesvejsning

Delta-ferrits rolle i forebyggelse af størkningsrevner

I tilfælde af 316 rustfri stålbeklædte elektriske varmerør kræver svejseoperationen af ​​endehætten for at lukke røret, efter at modstandstråden og magnesiumoxid er sat i, en metallurgisk tilstand, der er modstandsdygtig over for varme revner under størkning af svejsebadet. Procentdelen af ​​deltaferrit i 316 basismetallet og svejsemetallet, typisk fra 0 % (fuldt austenitisk) til 10 % (dupleks-lignende struktur), er den vigtigste enkeltfaktor, der styrer modtageligheden for varme revnedannelser. Den fuldt austenitiske 316 (ferrit < 2 %) størkner med grove søjleformede korn, som fanger urenheder med lavt smeltepunkt (phosphor, svovl, silicium) ved korngrænserne, hvor de danner flydende film, som revner under spændingerne fra termisk kontraktion. Svejsemetal, der indeholder 3-8 % deltaferrit, størknes i en duplekstilstand (ferrit-austenit) for at producere et fint, torturagtigt netværk af korngrænser, som fordeler urenheder og optager sammentrækningsspændinger uden at bryde. Dette papir evaluerer sammenhængen mellem ferritindhold, endehætteforseglingens integritet og svejserevnehastigheden og angiver specifikationsgrænser for varmelegemesvejseapplikationer.

Mechanism of Ferrite-Induced Crack Prevention

Når 316 rustfrit stål svejsemetal størkner, er den første fase, der dannes fra væsken, deltaferrit (krop-centreret kubisk) snarere end austenit (face-centreret kubisk), fordi ferrit har en højere størkningstemperatur. Ved afkøling ændres størstedelen af ​​ferriten til austenit ved en faststofreaktion, selvom en lille mængde ferrit (normalt 3-10%) er til stede ved omgivelsestemperatur. Denne tilbageholdte ferrit har to funktioner til brudforebyggelse. For det første har ferrit en væsentligt højere opløselighed for forurenende stoffer som fosfor og svovl (op til 10 gange mere end austenit). Disse urenheder er ikke koncentreret ved austenitkorngrænserne, men er koncentreret i ferritfasen, hvorved de flydende film, der forårsager størkningsrevner, fjernes. For det andet har ferrit-austenitgrænsefladen en mere snoet struktur end en austenit-austenitkorngrænse, og dette forhindrer sprækkeudbredelse. For 316 basismetal er ferritindholdet en funktion af sammensætningen af ​​legeringen, især chrom- og nikkelækvivalenterne som estimeret ud fra Schaeffler- eller DeLong-diagrammerne. En sammensætning med omkring 20 chromækvivalenter (Cr + Mo + 1.5×Si) og omkring 12 nikkelækvivalenter (Ni + 30×C + 0.5×Mn) giver et ferritindhold på 4-8 %, hvilket er velegnet til svejsbarhed. Hvis nikkelækvivalenten er for høj i forhold til krom, størkner svejsningerne som totalt austenitiske (ferrit under 2 %) og er meget revnemodtagelige.

Kvantificeret forhold mellem svejserevner og ferritindhold

Kontrollerede svejseundersøgelser af 316-rør til endehættelukker til varmelegeme (autogen GTAW, intet fyldmetal, varmetilførsel 0,5-1,0 kJ/mm) indikerer en klar omvendt sammenhæng mellem ferritindhold og brudforekomst. Rør med en ferritsammensætning under 2 % (totalt austenitisk) har en varmrevnehastighed på mere end 30 % – ca. hver svejsning ud af tre afslører tydelige revner ved 10x forstørrelse. For ferrit mellem 2-3 % falder revnedannelsen til 10-15 %. Revnemængden reduceres til 2-5 % ved en ferritmængde på 3-5 %. 5-8 % er revnedannelsen for ferrit under 1 %. Ferrit over 8 % giver stadig lidt revner, men svejsemetallet bliver magnetisk og kan under særlige forhold vise dårlig korrosionsbestandighed på grund af selektivt angreb af ferritfasen. Det mulige mål for endekappesvejsning med varmelegeme er 4-8 % ferrit i svejsemetallet. Dette kræver ofte basismetal med 3-6% ferrit, da fortynding af basismetal i svejsebassin (autogen svejsning) resulterer med svejsemetalferrit lidt mindre end basismetalferrit. Tabellen nedenfor opsummerer sammenhængen mellem indhold af basismetalferrit, indhold af svejsemetalferrit og forekomst af varme revner og anbefalede anvendelser.

Indhold af basismetalferrit (%) Indhold af svejsemetalferrit (%) (autogent GTAW) Forekomst af varmerevner (%, synlig ved 10x) Endedækseltætningsintegritet anbefales til varmeanlægsservice<1 <1 >40Meget dårlig (høj lækagerate)Ikke egnet til nogen service
1-2 1-2 20-35 Dårlig (lækker ofte) Kun til tørre, ikke-tryksatte applikationer
2-3 2-3 10-15 Marginal (100 % inspektion påkrævet) Vand, lavt tryk, ingen klorid
3-4 2.5-3.5 5-10 Generel industriel brug med moderat tryk. Acceptabel med inspektion af farvestofpenetrant
4-6 3-5 2-5 God (lav lækagerate) Mest vandopvarmning 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 
Ferritindholdsmåling i 316 rør og svejsninger

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) kan være under 2 %. Til kritiske svejseapplikationer bør købere kræve certificering af ferritindhold på møllecertifikatet for hver rørvarme.

Indvirkning af fyldmetal på svejseferritindhold

I tilfælde, hvor varmelegemets endehætter er svejset med fyldmetal (sjældent for varmekapper med lille diameter, men almindeligt for større flangesamlinger) kan sammensætningen af ​​fyldmetallet styre ferritindholdet i svejsemetallet uafhængigt af basismetallet. Brudmodtageligheden kan korrigeres ved fremstilling af en svejsning med 5-10 % ferrit under anvendelse af 308L fyldmetal (højere chrom-til-nikkel-forhold) for lavt ferrit (under 3 %) 316 basismetal. Med 316L basismetal resulterer 316L fyldmetal normalt i 4-8 % ferrit. Sådant materiale bør ikke anvendes til svejsede varmelegemelukninger. Helt austenitisk basismetal (f.eks.. 310 rustfrit stål eller nogle høje nikkel 316-temperaturer) kan ikke bruge noget fyldmetal for at undgå risikoen for helt at revne. Tilgængeligheden af ​​rør med verificeret 4-8 % basismetalferritindhold eliminerer kravet om fyldmetal og sikrer svejsekonsistens for varmeovnsproducenter.

Felttegn på varmerevner i svejsninger til varmelegemet

Det indvendige magnesiumoxidpulver kan midlertidigt forsegle mindre huller i en brækket endehættesvejsning til varmeapparater i drift, så det måske ikke lækker med det samme. De tre markskilte tyder ikke desto mindre på svejserevner. Den første er et konstant fald i den elektriske isoleringsmodstand med tiden, da fugt trænger ind gennem mikrorevner og fugter MgO. Den anden er en synlig plet eller korrosionsresultat i nærheden af ​​svejseområdet, når varmelegemet tages ud af brug. Den tredje er en hvæsende lyd ved opvarmning (for gas-fyldte varmeapparater) eller lejlighedsvis udløsning af jordfejlsbeskyttelsen. For nye varmeapparater er en nem kvalitetssikringstest at sætte den indbyggede (men endnu ikke MgO-fyldte) kappe under tryk med helium ved 0,5 MPa og måle lækagehastigheden med et massespektrometer. En god svejsning vil have en lækagehastighed på mindre end 1x10 -7 mbar-L/sek. For købere, at kræve, at alle endehættesvejsninger består 100 % farvestofgennemtrængningsinspektion i henhold til ASME Sektion V, med acceptkriterier uden lineære indikationer, giver en praktisk kvalitetsbekræftelse.

Konklusion: Angivelse af ferritindhold for pålidelige endehættesvejsninger

Delta ferritindholdet i 316 rustfrit stålkapperør kontrollerer direkte varmerevner under endehættesvejsning. Med mindre end 3 % ferrit i basismetallet størkner svejsemetallet med en fuldstændig austenitisk struktur, som opfanger urenheder ved korngrænserne og revner med hastigheder på over 10-15 %. Svejsemetal med 3-7% ferrit kan opnås ved at bruge 4-8% basismetalferrit, hvilket resulterer i reduceret revnedannelse til<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.