Zakaj odstotek vsebnosti ferita v cevnem plašču grelnika iz nerjavečega jekla 316 nadzoruje občutljivost zvara na vroče razpoke med varjenjem z zapiranjem končnega pokrova

Vloga delta ferita pri preprečevanju razpok zaradi strjevanja

V primeru električnih grelnih cevi, oplaščenih iz nerjavečega jekla 316, postopek varjenja končnega pokrova za zapiranje cevi po vstavitvi uporovne žice in magnezijevega oksida zahteva metalurško stanje, ki je odporno na vroče razpoke med strjevanjem zvarnega bazena. Odstotek delta ferita v osnovni kovini 316 in kovini zvara, ki se običajno giblje od 0 % (popolnoma avstenitna) do 10 % (dvostruk-podobna struktura), je najpomembnejši dejavnik, ki uravnava dovzetnost za vroče razpoke zvara. Popolnoma avsteniten 316 (ferit < 2 %) se strdi z grobimi stebrastimi zrni, ki ujamejo nečistoče z nizkim tališčem (fosfor, žveplo, silicij) na mejah zrn, kjer tvorijo tekoče filme, ki počijo pod napetostmi toplotnega krčenja. Zvar, ki vsebuje 3-8 % delta ferita, se strdi v dupleksnem načinu (ferit-avstenit), da se proizvede fino mučno mrežo meja zrn, ki porazdelijo nečistoče in sprejmejo krčne napetosti, ne da bi se zlomile. Ta članek ocenjuje korelacijo med vsebnostjo ferita, celovitostjo tesnila končnega pokrova in stopnjo razpokanja zvara ter podaja mejne vrednosti specifikacij za aplikacije varjenja z grelnikom.

Mehanizem preprečevanja-razpok, ki jih povzroči ferit

Ko se zvar iz nerjavečega jekla 316 strdi, je prva faza, ki nastane iz tekočine, delta ferit (kubični-centrirani kubik) in ne avstenit (kubični-centrirani kubični), ker ima ferit višjo temperaturo strjevanja. Pri ohlajanju se večji del ferita spremeni v avstenit z reakcijo v trdnem stanju, čeprav je pri sobni temperaturi prisotna majhna količina ferita (običajno 3-10%). Ta zadržani ferit ima dve funkciji preprečevanja zlomov. Prvič, ferit ima bistveno večjo topnost za onesnaževalce, kot sta fosfor in žveplo (do 10-krat več kot avstenit). Te nečistoče niso koncentrirane na mejah avstenitnih zrn, ampak so koncentrirane v feritni fazi in tako odstranijo tekoče filme, ki povzročajo razpoke pri strjevanju. Drugič, mejna površina ferit-avstenita ima bolj zavito strukturo kot meja zrna avstenita-avstenita, kar ovira širjenje razpok. Pri navadni kovini 316 je vsebnost ferita funkcija sestave zlitine, zlasti ekvivalentov kroma in niklja, kot je ocenjeno iz diagramov Schaeffler ali DeLong. Sestava s približno 20 ekvivalentom kroma (Cr + Mo + 1.5×Si) in približno 12 ekvivalentom niklja (Ni + 30×C + 0.5×Mn) daje vsebnost ferita 4-8 %, kar je primerno za varljivost. Če je ekvivalent niklja previsok glede na krom, se zvari strdijo kot popolnoma avstenitni (ferit pod 2 %) in so zelo dovzetni za razpoke.

Kvantificirano razmerje med stopnjo pokanja zvara in vsebnostjo ferita

Študije nadzorovanega varjenja na cevkah 316 za zapirala končnih pokrovčkov grelnikov (avtogeni GTAW, brez polnilne kovine, dovod toplote 0,5–1,0 kJ/mm) kažejo na jasno inverzno povezavo med vsebnostjo ferita in pojavnostjo zlomov. Cev s feritno sestavo pod 2 % (popolnoma avstenitna) ima stopnjo vročih razpok več kot 30 % – približno en od treh zvarov razkrije očitne razpoke pri 10-kratni povečavi. Za ferit med 2-3 % se pokanje zmanjša na 10-15 %. Količina krekinga se zmanjša na 2-5 % pri količini ferita 3-5 %. 5-8% je kreking za ferit pod 1 %. Ferit nad 8 % še vedno povzroča malo razpok, vendar zvar postane magneten in lahko zaradi selektivnega napada feritne faze v posebnih pogojih kaže slabo odpornost proti koroziji. Izvedljiv cilj za varjenje končne kapice grelnika je 4-8 % ferita v zvaru. To pogosto zahteva navadno kovino s 3-6 % ferita, saj razredčitev osnovne kovine v zvarni bazen (avtogeno varjenje) povzroči ferit zvara nekoliko manj kot ferit iz navadne kovine. Spodnja tabela povzema povezavo med vsebnostjo ferita iz navadne kovine, vsebnostjo ferita v zvaru in pojavnostjo vročih razpok ter priporočene aplikacije.

Vsebnost ferita iz navadne kovine (%) Vsebnost ferita v zvaru (%) (avtogeni GTAW) Incidenca vročih razpok (%, vidna pri 10x) Celovitost tesnila končnega pokrova Priporočljivo za servisiranje grelnikov<1 <1 >40Zelo slabo (visoka stopnja puščanja) Ni primerno za nobeno storitev
1-2 1-2 20-35 Slabo (pogosto pušča) Samo za suhe aplikacije brez{1}}tlaka
2-3 2-3 10-15 Obrobno (potreben je 100-odstotni pregled)Voda, nizek tlak, brez klorida
3-4 2.5-3.5 5-10 Splošna industrijska uporaba pri zmernem tlaku Sprejemljivo s pregledom s penetrantom barvila
4-6 3-5 2-5 Dobro (nizka stopnja puščanja) Večina ogrevanja 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 
Merjenje vsebnosti ferita v 316 ceveh in zvarih

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) je lahko pod 2 %. Za kritične aplikacije varjenja morajo kupci zahtevati potrdilo o vsebnosti ferita na certifikatu mlina za vsako segrevanje cevi.

Vpliv dodajne kovine na vsebnost ferita v zvaru

V primerih, ko so končni pokrovi grelnika privarjeni z polnilno kovino (redko za grelne plašče z majhnim premerom, vendar običajno za večje sklope s prirobnicami), lahko sestava polnilne kovine nadzira vsebnost ferita v zvaru neodvisno od osnovne kovine. Dovzetnost za zlome je mogoče popraviti s proizvodnjo zvara s 5-10 % feritom z uporabo polnilne kovine 308L (višje razmerje kroma-in niklja) za nizko vsebnost ferita (pod 3 %) 316 osnovne kovine. Z osnovno kovino 316L dodana kovina 316L običajno povzroči 4-8 % ferita. Tak material se ne sme uporabljati za varjena zapirala grelnikov. Osnovna kovina, ki je popolnoma avstenična (npr. . 310 nerjaveče jeklo ali nekatere visoke temperature niklja 316), ne more uporabljati nobene polnilne kovine, da bi se popolnoma izognili nevarnosti razpok. Razpoložljivost cevi s preverjeno 4–8 % vsebnostjo ferita iz navadne kovine odpravlja zahtevo po dodajni kovini in proizvajalcem grelnikov zagotavlja skladnost zvara.

Terenski znaki vročih razpok v zvarih končne kapice grelnika

Notranji prah magnezijevega oksida lahko začasno zapre manjše vrzeli v polomljenem zvaru končne kapice za grelnike v uporabi, tako da morda ne bo takoj puščal. Trije znaki na terenu kljub temu kažejo na pokanje zvara. Prvi je enakomerno zmanjševanje električnega izolacijskega upora s časom, saj vlaga prodre skozi mikrorazpoke in zmoči MgO. Drugi je viden madež ali posledica korozije v bližini varjenega območja, ko grelnik ne uporabljate. Tretji je šumenje pri segrevanju (pri grelnikih, polnjenih s-plinom) ali občasno sprožitev ozemljitvene zaščite. Za nove grelnike je preprost preskus zagotavljanja kakovosti, da se vgrajeni (vendar še ne napolnjeni z MgO) plašč stisne s helijem pri 0,5 MPa in izmeri stopnja puščanja z masnim spektrometrom. Dober zvar bo imel stopnjo puščanja manjšo od 1x10 -7 mbar-L/s. Za kupce zahteva, da vsi zvari končnih pokrovčkov prestanejo 100-odstotni pregled penetracije barvila v skladu z oddelkom V ASME, z merili sprejemljivosti brez linearnih indikacij, zagotavlja praktično preverjanje kakovosti.

Zaključek: Določanje vsebnosti ferita za zanesljive zvare končnih pokrovčkov

Vsebnost delta ferita v cevnem ovoju iz nerjavečega jekla 316 neposredno nadzoruje vroče razpoke med varjenjem zapiranja končnega pokrova. Z manj kot 3 % ferita v osnovni kovini se zvar strdi s popolnoma avstenitno strukturo, ki ujame nečistoče na mejah zrn in razpoke pri stopnjah, ki presegajo 10-15 %. Zvar s 3-7 % ferita je mogoče doseči z uporabo 4-8 % ferita iz navadne kovine, kar zmanjša razpoke<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.