Miksi ferriittipitoisuuden prosenttiosuus ruostumattomasta teräksestä valmistetussa lämmittimen vaippaletkussa 316 hitsaa kuumahalkeiluherkkyyttä päätykannen sulkemishitsauksen aikana

Deltaferriitin rooli jähmettymishalkeilun ehkäisyssä

316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyn sähkölämmitysputken tapauksessa päätykannen hitsaustoiminto putken sulkemiseksi vastuslangan ja magnesiumoksidin asettamisen jälkeen vaatii metallurgisen tilan, joka kestää kuumahalkeilua hitsausaltaan jähmettymisen aikana. Delta-ferriitin prosenttiosuus 316-jalometallissa ja hitsausmetallissa, joka vaihtelee tyypillisesti 0 %:sta (täysin austeniittista) 10 %:iin (dupleksi{5}}kaltainen rakenne), on tärkein yksittäinen hitsin kuumahalkeiluherkkyyttä säätelevä tekijä. Täysin austeniittinen 316 (ferriittiä < 2 %) jähmettyy karkeilla pylväsrakeilla, jotka vangitsevat matalan sulamispisteen epäpuhtaudet (fosfori, rikki, pii) raerajoille, jolloin ne muodostavat nestemäisiä kalvoja, jotka halkeilevat lämpökutistumisjännityksen vaikutuksesta. Hitsausmetalli, joka sisältää 3-8 % deltaferriittiä, jähmettyy dupleksitilassa (ferriitti-austeniitti), jolloin muodostuu hieno, kiduttava raerajojen verkosto, joka jakaa epäpuhtaudet ja mukauttaa supistumisjännitykset rikkoutumatta. Tässä artikkelissa arvioidaan ferriittipitoisuuden, päätykannen tiivisteen eheyden ja hitsin halkeilunopeuden välistä korrelaatiota ja annetaan eritelmärajat lämmitinhitsaussovelluksille.

Ferriitin{0}}halkeamien ehkäisymekanismi

Kun 316 ruostumattoman teräksen hitsausmetalli jähmettyy, ensimmäinen faasi, joka muodostuu nesteestä, on deltaferriittiä (runko-keskitetty kuutio) austeniitin (pinta-keskitetty kuutio), koska ferriitillä on korkeampi jähmettymislämpötila. Jäähtyessään suurin osa ferriitistä muuttuu austeniitiksi kiinteän olomuodon reaktiossa, vaikka pieni määrä ferriittiä (yleensä 3-10 %) on läsnä ympäristön lämpötilassa. Tällä säilytetyllä ferriitillä on kaksi murtumien ehkäisyä. Ensinnäkin ferriitillä on huomattavasti parempi liukoisuus epäpuhtauksille, kuten fosforille ja rikille (jopa 10 kertaa enemmän kuin austeniitilla). Nämä epäpuhtaudet eivät tiivisty austeniitin raerajoilla, vaan ne keskittyvät ferriittifaasiin, jolloin ne poistavat nestekalvot, jotka aiheuttavat jähmettymishalkeilua. Toiseksi ferriitti-austeniitin rajapinnalla on mutkikkaampi rakenne kuin austeniitti-austeniitin raerajalla, mikä estää halkeamien etenemisen. Epäjalometallin 316 ferriittipitoisuus on lejeeringin koostumuksen funktio, erityisesti kromi- ja nikkeliekvivalenteista Schaeffler- tai DeLong-kaavioista arvioituina. Koostumus, jossa on noin 20 kromiekvivalenttia (Cr + Mo + 1.5×Si) ja noin 12 nikkeliekvivalenttia (Ni + 30×C + 0.5×Mn), antaa ferriittipitoisuuden 4-8 %, mikä on sopiva hitsattavuus. Jos nikkeliekvivalentti on liian korkea kromiin nähden, hitsit jähmettyvät täysin austeniittisiksi (ferriittiä alle 2 %) ja ovat erittäin halkeilemisherkkiä.

Hitsin halkeilunopeuden ja ferriittipitoisuuden välinen määrällinen suhde

Valvotut hitsaustutkimukset 316-letkuilla lämmittimen päätykansien sulkimissa (autogeeninen GTAW, ei täytemetallia, lämmönsyöttö 0,5-1,0 kJ/mm) osoittavat selkeän käänteisen yhteyden ferriittipitoisuuden ja murtumien välillä. Putken, jonka ferriittikoostumus on alle 2 % (täysin austeniittista), kuumahalkeiluaste on yli 30 % – noin joka kolmas hitsi paljastaa selviä halkeamia 10-kertaisella suurennuksella. Ferriitillä 2-3 %, halkeilu laskee 10-15 %:iin. Säröilymäärä pienenee 2-5 %:iin ferriittimäärällä 3-5 %. 5-8 % on ferriitin halkeilu alle 1 %. Ferriitti yli 8 % aiheuttaa vielä vähän halkeilua, mutta hitsausmetalli muuttuu magneettiseksi ja voi olla huono korroosionkestävyys tietyissä olosuhteissa johtuen ferriittifaasin selektiivisestä hyökkäyksestä. Lämmittimen päätykappaleen hitsauksen toteuttamiskelpoinen tavoite on 4-8 % ferriittiä hitsimetallissa. Tämä vaatii usein epäjaloa metallia, jossa on 3-6 % ferriittiä, koska epäjalometallin laimennus hitsisulaksi (autogeeninen hitsaus) johtaa hitsimetalliferriittiin hieman vähemmän kuin perusmetalliferriittiä. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto epäjalometalliferriittipitoisuuden, hitsin metalliferriittipitoisuuden ja kuumahalkeilun välisestä yhteydestä ja suositelluista sovelluksista.

Perusmetalliferriittipitoisuus (%) Hitsausmetalliferriittipitoisuus (%) (autogeeninen GTAW) Kuumasäröilyn esiintyvyys (%, näkyy 10x) Päätykannen tiivisteen eheys Suositeltu lämmittimen huoltoon<1 <1 >40Erittäin huono (korkea vuotonopeus)Ei sovellu mihinkään huoltoon
1-2 1-2 20-35 Huono (vuotoja usein) Vain kuiviin, ei--paineistettuihin sovelluksiin
2-3 2-3 10-15 Marginaali (100 % tarkastus vaaditaan)Vesi, matalapaine, ei kloridia
3-4 2.5-3.5 5-10 Yleiset teolliset, kohtalaisen paineen käyttötarkoitukset Hyväksytään väriaineen läpitunkeutumistarkastuksen kanssa
4-6 3-5 2-5 Hyvä (pieni vuotosuhde) Suurin osa veden lämmittämisestä 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 
Ferriittipitoisuuden mittaus 316-putkissa ja hitsauksissa

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) voi olla alle 2 %. Kriittisissä hitsaussovelluksissa ostajien tulee vaatia ferriittipitoisuuden sertifiointia tehtaan sertifikaatissa jokaiselle letkun lämmölle.

Täytemetallin vaikutus hitsin ferriittipitoisuuteen

Tapauksissa, joissa lämmittimen päätykappaleet hitsataan täytemetallilla (harvinainen halkaisijaltaan pienille lämmittimen vaippaille, mutta yleistä suuremmille laipallisille kokoonpanoille), täytemetallin koostumus voi ohjata hitsimetallin ferriittipitoisuutta perusmetallista riippumatta. Murtumisherkkyyttä voidaan korjata valmistamalla hitsi 5-10 % ferriittiä käyttäen 308L täytemetallia (korkeampi kromi--nikkelisuhde) matalan ferriittisen (alle 3 %) 316-perusmetallin osalta. 316 litran perusmetallilla 316 litran täytemetalli tuottaa yleensä 4-8 % ferriittiä. Tällaista materiaalia ei tule käyttää hitsattuihin lämmittimien sulkimiin. Täysin austeniittisessa epäjaloisessa metallissa (esim. . 310 ruostumaton teräs tai jotkin korkeat nikkeli 316 lämpötilat) ei voida käyttää täytemetallia, jotta vältetään halkeilu kokonaan. Todistetulla 4-8 % perusmetalliferriittipitoisuudella varustettujen putkien saatavuus eliminoi lisäainevaatimuksen ja varmistaa lämmittimien valmistajille hitsin yhtenäisyyden.

Kenttämerkit kuumahalkeilusta lämmittimen päätykappaleiden hitsauksissa

Sisäpuolinen magnesiumoksidijauhe voi väliaikaisesti tiivistää pieniä aukkoja käytössä olevien lämmittimien murtuneen päätykappaleen hitsaussaumassa, joten se ei välttämättä vuoda heti. Kolme kenttämerkkiä viittaavat kuitenkin hitsin halkeamiseen. Ensimmäinen on sähköisen eristysvastuksen tasainen lasku ajan myötä, kun kosteus tunkeutuu mikrohalkeamien läpi ja kostuttaa MgO:n. Toinen on näkyvä tahra tai korroosiotulos hitsausalueen läheisyydessä, kun lämmitin otetaan pois käytöstä. Kolmas on sihisevä ääni lämmitettäessä (kaasu-täytteisissä lämmittimissä) tai maasulkusuojan satunnainen laukeaminen. Uusille lämmittimille helppo laadunvarmistustesti on paineistaa rakennettu (mutta ei vielä MgO:lla täytetty) vaippa heliumilla 0,5 MPa:lla ja mitata vuotonopeus massaspektrometrillä. Hyvän hitsin vuotonopeus on alle 1x10 -7 mbar-l/s. Käytännön laadunvarmistus tarjoaa ostajille vaatimuksen, että kaikki päätykappaleet läpäisevät 100-prosenttisen väriaineen tunkeutumistarkastuksen ASME:n osan V mukaisesti, ja hyväksymiskriteerit eivät sisällä lineaarisia merkkejä.

Johtopäätös: Ferriittisisällön määrittäminen luotettaville päätyhitsauksille

316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaippaputken delta-ferriittipitoisuus ohjaa suoraan kuumahalkeilua päätykannen sulkuhitsauksen aikana. Kun perusmetallissa on alle 3 % ferriittiä, hitsi jähmettyy täysin austeniittisella rakenteella, joka vangitsee epäpuhtaudet raerajoille ja halkeilee yli 10-15 % nopeudella. Hitsausmetalli, jossa on 3-7 % ferriittiä, voidaan saavuttaa käyttämällä 4-8 % perusmetalliferriittiä, mikä vähentää halkeilua<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.