Miks ferriidisisalduse protsent 316 roostevabast terasest küttekeha torude juhtkeevis keevitab kuumpragunemise vastuvõtlikkust otsakorgi sulgemise keevitamise ajal

Deltaferriidi roll tahkestumise pragunemise ennetamisel

316 roostevabast terasest ümbrisega elektriküttetoru puhul nõuab otsakorgi keevitusoperatsioon toru sulgemiseks pärast takistustraadi ja magneesiumoksiidi paigaldamist metallurgilist olekut, mis on keevisvanni tahkestumise ajal vastupidav kuumpragudele. Delta-ferriidi protsent 316 mitteväärismetallis ja keevismetallis, mis jääb tavaliselt vahemikku 0 % (täielikult austeniitne) kuni 10 % (dupleks{5}}sarnane struktuur), on kõige olulisem tegur, mis reguleerib keevisõmbluse kuumpragunemise vastuvõtlikkust. Täielikult austeniitne 316 (ferriit < 2%) tahkub jämedate sammaskujuliste teradega, mis püüavad madala sulamistemperatuuriga lisandid (fosfor, väävel, räni) kinni terade piiridel, kus need moodustavad vedelaid kilesid, mis termilise kokkutõmbumise mõjul pragunevad. 3-8% deltaferriiti sisaldav keevismetall tahkub dupleksrežiimis (ferriit-austeniit), et luua peen piinav terapiiride võrgustik, mis jaotab lisandid ja võtab vastu kokkutõmbepingeid ilma purunemata. Selles artiklis hinnatakse korrelatsiooni ferriidisisalduse, otsakorgi tihendi terviklikkuse ja keevisõmbluse pragunemise vahel ning esitatakse küttekeevitusrakenduste spetsifikatsioonipiirangud.

Ferriidi{0}}indutseeritud pragude vältimise mehhanism

Kui roostevabast terasest keevismetall 316 tahkub, moodustub vedelikust esimene faas delta-ferriit (keha-keskne kuup), mitte austeniit (pind-keskne kuup), kuna ferriidil on kõrgem tahkumistemperatuur. Jahtumisel muutub suurem osa ferriidist tahkisreaktsiooni käigus austeniidiks, kuigi ümbritseval temperatuuril on väike kogus ferriiti (tavaliselt 3-10%). Sellel säilinud ferriidil on kaks luumurdude vältimise funktsiooni. Esiteks on ferriidil oluliselt parem lahustuvus sellistes saasteainetes nagu fosfor ja väävel (kuni 10 korda rohkem kui austeniidil). Need lisandid ei koondu austeniidi terade piiridele, vaid koonduvad ferriidifaasi, eemaldades seeläbi vedelad kiled, mis põhjustavad tahkestumise pragusid. Teiseks on ferriit-austeniidi liidesel käänulisem struktuur kui austeniidi-austeniidi terapiiril ja see takistab pragude levimist. 316 mitteväärismetalli puhul on ferriidi sisaldus sulami koostise funktsioon, eelkõige kroomi ja nikli ekvivalendid, mis on hinnatud Schaeffleri või DeLongi diagrammidel. Kompositsioon, milles on umbes 20 kroomiekvivalenti (Cr + Mo + 1.5×Si) ja umbes 12 nikliekvivalenti (Ni + 30×C + 0.5×Mn), annab ferriidisisalduseks 4–8%, mis sobib keevitamiseks. Kui nikli ekvivalent on kroomi suhtes liiga kõrge, tahkuvad keevisõmblused täielikult austeniitseks (ferriit alla 2%) ja on väga vastuvõtlikud pragude tekkeks.

Kvantifitseeritud seos keevisõmbluse pragunemise määra ja ferriidisisalduse vahel

Kontrollitud keevitusuuringud 316 torude kohta küttekeha otsakorgi sulgemiseks (autogeenne GTAW, täiteainevaba metall, soojussisend 0,5–1,0 kJ/mm) näitavad selget pöördvõrdelist seost ferriidisisalduse ja murdumise esinemissageduse vahel. Alla 2 % ferriidi koostisega torude (täielikult austeniitne) kuumpragunemise määr on üle 30 % – ligikaudu üks keevisõmblus kolmest paljastab 10-kordse suurendusega ilmseid pragusid. 2-3% ferriidi puhul langeb pragunemine 10-15%-ni. Pragunemise kogus väheneb 2-5%-ni ferriidisisalduse korral 3-5 %. 5-8% on ferriidi lõhenemine alla 1%. Üle 8% ferriit tekitab siiski vähe pragusid, kuid keevismetall muutub magnetiliseks ja võib ferriidifaasi selektiivse rünnaku tõttu teatud tingimustes olla halb korrosioonikindlus. Küttekeha otsakorgi keevitamise teostatav eesmärk on 4-8% ferriiti keevismetallis. See nõuab sageli 3–6% ferriidiga mitteväärismetalli, kuna mitteväärismetalli lahjendamisel keevisvannis (autogeenne keevitamine) on keevismetalli ferriit veidi vähem kui mitteväärismetalli ferriit. Allolev tabel võtab kokku seose mitteväärismetalli ferriidi sisalduse, keevismetalli ferriidi sisalduse ja kuumpragunemise esinemissageduse ning soovitatavate rakenduste vahel.

Mitteväärismetalli ferriidi sisaldus (%) keevismetalli ferriidi sisaldus (%) (autogeenne GTAW) Kuumpragunemise esinemissagedus (%, nähtav 10x) Otsakorgi tihendi terviklikkus, soovitatav kütteseadme hooldamiseks<1 <1 >40Väga halb (kõrge lekkemäär) Ei sobi ühegi teenuse jaoks
1-2 1-2 20-35 Kehv (lekib sageli) Ainult kuivadele, mitte-rõhu all olevatele rakendustele
2-3 2-3 10-15 Piir (100% ülevaatus on vajalik) Vesi, madal rõhk, kloriidivaba
3-4 2.5-3.5 5-10 Üldised tööstuslikud, mõõduka rõhuga kasutused Vastuvõetav koos värvi läbitungimise kontrolliga
4-6 3-5 2-5 Hea (madal lekkemäär) Enamik vee soojendamisest 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 
Ferriidisisalduse mõõtmine 316 torudes ja keevisõmblustes

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) võib olla alla 2%. Kriitiliste keevisõmbluste puhul peaksid ostjad nõudma ferriidisisalduse sertifikaati veski sertifikaadil iga torusoojuse kohta.

Täitemetalli mõju keevisõmbluse ferriidi sisaldusele

Juhtudel, kui küttekeha otsakatted on keevitatud täitemetalliga (väikse läbimõõduga küttekehade puhul harva, kuid suuremate äärikutega koostude puhul tavaline), saab täitemetalli koostis reguleerida keevismetalli ferriidisisaldust mitteväärismetallist sõltumatult. Murdetundlikkust saab korrigeerida keevisõmbluse valmistamisel 5-10% ferriidiga, kasutades 308L täitemetalli (kõrgem kroomi--nikli suhe) madala ferriidisisaldusega (alla 3%) 316 mitteväärismetalli jaoks. 316-liitrise mitteväärismetalli puhul annab 316-liitrine täitemetall tavaliselt 4–8% ferriiti. Sellist materjali ei tohiks kasutada keevitatud küttekehade sulgemiseks. Täielikult austeniitses mitteväärismetallis (nt . 310 roostevaba teras või mõni kõrge nikkel 316 temperatuur) ei saa kasutada täitematerjali, et vältida täielikku pragunemise ohtu. Kontrollitud 4-8% mitteväärismetalli ferriidisisaldusega torude olemasolu välistab täitemetalli nõude ja tagab küttekehade tootjatele keevisõmbluse järjepidevuse.

Kuuma pragunemise välimärgid küttekeha otsakatte keevisõmblustes

Sisemine magneesiumoksiidi pulber võib ajutiselt tihendada kasutusel olevate kütteseadmete purunenud otsakatte keevisõmbluse väiksemaid lünki, nii et see ei pruugi kohe lekkida. Kolm välimärki viitavad siiski keevisõmbluse pragunemisele. Esimene on elektriisolatsioonitakistuse pidev vähenemine aja jooksul, kuna niiskus tungib läbi mikropragude ja niisutab MgO. Teine on nähtav plekk või korrosiooni tagajärg keevisõmbluse piirkonna läheduses, kui kütteseade on kasutusest kõrvaldatud. Kolmas on susisev müra kütmisel (gaasiga -täidetud küttekehade puhul) või maandusrike kaitse aeg-ajalt rakendumine. Uute küttekehade puhul on lihtne kvaliteedi tagamise test survestada ehitatud (kuid mitte veel MgO-ga täidetud) kesta heeliumiga 0,5 MPa ja mõõta lekkekiirust massispektromeetriga. Hea keevisõmbluse lekkekiirus on väiksem kui 1x10 -7 mbar-L/s. Ostjate jaoks tagab praktilise kvaliteedikontrolli nõudmine, et kõik otsakatte keevisõmblused läbiksid 100% värvi läbitungimise kontrolli ASME V jaotise kohaselt, kusjuures aktsepteerimiskriteeriumid ei sisalda lineaarseid indikaatoreid.

Järeldus: ferriidisisalduse määramine usaldusväärsete otsakatete keevisõmbluste jaoks

316 roostevabast terasest ümbristoru delta-ferriidi sisaldus kontrollib otseselt kuuma pragunemist otsakorgi sulgemise keevitamise ajal. Kui mitteväärismetallis on vähem kui 3% ferriiti, tahkub keevismetall täielikult austeniitse struktuuriga, mis püüab kinni terade piiridel olevad lisandid ja praod kiirusega üle 10-15%. 3–7% ferriidiga keevismetalli saab saavutada, kasutades 4–8% mitteväärismetallist ferriiti, mille tulemuseks on lõhenemise vähenemine.<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.