Как выбрать правильную процедуру сварки дуплексных труб из нержавеющей стали, чтобы избежать потери коррозионной стойкости?

Несколько минут плохой сварки могут полностью разрушить коррозионно--стойкие свойства трубы из дуплексной нержавеющей стали. Каждое соединение, изготовленное в цеху или в полевых условиях, должно тщательно сохранять особую двухфазную микроструктуру, которая придает дуплексу прочность и стойкость. Поддержание с трудом-добытой сплавом коррозионной стойкости в суровых хлоридных и кислотных условиях важнее, чем просто предотвращение утечек.

Металлургический фонд: в чем уникальность дуплекса
Сбалансированная смесь примерно 50% аустенита и 50% феррита содержится в дуплексных нержавеющих сталях (таких как UNS S32205, S31803 или 2205). Эта двухэтапная структура предлагает:

Высокая механическая прочность (примерно в два раза выше, чем у 316L).

Выдающаяся стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, вызванному хлоридами (SCC).

PREN (эквивалентное число точечной коррозии) 34–36 указывает на хорошую устойчивость к точечной и щелевой коррозии.

Материал плавится и быстро затвердевает в процессе сварки. Окончательный фазовый баланс в металле сварного шва и зоне термического влияния (ЗТВ) определяется скоростью охлаждения и термической историей. Если процесс выполнен неправильно, могут произойти две вредные вещи:

Перепроизводство феррита: когда феррит преобладает из-за медленного охлаждения или высокого тепловложения, ударная вязкость и коррозионная стойкость снижаются.

Выделение интерметаллической фазы, особенно сигма-(σ)-фазы (FeCrMo) и хи-фазы (χ), которые развиваются при температуре от 600 до 900 градусов. Развитие этих фаз истощает окружающую матрицу этих важных легирующих элементов, поскольку они богаты хромом и молибденом. Результатом этого является сильное охрупчивание и резкое снижение стойкости к питтинговой коррозии.

С другой стороны, из-за недостаточного подвода тепла или слишком быстрого охлаждения может образоваться слишком много аустенита, что приведет к снижению прочности. В результате необходимо соблюдать ограниченное окно обработки.

Важнейшие элементы процесса дуплексной сварки нержавеющей стали
Следующие факторы точно контролируются с помощью соответствующей технологии предотвращения коррозии труб методом дуплексной сварки нержавеющей стали.

1. Выбор присадочного металла
Чтобы сохранить фазовое равновесие и коррозионную стойкость, содержание присадочного металла в сплаве должно быть равным или превосходить содержание основного металла. Стандартным наполнителем для дуплекса 2205 является ER2209 (UNS S39209). Образованию аустенита в наплавленном металле способствует его состав, который несколько -легирован никелем и азотом по сравнению с основным металлом. Это компенсирует благоприятный для феррита эффект быстрого затвердевания-.

Присадочный металл, такой как ER2594, используется для супердуплексных марок (например, 2507). Для дуплексного основного металла никогда не используйте аустенитный наполнитель (например, 308L или 316L); Полученный сварной шов будет иметь неправильные коррозионные характеристики и может треснуть.

2. Контроль тепловложения
Скорость перемещения, напряжение и ток влияют на теплоотдачу. Рекомендуемый диапазон тепловложения для дуплексных нержавеющих сталей обычно составляет от 0,5 до 2,5 килоджоулей на миллиметр. Слишком высокое тепловложение способствует медленному охлаждению, что приводит к образованию сигма-фазы и укрупнению феррита; слишком низкое тепловложение сопряжено с риском неполного плавления или чрезмерного феррита.

Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) труб 2205 обычно рассчитана на 0,5–1,5 кДж/мм. Если температура между проходами строго регулируется, то для газовой дуговой сварки (GMAW) с импульсным переносом распыления могут быть приемлемы несколько большие диапазоны (до 2,0 кДж/мм).

3. Температурный интервал
Необходимо поддерживать межпроходную температуру-температуру области сварного шва перед следующим проходом-ниже 150 градусов, а часто и ниже 100 градусов во время начальных проходов. Тепло накапливается за счет высоких температур между проходами, что удлиняет период охлаждения и способствует выделению сигма-фазы. Естественного воздушного охлаждения между проходами может быть достаточно для трубок с тонкими стенками (например, 2–3 мм). Для более толстых порций необходимо принудительное воздушное охлаждение или даже более длительное время ожидания между проходами.

4. Обратная продувка и защита.
Как поверхность сварного шва, так и прикорневая сторона дуплексных сварных швов из нержавеющей стали должны быть защищены от кислорода из окружающей среды. Что касается сварки труб:

Аргон с содержанием азота 1-3% является распространенным первичным защитным газом. Небольшое количество азота, стабилизатора аустенита, добавленного к защитному газу, помогает сохранить заданный фазовый баланс в металле сварного шва.

Обратная продувка: Чтобы предотвратить окисление корневого валика, изнутри трубки продувается чистый аргон (или аргон с 2–5% азота). Накипь оксида хрома, образующаяся в результате загрязнения кислородом, приводит к обеднению хрома и снижению коррозионной стойкости.

5. Метод и процедура сварки.
Для дуплексных трубок используются методы импульсной дуги (импульсная GTAW или импульсная GMAW), поскольку они

Используйте высокий пиковый ток, а затем низкий фоновый ток, чтобы уменьшить тепловложение.

Улучшите управление сварочной ванной и снизьте вероятность прожога-на узких стенках.

Создайте более последовательную и точную микроструктуру.

Вместо использования валиков широкого переплетения, которые увеличивают тепловложение и замедляют охлаждение, для ручной сварки используются стрингеры (прямой проход без переплетения).

После-Очистка сварных швов (травление и пассивация) – решающий этап
На поверхности сварного шва и окружающей ЗТВ появится оттенок нагрева (оксидная окалина), даже если подвод тепла идеален. Поскольку хром преимущественно взаимодействует с кислородом, в результате чего в основном металле остается меньше хрома, этот оксидный слой -обеднен хромом. Питтинговая и щелевая коррозия при работе с хлоридами легко инициируется в этой дефектной зоне.

Требуется очистка после сварки. Есть два эффективных метода:

Химическое удаление (травление)
Травильная паста или ванна: термокраска растворяется и слой, обедненный хромом, -удаляется раствором азотной кислоты (HNO₃) и плавиковой кислоты (HF). Травильная паста наносится на сварной шов и на термически-участки труб, оставляется на заданное время (например, от 15 до 60 минут), а затем полностью промывается водой.

Травление погружением. Несмотря на то, что для этого требуется специальное оборудование, погружение небольших трубок или частей катушки в нагретую ванну травления является более равномерным.

Пассивация после механической очистки
Шлифование или чистка щеткой. Для удаления теплового оттенка можно использовать тонкие абразивные подушечки или не-металлические щетки (например, проволочные щетки из нержавеющей стали, которые используются только для дуплексной и никогда не используются для углеродистой стали). Не оставляя въевшихся частиц железа, весь тонированный слой необходимо удалить шлифовкой.

Пассивация: для восстановления пассивного покрытия из оксида хрома на поверхность после механической очистки наносится раствор азотной или лимонной кислоты. Шлифование само по себе может испачкать металл и сделать поверхность менее защитной, поэтому этот шаг имеет решающее значение.

После соответствующего травления сварной шов и ЗТВ должны иметь тот же внешний вид и устойчивость к коррозии, что и исходная труба, поскольку хороший сварной шов невосприимчив к коррозии. Сварной шов станет первой точкой разрушения, если оттенок тепла сохранится.

Измерение феррита для проверки качества сварных швов
Ферритовый прибор, устройство магнитной индукции, используется для измерения содержания феррита в металле сварного шва и ЗТВ, чтобы убедиться, что в процессе сварки поддерживается правильный фазовый баланс. Для дуплексных нержавеющих сталей часто приемлемо содержание феррита 30–70% (баланс аустенита). Многие спецификации стремятся к 40–60%.

Прочность снижается из-за чрезмерного аустенита, на что указывают значения ниже 30%.

Избыточный феррит указывается значениями выше 70 %, что снижает прочность и может указывать на наличие сигма-фазы (сигма не-магнитна, но процент феррита уменьшается по мере появления сигма; необычно низкое или непостоянное показание феррита может быть подсказкой).

В критически важных случаях сварной образец может подвергаться микроструктурному анализу (металлографии) для обнаружения интерметаллических фаз. Внутри ферритных зерен сигма-фаза проявляется в виде игольчатого или блочного выделения.

Типичные ошибки и способы их предотвращения
Предотвращение последствий ошибок
Использование присадочного металла 308L или 316LСварка подвержена растрескиванию и имеет плохую коррозионную стойкость. Всегда используйте подходящую дуплексную присадку (ER2209 для 2205).
Перегрев (более 2,5 кДж/мм)Низкий PREN, охрупчивание и выделение в сигма-фазе. Определите погонную энергию, используйте импульсную дугу и установите ограничение скорости.
Перепад температур выше 150 градусов. Накопление тепла способствует сигме. Для измерения используйте термопару; дайте ему остыть между проходами.
Отсутствие обратной продувки корня трубки. Истощение запасов хрома, окисление корневых валиков и коррозия щелей. Для продувки используйте аргон или смесь аргона-азота.
Оставление термического оттенка. На кромке сварного шва начинается локальная коррозия. Протравливают или пассивируют с помощью машины.
Использование шлифовальных кругов или щеток из углеродистой стали. Гальваническая коррозия вызвана загрязнением железа. Используйте специальные инструменты из нержавеющей стали, в идеале только для дуплексной обработки.
Квалификация и спецификация процедуры сварки (WPS)
Для любого промышленного применения необходимо создать официальную спецификацию процедуры сварки (WPS) и аттестовать ее в соответствии с такими нормами, как ASME Раздел IX, AWS D1.6 или ISO 15614. В ТУ для дуплексных труб из нержавеющей стали должно быть четко указано следующее:

Диапазон толщины и марка основного металла.

Классификация присадочного металла (например, ER2209).

Технологии сварки GTAW, GMAW или SMAW.

состав и расход защитных газов.

газ и техника для обратной продувки.

Диапазон тепловложения и электрические параметры (напряжение, ток и скорость движения).

превышать ограничение температуры, например, максимум 150 градусов.

Для дуплексной печати предварительный нагрев обычно не требуется, если температура окружающей среды не ниже 5 градусов.

Травильная паста, погружение или механическая + пассивация – это методы очистки после-сварки.

Нормы приемлемого содержания феррита (например, 30–70 % феррита в металле сварного шва).

Примерами квалификационных испытаний являются испытания на растяжение и изгиб, а также испытания на коррозию (например, испытание на точечную коррозию хлоридом железа в соответствии с ASTM G48). Для сварных швов труб также может потребоваться вихретоковый контроль или гидростатические испытания.

Рекомендации по полевой сварке
Поскольку контроль за состоянием окружающей среды сложнее, сварка дуплексных труб в полевых условиях (например, для врезки или ремонта) сложнее, чем сварка в цеху. Особое внимание необходимо уделить:

Использование газовых линз и экранов для предотвращения разрушения защитного газа известно как ветрозащита.

Мониторинг температуры: для измерения температуры между проходами используйте контактные пирометры или инфракрасные термометры.

Продувка. Опустошить пробирки большого-диаметра на всю длину может быть невозможно; вместо этого можно использовать ограниченную продувочную перемычку из надувных резиновых пробок.

Травление: Чтобы предотвратить попадание на расположенное рядом оборудование, необходимо нанести и тщательно нейтрализовать пасту для травления в полевых условиях.

В заключение отметим, что качество материала зависит от рук, которые с ним работают.
Для труб из дуплексной нержавеющей стали выбор правильной технологии сварки имеет решающее значение для предотвращения катастрофической потери коррозионной стойкости. Чрезмерное тепловложение, высокие температуры между проходами, несоответствие присадочных металлов или наличие теплового оттенка,-обедненного хромом, — все это может подорвать сбалансированную аустенитную-микроструктуру феррита, которая придает дуплексу прочность и стойкость к питтинговой коррозии. Зона сварки сохраняет те же коррозионные характеристики, что и основная труба, благодаря методическому процессу, который контролирует подвод тепла (обычно 0,5–2,5 кДж/мм), межпроходную температуру ниже 150 градусов, наполнитель ER2209 для основного металла 2205, инертную обратную продувку и тщательное травление после-сварки. Успех подтверждается измерением феррита (30–70% феррита). Хорошо-сварной шов невосприимчив к коррозии; материал хорош настолько, насколько хороши руки, которые его соединяют.