Почему толщина стенки оболочки из нержавеющей стали 316 менее 1,0 миллиметра требует специальных процедур сварки для фланцевого крепления в электрических погружных нагревателях?

Одной из наиболее важных процедур при производстве погружных электронагревателей для инженеров-технологов и специалистов по обеспечению качества является крепление монтажных фланцев к оболочке из нержавеющей стали 316. Неисправный сварной шов может привести к попаданию технологической жидкости, короткому замыканию или полному отделению нагревателя. Процессы сварки стенок нормальной толщины более 1,5 мм хорошо отработаны. Сварка тонкостенных-оболочек из стали 316 толщиной менее 1,0 мм создает определенные проблемы. Низкая тепловая масса тонкой стенки приводит к быстрому нагреву-и прогоранию-, избыточному образованию зерен и потере коррозионной стойкости. В этом документе описываются измерения проблем сварки тонкостенных оболочек 316 и определение необходимых процедурных изменений для обеспечения надежного крепления фланцев.

Проблемы терморегулирования при сварке тонких-стенок 316
To weld a 316 sheath to a mounting flange the base metal is melted using heat to generate a fusion zone. For a thick-walled sheath (>1,6 мм) теплоотвод из окружающего материала отводит тепло от сварочной ванны и предотвращает чрезмерное повышение температуры. Для тонкостенной-оболочки толщиной менее 1,0 мм влияние теплоотвода незначительно. Тот же сварочный ток, который создал бы контролируемую сварочную ванну в стенке толщиной 1,6 мм, расплавится через стенку толщиной 0,9 мм за миллисекунды. . 316 коэффициент температуропроводности нержавеющей стали составляет примерно 4 мм2/с при нормальной температуре. Теплопроводность через толщину 0,9 мм занимает всего 0,02 секунды. Это означает, что, если подвод тепла не регулируется строго, задняя сторона оболочки достигает точки плавления практически сразу после зажигания дуги. Прожог создает отверстие в оболочке, обнажая изоляцию MgO и резистивный провод. Даже без полного прогорания-значительное тепловложение приведет к укрупнению зерна в зоне-воздействия тепла. Размер зерна для тонкостенных профилей может составлять от ASTM 7-8 (20-30 микрон) до ASTM 2-3 (100-150 микрон). Карбиды хрома преимущественно осаждаются на границах крупных зерен, что снижает механическую прочность и, что более важно, коррозионную стойкость 316 в хлоридных условиях.

Необходимо заменить процедуры сварки тонкостенных оболочек 316.
Чтобы правильно приварить оболочку из стали 316 толщиной 0,8–1,0 мм к монтажному фланцу, необходимо внести пять изменений в обычный процесс газовой вольфрамовой дуговой сварки. Сварочный ток сначала следует снизить на 40–60 % по сравнению со способом с толщиной стенки 1,6 мм. Типичный ток для 1,6 мм 316 составляет 60-80 ампер; для 0,9мм диапазон снижается до 25-35 ампер. Во-вторых, вам нужен импульсный сигнал тока. Используется фоновый ток 20–30%, а частота импульсов составляет 50–100 Гц, что позволяет сварочной ванне слегка охлаждаться между импульсами, чтобы не накапливалось тепло. В-третьих, скорость перемещения следует увеличить до 200-300 мм/мин вместо 100-150 мм/мин для толстых стенок. При более высокой скорости на единицу длины выделяется меньше тепла. В-четвертых, использование вольфрамового электрода меньшего диаметра 1,0 мм или 1,6 мм вместо обычного 2,4 мм повышает стабильность дуги при малых токах. В-пятых, и это наиболее важно, внутри оболочки должен быть установлен защитный газовый барьер. Во время сварки прохождение аргона внутрь оболочки предотвращает окисление задней стороны и обеспечивает некоторое охлаждение. Без поддерживающего газа внутренняя поверхность подвергается воздействию и сильно окисляется, оставляя шероховатый, обедненный хромом слой, склонный к коррозии.

Минимальная толщина стенки при различных процессах сварки
В следующей таблице указаны минимально допустимые толщины стенок оболочки для модели 316 для различных процессов сварки крепления фланцев и соответствующие изменения процедур для каждого из них. Значения указаны для сварного шва с полным проваром по механической прочности.

Процесс сварки Минимальная толщина стенки оболочки 316 для стабильной сварки. Необходимые изменения в процедуре. Относительная стоимость|Стандартное качество сварки
GTAW (стандартный), ручной 1,2 мм1,2 мм Нет; не рекомендуется ниже этого значения Хорошо при 1,2 мм Низкое
Ручной GTAW (импульсный) 0,9 мм Противогаз Меньший ток Импульсный токУмеренный; требуется опытный оператор От низкого до среднего
Автоматическая GTAW (импульсная) 0,8 мм. Процедуры, необходимые для полной аттестации: Средняя Хорошая при правильной настройке.
Лазерная сварка 0,6 мм Точная посадка-, без зазоров, важно выравнивание лучаНизкое тепловложениеОтлично;
Электронно-лучевая сварка 0,5 мм Требуется вакуумная камера Отлично; без окисленияОчень высокий
Контактная сварка (выступ) 0,8 мм Выступ специально разработанных фланцев Подходит для малых диаметров От низкого до среднего
Пайка (не сварка) 0,5 мм Присадочный материал на основе серебра или никеля Умеренная прочность; не для высокого давления Низкое
Большинство промышленных электронагревателей лучше всего сваривать с оболочками с толщиной стенок от 0,9 до 1,2 мм. Автоматизированная импульсная GTAW с обратным газом является наиболее распространенным процессом. Для<0.9 mm, laser welding is the most reliable, although the capital equipment cost is much higher. For flanged heaters, manufacturers without laser welding capabilities shall provide a minimum wall thickness of 1.0 mm to assure weld reliability.

Тонкостенные-Сварные швы: требования к проверке и квалификации
Для тонкостенных-оболочек 316 необходима более детальная проверка, чем для толстостенных-сварных швов, поскольку здесь меньше места для ошибок. Для оболочек толщиной менее 1,2 мм визуального осмотра недостаточно. Радиографический или капиллярный контроль должен проводиться выборочно. Частота зависит от объема производства и критичности приложения. Для оболочек диаметром менее 1,0 мм рекомендуется провести 100%-ный капиллярный контроль. Стандарты приемки тонкостенных сварных швов должны допускать небольшой недолив (до 10 % толщины стенки), но отсутствие трещин, пористости диаметром > 0,2 мм или прожогов-. Все тонкостенные-сварные узлы, предназначенные для работы под давлением, также должны подвергаться испытанию на утечку гелием. Хороший сварной шов имеет скорость утечки менее 1 x 10-7 мбар·л/сек. Если нагреватель будет использоваться в агрессивной атмосфере, рекомендуется проверить ферритность металла сварного шва. Содержание феррита > 5% предполагает возможность избирательной коррозии при работе с хлоридами. Для обеспечения наилучшей коррозионной стойкости концентрация феррита в металле сварного шва для сварных швов от 316 до 316 должна находиться в диапазоне от 2% до 5%. При выборе тонкостенных-оболочек инженеры должны запросить у производителя протоколы аттестации метода сварки, показывающие микрофотографии поперечного-профиля проплавления, размер зерна-зоны термического воздействия и отсутствие признаков прожога-насквозь. Если поставщик не решается предоставить эти документы, ему не следует доверять поставку тонкостенных нагревателей. Затраты на переквалификацию метода сварки минимальны по сравнению со стоимостью сбоев на месте из-за трещин или утечек сварных швов.