Почему процентное содержание феррита в контрольной сварке нагревательной трубки из нержавеющей стали 316 подвержено горячему растрескиванию во время сварки торцевой крышки

Роль дельта-феррита в предотвращении растрескивания при затвердевании

В случае электронагревательных трубок с оболочкой из нержавеющей стали 316 операция сварки торцевой крышки для закрытия трубки после установки резистивной проволоки и оксида магния требует металлургического состояния, устойчивого к горячему растрескиванию во время затвердевания сварочной ванны. Процент дельта-феррита в основном металле 316 и металле сварного шва, обычно варьирующийся от 0 % (полностью аустенитный) до 10 % (дуплексная -подобная структура), является единственным наиболее важным фактором, определяющим склонность сварного шва к образованию горячих трещин. Полностью аустенитный сплав 316 (феррит < 2 %) затвердевает с образованием крупных столбчатых зерен, которые улавливают примеси с низкой температурой плавления (фосфор, сера, кремний) на границах зерен, где они образуют жидкие пленки, которые растрескиваются под действием термического сжатия. Металл сварного шва, содержащий 3-8 % дельта-феррита, затвердевает в дуплексном режиме (феррит-аустенит) с образованием тонкой извилистой сети границ зерен, которая распределяет примеси и компенсирует напряжения сжатия, не разрушаясь. В этом документе оценивается корреляция между содержанием феррита, целостностью уплотнения торцевой крышки и скоростью растрескивания сварного шва, а также приводятся пределы технических требований для применений сварки с нагревателем.

Механизм предотвращения растрескивания-индуцированного ферритом

Когда металл сварного шва из нержавеющей стали 316 затвердевает, первой фазой, образующейся из жидкости, является дельта-феррит (кубический с центром в теле), а не аустенит (кубический с центром в центре -), поскольку феррит имеет более высокую температуру затвердевания. При охлаждении большая часть феррита превращается в аустенит в результате твердофазной реакции, хотя небольшое количество феррита (обычно 3-10%) присутствует при температуре окружающей среды. Этот сохраненный феррит выполняет две функции предотвращения разрушения. Во-первых, феррит имеет существенно более высокую растворимость таких примесей, как фосфор и сера (до 10 раз больше, чем аустенит). Эти примеси не концентрируются на границах зерен аустенита, а концентрируются в ферритной фазе, тем самым удаляя жидкие пленки, вызывающие растрескивание при затвердевании. Во-вторых, граница зерен феррита-аустенита имеет более извилистую структуру, чем граница зерен аустенита-аустенита, и это препятствует распространению трещин. Для основного металла 316 содержание феррита зависит от состава сплава, в частности от эквивалентов хрома и никеля, что оценивается по диаграммам Шеффлера или ДеЛонга. Состав с примерно 20 эквивалентами хрома (Cr + Mo + 1.5×Si) и примерно 12 эквивалентами никеля (Ni + 30×C + 0.5×Mn) дает содержание феррита 4-8 %, что подходит для свариваемости. Если эквивалент никеля слишком высок по отношению к хрому, сварные швы затвердевают как полностью аустенитные (содержание феррита ниже 2 %) и очень склонны к растрескиванию.

Количественная связь между скоростью растрескивания сварных швов и содержанием феррита

Контролируемые исследования сварки труб 316 для заглушек торцевых крышек нагревателей (автогенная GTAW, без присадочного металла, тепловложение 0,5–1,0 кДж/мм) указывают на четкую обратную связь между содержанием феррита и частотой разрушения. Трубки с содержанием феррита менее 2 % (полностью аустенитные) имеют уровень горячего растрескивания более 30 % – примерно в одном сварном шве из трех обнаруживаются явные трещины при 10-кратном увеличении. Для феррита в диапазоне 2–3 % растрескивание падает до 10–15 %. Степень растрескивания снижается до 2-5 % при количестве феррита 3-5 %.. 5-8% растрескивание феррита ниже 1%. Феррит с содержанием выше 8 % по-прежнему дает небольшое растрескивание, но металл сварного шва становится магнитным и в определенных условиях может проявлять плохую коррозионную стойкость из-за избирательного воздействия ферритной фазы. Достижимой целью приварки торцевой крышки нагревателя является содержание феррита 4–8% в металле сварного шва. Для этого часто требуется основной металл с содержанием феррита 3–6%, поскольку разбавление основного металла в сварочной ванне (автогенная сварка) приводит к тому, что феррит металла сварного шва немного меньше, чем феррит основного металла. В таблице ниже суммирована связь между содержанием феррита в основном металле, содержанием феррита в металле сварного шва и частотой образования горячих трещин, а также рекомендуемыми применениями.

Содержание феррита в основном металле (%) Содержание феррита в металле сварного шва (%) (автогенная GTAW) Частота образования горячих трещин (%, видно при 10-кратном увеличении) Целостность уплотнения торцевой крышки Рекомендуется для эксплуатации с нагревателями<1 <1 >40Очень плохо (высокая интенсивность утечек)Непригоден ни для какого обслуживания.
1-2 1-2 20-35 Плохо (часто протекает) Только для сухих применений, не-под давлением
2-3 2-3 10-15 Незначительно (требуется 100 % проверка) Вода, низкое давление, без хлоридов.
3-4 2.5-3.5 5-10 Общепромышленное использование, умеренное давление. Приемлемо с контролем цветной дефектоскопии.
4-6 3-5 2-5 Хорошее (низкая интенсивность утечек) Максимальный нагрев воды 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 
Измерение содержания феррита в трубках 316 и сварных швах

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) может быть ниже 2 %. Для ответственных сварных работ покупатели должны требовать сертификации содержания феррита в сертификате завода для каждой плавки труб.

Влияние присадочного металла на содержание феррита в сварном шве

В тех случаях, когда торцевые крышки нагревателя приварены присадочным металлом (редко для оболочек нагревателя малого диаметра, но часто для фланцевых узлов большего размера), состав присадочного металла может контролировать содержание феррита в металле сварного шва независимо от основного металла. Склонность к разрушению можно исправить, выполнив сварной шов с содержанием 5-10 % феррита с использованием присадочного металла 308L (более высокое соотношение хрома-к никелю) для основного металла 316 с низким содержанием феррита (менее 3 %). При использовании основного металла 316L присадочный металл 316L обычно дает 4–8 % феррита. Такой материал не следует использовать для сварных крышек нагревателей. Основной металл, полностью аустенитный (например, . 310 нержавеющая сталь или некоторые виды никеля 316, работающие при высоких температурах), не может использовать какой-либо присадочный металл, чтобы полностью избежать риска растрескивания. Наличие трубок с проверенным содержанием феррита недрагоценных металлов 4–8 % устраняет необходимость в присадочном металле и обеспечивает производителям нагревателей стабильность сварного шва.

Признаки горячего растрескивания сварных швов торцевой крышки нагревателя

Внутренний порошок оксида магния может временно герметизировать небольшие зазоры в сварном шве сломанной торцевой крышки нагревателей, находящихся в эксплуатации, поэтому утечка может не произойти немедленно. Тем не менее три полевых знака указывают на растрескивание сварного шва. Первый — это постепенное снижение электроизоляционного сопротивления со временем, поскольку влага проникает через микротрещины и смачивает MgO. Второй — это видимые пятна или коррозия в области сварного шва, когда нагреватель выводится из эксплуатации. Третье — шипение при нагреве (для газовых-нагревателей) или периодическое срабатывание защиты от замыкания на землю. Для новых нагревателей простой тест для обеспечения качества состоит в том, чтобы создать давление в встроенной (но еще не заполненной MgO) оболочке гелием под давлением 0,5 МПа и измерить скорость утечки с помощью масс-спектрометра. Хороший сварной шов будет иметь скорость утечки менее 1x10 -7 мбар-л/сек. Для покупателей требование, чтобы все сварные швы торцевых крышек прошли 100 % контроль цветной дефектоскопии в соответствии с разделом V ASME, с критериями приемки отсутствия линейных признаков, обеспечивает практическую проверку качества.

Вывод: определение содержания феррита для надежных сварных швов торцевых крышек

Содержание дельта-феррита в оболочке из нержавеющей стали 316 напрямую предотвращает образование горячих трещин во время сварки торцевой крышки. При содержании феррита в основном металле менее 3 % металл шва затвердевает с полностью аустенитной структурой, которая улавливает примеси по границам зерен и растрескивается со скоростью, превышающей 10-15 %. Металл сварного шва с содержанием феррита 3-7% может быть получен при использовании феррита основного металла с содержанием 4-8%, что приводит к уменьшению растрескивания до<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.