Hvorfor er ferrittinnholdet i prosent i 316 rustfritt stål varmekappe-rørkontroll sveiser følsomhet for varmesprekker under endelokksveising

Rollen til deltaferritt i forebygging av størkningssprekker

Når det gjelder 316 elektriske varmerør med mantel av rustfritt stål, krever sveiseoperasjonen av endelokket for å lukke røret etter at motstandstråden og magnesiumoksid er satt inn en metallurgisk tilstand som er motstandsdyktig mot varmesprekker under størkning av sveisebassenget. Prosentandelen deltaferritt i 316 basismetall og sveisemetall, typisk fra 0 % (helt austenittisk) til 10 % (dupleks-lignende struktur), er den viktigste enkeltfaktoren som styrer mottakelighet for varmesprekker ved sveising. Den fullt austenittiske 316 (ferritt < 2 %) stivner med grove søyleformede korn som fanger opp urenheter med lavt smeltepunkt (fosfor, svovel, silisium) ved korngrensene hvor de danner flytende filmer som sprekker under påkjenningene av termisk sammentrekning. Sveisemetall som inneholder 3-8 % deltaferritt blir størknet i en dupleksmodus (ferritt-austenitt) for å produsere et fint torturert nettverk av korngrenser som fordeler urenheter og tar imot sammentrekningsbelastninger uten å bryte. Denne artikkelen evaluerer sammenhengen mellom ferrittinnhold, integritet av endekapseltetningen og sveisesprekkehastigheten og gir spesifikasjonsgrenser for varmesveiseapplikasjoner.

Mechanism of Ferrite-Induced Crack Prevention

Når 316 rustfritt stål sveisemetall størkner, er den første fasen som dannes fra væsken deltaferritt (kropps-sentrert kubikk) i stedet for austenitt (flate-sentrert kubikk), fordi ferritt har en høyere størkningstemperatur. Ved avkjøling endres størstedelen av ferritten til austenitt ved en faststoffreaksjon, selv om en liten mengde ferritt (vanligvis 3-10 %) er tilstede ved omgivelsestemperatur. Denne tilbakeholdte ferritten har to funksjoner for bruddforebygging. For det første har ferritt en betydelig høyere løselighet for forurensninger som fosfor og svovel (opptil 10 ganger mer enn austenitt). Disse urenhetene er ikke konsentrert ved austenittkorngrensene, men er konsentrert i ferrittfasen og fjerner derved væskefilmene som forårsaker størkningssprekker. For det andre har ferritt-austenittgrensesnittet en mer kronglete struktur enn en austenitt-austenittkorngrense, og dette hindrer sprekkforplantning. For 316 basismetall er ferrittinnholdet en funksjon av sammensetningen av legeringen, spesielt krom- og nikkelekvivalentene som estimert fra Schaeffler- eller DeLong-diagrammene. En sammensetning med rundt 20 kromekvivalenter (Cr + Mo + 1.5×Si) og ca. 12 nikkelekvivalenter (Ni + 30×C + 0.5×Mn) gir et ferrittinnhold på 4-8 %, som er egnet for sveisbarhet. Hvis nikkelekvivalenten er for høy i forhold til krom, størkner sveisene som totalt austenittiske (ferritt under 2 %) og er meget sprekkmottakelige.

Kvantifisert forhold mellom sveisesprekkehastighet og ferrittinnhold

Kontrollerte sveisestudier på 316-rør for endelokklukkinger (autogen GTAW, ingen fyllmetall, varmetilførsel 0,5-1,0 kJ/mm) indikerer en klar invers assosiasjon mellom ferrittinnhold og bruddforekomst. Rør med ferrittsammensetning under 2 % (helt austenittisk) har en varmsprekkehastighet på mer enn 30 % – omtrent en av tre sveiser avslører tydelige sprekker ved 10× forstørrelse. For ferritt mellom 2-3 %, synker oppsprekkingen til 10-15 %. Sprekkemengden reduseres til 2-5 % ved en ferrittmengde på 3-5 %. 5-8 % er oppsprekkingen for ferritt under 1 %. Ferritt over 8 % gir fortsatt liten sprekkdannelse, men sveisemetallet blir magnetisk og kan vise dårlig korrosjonsmotstand under spesielle forhold på grunn av selektivt angrep av ferrittfasen. Det gjennomførbare målet for sveising av endekappe er 4-8 % ferritt i sveisemetallet. Dette krever ofte uedelt metall med 3-6 % ferritt siden fortynning av uedelt metall i sveisebasseng (autogen sveising) resulterer med sveisemetallferritt noe mindre enn uedelt ferritt. Tabellen nedenfor oppsummerer sammenhengen mellom ferrittinnhold av uedelt metall, ferrittinnhold av sveisemetall og forekomst av varmesprekker og anbefalte bruksområder.

Grunnmetallferrittinnhold (%) Sveisemetallferrittinnhold (%) (autogent GTAW) Forekomst av varmesprekker (%, synlig ved 10x) Endehetteforseglingsintegritet Anbefalt for varmeoppvarming<1 <1 >40Svært dårlig (høy lekkasjerate)Ikke egnet for noen tjeneste
1-2 1-2 20-35 Dårlig (lekker ofte) Bare for tørre, ikke-trykksatte applikasjoner
2-3 2-3 10-15 Marginal (100 % inspeksjon kreves) Vann, lavt trykk, ingen klorid
3-4 2.5-3.5 5-10 Generell industriell bruk med moderat trykk. Akseptabelt med inspeksjon av penetreringsmiddel
4-6 3-5 2-5 Bra (lav lekkasjerate) Mest vannoppvarming 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 
Ferrittinnholdsmåling i 316 rør og sveiser

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) kan være under 2 %. For kritiske sveiseapplikasjoner bør kjøpere kreve sertifisering av ferrittinnhold på møllesertifikatet for hver rørvarme.

Effekt av tilsatsmetall på sveiseferrittinnhold

I tilfeller der varmerens endestykker er sveiset med fyllmetall (sjelden for varmekapper med liten diameter, men vanlig for større flensmonteringer) kan sammensetningen av tilsatsmetallet kontrollere ferrittinnholdet i sveisemetallet uavhengig av basismetallet. Bruddfølsomheten kan korrigeres ved å produsere en sveis med 5-10 % ferritt ved bruk av 308L fyllmetall (høyere forhold mellom krom- og nikkel) for lavt ferritt (under 3 %) 316 basismetall. Med 316L uedelt metall resulterer 316L fyllmetall vanligvis i 4-8 % ferritt. Slikt materiale bør ikke brukes til sveisede varmeovner. Helt austenittisk basismetall (f.eks.. 310 rustfritt stål eller noen høye nikkel 316-temperaturer) kan ikke bruke noe fyllmetall for å unngå risikoen for helt sprekker. Tilgjengeligheten av rør med verifisert 4-8 % ferrittinnhold av uedelt metall eliminerer kravet til fyllmetall og sikrer sveisekonsistens for varmeovnsprodusenter.

Felttegn på varmesprekker i sveiser på varmeelementets endelokk

Det innvendige magnesiumoksidpulveret kan midlertidig tette mindre hull i en brukket endekappesveis for varmeovner i bruk, så det kan hende at det ikke lekker umiddelbart. De tre feltskiltene tyder likevel på sveisesprekker. Den første er en jevn reduksjon av den elektriske isolasjonsmotstanden over tid, ettersom fuktighet trenger gjennom mikrosprekker og fukter MgO. Den andre er en synlig flekk eller korrosjonsresultat i nærheten av sveiseområdet når varmeren tas ut av bruk. Den tredje er en susende lyd ved oppvarming (for gass-fylte varmeovner) eller sporadisk utløsning av jordfeilvernet. For nye varmeovner er en enkel kvalitetssikringstest å sette den innebygde (men ennå ikke MgO-fylte) kappen under trykk med helium ved 0,5 MPa og måle lekkasjehastigheten med et massespektrometer. En god sveis vil ha en lekkasjehastighet på mindre enn 1x10 -7 mbar-L/sek. For kjøpere, å kreve at alle endekappesveiser passerer 100 % fargepenetrantinspeksjon i henhold til ASME Seksjon V, med akseptkriterier uten lineære indikasjoner, gir en praktisk kvalitetsverifisering.

Konklusjon: Spesifisering av ferrittinnhold for pålitelige endekappesveiser

Delta-ferrittinnholdet i 316-rør i rustfritt stål kontrollerer direkte varmesprekker under sveising av endelokk. Med mindre enn 3 % ferritt i grunnmetallet størkner sveisemetallet med en fullstendig austenittisk struktur, som fanger opp urenheter ved korngrensene og sprekker med hastigheter over 10-15 %. Sveisemetall med 3-7 % ferritt kan oppnås ved å bruke 4-8 % basismetallferritt, noe som resulterer i redusert oppsprekking til<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.