چرا درصد محتوای فریت در لوله غلاف بخاری فولاد ضد زنگ 316 حساسیت ترک خوردگی جوش را در حین جوشکاری با بسته شدن درپوش انتهایی کنترل می کند؟

نقش دلتا فریت در جلوگیری از ترک خوردگی انجماد

در مورد لوله های گرمایش الکتریکی غلاف فولادی زنگ نزن 316، عملیات جوشکاری درپوش انتهایی برای بستن لوله پس از قرار دادن سیم مقاومتی و اکسید منیزیم، نیاز به حالت متالورژیکی دارد که در هنگام انجماد حوضچه جوش در برابر ترک های داغ مقاوم باشد. درصد فریت دلتا در فلز پایه 316 و فلز جوش، که معمولاً از 0٪ (کاملا آستنیتی) تا 10٪ (ساختار دوبلکس-شبیه) متغیر است، تنها مهم ترین عامل حاکم بر حساسیت ترک جوش گرم است. 316 کاملا آستنیتی (فریت < 2٪) با دانه های ستونی درشت که ناخالصی های با نقطه ذوب پایین (فسفر، گوگرد، سیلیکون) را در مرز دانه ها به دام می اندازند، جامد می شود، جایی که آنها لایه های مایع تشکیل می دهند که تحت تنش های انقباض حرارتی ترک می خورند. فلز جوش حاوی 3{11}}8 درصد دلتا فریت در حالت دوبلکس (فریت-آستنیت) جامد می‌شود تا شبکه‌ای شکنجه‌انگیز از مرزهای دانه‌ای ایجاد شود که ناخالصی‌ها را توزیع می‌کند و کرنش‌های انقباضی را بدون شکستگی در خود جای می‌دهد. این مقاله همبستگی بین محتوای فریت، یکپارچگی مهر و موم انتهایی و سرعت ترک خوردگی جوش را ارزیابی می‌کند و محدودیت‌های مشخصات را برای کاربردهای جوشکاری بخاری ارائه می‌کند.

مکانیسم فریت-پیشگیری از ترک القایی

هنگامی که فلز جوش فولادی زنگ نزن 316 جامد می شود، اولین فازی که از مایع تشکیل می شود، دلتا فریت (بدنه-مکعب مرکزی) به جای آستنیت (مکعب وسط-) است، زیرا فریت دمای انجماد بالاتری دارد. در هنگام خنک شدن، بخش بزرگی از فریت با واکنش حالت جامد به آستنیت تبدیل می‌شود، اگرچه مقدار کمی فریت (معمولاً 3{10}}10%) در دمای محیط وجود دارد. این فریت باقی مانده دارای دو عملکرد پیشگیری از شکستگی است. اولاً، فریت حلالیت قابل ملاحظه‌ای برای آلاینده‌هایی مانند فسفر و گوگرد (تا 10 برابر بیشتر از آستنیت) دارد. این ناخالصی ها در مرزهای دانه آستنیت متمرکز نمی شوند، اما در فاز فریت متمرکز می شوند و در نتیجه لایه های مایع که باعث ترک خوردگی انجماد می شود را از بین می برند. دوم، رابط فریت{11}}آستنیت ساختار پیچیده‌تری نسبت به مرز دانه آستنیت-آستنیت دارد و این مانع از انتشار ترک می‌شود. برای فلز پایه 316، محتوای فریت تابعی از ترکیب آلیاژ، به ویژه معادل‌های کروم و نیکل است که از نمودارهای Schaeffler یا DeLong تخمین زده می‌شود. ترکیبی با حدود 20 معادل کروم (Cr + Mo + 1.5×Si) و حدود 12 معادل نیکل (Ni + 30×C + 0.5×Mn) محتوای فریت 4-8 درصد را به دست می‌دهد که برای جوش‌پذیری مناسب است. اگر معادل نیکل نسبت به کروم بیش از حد زیاد باشد، جوش ها به صورت کاملا آستنیتی (فریت زیر 2 درصد) جامد می شوند و بسیار حساس به ترک هستند.

رابطه کمی بین نرخ ترک خوردگی جوش و محتوای فریت

مطالعات جوشکاری کنترل شده روی 316 لوله برای بسته شدن درپوش انتهایی بخاری (GTAW خودزا، بدون فلز پرکننده، ورودی حرارت 0.5-1.0 کیلوژول بر میلی متر) نشان دهنده یک ارتباط معکوس واضح بین محتوای فریت و بروز شکستگی است. لوله هایی با ترکیب فریت کمتر از 2 درصد (کاملا آستنیتی) دارای نرخ ترک داغ بیش از 30 درصد هستند - تقریباً یک جوش از هر سه، ترک های آشکار را با بزرگنمایی 10× نشان می دهد. برای فریت بین 2-3٪، ترک خوردگی به 10-15٪ کاهش می یابد. مقدار ترک خوردگی به 2-5٪ در مقدار فریت 3-5 %. 5-8% کاهش می یابد، ترک خوردگی برای فریت زیر 1%. فریت بالای 8 درصد هنوز ترک خوردگی کمی ایجاد می کند، اما فلز جوش مغناطیسی می شود و ممکن است در شرایط خاص به دلیل حمله انتخابی فاز فریت، مقاومت خوردگی ضعیفی نشان دهد. هدف عملی برای جوشکاری درپوش انتهایی بخاری 4-8 درصد فریت در فلز جوش است. این اغلب به فلز پایه با 3 تا 6 درصد فریت نیاز دارد زیرا رقیق شدن فلز پایه در حوضچه جوش (جوشکاری خودکار) باعث می شود که فریت فلز جوش کمی کمتر از فریت فلز پایه باشد. جدول زیر پیوند بین محتوای فریت فلز پایه، محتوای فریت فلز جوش و بروز ترک داغ و کاربردهای توصیه شده را خلاصه می کند.

محتوای فریت فلز پایه (%) محتوای فریت فلز جوش (%) (GTAW خودزا) بروز ترک داغ (% قابل مشاهده در 10x) یکپارچگی مهر و موم درپوش انتهایی توصیه شده برای سرویس بخاری<1 <1 >40خیلی بد (نرخ نشت بالا) برای هیچ سرویسی مناسب نیست
1-2 1-2 20-35 ضعیف (اغلب نشت می‌کند) فقط برای برنامه‌های خشک و بدون فشار-
2-3 2-3 10-15 حاشیه ای (100% بازرسی لازم است) آب، کم فشار، بدون کلرید
3-4 2.5-3.5 5-10 صنعتی عمومی، کاربردهای فشار متوسط ​​قابل قبول با بازرسی نافذ رنگ
4-6 3-5 2-5 خوب (نرخ نشت کم) بیشترین گرمایش آب 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 
اندازه گیری محتوای فریت در 316 لوله و جوش

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) می تواند زیر 2٪ باشد. برای کاربردهای جوش حساس، خریداران باید برای هر گرمای لوله، گواهی محتوای فریت را در گواهی آسیاب نیاز داشته باشند.

اثر فلز پرکننده بر محتوای فریت جوش

در مواردی که درپوش‌های انتهایی بخاری با فلز پرکننده جوش داده می‌شوند (نادر برای غلاف‌های بخاری با قطر کوچک اما برای مجموعه‌های فلنجی بزرگ‌تر رایج است)، ترکیب فلز پرکننده می‌تواند محتوای فریت فلز جوش را مستقل از فلز پایه کنترل کند. حساسیت به شکست را می توان با تولید جوشی با 5{3}}10 درصد فریت با استفاده از فلز پرکننده 308L (نسبت کروم{4}}به نیکل بالاتر) برای فریت کم (زیر 3 درصد) 316 فلز پایه اصلاح کرد. با فلز پایه 316 لیتری، فلز پرکننده 316 لیتری معمولاً 4 تا 8 درصد فریت ایجاد می کند. چنین موادی نباید برای بسته شدن بخاری جوش داده شده استفاده شود. فلز پایه کاملا آستنیتی (مثلاً. 310 فولاد ضد زنگ یا برخی دماهای نیکل 316 بالا) نمی‌تواند از هیچ فلز پرکننده‌ای برای جلوگیری از خطر ترک خوردن استفاده کند. در دسترس بودن لوله با محتوای فریت فلز پایه تایید شده 4 تا 8 درصد، نیاز به فلز پرکننده را حذف می کند و ثبات جوش را برای سازندگان بخاری تضمین می کند.

علائم میدانی ترک داغ در جوش های درپوش انتهایی بخاری

پودر اکسید منیزیم داخلی می تواند به طور موقت شکاف های جزئی را در یک جوش کلاهک شکسته برای بخاری های در حال کار ببندد، بنابراین ممکن است فورا نشت نکند. با این وجود، سه علامت میدان نشان دهنده ترک خوردگی جوش است. اولین مورد کاهش مداوم مقاومت عایق الکتریکی با گذشت زمان است، زیرا رطوبت از طریق ریزترک ها نفوذ می کند و MgO را خیس می کند. مورد دوم یک لکه یا خوردگی قابل مشاهده در مجاورت ناحیه جوش در هنگام خارج شدن بخاری از استفاده است. سومین صدای خش خش هنگام گرم کردن (برای بخاری های گاز{4}) یا خاموش شدن گاه به گاه محافظ خطای زمین است. برای بخاری های جدید، یک تست تضمین کیفیت آسان، فشار دادن غلاف ساخته شده (اما هنوز پر از MgO) با هلیوم در 0.5 مگاپاسکال و اندازه گیری میزان نشت با یک طیف سنج جرمی است. یک جوش خوب نرخ نشتی کمتر از 1x10 -7 بار-L/sec دارد. برای خریداران، الزام تمام جوش‌های کلاهک انتهایی از بازرسی 100 درصد نافذ رنگ در بخش ASME V، با معیارهای پذیرش بدون نشانه‌های خطی، تأیید کیفیت عملی را فراهم می‌کند.

نتیجه‌گیری: تعیین محتوای فریت برای جوش‌های درپوش انتهایی قابل اعتماد

محتوای دلتا فریت لوله های غلاف فولادی ضد زنگ 316 به طور مستقیم ترک خوردگی داغ را در طول جوشکاری درپوش انتهایی کنترل می کند. با کمتر از 3 درصد فریت در فلز پایه، فلز جوش با ساختاری کاملا آستنیتی جامد می‌شود که ناخالصی‌ها را در مرز دانه‌ها به دام می‌اندازد و با نرخ‌های بیش از 10-15 درصد ترک می‌خورد. فلز جوش با 3-7% فریت را می توان با استفاده از 4-8% فریت فلز پایه بدست آورد که منجر به کاهش ترک خوردگی می شود.<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.