Un tub duplex din oțel inoxidabil care este perfect rezistent la coroziune își poate distruge proprietățile de câteva minute de sudare proastă. Microstructura unică în două faze care conferă duplexului rezistența și rezistența trebuie păstrată cu grijă în timpul fiecărei îmbinări realizate în atelier sau câmp. Selectarea procedurii corecte de sudare nu este doar o chestiune de a evita scurgerile-ci menținerea rezistenței la coroziune câștigată cu greu a aliajului în medii agresive cu clorură și acid.
Baza metalurgică: de ce Duplex-ul este diferit
Oțelurile inoxidabile duplex (de exemplu, UNS S32205, S31803 – de obicei 2205) conțin un amestec echilibrat de aproximativ50% austenitaşi50% ferită. Această structură în dublă fază oferă:
Rezistență mecanică ridicată (aproximativ de două ori față de 316L).
Rezistență excelentă la fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC).
Rezistență bună la coroziune la pitting și crevice, cuantificată printr-un PREN (număr echivalent al rezistenței la pitting) de 34-36.
În timpul sudării, materialul este topit și apoi se solidifică rapid. Viteza de răcire și istoricul termic determină echilibrul final de fază în metalul sudat și zona afectată de căldură (HAZ). Dacă procedura este incorectă, pot apărea două fenomene dăunătoare:
Formare excesivă de ferită– Răcirea lentă sau aportul ridicat de căldură permite feritei să domine, reducând duritatea și rezistența la coroziune.
Precipitarea fazelor intermetalice– Cel mai notabilfaza sigma (σ).(FeCrMo) șifaza chi (χ)., care se formează în intervalul de temperatură de 600-900 de grade . Aceste faze sunt bogate în crom și molibden, astfel încât formarea lor lasă matricea înconjurătoare sărăcită în aceste elemente critice de aliere. Rezultatul: fragilizare severă și o pierdere drastică a rezistenței la coroziune.
În schimb, aportul insuficient de căldură sau răcirea foarte rapidă pot produce prea multă austenită, reducând rezistența. Prin urmare, trebuie respectată o fereastră de procesare îngustă.
Parametri cheie într-o procedură de sudare duplex din oțel inoxidabil
Un cuvenitProcedura de sudare duplex din oțel inoxidabil coroziunea tubuluistrategia de prevenire controlează cu precizie următoarele variabile.
1. Selectarea metalului de umplutură
Metalul de umplutură trebuie să se potrivească sau să depășească conținutul de aliaj al metalului de bază pentru a menține rezistența la coroziune și echilibrul de fază. Pentru 2205 duplex, umplutura standard esteER2209(UNS S39209). Compoziția sa este ușor supraaliată în nichel și azot în comparație cu metalul de bază, ceea ce favorizează formarea austenitei în depozitul de sudură. Aceasta compensează efectul favorizant al feritei al solidificării rapide.
Pentru calitățile super duplex (de exemplu, 2507), se utilizează metal de umplutură, cum ar fi ER2594. Nu utilizați niciodată o umplutură austenitică (de exemplu, 308L, 316L) pe metal de bază duplex; sudura rezultată va avea proprietăți de coroziune greșite și se poate fisura.
2. Controlul intrării de căldură
Aportul de căldură este o funcție de tensiune, curent și viteza de deplasare. Pentru oțelurile inoxidabile duplex, intervalul de aport de căldură recomandat este de obicei între0,5 și 2,5 kilojuli pe milimetru. Un aport de căldură prea scăzut riscă o fuziune incompletă sau ferită excesivă; un aport de căldură prea mare promovează răcirea lentă, ceea ce permite formarea fazei sigma și îngroșarea feritei.
O țintă tipică pentru GTAW (sudura cu arc de tungsten cu gaz) de 2205 tuburi este0,5–1,5 kJ/mm. Pentru GMAW (sudare cu arc de metal cu gaz) cu transfer pulverizat prin pulverizare, intervale puțin mai mari (până la 2,0 kJ/mm) pot fi acceptabile dacă temperatura între treceri este strict controlată.
3. Temperatura interpass
Temperatura interpass (temperatura zonei de sudură înainte de următoarea trecere) trebuie păstratăsub 150 de grade, și adesea sub 100 de grade pentru primele treceri. Temperaturile ridicate între treceri acumulează căldură, crescând efectiv timpul de răcire și promovând precipitarea în fază sigma. Pentru tuburile cu pereți subțiri (de exemplu, perete de 2–3 mm), răcirea naturală a aerului între treceri poate fi suficientă. Pentru secțiuni mai groase, este necesară răcirea forțată cu aer sau chiar așteptarea mai mult timp între treceri.
4. Ecranarea și curățarea spatelui
Sudurile duplex din oțel inoxidabil trebuie protejate de oxigenul atmosferic atât pe fața sudurii, cât și pe partea rădăcină. Pentru sudarea tuburilor:
Gaz de protecție primar– Argonul cu 1–3% azot este adesea folosit. Azotul este un stabilizator de austenită; adăugarea unui procent mic la gazul de protecție ajută la menținerea echilibrului de fază dorit în metalul de sudură.
Purificarea spatelui– Interiorul tubului este purjat cu argon pur (sau argon cu 2–5% azot) pentru a preveni oxidarea rădăcinii. Contaminarea cu oxigen produce solzi de oxid de crom care cauzează epuizarea cromului și pierderea rezistenței la coroziune.
5. Procesul și tehnica sudării
Tehnicile cu arc pulsat (GTAW pulsat sau GMAW pulsat) sunt preferate pentru tuburile duplex deoarece:
Reduceți aportul de căldură utilizând un curent de vârf ridicat, urmat de un curent de fond scăzut.
Îmbunătățiți controlul bazinului de sudură și reduceți riscul de ardere pe pereții subțiri.
Produce o microstructură mai fină, mai uniformă.
Pentru sudarea manuală, se folosesc mărgele stringer (trecere dreaptă fără țesere) în loc de margele de țesătură largi, care măresc aportul de căldură și răcirea lentă.
Pasul critic: curățarea post-sudare (decapare și pasivare)
Chiar și o sudură realizată cu un aport de căldură perfect va avea unnuanță de căldură(scara de oxid) pe suprafața sa și HAZ adiacentă. Acest strat de oxid este sărăcit de crom, deoarece cromul reacţionează preferenţial cu oxigenul, lăsând metalul de bază cu un conţinut mai scăzut de crom. În această zonă epuizată, coroziunea cu sâmburi și fisuri se inițiază ușor în timpul serviciului de clorură.
Curățarea după sudare nu este opțională.Două metode sunt eficiente:
Decaparea (înlăturarea chimică)
Pastă de decapare sau baie– Un amestec de acid azotic (HNO₃) și acid fluorhidric (HF) dizolvă nuanța termică și îndepărtează stratul sărăcit de crom. Pentru tuburi, pasta de decapare este periată pe sudură și pe zona afectată de căldură, lăsată pentru un timp specificat (de exemplu, 15-60 de minute), apoi clătită bine cu apă.
Decapare prin imersie– Pentru ansambluri mici de tuburi sau bucăți de bobină, scufundarea într-o baie de decapare încălzită este mai uniformă, dar necesită facilități speciale.
Curățare mecanică urmată de pasivare
Slefuire sau periere– Nuanța de căldură poate fi îndepărtată cu tampoane abrazive fine sau perii nemetalice (de exemplu, perii din sârmă din oțel inoxidabil utilizate numai pe duplex, niciodată pe oțel carbon). Măcinarea trebuie să îndepărteze întregul strat colorat fără a lăsa particule de fier încorporate.
Pasivare– După curățarea mecanică, suprafața este tratată cu o soluție de acid azotic sau citric pentru a restabili pelicula pasivă de oxid de crom. Acest pas este esențial deoarece șlefuirea singură poate păta metalul și poate lăsa o suprafață mai puțin protectoare.
O sudură bună este invizibilă la coroziune– ceea ce înseamnă că după decaparea corespunzătoare, sudura și HAZ ar trebui să aibă același aspect și aceeași rezistență la coroziune ca tubul de bază. Dacă nuanța termică rămâne, sudura va fi primul punct de defecțiune.
Verificarea calității sudurii: Măsurarea feritei
Pentru a confirma că procedura de sudare a menținut echilibrul corect de fază, alunetă de ferită(instrument de inducție magnetică) este utilizat pentru a măsura conținutul de ferită al metalului de sudură și a HAZ. Intervalul acceptabil pentru oțelurile inoxidabile duplex este de obicei30–70% ferită(echilibru austenita). Multe specificații vizează 40–60%.
Valorile sub 30% indică austenită excesivă, care reduce rezistența.
Valorile de peste 70% indică ferită excesivă, care scade duritatea și poate semnala prezența fazei sigma (sigma este nemagnetică, dar procentul de ferită scade pe măsură ce se formează sigma; o citire a ferită care este neașteptat de scăzută sau inconsecventă poate fi un indiciu).
Pentru aplicații critice, aexamen microstructural(metalografia) poate fi efectuată pe un cupon sudat pentru a verifica fazele intermetalice. Faza sigma apare ca un precipitat blocat sau acicular în granulele de ferită.
Greșelile frecvente și cum să le evitați
| Greşeală | Consecinţă | Prevenirea |
|---|---|---|
| Folosind un metal de umplutură 308L sau 316L | Sudura are o rezistență slabă la coroziune și se poate crăpa | Folosiți întotdeauna umplutură duplex potrivită (ER2209 pentru 2205) |
| Aport de căldură excesiv (peste 2,5 kJ/mm) | Precipitare în fază sigma, fragilizare, PREN scăzut | Calculați aportul de căldură, utilizați arcul pulsat, limitați viteza de deplasare |
| Temperatura interpass peste 150 de grade | Căldura acumulată promovează sigma | Măsurați cu termocuplu; permite răcirea între treceri |
| Fără purjare din spate pe rădăcina tubului | Granulele de rădăcină se oxidează, epuizarea cromului, coroziunea în crăpături | Purjați cu argon sau amestec de argon-azot |
| Lăsând nuanța de căldură neeliminată | Coroziunea localizată începe la marginea sudurii | Murați sau curățați mecanic și pasivăți |
| Folosind perii din oțel carbon sau roți de șlefuit | Contaminarea cu fier duce la coroziune galvanică | Utilizați unelte dedicate din oțel inoxidabil, de preferință numai pentru duplex |
Specificația procedurii de sudură (WPS) și calificarea
Pentru orice aplicație industrială, un formalSpecificația procedurii de sudare (WPS)trebuie să fie dezvoltat și calificat conform unui cod, cum ar fi ASME Secțiunea IX, AWS D1.6 sau ISO 15614. WPS pentru tuburile duplex din oțel inoxidabil ar trebui să precizeze în mod explicit:
Calitatea metalului de bază și gama de grosimi.
Clasificarea metalului de umplutură (de exemplu, ER2209).
Procesul de sudare (GTAW, GMAW sau SMAW).
Compoziția și debitul gazului de protecție.
Gaz de purjare înapoi și metodă.
Parametrii electrici (tensiune, curent, viteza de deplasare) cu intervalul de intrare termică.
Limită de temperatură între trecere (de exemplu, maxim 150 de grade).
Cerințe de preîncălzire (de obicei, niciuna pentru duplex, cu excepția cazului sub 5 grade ambientale).
Procedura de curățare post-sudare (pastă de decapare, imersie sau mecanică + pasivare).
Criterii de acceptare pentru conținutul de ferită (de exemplu, 30–70% ferită în metalul de sudură).
Testele de calificare includ teste mecanice (întindere, îndoire) și teste de coroziune (de exemplu, testul de pitting clorură ferică conform ASTM G48). Pentru sudurile tuburilor, atest hidrostaticsauinspecție cu curenți turbionaripoate fi, de asemenea, necesar.
Considerații privind sudarea în câmp
Sudarea tuburilor duplex pe teren (de exemplu, pentru reparații sau legături) este mai dificilă decât sudarea în atelier, deoarece controlul mediului este mai greu. O atenție deosebită trebuie acordată:
Ecran de vânt– Utilizarea de lentile și ecrane cu gaz pentru a preveni întreruperea gazului de protecție.
Monitorizarea temperaturii– Termometre cu infraroșu sau pirometre de contact pentru a verifica temperatura între treceri.
Epurare– Pentru tuburile cu diametru mare, purjarea pe întreaga lungime poate fi nepractică; se poate folosi un baraj de purjare localizat (dopuri de cauciuc gonflabile).
Murarea– Sunt disponibile paste de decapare pe câmp; acestea trebuie aplicate și neutralizate cu atenție pentru a evita scurgerea pe echipamentele din jur.
Concluzie: Materialul este la fel de bun ca și mâinile care îl unesc
Selectarea procedurii corecte de sudare pentru tuburile duplex din oțel inoxidabil este esențială pentru a evita o pierdere catastrofală a rezistenței la coroziune. Microstructura echilibrată de austenită-ferită, care îi conferă duplexului rezistența și rezistența la sâmburi, poate fi distrusă de aportul excesiv de căldură, temperaturile interpass ridicate, metalele de umplutură nepotrivite sau prezența unei nuanțe de căldură sărăcită de crom. O procedură disciplinată-aportul de căldură controlat (de obicei 0,5–2,5 kJ/mm), o temperatură de trecere sub 150 de grade, umplutură ER2209 pentru metal de bază 2205, purjare inertă și decapare completă după sudare-asigură că zona de sudură păstrează aceleași performanțe la coroziune ca și tubul de bază. Verificarea prin măsurarea feritei (30–70% ferită) confirmă succesul. Materialul este la fel de bun ca și mâinile care îl unesc; o sudură bine executată este invizibilă la coroziune.
