Varför är ferritinnehållsprocenten i 316 rostfritt stål värmemantelrör kontroll svetsning mot sprickbildning mot värme under svetsning med ändlocksstängning

Deltaferritens roll i förebyggande av stelningssprickbildning

I fallet med 316 mantlade elektriska värmerör av rostfritt stål kräver svetsoperationen av ändlocket för att stänga röret efter att motståndstråden och magnesiumoxiden har lagts i ett metallurgiskt tillstånd som är resistent mot hetsprickbildning under stelningen av svetsbadet. Procentandelen deltaferrit i 316 basmetallen och svetsmetallen, som vanligtvis sträcker sig från 0 % (helt austenitisk) till 10 % (duplex-liknande struktur), är den enskilt viktigaste faktorn som styr känsligheten för varmsprickbildning i svetsar. Den helt austenitiska 316 (ferrit < 2 %) stelnar med grova kolonnformade korn som fångar föroreningar med låg smältpunkt (fosfor, svavel, kisel) vid korngränserna där de bildar vätskefilmer som spricker under påfrestningarna från termisk kontraktion. Svetsmetall som innehåller 3-8 % deltaferrit stelnar i ett duplexläge (ferrit-austenit) för att producera ett fint torturiskt nätverk av korngränser som fördelar föroreningar och tar emot kontraktionsspänningar utan att gå sönder. Detta dokument utvärderar sambandet mellan ferritinnehåll, ändlockets tätningsintegritet och svetssprickhastigheten och ger specifikationsgränser för värmesvetsapplikationer.

Mechanism of Ferrite-Induced Crack Prevention

När 316 rostfritt stål svetsmetall stelnar, är den första fasen som bildas från vätskan deltaferrit (kropps-centrerad kubisk) snarare än austenit (ansikts-centrerad kubisk), eftersom ferrit har en högre stelningstemperatur. Vid nedkylning övergår den största delen av ferriten till austenit genom en reaktion i fast tillstånd, även om en liten mängd ferrit (vanligtvis 3-10%) finns närvarande vid omgivningstemperatur. Denna kvarhållna ferrit har två funktioner för att förhindra frakturer. För det första har ferrit en betydligt högre löslighet för föroreningar som fosfor och svavel (upp till 10 gånger mer än austenit). Dessa föroreningar koncentreras inte vid austenitkornens gränser utan koncentreras i ferritfasen och tar därigenom bort de vätskefilmer som orsakar stelningssprickor. För det andra har ferrit-austenitgränssnittet en mer slingrande struktur än en austenit-austenitkorngräns och detta hindrar sprickutbredning. För 316 basmetall är ferrithalten en funktion av sammansättningen av legeringen, i synnerhet krom- och nickelekvivalenterna som uppskattas från Schaeffler- eller DeLong-diagrammen. En sammansättning med cirka 20 kromekvivalenter (Cr + Mo + 1.5×Si) och cirka 12 nickelekvivalenter (Ni + 30×C + 0.5×Mn) ger en ferrithalt på 4-8 %, vilket är lämpligt för svetsbarhet. Om nickelekvivalenten är för hög med avseende på krom, stelnar svetsarna som totalt austenitiska (ferrit under 2 %) och är mycket sprickkänsliga.

Kvantifierat samband mellan svetssprickningshastighet och ferritinnehåll

Kontrollerade svetsstudier på 316-slangar för förslutningar av värmare (autogen GTAW, ingen tillsatsmetall, värmetillförsel 0,5-1,0 kJ/mm) indikerar ett tydligt omvänt samband mellan ferritinnehåll och brottförekomst. Rör med en ferritsammansättning under 2 % (helt austenitisk) har en varmsprickningshastighet på mer än 30 % – ungefär en av tre svetsar avslöjar tydliga sprickor vid 10x förstoring. För ferrit mellan 2-3 % sjunker sprickbildningen till 10-15 %. Sprickbildningsmängden minskar till 2-5 % vid en ferritmängd på 3-5 %. 5-8 % är sprickbildningen för ferrit under 1 %. Ferrit över 8 % ger fortfarande lite sprickbildning men svetsmetallen blir magnetisk och kan uppvisa dålig korrosionsbeständighet under speciella förhållanden på grund av selektivt angrepp av ferritfasen. Det genomförbara målet för svetsning av ändkapslar är 4-8 % ferrit i svetsmetallen. Detta kräver ofta basmetall med 3-6 % ferrit eftersom utspädning av basmetall i svetsbad (autogen svetsning) resulterar med svetsmetallferrit något mindre än basmetallferrit. Tabellen nedan sammanfattar kopplingen mellan basmetallferrithalt, svetsmetallferrithalt och förekomst av hetsprickbildning och rekommenderade tillämpningar.

Innehåll av basmetallferrit (%) Svetsmetallferritinnehåll (%) (autogen GTAW) Förekomst av hetsprickbildning (%, synlig vid 10x) Ändlockets tätningsintegritet Rekommenderas för värmareservice<1 <1 >40Mycket dålig (hög läckagefrekvens)Lämpar sig inte för någon tjänst
1-2 1-2 20-35 Dålig (läcker ofta) Endast för torra, icke-trycksatta applikationer
2-3 2-3 10-15 Marginal (100 % inspektion krävs) Vatten, lågt tryck, ingen klorid
3-4 2.5-3.5 5-10 Allmän industriell användning med måttligt tryck Acceptabelt med inspektion av färgpenetrant
4-6 3-5 2-5 Bra (låg läckagefrekvens) Mest vattenvärme 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 
Ferrithaltsmätning i 316 slangar och svetsar

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 vara under 2 %. För kritiska svetstillämpningar bör köpare kräva certifiering av ferritinnehållet på brukscertifikatet för varje rörvärme.

Effekt av tillsatsmetall på svetsferritinnehåll

I de fall där värmarens ändar är svetsade med tillsatsmetall (sällsynt för värmemantel med liten diameter men vanligt för större flänsförsedda enheter) kan sammansättningen av tillsatsmetallen styra ferrithalten i svetsmetallen oberoende av basmetallen. Brottmottagligheten kan korrigeras genom framställning av en svets med 5-10 % ferrit med användning av 308L tillsatsmetall (högre förhållande mellan krom- och nickel) för låg ferrit (under 3 %) 316 basmetall. Med 316L basmetall ger 316L tillsatsmetall vanligtvis 4-8 % ferrit. Sådant material bör inte användas för svetsade värmeförslutningar. Basmetall som är helt austenitisk (t.ex. . 310 rostfritt stål eller några höga nickel 316-temperaturer) kan inte använda någon tillsatsmetall för att undvika risken att spricka helt. Tillgängligheten av rör med verifierat 4-8 % basmetallferritinnehåll eliminerar kravet på tillsatsmetall och säkerställer svetskonsistens för värmaretillverkare.

Fälttecken på hetsprickbildning i svetsar för värmareändlock

Det invändiga magnesiumoxidpulvret kan tillfälligt täta mindre luckor i en trasig ändkapsvets för värmare i drift, så det kanske inte läcker omedelbart. De tre fälttecknen tyder ändå på svetssprickor. Den första är en stadig minskning av det elektriska isoleringsmotståndet med tiden, eftersom fukt tränger in genom mikrosprickor och väter MgO. Den andra är en synlig fläck eller korrosionsresultat i närheten av svetsområdet när värmaren tas ur bruk. Det tredje är ett väsande ljud vid uppvärmning (för gas-fyllda värmare) eller tillfälligt utlösning av jordfelsskyddet. För nya värmare är ett enkelt kvalitetssäkringstest att trycksätta den byggda (men ännu inte MgO-fyllda) manteln med helium vid 0,5 MPa och mäta läckagehastigheten med en masspektrometer. En bra svets kommer att ha en läckhastighet på mindre än 1x10 -7 mbar-L/sek. För köpare ger krav på att alla ändkapsvetssvetsar klarar 100 % färgpenetrantinspektion enligt ASME Sektion V, med acceptanskriterier för inga linjära indikationer, en praktisk kvalitetsverifiering.

Slutsats: Specificering av ferritinnehåll för tillförlitliga ändkapsvetsar

Deltaferritinnehållet i 316-rör med mantel av rostfritt stål kontrollerar direkt hetsprickbildning under svetsning av ändlock. Med mindre än 3 % ferrit i basmetallen stelnar svetsmetallen med en fullständigt austenitisk struktur, som fångar upp föroreningar vid korngränserna och spricker med hastigheter överstigande 10-15 %. Svetsmetall med 3-7% ferrit kan uppnås genom att använda 4-8% basmetallferrit vilket resulterar i minskad sprickbildning till<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.