Як вибрати правильну процедуру зварювання дуплексних труб з нержавіючої сталі, щоб уникнути втрати стійкості до корозії?

Кілька хвилин неякісного зварювання можуть повністю знищити корозійну-стійкість дуплексної труби з нержавіючої сталі. Кожне з’єднання, виготовлене в цеху чи на полі, повинно ретельно зберігати чітку дво-фазну мікроструктуру, яка надає дуплексу його міцність і стійкість. Збереження стійкості сплаву до корозії в суворих хлоридних і кислотних умовах важливіше, ніж просто запобігання витокам.

Металургійна основа: що робить Duplex унікальним
Збалансована суміш приблизно 50% аустеніту та 50% фериту міститься в дуплексних нержавіючих сталях (таких як UNS S32205, S31803 або 2205). Ця дво{6}}фазова структура пропонує:

Висока механічна міцність (приблизно вдвічі 316L).

Чудова стійкість до корозійного розтріскування під напругою, спричиненого хлоридом (SCC).

PREN (еквівалент стійкості до точкової корозії) 34–36 вказує на хорошу стійкість до точкової та щілинної корозії.

У процесі зварювання матеріал плавиться і швидко застигає. Остаточний фазовий баланс у металі зварного шва та зоні термічного-впливу (ЗТВ) визначається швидкістю охолодження та термічною історією. Якщо процес виконується неправильно, можуть статися дві шкідливі речі:

Перевиробництво фериту: коли ферит переважає через повільне охолодження або високе надходження тепла, міцність і стійкість до корозії знижуються.

Виділення інтерметалічної фази, зокрема сигма (σ) фази (FeCrMo) і chi (χ) фази, які розвиваються між 600 і 900 градусами. Розвиток цих фаз виснажує навколишню матрицю цих основних легуючих елементів, оскільки вони багаті хромом і молібденом. Результатом є сильна крихкість і різке зниження стійкості до точкової корозії.

З іншого боку, занадто багато аустеніту може утворитися через недостатнє підведення тепла або надзвичайно швидке охолодження, що призведе до зниження міцності. Як наслідок, необхідно дотримуватися обмеженого вікна обробки.

Вирішальні елементи процесу дуплексного зварювання нержавіючої сталі
Наступні фактори точно контролюються відповідним дуплексним способом зварювання нержавіючої сталі, методом запобігання корозії труб.

1. Вибір присадочного металу
Для збереження фазової рівноваги та корозійної стійкості вміст сплаву присадного металу повинен дорівнювати або перевищувати вміст основного металу. Стандартний наповнювач для дуплексу 2205 - ER2209 (UNS S39209). Виробництву аустеніту в наплавленому шарі сприяє його склад, де-легований нікелем і азотом порівняно з основним металом. Це компенсує феритний-ефект швидкого затвердіння.

Присадковий метал, як-от ER2594, використовується для супердуплексних марок (наприклад, 2507). Для дуплексного основного металу ніколи не використовуйте аустенітний наповнювач (наприклад, 308L або 316L); отриманий зварний шов матиме неправильні корозійні характеристики та може тріснути.

2. Контроль надходження тепла
Швидкість руху, напруга та сила струму впливають на надходження тепла. Рекомендований діапазон підведення тепла для дуплексної нержавіючої сталі зазвичай становить від 0,5 до 2,5 кілоджоулів на міліметр. Занадто високе підведення тепла сприяє повільному охолодженню, що дозволяє утворювати сигма-фазу та укрупнювати ферит; надто низьке підведення тепла створює ризик неповного плавлення або надмірної кількості фериту.

Газовольфрамове дугове зварювання (GTAW) труб 2205 зазвичай спрямоване на 0,5–1,5 кДж/мм. Якщо температура між проходами чітко регулюється, дещо більші діапазони (до 2,0 кДж/мм) можуть бути прийнятними для газового дугового зварювання (GMAW) з імпульсним розпиленням.

3. Температурний проміжок
Необхідно підтримувати температуру між проходами-температуру зварювальної зони перед наступним проходом-нижче 150 градусів і часто нижче 100 градусів під час початкових проходів. Тепло акумулюється високими міжпрохідними температурами, що подовжує період охолодження та сприяє випаданню сигма-фази. Природне повітряне охолодження між проходами може бути достатнім для труб із тонкими стінками (наприклад, 2–3 мм). Для більш товстих порцій необхідне примусове повітряне охолодження або навіть довший час очікування між проходженнями.

4. Зворотне очищення та екранування
Зварювальні шви з нержавіючої сталі мають бути захищені від навколишнього кисню. Щодо зварювання труб:

Аргон з 1-3% азоту є звичайним первинним захисним газом. Невелика кількість азоту, стабілізатора аустеніту, доданого до захисного газу, сприяє збереженню бажаного фазового балансу в металі зварного шва.

Зворотне продування: Щоб зупинити окислення кореневої кульки, чистий аргон (або аргон з 2–5% азоту) видаляють зсередини трубки. Накип оксиду хрому, який утворюється в результаті забруднення киснем, призводить до виснаження хрому та зниження стійкості до корозії.

5. Метод і порядок зварювання
Для дуплексних труб використовуються імпульсні дугові методи (імпульсний GTAW або імпульсний GMAW), оскільки вони

Використовуйте високий піковий струм, а потім низький фоновий струм, щоб зменшити надходження тепла.

Покращте керування зварювальною ванною та зменште ймовірність прогорання-на вузьких стінках.

Створіть мікроструктуру, яка є більш послідовною та тоншою.

Замість використання широких намистин, які збільшують надходження тепла та повільне охолодження, для ручного зварювання використовуються стрингерні намистини (прямий прохід без переплетення).

Очищення-після зварювання (протруювання та пасивація) є вирішальним кроком
Тепловий відтінок (оксидний наліт) з’явиться на поверхні зварного шва та навколишньому ЗТВ, навіть якщо підведення тепла ідеальне. Оскільки хром переважно взаємодіє з киснем, залишаючи метал, що лежить під ним, із меншим вмістом хрому, цей оксидний шар -збіднюється хромом. У цій дефіцитній зоні легко ініціюється точкова та щілинна корозія в хлоридній службі.

Чистка після зварювання обов'язкова. Існує два ефективних способи:

Хімічне видалення (протруювання)
Травильна паста або ванна: розчин розчину азотної кислоти (HNO₃) і фтористоводневої кислоти (HF) видаляє шар, збіднений -хромом. Травильну пасту наносять на зварний шов і ділянку труб, що постраждали від тепла, залишають на заздалегідь визначений проміжок часу (наприклад, від 15 до 60 хвилин), а потім повністю промивають водою.

Травлення методом занурення: хоча для цього потрібне спеціальне обладнання, занурення невеликих вузлів труб або частин золотника в нагріту ванну для травлення є більш рівномірним.

Пасивація після механічного очищення
Шліфування або чищення: для видалення теплого відтінку можна використовувати дрібні абразивні подушечки або не-металеві щітки (наприклад, дротяні щітки з нержавіючої сталі, які використовуються лише для двостороннього друку, а не для вуглецевої сталі). Не залишаючи частинок заліза, весь тонований шар необхідно видалити шляхом шліфування.

Пасивація: щоб відновити пасивне покриття з оксиду хрому, після механічного очищення на поверхню наноситься розчин азотної або лимонної кислоти. Шліфування саме по собі може призвести до розмазування металу та створення менш захисної поверхні, тому цей крок є вирішальним.

Після відповідного травлення зварний шов і ЗТВ повинні мати такий самий зовнішній вигляд і стійкість до корозії, як і основна труба, оскільки хороший зварний шов не сприйнятливий до корозії. Зварювальний шов буде першою точкою відмови, якщо нагрівання не зникне.

Вимірювання фериту для перевірки якості зварювання
Для вимірювання вмісту фериту в металі зварного шва та ЗТВ для перевірки того, що процес зварювання підтримував належний фазовий баланс, використовується феритовий об’єктив, пристрій магнітної індукції. Для дуплексних нержавіючих сталей часто прийнятним є вміст фериту 30–70% (балансуючий аустеніт). Багато специфікацій націлені на 40–60%.

Міцність знижується через надлишок аустеніту, на що вказують значення нижче 30%.

Надмірний вміст фериту вказують на значення понад 70%, що знижує в’язкість і може свідчити про існування сигма-фази (сигма не-магнітна, але відсоток фериту зменшується, коли з’являється сигма; незвичайно низькі або непослідовні показники фериту можуть бути підказкою).

У критичних випадках зварений зразок може пройти мікроструктурний аналіз (металографію) для виявлення інтерметалічних фаз. У феритових зернах сигма-фаза проявляється як голчастий або блоковий осад.

Типові помилки та способи їх запобігання
Запобігання наслідкам помилок
Використання присадного металу 308L або 316LWeld сприйнятливе до розтріскування та має низьку стійкість до корозії. Завжди використовуйте відповідний дуплексний наповнювач (ER2209 для 2205).
Перегрів (понад 2,5 кДж/мм) Низький PREN, окрихкість і випадання в сигма-фазі Визначте підведення тепла, використовуйте імпульсну дугу та встановіть обмеження швидкості.
Температурний проміжок вище 150 градусів Накопичення тепла заохочує sigmaВикористовуйте термопару для вимірювання; дайте йому охолонути між проходами.
Немає зворотної продувки кореня трубки. Вичерпання хрому, окислення кореневої частини та щілинна корозія. Для продувки використовуйте аргон або комбінацію аргон-азоту
Залишаючи тепловий відтінок на місціНа кромці зварного шва починається локальна корозія. Протравіть або пасивуйте за допомогою машини.
Використання шліфувальних кругів або щіток із вуглецевої сталі. Гальванічна корозія спричинена забрудненням залізом. Використовуйте спеціалізовані інструменти з нержавіючої сталі, в ідеалі лише для дуплексу.
Специфікація кваліфікації та процедури зварювання (WPS)
Формальна специфікація процедури зварювання (WPS) повинна бути створена та кваліфікована відповідно до коду, як-от розділ IX ASME, AWS D1.6 або ISO 15614 для будь-якого промислового застосування. Наступне має бути чітко зазначено в WPS для дуплексних труб з нержавіючої сталі:

діапазон товщини та марки основного металу.

Класифікація присадного металу (наприклад, ER2209).

Методи зварювання GTAW, GMAW або SMAW.

склад і швидкість потоку захисних газів.

газ і техніка зворотної продувки.

Діапазон підведення тепла та електричні параметри (напруга, струм, швидкість руху).

перевищувати температурні обмеження, наприклад максимум 150 градусів.

Попереднє нагрівання зазвичай не потрібне для дуплексу, якщо температура навколишнього середовища не нижче 5 градусів.

Травильна паста, занурення або механічна + пасивація є методами очищення після-зварювання.

Стандарти прийнятності вмісту фериту (наприклад, 30–70% фериту в металі шва).

Випробування на розтягнення та вигин, а також випробування на корозію (такі як випробування на точкову точку хлориду заліза згідно з ASTM G48) є прикладами кваліфікаційних випробувань. Для зварювання труб також може знадобитися перевірка вихровими струмами або гідростатичні випробування.

Міркування для польового зварювання
Оскільки контролювати навколишнє середовище складніше, зварювати дуплексні труби в польових умовах (наприклад, для з’єднань або ремонту) складніше, ніж цехове зварювання. Особливу увагу необхідно приділити:

Використання газових лінз і екранів для запобігання виникненню захисного газу називається захистом від вітру.

Контроль температури: використовуйте контактні пірометри або інфрачервоні термометри для вимірювання міжпрохідної температури.

Продувка: може бути неможливим спорожнити повну довжину труб великого-діаметра; замість цього можна використовувати обмежену продувну дамбу з надувних гумових пробок.

Травлення: Щоб запобігти розливанню на сусіднє обладнання, польові травильні пасти слід застосовувати та ретельно нейтралізувати.

Підсумовуючи, якість матеріалу залежить від рук, які над ним працюють.
Для дуплексних труб з нержавіючої сталі вибір правильної техніки зварювання має вирішальне значення для запобігання катастрофічній втраті стійкості до корозії. Надмірне надходження тепла, високі міжпрохідні температури, невідповідність наповнювачів або наявність-збідненого хрому теплового відтінку — усе це може підірвати збалансовану мікроструктуру аустеніту-фериту, що надає дуплексу його міцності та стійкості до точкової корекції. Зона зварювання зберігає таку саму корозійну здатність, як і основна труба, завдяки методичному процесу, який контролює підведення тепла (зазвичай 0,5–2,5 кДж/мм), температуру між проходами нижче 150 градусів, наповнювач ER2209 для основного металу 2205, інертну зворотну продувку та суворе травлення після зварювання. Успіх підтверджується вимірюванням фериту (30–70% фериту). Добре-зварний шов не схильний до корозії; матеріал настільки хороший, наскільки хороші руки, які його з’єднують.