Zašto dupleksni čelični spojevi za zavarene cijevi zahtijevaju posebnu kontrolu procesa?

Jedinstvena svojstva materijala i izazovi zavarivanja dupleks čelika

1. Mikrostrukturne karakteristike dvofaznog čelika

Dupleksni nehrđajući čelik nazvan je suživotom ferita (α faza) i austenita (γ faza) u svojoj strukturi, s tipičnim omjerom od oko 1: 1. Feritska faza ima dobru čvrstoću i otpornost na koroziju kloridnog naprezanja, dok faza austenita daje materijalu izvrsnu žilavost i zavarivost. Međutim, ova dupleksna struktura značajno će se promijeniti zbog toplinskih ciklusa tijekom zavarivanja: feritna faza u zoni visoke temperature zavarivanja može se grubo zbog pregrijavanja, a na brzinu oborina i raspodjela austenita tijekom hlađenja također će snažno utjecati brzina hlađenja. Ako je postupak zavarivanja nepravilan, to može dovesti do pretjeranog rasta ferita ili nedovoljne oborine austenita, uništavajući ravnotežu dviju faza i utječu na ukupni učinak zgloba.

2. Posebni efekti i osjetljivost legirajućih elemenata

Dupleksni čelik sadrži visok sadržaj legirajućih elemenata poput kroma (CR, oko 21%-28%), molibdena (MO, oko 2%-5%) i dušika (N, oko 0,1%-0,3%). Krom i molibden su glavni elementi za formiranje ferita, dok dušik snažno potiče stvaranje austenita i poboljšava snagu materijala. Tijekom zavarivanja, raspodjela ovih elemenata promijenit će se zbog metalurških reakcija i difuzijskog ponašanja:

· Rizik od oborina kroma karbida : Kad je unos topline zavarivanja previsok ili je brzina hlađenja prespor, krom se može kombinirati s ugljikom da bi se stvorio karbidi kao što je CR₂₃C₆, koji se akumuliraju na granicama zrna, što rezultira smanjenjem sadržaja kroma u blizini granica zrna ("iscrpljivanje kroma", okidača, okidača.

· σ Problem s fazama : Kad je sadržaj ferita previsok ili ostaje u rasponu 475 ℃ -820 ℃ dulje vrijeme, kromim i molibden mogu tvoriti intermetalni spoj σ faze. Σ faza je tvrda i krhka, što će značajno smanjiti žilavost i otpornost na koroziju zgloba.

· Izbjegavanje dušika i stvaranje pora : Topljivost dušika u tekućem metalu smanjuje se kako se temperatura smanjuje. Ako je oklopni plin nedovoljan ili je luk nestabilan tijekom zavarivanja, dušik može pobjeći u tvorbi pora. Istodobno, smanjenje sadržaja dušika oslabit će stabilizirajući učinak na austenit.

3 . Podudaranje zahtjeva mehaničkih svojstava

Čvrstoća prinosa dupleksnog čeličnog osnovnog materijala obično je iznad 450MPa, vlačna čvrstoća može doseći iznad 600MPa, a ima dobru plastičnost (produženje ≥ 25%). Zavareni spoj mora zadovoljiti mehanička svojstva koja odgovaraju onima osnovnog materijala, u protivnom koncentracija napona može se formirati u području zgloba. Na primjer:

· Ako je sadržaj austenita u metalu zavarivanja prenizak, struktura dominirana feritom uzrokovat će smanjenje žilavosti zgloba, što ga čini sklonom krhkom prijelomu pod udarnim opterećenjima.

· Zona zahvaćena toplinom (HAZ) može tvoriti "feritne otoke" zbog zrnaca, što rezultira prekomjernom snagom i nedovoljnom žilavošću na ovom području, postajući podrijetlo pukotina.

Metalurške i fizičke i kemijske promjene tijekom zavarivanja

1. Utjecaj mehanizma zavarivanja toplinskog ciklusa

Tijekom zavarivanja, zona zavarivanja i topline podvrgavaju se toplinskom ciklusu brzog zagrijavanja i hlađenja, a njegova vrhunska temperatura, vrijeme visoko temperature i brzina hlađenja igraju odlučujuću ulogu u evoluciji mikrostrukture:

· Utjecaj vršne temperature : Kad vršna temperatura prelazi 1300 ℃, udio feritne faze značajno se povećava, a austenit se može u potpunosti otopiti u feritu. Ako je brzina hlađenja prebrza, austenit se ne može u potpunosti istaknuti, što rezultira prekomjernim sadržajem ferita u zglobu; Ako je stopa hlađenja prespora, može promicati stvaranje štetnih faza poput σ faze.

· Kritični raspon brzine hlađenja : U rasponu od 540 ℃ -820 ℃ (nazvan "opasni temperaturni raspon"), brzina hlađenja treba kontrolirati unutar odgovarajućeg raspona. Ako je brzina hlađenja veća od 10 ℃/s, oborine austenita nisu dovoljna, a sadržaj ferita previsok; Ako je brzina hlađenja manja od 1 ℃/s, tendencija oborina σ faze značajno se povećava. Studije su pokazale da za S32750 Super dvofazni čelik idealnu brzinu hlađenja treba kontrolirati između 2 ℃/S-5 ℃/s kako bi se postigao najbolji dvofazni omjer i performanse.

2. Zavarivanje metalurške reakcije i kontrola nečistoće

Kada zavarivanje dupleks čelika, metalurške reakcije u rastaljenom bazenu utječu na sastav i svojstva metala zavarivanja:

· Kontrola kisika i dušika : Dupleksni čelik je osjetljiv na kisik i dušik. Prekomjerni kisik nastat će oksida, smanjujući žilavost zgloba. Sadržaj dušika mora se precizno kontrolirati kako bi se osiguralo stabilno stvaranje austenita. Argon visoke čistoće (≥99,99%) obično se koristi za zaštitu. Ako je potrebno, može se dodati dušik (poput AR 5% N₂) za održavanje udjel dušika u zavarivanju.

· Štetni učinci sumpora i fosfora : Sumpor (S) i fosfor (P) glavni su elementi nečistoće u zavarivanju čelika s dupleksom, koji su lako formirati eutektiku s niskim rodom na granicama zrna, povećavajući tendenciju vrućih pukotina. Stoga se sadržaj sumpora i fosfora u materijalima zavarivanja (poput žica za zavarivanje i elektroda) mora strogo kontrolirati (obično S≤0,015%, p≤0,020%), a istodobno, nečistoće poput nafte i hrđa na površini matičnog materijala trebaju se dovoditi u zavarivanje.

3. Proces promjene faze i organizacijska uniformnost

Tijekom procesa hlađenja zavarivanja, austenit taloži iz prenasićenog ferita, a njegovo ponašanje oborina utječu na temperaturne i legiranje elemenata:

· Utjecaj temperature oborina : U rasponu od 500 ℃ -700 ℃, austenit uglavnom taloži duž granica feritnog zrna kako bi tvorio "granični austenit zrna", što može učinkovito ometati širenje pukotina; Ako je brzina hlađenja prebrza, austenit može talog u feritu u obliku igala ili otoka ("intragranularni austenit"), što može povećati snagu, ali može smanjiti žilavost.

· Učinak difuzije elemenata : Elementi poput kroma i molibdena brže su difuzno u feritu nego u austenitu. Tijekom hlađenja, ti će se elementi obogatiti netransformiranim austenitom, utječući na stabilnost austenita i konačnu distribuciju organizacije. Ako postupak nije pravilno kontroliran, on može dovesti do neravne raspodjele austenita, formirajući "zavojna organizacija" ili "blokadna organizacija", smanjujući otpornost na koroziju i ujednačenost mehaničkih svojstava spoja.

Ključne tehničke točke posebne kontrole procesa

1 . Odabir metode zavarivanja

DUPLEX čelik bešavna cijev Zavarivanje bi trebalo dati prioritet energetski koncentriranim na toplinski ulaz metode zavarivanja koje se može kontrolirati kako bi se smanjile vrijeme prebivališta visoke temperature i širina zona zahvaćene toplinom:

2. Odgovarajući principi materijala za zavarivanje

Odabir materijala za zavarivanje mora ispunjavati sljedeće zahtjeve:

· Podudaranje kemijskog sastava : Sadržaj kroma, molibdena i dušika u metalu zavarivanja trebao bi biti ekvivalent ili nešto veći od matičnog materijala kako bi se osigurala sposobnost formiranja austenita i otpornost na koroziju. Na primjer, prilikom zavarivanja S32205 Dupleks čelika, najčešće korištena žica za zavarivanje, poput ER2209, ima CR sadržaj od 22%, NI sadržaj od 9%, sadržaj od 3%i N sadržaj od 0,18%, što u osnovi odgovara sastav matičnog materijala.

· Dvofazni omjer kontrola : Sadržaj ferita u metalu zavarivanja obično se kontrolira na 30% -50% (koristeći instrument za mjerenje ferita, kao što je opseg ferita kako bi se osigurale dobre ukupne performanse). Ako je sadržaj ferita prenizak, lako je izazvati vruće pukotine; Ako je previsok, može uzrokovati zamku σ faze.

· Kontrola sadržaja nečistoće : Sadržaj nečistoća poput sumpora, fosfora i ugljika u materijalima za zavarivanje trebao bi biti strogo ograničen, posebno sadržaj ugljika (obično ≤0,03%), kako bi se izbjegla intergranularna korozija i toplinsko pucanje.

3 . Optimizacija parametara procesa zavarivanja

· Kontrola unosa topline
Ulaz topline (q = iu/v, gdje sam struja, U je napon, a V brzina zavarivanja) ključni je parametar koji utječe na mikrostrukturu i performanse zavarenih spojeva. Za dupleksni čelik treba usvojiti princip "laganog topline, brzo zavarivanje" kako bi se izbjeglo pregrijavanje. Na primjer, pri zavarivanju S32760 Super dupleks čelika, ulaz topline obično se kontrolira između 10kJ/cm-15KJ/cm, a brzina zavarivanja nije manja od 5 cm/min.

· Kontrola temperature među slojevima
Ako je temperatura među slojevima previsoka, zglob zavarivanja predugo će ostati u opasnom rasponu temperature, promičući oborinu σ faze i zrno zgloba. Temperatura međusloja obično je potrebna da ne prelazi 150 ℃. Za super dupleks čelika, temperatura međusloja treba kontrolirati ispod 100 ℃. Vodno hlađenje, zračno hlađenje ili prisilno hlađenje mogu se koristiti za smanjenje temperature međusloja, ali očvrsnu strukturu uzrokovanu naglim hlađenjem treba izbjegavati.

· Slijed zavarivanja i broj prolazaka
Razumni slijed zavarivanja može smanjiti napon za zavarivanje i deformaciju, istovremeno kontrolirajući nakupljanje unosa topline. Za cijevi s debelim zidom, potrebno je koristiti višeslojne i višenamjenske zavarivanje, a debljina svakog zavara ne smije prelaziti 3 mm kako bi se izbjegao prekomjerni unos topline zbog prekomjerne debljine jednog zavara. Na primjer, pri zavarivanju čelične cijevi s dupleksom s debljinom stijenke od 12 mm, može se koristiti 6-8 zavarivanja, a smjer zavarivanja svakog sloja se izmjenjuje kako bi se smanjila koncentracija napona.

4 . Postupak liječenja nakon navale

· Liječenje otopinom
Za važne zavarene strukture (poput tlačnih posuda i cijevi za inženjering na moru), liječenje otopine (grijanje na 1050 ℃ -1100 ℃, brzo hlađenje nakon očuvanja topline) može se provesti nakon zavarivanja kako bi se otopile štetne faze (poput σ faze i karbide), prepune u zavarivanju, i zavarivanja, i ujednačene u jednoličnoj taripitaciji. Nakon tretmana otopine, otpornost na koroziju i žilavost zgloba mogu se značajno poboljšati.

· Površinski tretman:
Nečistoće poput skale i šljake na površini zavarenih zglobova mogu postati izvori korozije i potrebno ih je mehanički očistiti (poput mljevenja i poliranja) ili kemijski očistiti (poput kiselog i pasivacije). Kisenje se može obaviti miješanom otopinom dušične kiseline (5%-10%) i hidrofluornom kiselinom (1%-2%) za uklanjanje filma površinskog oksida; Pasivizacijski tretman može se obaviti u otopini dušične kiseline (20%-30%) kako bi se stvorio gusti pasivacijski film i poboljšao korozijsku otpornost.

Uobičajene nedostatke zavarivanja i preventivne mjere

1. Termičke pukotine

· Uzrok : Kada se zavarivanje dupleks čelika, Eutectics niska tališta (poput FE-S, Fe-P) odvojena su na granicama zrna, a zajedno s učinkom stresa za zavarivanje, vruće pukotine se lako formiraju. Kad je sadržaj ferita prenizak (<30%), otpor pukotine metala zavarivanja smanjuje se.

· Preventivne mjere : Kontrolirajte sadržaj sumpora i fosfora u materijalima za zavarivanje (S≤0,010%, P≤0,015%), povećajte sadržaj ferita u zavarivanju (35%-45%), koristite zavarivanje s malom toplinom i smanjuju napon za zavarivanje (poput razumnog dizajna žljeba i upotrebe simetričnog zavarivanja).

2. Hladna pukotina

· Uzrok : Dupleksni čelik ima manju tendenciju stvrdnjavanja, ali odgođene pukotine mogu se pojaviti kada je suzdržani napon velik, a udio vodika visok (poput nečistog oklopnog plina i vlažne zavarivačke žice).

· Preventivne mjere : Strogo kontrolirajte vlagu i ulje na površini materijala za zavarivanje i osnovnih materijala, koristite zaštitu plina visoke čistoće (točka rosišta ≤-40 ℃), osušite žicu zavarivanja i utor prije zavarivanja (temperatura sušenja žice zavarivanje 150 ℃ -200 ℃, zadržati lag za zavarivanje, i zavarivanje-na zavarivanje (, s toplivanjem,-namijenjeno, za zavarivanje (, na zavarivanje, i to ugrijavanje (, na zavarivanje-za zavarivanje (, za zavarivanje-održavanje za zavarivanje (, za zavarivanje-, i vršite se za zavarivanje (, za zavarivanje-na zavarivanje (, za zavarivanje (, za zavarivanje (, za zavarivanje (, za zavarivanje (, za zavarivanje (, održavati se.

3 . σ faza umiješanja

· Uzrok : Ulaz topline zavarivanja je prevelik ili je temperatura međusloja previsoka, što uzrokuje da spoj ostane u rasponu od 475 ℃ -820 ℃ predugo, promičući taloženje σ faze.

· Mjere predostrožnosti : Strogo kontrolirajte unos topline i temperaturu međusloja, izbjegavajte ostati u opasnom temperaturnom rasponu i izvoditi tretman otopine nakon zavarivanja kako biste otopili σ fazu.

4 . Otpornost na koroziju smanjuje se

· Uzrok : Neravnoteža u udjelu dviju faza u zavarenom zglobu (poput sadržaja ferita> 60% ili <30%), iscrpljivanje kroma na granici zrna i neuspjeh u uklanjanju ljestvice površinskog oksida.

· Preventivne mjere : Osigurajte da se kemijski sastav metala zavariva podudara, kontrolira sadržaj ferita u razumnom rasponu, izvršiti kiseli i pasivaciju nakon zavarivanja i ukloniti površinske nedostatke.

Temeljni razlog zbog kojeg dvofazni čelični spojevi bez bešavnih cijevi zahtijevaju posebnu kontrolu procesa je taj što su njihova jedinstvena dvofazna struktura i karakteristike elemenata legure izuzetno osjetljive na toplinske cikluse zavarivanja, što lako može uzrokovati organizacijsku neravnotežu, štetnu taloženje faze i razgradnju performansi. Razumnim odabirom metoda zavarivanja, podudaranjem materijala za zavarivanje, optimiziranjem parametara procesa i primjenom tretmana nakon naklona, ​​organizacijska evolucija zavarenih zglobova može se učinkovito kontrolirati, dvofazni omjer može se uravnotežiti, a formacija štetnih faza može se inhibirati, dobivajući na taj način, dobivajući zavarene zglobove s jednakim učinkom na roditeljski materijal.