Контрол на топлинния вход при заваряване на дуплексни тръби: предотвратяване на ембриглиране поради сигма фаза в зоната, влияна от топлината (HAZ)

Ако заварявате дуплексни или супердуплексни неръждаеми стомани (DSS/SDSS), вие се движите по въжето. Ако температурата е твърде ниска, получавате излишно феритно съдържание и загуба на ударна вязкост. Ако температурата е твърде висока, приканвате тихия убиец на дуплексните заварки: Ембриглиране поради сигма (σ) фаза в зоната, засегната от топлината (HAZ).

Сигма фазата е интерметаллично съединение, което прави заварките крехки и унищожава корозионната им устойчивост. Макар да се образува в основния материал по време на неправилна термична обработка, при заваряването тя е пряко следствие от лошо контрол на топлинното вкарване .

Тази статия предоставя техническо задълбочено разглеждане на начина, по който може да се адаптира топлинният вход при заваряването на тръби от дуплексна стомана, за да се предотврати образуването на сигма-фаза и да се осигури механична цялост и устойчивост към точковата корозия.

Проблемът: Защо се образува сигма-фаза в зоната, влияна от топлината (HAZ)

Образуването на сигма-фаза протича, когато зоната, влияна от топлината (HAZ) при заваряването, е изложена на температури приблизително в интервала 600 °C и 950 °C прекалено дълго време . В дуплексната микроструктура сигма-фазата се зародява предимно по границите между ферит и аустенит. Тя расте чрез консумация на ферит (δ), който е богат на хром и молибден — именно тези елементи осигуряват корозионната устойчивост на дуплексните сплави. .

Механизмът е евтектоиден: δ → σ + γ₂ (вторичен аустенит) . При образуването на сигма-фазата хромът и молибденът се извличат от околната матрица. Веднъж образувана, сигма-фазата може да бъде отстранена само чрез пълно разтворно отжигане (1050–1100 °C), което е непрактично за големи тръбни секции. в състоянието след заваряване сигма-фазата е твърда и крехка, което рязко намалява удара и устойчивостта към точкова корозия.

Основната променлива: топлинен вход и скорост на охлаждане (t12/8)

Макар химичният състав да е от решаващо значение, термичният цикъл е тригерът. Стандартът в индустрията за измерване на този параметър е времето за охлаждане от 1200 °C до 800 °C (t12/8) . Този диапазон обхваща критичния интервал както за образуването на аустенит, така и за изпадането на сигма-фаза.

За да се избегне образуването на сигма-фаза и едновременно да се запази балансът между фазите, обикновено е необходима стойност на t12/8 от 8 до 15 секунди . Ако t12/8 надвиши приблизително 15 секунди (което се случва при висок топлинен вход), съществува риск от образуване на сигма-фаза. .

За дуплексна стомана с 22 % Cr (като 2205) препоръчителният топлинен вход при заваряване на тръби обикновено варира в границите от 0,5 kJ/mm до 2,5 kJ/mm за дебелина на стената 10–15 mm обаче, последните проучвания показват, че тези граници не са постоянни; те се променят в зависимост от дебелината на стената и геометрията на съединението.

Нови перспективи: Дебелината на плочата променя правилата

Скорошни изследвания оспорват предположението, че „високият вход на топлина винаги е лош“. Проучване от 2025 г. върху заваряването на дебели двойни плочи показа, че за плочи с дебелина над 10 мм горната граница на входа на топлина се увеличава значително. .

• За тръби с тънки стени (<10 мм): Бавното разсейване на топлината поддържа зоната, засегната от топлината (HAZ), гореща. Използването на стандартни изчисления за входа на топлина е критично, за да се избегне пробиване или прекомерно нагряване.

• За тръби с дебели стени (>14 мм): Масата на тръбата действа като масивен топлоотвод, който бързо отвежда топлината. В тези случаи е необходим по-висок вход на топлина, за да се постигне подходящо спояване и образуване на аустенит. Проучването потвърди, че при плочи с дебелина 20 мм са използвани входове на топлина от 5 kJ/mm и 7 kJ/mm без каквото и да е образуване на сигма фаза в зоната, засегната от топлината (HAZ) .

Заключение: Трябва да изчислите топлинния вход спрямо дебелината на материала. Колкото по-дебела е тръбата, толкова по-висок може да бъде „безопасният“ топлинен вход, тъй като скоростта на охлаждане остава достатъчно висока, за да се избегне областта на сигма-фазата в кривата TTT.

Предизвикателството при сварката на супердуплексни стомани (25Cr класове)

При сварката на супердуплексни класове (напр. 2507, Zeron 100) границата за грешка намалява. Тези по-високо легирани материали имат по-голяма термодинамична склонност към образуване на сигма-фаза.

• Чувствителност на кореновия шев: При сварката на тръби кореновият шев е особено уязвим. Изследвания показват, че кореновите шевове трябва да се изпълняват с по-висока по-нисък топлинен вход (над 1,0 кДж/мм) в сравнение с първите няколко последващи шевове. Защо? Ниският топлинен вход при кореновия шев може да доведе до изпадане на хромни нитриди върху вътрешната повърхност поради липса на повторно нагряване. .

• Пригодност за целта: Докато спецификациите често изискват нулево съдържание на сигма фаза, промишлената реалност (особено при проекти в Северно море, Великобритания) показва, че ограничено съдържание на сигма фаза в зоната с ниска температура (2–5 мм от линията на спояване) понякога може да се толерира. Проучвания са приемали до 2,5 % обемна част сигма фаза в зоната около шева, стига да са изпълнени изискванията за чуплива якост по CTOD (отваряне на върха на пукнатината) и корозионни изпитвания по ASTM G48 . Това обаче е граничен критерий за квалификация, а не цел за производството.

Практически насоки за инженер по заваряване

За предотвратяване на образуването на сигма фаза при заваряване на тръби от дуплексна стомана, излезте от рамките на общите правила за „ниско топлинно натоварване“. Приложете следните контролни мерки:

1. Контролиране на температурата между проходите

Образуването на сигма фаза е кумулативно. При добавяне на нови проходи зоната около шева от предишните проходи се подлага на повторно нагряване в опасната температурна зона (700–900 °C). Температурата между проходите трябва стриктно да се ограничи. За супердуплексна стомана (25 % Cr) максималната температура между проходите обикновено е 150°C  . За стандартна дуплексна стомана с 22 % Cr горната граница обикновено е 200 °C .

2. Избягвайте капана „много малки проходи"

Изглежда противоречиво, но използването на голям брой преминавания с нисък топлинен вход може да е по-опасно от по-малко, но по-големи преминавания. Всяко малко преминаване повторно нагрява предишната зона, засегната от топлината (HAZ), което ефективно старее материала и води до влошаване (прекипяване) на сигма- и хи-фази (χ) .

• Стратегия: Използвайте последователност на заваряването, която минимизира броя на термичните цикли върху всяка конкретна област на зоната, засегната от топлината (HAZ).

3. Балансиране на феритните числа

Сигма-фазата се образува по-лесно във ферита. Ако съдържанието на ферит във вашата зона, засегната от топлината (HAZ), надвишава 70–75 %, рисковете от образуване на сигма-фаза рязко нарастват, тъй като разполагате с повече нестабилен ферит, който може да се трансформира.

• Осигурете, че защитният газ и допълнителните материали насърчават адекватното възстановяване на аустенита. Допълнителните материали на никелова основа помагат, но проявявайте внимание: по-високото съдържание на никел разширява температурния диапазон, в който се образува сигма-фазата. .

4. Изчисляване на ефективния топлинен вход

Не разчитайте на „усещането“. Използвайте формулата:

$$\text{Топлинен вход (кДж/мм)}=\frac{\text{Напрежение (V)}\times \text{Ток (A)}\times 60}{\text{Скорост на преместване (мм/мин)}\times 1000}$$

При процесите GTAW (TIG) имайте предвид коефициента на топлинна ефективност (η), който обикновено е около 0,6 за TIG .

Заключение

Ембригтирането поради сигма-фаза е предотвратим режим на разрушение. То е признак, че заварката е подложена на прекалено висока температура прекалено дълго време — или глобално (висок входен топлинен поток при тънки тръби), или локално (многократни повторни нагрявания от малки заваръчни проходи).

Съвременното заваряване на дуплексни тръби изисква преход от „следване на технологичната карта за заваряване (WPS)“ към разбиране на топлинната история . Чрез контролиране на времето за охлаждане t12/8, спазване на ограниченията за температурата между проходите и адаптиране на топлинния вход според действителната дебелина на стената на тръбата може да се постигнат микроструктури в зоната, влияна от топлината (HAZ), които са свободни от сигма-фаза, удароустойчиви и корозионноустойчиви.