Styring af varmetilførslen ved svejsning af duplex-rør: Forebyggelse af sigmafase-brittelhed i den varmepåvirkede zone (HAZ)

Hvis du svejser duplex- eller superduplex rustfrie stålsorter (DSS/SDSS), bevæger du dig på en tynd snor. Vær for kold, og du får for meget ferrit samt tab af slagstyrke. Vær for varm, og du udløser den stille dræber af duplex-svejsninger: Sigmafase-embrittlement i den varmeindvirkede zone (HAZ).

Sigmafase er en intermetalisk forbindelse, der gør svejsninger sprøde og ødelægger korrosionsbestandigheden. Mens den dannes i grundmaterialet under forkert varmebehandling, er den ved svejsning en direkte konsekvens af dårlig varmeinputstyring .

Denne artikel indeholder en teknisk dybdegående analyse af, hvordan man justerer sin varmetilførsel for at forhindre dannelse af sigma-fase ved svejsning af duplexrør, hvilket sikrer mekanisk integritet og modstandsdygtighed mod pitting.

Problemet: Hvorfor dannes sigma i svejsevarmeindvirkningszonen (HAZ)?

Sigma-fasedannelse sker, når svejsevarmeindvirkningszonen (HAZ) udsættes for temperaturer på omkring 600 °C til 950 °C i for lang tid . I en duplex-mikrostruktur dannes sigma primært ved ferrit/austenit-grænseflader. Den vokser ved at forbruge ferrit (δ), som er rig på chrom og molybdæn – netop de elementer, der giver duplex dets korrosionsbestandighed. .

Mekanismen er eutektoid: δ → σ + γ₂ (sekundær austenit) . Når sigma dannes, udvaskes Cr og Mo fra den omgivende matrix. Når sigma først er faldet ud, kræves en fuldstændig løsningsglødning (1050–1100 °C) for at fjerne det – en behandling, der ikke er praktisk mulig for store rørsamlinger. i tilstanden lige efter svejsning er sigma en hård, sprød fase, der drastisk reducerer slagsejhed og modstandsdygtighed mod pitting.

Den primære variabel: Varmetilførsel og afkølingshastighed (t12/8)

Selvom kemien er afgørende, er den termiske cyklus udløseren. Industriens standard for måling heraf er afkølingstiden fra 1200 °C til 800 °C (t12/8) . Dette interval dækker det kritiske område både for austenitdannelse og sigma-fældning.

For at undgå sigma og samtidig opretholde fasebalance kræves der generelt en t12/8 på 8 til 15 sekunder . Hvis t12/8 overstiger ca. 15 sekunder (hvad der sker ved høj varmetilførsel), risikerer man sigma-dannelse. .

For et duplex-stål med 22 % Cr (som f.eks. 2205) ligger den anbefalede varmetilførsel til rørsvitsning typisk inden for intervallet 0,5 kJ/mm til 2,5 kJ/mm for vægtykkelser på 10–15 mm dog nyere undersøgelser tyder på, at disse grænser ikke er statiske; de ændrer sig i forhold til vægtykkelse og leddets geometri.

Nye perspektiver: Pladetykkelse ændrer reglerne

Nyere forskning udfordrer antagelsen om, at »høj varmetilførsel er altid dårlig«. En undersøgelse fra 2025 om svejsning af tykke duplexplader viste, at grænsen for den maksimale varmetilførsel stiger betydeligt for plader med en tykkelse på over 10 mm. .

• For rør med tynd væg (<10 mm): Langsom varmeafledning holder den varmepåvirkede zone (HAZ) varm. Det er afgørende at anvende standardberegninger for varmetilførsel for at undgå gennembrænding eller overophedning.

• For rør med tyk væg (>14 mm): Rørets masse fungerer som en omfattende varmesink, der hurtigt trækker varmen væk. I disse tilfælde kræves en højere varmetilførsel for at opnå korrekt smeltning og austenitdannelse. Undersøgelsen bekræftede, at der ved plader med en tykkelse på 20 mm blev anvendt varmetilførsler på 5 kJ/mm og 7 kJ/mm uden nogen sigmaudskillelse i den varmepåvirkede zone (HAZ) .

Takeaway: Du skal beregne varmetilførslen i forhold til materialeets tykkelse. Jo tykkere røret er, jo højere kan den "sikre" varmetilførsel være, da afkølingshastigheden forbliver hurtig nok til at undgå sigma-næsen på TTT-kurven.

Udfordringen med superduplex (25Cr-kvaliteter)

Ved svejsning af superduplex-kvaliteter (f.eks. 2507, Zeron 100) bliver fejlmarginen mindre. Disse mere legerede materialer har en større drevkraft for sigma-udfældning.

• Følsomhed af rodpasset: Ved rørsvejsning er rodpasset særligt sårbart. Forskning viser, at rodpasset bør udføres med en højere varmetilførsel (over 1,0 kJ/mm) sammenlignet med de første efterfølgende pass. Hvorfor? En lav varmetilførsel i roden kan føre til udfældning af chromnitrid på den indvendige overflade på grund af manglende genopvarmning. .

• Anvendelighed til formålet: Selvom specifikationer ofte kræver nul sigma, viser den industrielle virkelighed (især i UK North Sea-projekter), at en begrænset mængde sigma i varmeindflydningszonen (HAZ) ved lav temperatur (2–5 mm fra smeltelinjen) nogle gange kan tolereres. Undersøgelser har accepteret op til 2,5 % volumenfraktion af sigma i HAZ, forudsat at CTOD (Crack Tip Opening Displacement)-brudtoughness-test og ASTM G48-korrosionstest bestås . Dette er dog en kvalificeringsgrænse, ikke et produktionsmål.

Praktiske retningslinjer for svejseingeniøren

For at forhindre sigmafase i svejsede rør af duplexstål skal man gå ud over generelle regler om "lav varme". Implementér følgende kontrolforanstaltninger:

1. Styr interpass-temperaturen

Sigma er kumulativt. Når der lægges flere svejsepasser på, bliver HAZ fra tidligere passere genopvarmet ind i farezonen (700–900 °C). Interpass-temperaturen skal derfor strengt begrænses. For superduplex (25 % Cr) er den maksimale interpass-temperatur generelt 150°C  . For standard duplex med 22 % Cr er 200 °C normalt grænsen .

2. Undgå fælden med "mange små passere"

Det virker modintuitivt, men at bruge et stort antal svejsepassager med lav varmetilførsel kan være mere farligt end færre, større passager. Hver lille passager genopvarmer den tidligere HAZ-område (varmeindvirkningszone), hvilket effektivt aldrer materialet og fremkalder udfældning af sigma- og chi (χ)-faser .

• Strategi: Brug en svejsesekvens, der minimerer antallet af termiske cyklusser på ethvert specifikt område af HAZ.

3. Balancer ferritnumre

Sigma dannes mere nemt i ferrit. Hvis din HAZ-ferritindhold overstiger 70–75 %, stiger risikoen for sigmaudfældning kraftigt, da der er mere ustabil ferrit til rådighed til transformation.

• Sørg for, at din beskyttelsesgas og tilsværdematerialer fremmer tilstrækkelig austenitgenopbygning. Nikkelbaserede tilsværdematerialer hjælper, men vær forsigtig: højere nikkelindhold udvider temperaturområdet for sigma-dannelse. .

4. Beregn effektiv varmetilførsel

Lad dig ikke lede af 'fornemmelsen'. Brug formlen:

$$\text{Varmetilførsel (kJ/mm)}=\frac{\text{Spænding (V)}\times \text{Strøm (A)}\times 60}{\text{Fremkommelighedshastighed (mm/min)}\times 1000}$$

Ved GTAW (TIG)-processer skal du huske at tage hensyn til den termiske virkningsgradsfaktor (η), som typisk er omkring 0,6 for TIG .

Konklusion

Sigma-fase-embrittlement er en forebyggelig fejltype. Det er et tegn på, at svejsningen blev udsat for for meget varme i for lang tid – enten globalt (høj varmetilførsel i tynd rør) eller lokalt (flere genopvarmninger fra små svejsepassager).

Moderne svejsning af duplex-rør kræver en skift fra "at følge WPS" til forståelse af den termiske historie . Ved at kontrollere afkølingstiderne t12/8, overholde mellempasses grænser og justere varmetilførslen efter den faktiske rørvegtykkelse kan man fremstille HAZ-mikrostrukturer, der er fri for sigma-fase, slagfast og korrosionsbestandige.