Controle van de warmtetoevoer bij het lassen van duplexpijpen: voorkoming van sigmafase-embritteling in de warmtebeïnvloede zone

Als u duplex- of superduplexroestvast staal (DSS/SDSS) las, dan loopt u op een dunne draad. Te koud, en u krijgt te veel ferriet en verlies van slagvastheid. Te heet, en u nodigt de stille moordenaar van duplexlasnaden uit: Sigmafase-embritteling in de warmtebeïnvloede zone (HAZ).

De sigmafase is een intermetallische verbinding die lasnaden broos maakt en de corrosieweerstand vernietigt. Hoewel deze fase in het basismetaal ontstaat tijdens onjuiste warmtebehandeling, is zij bij het lassen een direct gevolg van slechte warmte-inbrengregeling .

Dit artikel biedt een technische diepgang over hoe u de warmte-invoer kunt aanpassen om sigma-vorming bij het lassen van duplexpijpen te voorkomen, waardoor de mechanische integriteit en weerstand tegen putcorrosie worden gewaarborgd.

Het probleem: waarom sigma zich vormt in de warmtebeïnvloede zone

Sigma-fase-precipitatie treedt op wanneer de warmtebeïnvloede zone (HAZ) van de las wordt blootgesteld aan temperaturen van ongeveer 600 °C tot 950 °C gedurende te lange tijd . In een duplex-microstructuur ontstaat sigma voornamelijk aan de grensvlakken tussen ferriet en austeniet. Het groeit door ferriet (δ) op te nemen, dat rijk is aan chroom en molybdeen — precies de elementen die duplex zijn corrosieweerstand verlenen. .

Het mechanisme is eutectoid: δ → σ + γ₂ (secundaire austeniet) . Naarmate sigma zich vormt, onttrekt het chroom en molybdeen aan de omliggende matrix. Zodra sigma is gevormd, kan het alleen worden verwijderd door een volledige oplossingsglansbehandeling (1050–1100 °C), wat onpraktisch is voor grote pijpsegmenten. in de als-gelaste toestand is sigma een harde, brosse fase die de slagtaaiheid en weerstand tegen putcorrosie drastisch verlaagt.

De primaire variabele: warmte-input en koelsnelheid (t12/8)

Hoewel de chemische samenstelling van cruciaal belang is, vormt de thermische cyclus de aanleiding. De industrienorm voor het meten hiervan is de koeltijd van 1200 °C naar 800 °C (t12/8) . Dit bereik bestrijkt het kritieke venster voor zowel austenietvorming als sigma-precipitatie.

Om sigma-vorming te voorkomen terwijl tegelijkertijd de fasenbalans wordt behouden, heeft u over het algemeen een t12/8 nodig van 8 tot 15 seconden . Indien t12/8 ongeveer 15 seconden overschrijdt (wat optreedt bij hoge warmte-input), loopt u het risico op sigma-vorming. .

Voor een duplexroestvaststaal met 22% chroom (zoals 2205) ligt de aanbevolen warmte-input voor pijplasmlassen doorgaans tussen 0,5 kJ/mm en 2,5 kJ/mm bij een wanddikte van 10–15 mm echter suggereren recente studies dat deze limieten niet statisch zijn; ze veranderen op basis van de wanddikte en de verbindinggeometrie.

Nieuwe inzichten: plaatdikte verandert de regels

Recent onderzoek betwist de aanname dat "hoog warmte-input altijd slecht is." Een studie uit 2025 naar het lassen van dikke duplexplaten toonde aan dat voor platen met een dikte van meer dan 10 mm de bovengrens van de warmte-input aanzienlijk stijgt. .

• Voor buizen met dunne wand (< 10 mm): Langzame warmteafvoer houdt de warmtebeïnvloede zone (HAZ) heet. Het gebruik van standaardberekeningen voor warmte-input is cruciaal om doorbranden of oververhitting te voorkomen.

• Voor buizen met dikke wand (> 14 mm): De massa van de buis werkt als een enorme warmtebuffer die warmte snel afvoert. In dergelijke gevallen is een hogere warmte-input vereist om een goede smeltverbinding en austenietvorming te bereiken. De studie bevestigde dat bij platen van 20 mm dikte warmte-inputs van 5 kJ/mm en 7 kJ/mm werden toegepast zonder dat er sigma-precipitatie optreedt in de warmtebeïnvloede zone (HAZ) .

Afhaalmaaltijd: U moet de warmte-invoer berekenen ten opzichte van de materiaaldikte. Hoe dikker de buis, hoe hoger de 'veilige' warmte-invoer kan zijn, omdat de koelsnelheid snel genoeg blijft om de sigma-neus van de TTT-curve te omzeilen.

De uitdaging bij superduplex (25Cr-legeringen)

Bij het lassen van superduplexlegeringen (bijv. 2507, Zeron 100) wordt de foutmarge kleiner. Deze hoger gelegeerde materialen hebben een grotere drijfkracht voor sigma-precipitatie.

• Gevoeligheid van de wortelpas: Bij het lassen van buizen is de wortelpas bijzonder kwetsbaar. Onderzoek wijst erop dat wortelpassen moeten worden uitgevoerd met een hoger warmte-invoer (meer dan 1,0 kJ/mm) vergeleken met de eerste paar volgende passen. Waarom? Een lage warmte-invoer bij de wortelpas kan leiden tot precipitatie van chroomnitriden op het binnenvlak door gebrek aan herverhitting. .

• Geschiktheid voor doeleinden: Hoewel specificaties vaak nul sigma vereisen, laat de industriële realiteit (met name bij projecten in de Noordzee van het Verenigd Koninkrijk) zien dat een beperkte hoeveelheid sigma in de warmtebeïnvloedde zone bij lage temperatuur (2–5 mm vanaf de smeltlijn) soms wordt geaccepteerd. 2,5% volumegehalte van sigma in de warmtebeïnvloedde zone, mits de CTOD-fractuurtaaiheidstest (Crack Tip Opening Displacement) en de ASTM G48-corrosietest worden gehaald . Dit is echter een kwalificatiegrens, geen productiedoelstelling.

Praktische richtlijnen voor de lasingenieur

Om sigmafase in dubbelroosterslasseverbindingen te voorkomen, moet u verder gaan dan algemene regels over 'lage warmtetoevoer'. Pas de volgende maatregelen toe:

1. Beheers de temperatuur tussen de laslagen

Sigma vormt zich cumulatief. Naarmate u meer laslagen aanbrengt, wordt de warmtebeïnvloedde zone van eerdere laslagen opnieuw verhit tot binnen de gevaarlijke temperatuurzone (700–900 °C). Beperk de temperatuur tussen de laslagen strikt. Voor superdubbelrooster (25% Cr) bedraagt de maximale temperatuur tussen de laslagen over het algemeen 150°C  . Voor standaard dubbelrooster met 22% Cr is 200 °C doorgaans de bovengrens .

2. Vermijd de valkuil van 'veel kleine laslagen'

Het lijkt tegenintuïtief, maar het gebruik van een groot aantal laspassen met een lage warmte-invoer kan gevaarlijker zijn dan minder, grotere passen. Elke kleine pas verhit de vorige HAZ opnieuw, waardoor het materiaal effectief veroudert en sigma- en chi (χ)-fasen worden gevormd. .

• Strategie: Gebruik een lasvolgorde die het aantal thermische cycli op elk specifiek gebied van de HAZ minimaliseert.

3. Balanser de ferrietgetallen

Sigma vormt zich gemakkelijker in ferriet. Als het ferrietgehalte in uw HAZ meer dan 70–75% bedraagt, stijgt het risico op sigma-precipitatie exponentieel, omdat er meer onstabiel ferriet beschikbaar is om te transformeren.

• Zorg ervoor dat uw beschermgas en toevoegmaterialen voldoende austenietvorming ondersteunen. Nikkelhoudende toevoegmaterialen helpen, maar wees voorzichtig: een hoger nikkelgehalte vergroot het temperatuurbereik waarbinnen sigma kan ontstaan. .

4. Bereken de effectieve warmte-invoer

Vertrouw niet op ‘gevoel’. Gebruik de formule:

$$\text{Warmte-invoer (kJ/mm)}=\frac{\text{Spanning (V)}\times \text{Huidige stroom (A)}\times 60}{\text{Voorloopssnelheid (mm/min)}\times 1000}$$

Voor GTAW (TIG)-processen moet u rekening houden met de thermische rendementsfactor (η), die bij TIG doorgaans rond de 0,6 ligt. .

Conclusie

Embritteling door de sigmafase is een voorkómbare foutmodus. Het is een teken dat de las te veel warmte heeft ondergaan gedurende te lange tijd — ofwel globaal (hoog warmte-input bij dunne buis) of lokaal (meerdere herverhittingen door kleine laspassen).

Modern lassen van duplexbuizen vereist een verschuiving van "het WPS volgen" naar het begrijpen van de thermische geschiedenis . Door de afkoeltijden t12/8 te beheersen, de tussenlagenlimieten in acht te nemen en het warmte-input aan te passen aan de werkelijke wanddikte van de buis, kunt u HAZ-microstructuren produceren die vrij zijn van sigma, taai zijn en bestand tegen corrosie.