Kontroll av varmetilførsel ved sveising av duplex-rør: Forebygging av sigmafaseembrittelse i varmevirkningssonen (HAZ)

Hvis du sveiser duplex- eller superduplexrustfrie stål (DSS/SDSS), går du på en tynn tråd. Blir temperaturen for lav, får du for mye ferritt og redusert slagseighet. Blir den for høy, inviterer du inn den stille drapsmannen for duplexsveiser: Sigmafaseembrittlighet i den varmepåvirkede sonen (HAZ).

Sigmafasen er en intermetallisk forbindelse som gjør sveiseskjøtene sprøe og ødelegger korrosjonsbestandigheten. Selv om den dannes i grunnmetallet under feilaktig varmebehandling, er den i sveising en direkte konsekvens av dårlig kontroll av varmetilførsel .

Denne artikkelen gir en teknisk inngående gjennomgang av hvordan du justerer varmetilførselen din for å unngå sigma-dannelse ved sveising av duplexrør, og dermed sikrer mekanisk integritet og motstand mot sprekking.

Problemet: Hvorfor sigma dannes i sveisevarmeområdet

Sigmafaseavsetning oppstår når sveisevarmeområdet (HAZ) utsettes for temperaturer på omtrent 600 °C til 950 °C i for lang tid . I en duplexmikrostruktur nukleerer sigma hovedsakelig ved ferritt/austenitt-grensene. Den vokser ved å forbruke ferritt (δ), som er rik på krom og molybden – de samme elementene som gir duplex sin korrosjonsmotstand. .

Mekanismen er eutektoid: δ → σ + γ₂ (sekundær austenitt) . Når sigma dannes, trekker den ut Cr og Mo fra den omkringliggende matrisen. Når sigma først er falt ut, krever fjerning av sigma en full løsningsgløding (1050–1100 °C), noe som er upraktisk for store rørruller. i tilstanden rett etter sveising er sigma en hard, skjør fase som reduserer slagsegheten og motstanden mot sprekking betydelig.

Den primære variabelen: Varmetilførsel og avkjølingshastighet (t12/8)

Selv om kjemi er avgjørende, er den termiske syklusen utløseren. Industristandarden for måling av dette er avkjølingstiden fra 1200 °C til 800 °C (t12/8) . Dette området dekker det kritiske vinduet både for austenittdannelse og sigma-utfelling.

For å unngå sigma samtidig som fasebalansen opprettholdes, trenger man vanligvis en t12/8 på 8 til 15 sekunder . Hvis t12/8 overstiger ca. 15 sekunder (noe som skjer ved høy varmetilførsel), øker risikoen for sigma-utfelling. .

For en duplex-stål med 22 % Cr (som 2205) ligger den anbefalte varmetilførselen for rørsvetsing vanligvis mellom 0,5 kJ/mm og 2,5 kJ/mm for veggtykkelse på 10–15 mm imidlertid tyder nyere studier på at disse grensene ikke er statiske; de endrer seg avhengig av veggtykkelse og leddgeometri.

Nye perspektiver: Platestyrke endrer reglene

Nyere forskning utfordrer antakelsen om at «høy varmetilførsel er alltid dårlig». En studie fra 2025 om sveising av tykke plater i duplex-stål viste at for plater med en tykkelse på over 10 mm øker den øvre grensen for varmetilførsel betydelig. .

• For rør med tynn vegg (< 10 mm): Langsom varmeavledning holder varmeinflusssonen (HAZ) varm. Det er avgjørende å bruke standardberegninger for varmetilførsel for å unngå gjennombrenning eller overoppheting.

• For rør med tykk vegg (> 14 mm): Massen til røret virker som en stor varmesink og trekker bort varme raskt. I disse tilfellene kreves en høyere varmetilførsel for å oppnå tilfredsstillende sveisefusjon og austenittdannelse. Studien bekreftet at ved plater med tykkelse på 20 mm ble varmetilførsler på 5 kJ/mm og 7 kJ/mm brukt uten noen sigma-utfelling i varmeinflusssonen (HAZ) .

Konklusjon: Du må beregne varmetilførselen i forhold til materialetykkelsen. Jo tykkere røret er, jo høyere kan den «sikre» varmetilførselen være, fordi avkjølingshastigheten forblir rask nok til å unngå sigmabegynnelsen på TTT-kurven.

Utfordringen med superduplex (25Cr-legeringer)

Ved sveising av superduplex-legeringer (f.eks. 2507, Zeron 100) blir toleransen for feil mindre. Disse mer legeringsrike materialene har en større drivkraft for sigmapresipitasjon.

• Følsomhet ved rotløddet: Ved rørsveising er rotløddet spesielt utsatt. Forskning indikerer at rotløddet bør utføres med en høyere varmetilførsel (over 1,0 kJ/mm) sammenlignet med de første påfølgende løddene. Hvorfor? Lav varmetilførsel i roten kan føre til at kromnitrid oppstår på den indre overflaten på grunn av manglende gjenoppvarming. .

• Brukbarhet for formålet: Selv om spesifikasjoner ofte krever null sigma, viser den industrielle virkeligheten (spesielt i prosjekter i Nordsjøen i Storbritannia) at begrenset mengde sigma i varmevirkningssonen ved lav temperatur (2–5 mm fra smeltegrensen) noen ganger kan aksepteres. Studier har godkjent opptil 2,5 % volumandel sigma i varmevirkningssonen, forutsatt at CTOD-testen (Crack Tip Opening Displacement) for bruddtoughness og korrosjonstesten ASTM G48 er bestått . Dette er imidlertid en kvalifikasjonsgrense, ikke et produksjonsmål.

Praktiske retningslinjer for sveiseingeniører

For å unngå sigmafase i sveisede rør av duplexstål, gå bort fra generelle regler om «lav varme». Implementer følgende kontroller:

1. Kontroller mellompass-temperaturen

Sigma dannes kumulativt. Når du legger til flere sveisepass, blir varmevirkningssonen fra tidligere pass oppvarmet på nytt inn i farezonen (700–900 °C). Begrens strengt mellompass-temperaturen. For superduplex (25 % Cr) er maksimal mellompass-temperatur vanligvis 150°C  . For standard duplex med 22 % Cr er 200 °C vanligvis øvre grense .

2. Unngå fellen «mange små pass»

Det virker motintuitivt, men å bruke et stort antall pass med lav varmeinntak kan være farligere enn færre, større pass. Hvert lite pass oppvarmer på nytt den forrige varmeberørte sonen (HAZ), noe som i effekt aldrer materialet og fører til utskillelse av sigma- og chi- (χ-) faser .

• Strategi: Bruk en sveisesekvens som minimerer antallet termiske sykluser på ethvert bestemt område i den varmeberørte sonen (HAZ).

3. Balanser ferrittall

Sigma dannes lettere i ferritt. Hvis ferrittinnholdet i din varmeberørte sone (HAZ) overstiger 70–75 %, øker risikoen for sigmautskillelse kraftig, fordi du har mer ustabil ferritt tilgjengelig for omforming.

• Sørg for at beskyttelsesgassen og tilleggsmaterialene fremmer tilstrekkelig austenittomdannelse. Nikkelbaserte tilleggsmaterialer hjelper, men vær forsiktig: høyere nikkelinnhold utvider temperaturområdet for sigma-dannelse. .

4. Beregn effektivt varmeinntak

La deg ikke lede av «følelsen». Bruk formelen:

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

For GTAW (TIG)-prosesser må du huske å ta hensyn til den termiske virkningsgradsfaktoren (η), som vanligvis er ca. 0,6 for TIG .

Konklusjon

Sigma-fase-embrittlement er en unngåelig sviktmodus. Den er et tegn på at sveisen ble utsatt for for mye varme i for lang tid – enten globalt (høy varmeinntak i tynn rør) eller lokalt (flere oppvarminger fra små sveisepass).

Moderne sveising av duplexrør krever en overgang fra «å følge WPS» til å forstå varmehistorien . Ved å kontrollere avkjølingstiden t12/8, respektere mellompassgrenser og justere varmeinntaket etter faktisk rørveggtykkelse kan du produsere HAZ-mikrostrukturer som er fri for sigma, slitesterke og korrosjonsbestandige.