Wpływ ciepła wprowadzanego i temperatury międzyprzebiegowej w spawaniu stali duplex: praktyczny przewodnik terenowy

Awarie przy spawaniu stali duplex rzadko wynikają z błędów spawaczy. Powstają one raczej z parametrów, które były poprawne w instrukcji spawania (WPS), ale nieodpowiednie w strefie łuku. Spawacz postępował zgodnie z kartą procedury. Wartość wpływu ciepła mieściła się w dopuszczalnym zakresie. Temperatura międzyprzebiegowa została sprawdzona. Mimo to spoina nadal uległa korozji punktowej w trakcie eksploatacji lub pękła przy uderzeniu młotkiem podczas kolejnego postoju technologicznego.

Powodem jest to, że spawanie stali dwufazowych regulowane jest przez okno cieplne, a nie pojedynczym parametrem. Wprowadzona energia cieplna określa to okno. Temperatura między przebiegami decyduje, ile razy przez nie przechodzisz. Oba parametry mierzy się tymi samymi przyrządami, które już posiadasz, a oba są rutynowo rejestrowane niepoprawnie.

Niniejszy przewodnik obejmuje praktyczne wartości liczbowe, obliczenia, metody pomiaru oraz dokumentację, które odróżniają procedurę spawania stali dwufazowych (WPS), która przejdzie audyt, od takiej, która zapewni szwu wytrzymałość w rzeczywistym środowisku eksploatacyjnym.

Dlaczego te dwa parametry kontrolują wszystko

Stal nierdzewna dwufazowa uzyskuje swoje właściwości dzięki mikrostrukturze zawierającej mniej więcej 50% ferrytu i 50% austenitu. Spawanie lokalnie niszczy tę równowagę. Łącze spawalnicze krzepnie praktycznie w 100% jako ferryt, a austenit ponownie powstaje dopiero podczas chłodzenia metalu. .

Szybkość chłodzenia zależy od wprowadzonej energii cieplnej oraz temperatury między przebiegami:

• Zbyt szybkie chłodzenie (niskie wprowadzanie ciepła, zimne międzyprzebiegi): austenit nie ma wystarczająco dużo czasu na ponowne utworzenie się. Zawartość ferrytu pozostaje wysoka, wydzielają się azotki chromu, a odporność na uderzenie oraz odporność korozyjna spadają .

• Zbyt wolne chłodzenie (wysokie wprowadzanie ciepła, gorące międzyprzebiegi): spoina przebywa w zakresie temperatur 700–950°C przez wystarczająco długi czas, aby mogła wytworzyć się faza sigma, faza chi oraz wtórny austenit. Faza sigma jest kruchą i ubogą w chrom fazą; niszczy zarówno odporność na uderzenie, jak i odporność na korozję punktową .

Nie ma „bezpiecznej strony”, na której można popełnić błąd. Oba krańce okna są trybami awarii. Spoina wykonana przy wprowadzeniu ciepła 0,4 kJ/mm oraz spoina wykonana przy wprowadzeniu ciepła 3,0 kJ/mm mogą obie ulec awarii – z przeciwnych powodów.

Wprowadzanie ciepła: Zakres roboczy

Wprowadzanie ciepła to energia dostarczona na jednostkę długości spoiny. Określa ona szybkość chłodzenia w krytycznym zakresie temperatur 1200–800°C.

Zalecane zakresy w zależności od gatunku

Dla stopu 2205 szeroko cytowany jest zakres od 0,5 do 2,5 kJ/mm niektórzy badacze spawania zalecają węższy, praktyczny zakres od 0,5 do 1,5 kJ/mm dla stopów super duplex, przy czym pierwsza warstwa spawalnicza (pass korzeniowy) i małe wałki spawalnicze powinny znajdować się w dolnej części tego zakresu.

Dla stopu 2507 granice znacznie się zawężają. Sandvik zaleca zakres od 0,2 do 1,5 kJ/mm inne źródła zalecają nie przekraczania 1,5 kJ/mm, przy czym 1,6 kJ/mm stanowi bezwzględny sufit powodem jest wyższa zawartość stopu: więcej chromu i molibdenu oznacza szybsze kinetyki wytrącania fazy sigma. To, co jest bezpieczne dla 2205 przy 2,0 kJ/mm, jest już niebezpieczne dla 2507.

Korekta na grubość

Wartość ciepła wprowadzanego nie jest stałą liczbą dla danego stopu. Skaluje się ona wraz z grubością ścianki:

• Rura cienkościenna (t = 1,5 mm): <0,5 kJ/mm jest optymalne. Szybkie chłodzenie jest mniej istotne, ponieważ masa jest mała, a spoina krzepnie szybko niezależnie od warunków .

• Rura grubościenna (t ≥ 25 mm): Ciepło wprowadzane powinno być bliższe górnej granicy zakresu. Znaczenie problemu przesuwa się z nadmiaru ferrytu na niedostateczne zespolenie i brak wnikania .

Dla grubości ścianki 2507 ≥25 mm firma Sandvik wyraźnie zaznacza, że „należy zwrócić uwagę” — co oznacza, że okno dopuszczalnych wartości jest najwęższe przy największych grubościach ze względu na dużą masę cieplną, przez co kontrola temperatury między przebiegami jest najtrudniejsza.

Temperatura między przebiegami: rzeczywiste ograniczenia

Temperatura między przebiegami to temperatura strefy spawania mierzona bezpośrednio przed nałożeniem kolejnego przebiegu jest to maksymalny limit, a nie docelowa wartość. W przypadku stali duplex podgrzewanie wstępnego jest zazwyczaj zbędne i często szkodliwe jedyną istotną kontrolą temperatury jest utrzymanie temperatury między przebiegami na poziomie wystarczająco niskim, aby uniknąć kumulacji ciepła.

Liczby

NORSOK M-601 określa 150 °C jako maksymalną wartość obowiązkową dla duplexu 2205 oraz zakres 100–150 °C dla superduplexu 2507, przy czym niektóre specyfikacje projektowe ograniczają tę wartość do 100 °C arkusz techniczny IMOA podaje, że maksymalna temperatura między przebiegami wynosi 150 °C dla duplexów o obniżonej zawartości stopu i standardowych oraz 100 °C dla superduplexu.

Niektóre normy techniczne stosują „skrajnie konserwatywne” ograniczenie 100 °C dla 2507 we wszystkich przypadkach. Różnica między 100 °C a 150 °C nie ma charakteru czysto teoretycznego. Przy temperaturze 150 °C ryzyko powstawania fazy sigma w strefie wpływu ciepła podczas wieloprzebiegowego spawania jest znacznie wyższe niż przy 100 °C, szczególnie w przekrojach grubych, gdzie pomiar temperatury na powierzchni niedoszacowuje rzeczywistej temperatury wewnętrznej.

Pułapka krytycznych pomiarów

To jest najważniejszy praktyczny punkt w całym tym przewodniku: temperatura między przebiegami jest mierzona na powierzchni, ale uszkodzenie występuje wewnątrz metalu spoiny .

Wskazówki Sandvik dotyczące spawania stwierdzają to wyraźnie: „Ponieważ temperaturę między przebiegami mierzy się na powierzchni spoiny lub na materiale podstawowym w pobliżu spoiny, rzeczywista temperatura będzie wyższa głębiej wewnątrz metalu spoiny. Może to prowadzić do kruchości oraz niskich wartości uderzeniowych w strefie korzenia” .

W 25-milimetrowej sekcji rury z materiału 2507, spawanej przy maksymalnej temperaturze między przebiegami na powierzchni wynoszącej 100°C, temperatura wewnętrzna w pobliżu korzenia może osiągać 130–150°C. Jeśli w procedurze spawania (WPS) określono maksymalną temperaturę 150°C i spawacz czeka, aż temperatura na powierzchni spadnie do 149°C, temperatura w korzeniu może już znacznie przekraczać bezpieczny zakres powstawania fazy sigma.

Zasada praktyczna: Dla stali 2507 o grubości ≥20 mm należy stosować maksymalną temperaturę powierzchni wynoszącą 100°C, a nie 150°C. Margines 50°C uwzględnia gradient temperatury pomiędzy wnętrzem a powierzchnią. Dla stali 2205 dopuszczalna jest ogólnie temperatura powierzchni 150°C, jednak w przypadku grubych przekrojów obowiązuje ta sama zasada gradientu.

Jak prawidłowo obliczyć wprowadzone ciepło

Standardowy wzór na energię łuku to:

Wprowadzone ciepło (kJ/mm) = (V × A × 60) / (1000 × v)

Gdzie V to napięcie łuku (wolt), A to prąd spawania (amper), a v to prędkość przesuwu (mm/min).

Dla ciepła termicznego (uwzględniającego sprawność łuku) pomnóż wynik przez η:

Ciepło termiczne = η × (V × A × 60) / (1000 × v)

Współczynniki sprawności łuku zależą od procesu:

Różnica ma znaczenie dla kwalifikacji. Norma ASME IX oraz większość specyfikacji projektowych odnosi się do energii łuku (η = 1,0), chyba że wyraźnie określono inaczej. Norma NORSOK M-601 pozwala na zmianę zakwalifikowanego wkładu cieplnego w granicach ±15% średniej wartości zastosowanej podczas kwalifikacji. Jeśli kwalifikacja procedury została przeprowadzona przy energii łuku 1,0 kJ/mm, to zakres wartości dopuszczalnych w produkcji wynosi 0,85–1,15 kJ/mm — a nie szerszy zakres opublikowany dla danej klasy materiału.

Przykład obliczeniowy

Przebieg korzeniowy metodą GTAW na rurze ze stali 2205: prąd 120 A, napięcie 12 V, prędkość przesuwu 100 mm/min.

Energia łuku = (12 × 120 × 60) / (1000 × 100) = 0,864 kJ/mm

Wkład cieplny termiczny (η = 0,7) = 0,605 kJ/mm

Obie wartości mieszczą się w zakresie 0,5–2,5 kJ/mm dla stali 2205. Zwróć jednak uwagę, jak wybór procesu wpływa na efektywną wartość. Przebieg wypełniający metodą SMAW na tym samym połączeniu przy prądzie 140 A, napięciu 24 V i prędkości przesuwu 150 mm/min daje:

Energia łuku = (24 × 140 × 60) / (1000 × 150) = 1,344 kJ/mm

Energia łuku jest wyższa mimo szybszej prędkości przesuwu, ponieważ napięcie i natężenie prądu są wyższe. Kluczowe nie jest bezwzględne wartości liczbowe, lecz fakt, że obliczenia muszą uwzględniać rzeczywiste parametry dla każdej przejściówki, a nie pojedynczą założoną wartość dla całego szwu.

Pomiar: co używać i w którym miejscu kierować pomiar

Do pomiaru temperatury między przejściówkami powszechnie stosuje się cztery instrumenty :

Pirometr kontaktowy to podstawowe narzędzie. Norma EN ISO 13916:2017 określa dociskanie sondy do powierzchni metalu obok strefy spawania, zwykle w odległości 4 × grubość materiału od krawędzi spoiny . Pomiar bezpośrednio na gorącej grani spoiny daje zbyt wysokie wartości; pomiar zbyt daleko daje zbyt niskie wartości.

Kredka jest przydatna do szybkiej kontroli „czy jeszcze za gorąco”, ale nie powinna stanowić podstawowej wartości rejestrowanej. Odczyty podczerwieni na świeżo zespolonych materiałach duplex są niepewne, ponieważ utleniona powierzchnia ma zmienną emisyjność, a pomiar dotyczy wyłącznie powierzchni — co jest dokładnie nieodpowiednim miejscem ze względu na gradient temperatury od wnętrza do powierzchni.

Dla krytycznych spoin — 2507 o grubości ≥25 mm lub dowolnej spoiny w warunkach korozyjnych zawierających siarkowodór — preferowaną metodą są termopary przyspawane do spoiny z rejestracją danych. Zapewniają one ciągły zapis, który pokazuje nie tylko, czy przekroczono maksymalną wartość, ale także, jak długo połączenie przebywało w zakresie faz sigma.

Pięć błędów polowych powodujących awarie

1. Stosowanie granic dla 2205 przy spawaniu 2507

Wykonawca spawa materiał 2507 z wykorzystaniem procedury spawania (WPS), która określa temperaturę międzyprzebiegową na 150°C i wprowadzaną energię cieplną na poziomie 1,5 kJ/mm — obie wartości mieszczą się w zakresie dopuszczalnym dla 2205, ale znajdują się na granicy lub poza zakresem dopuszczalnym dla 2507. Spoina przechodzi inspekcję wizualną i rentgenowską. Nie spełnia jednak wymagań badań udarności lub ulega lokalnej korozji w eksploatacji w strefie spoiny.

Naprawa: Należy stosować oddzielne zakresy WPS dla każdej klasy materiału. Maksymalna temperatura międzyprzebiegowa dla 2507 powinna być określona jako 100°C, a nie 150°C.

2. Pomiar temperatury międzyprzebiegowej na warstwie wierzchniej zamiast na warstwie korzeniowej

Spawacz czeka, aż przejście końcowe ostygnie do określonego limitu, po czym rozpoczyna kolejne przejście. Przejście korzeniowe, które zostało wykonywane wcześniej i zostało izolowane przez przejścia wypełniające, nadal ma temperaturę znacznie przekraczającą ten limit. W strefie korzeniowej powstaje faza sigma, podczas gdy pomiar na powierzchni wskazuje zgodność z wymaganiami.

Naprawa: Dla wieloprzejściowych spoin w grubości ≥20 mm wymagane są pomiary temperatury między przejściami w strefie korzenia lub użycie wbudowanych termopar. Same pomiary na powierzchni są niewystarczające.

3. Ignorowanie okna kwalifikacyjnego ±15%

W procedurze spawania (WPS) podano „wprowadzanie ciepła: 0,5–2,5 kJ/mm”. Spawacz wykonuje przejście korzeniowe z wartością 2,3 kJ/mm, ponieważ mieści się ona w podanym zakresie. Jednak kwalifikacja procedury została przeprowadzona przy średniej wartości 1,2 kJ/mm, a norma NORSOK M-601 ogranicza dopuszczalne odchylenia w produkcji do ±15% tej średniej — czyli do zakresu 1,02–1,38 kJ/mm. Przejście o wartości 2,3 kJ/mm znajduje się poza zakresem zakwalifikowanym, mimo że mieści się w ogólnym zakresie dla danej klasy materiału.

Naprawa: W procedurze spawania (WPS) należy podać zakres zakwalifikowany, a nie ogólny zakres publikowany dla klasy materiału. Spawacz potrzebuje wartości, która rzeczywiście podlegała badaniom.

4. Chłodzenie wodą lub sprężonym powietrzem

Spawacz przekracza dopuszczalną temperaturę międzywarstwową i chłodzi spoinę strumieniem wody lub strumieniem sprężonego powietrza, aby przyspieszyć wykonanie kolejnej warstwy. Szybkie schładzanie powoduje lokalne utworzenie mikrostruktury ferrytycznej z azotkami chromu w strefie wpływu ciepła (HAZ). Spoina przechodzi kontrolę jakości, ale ulega awarii w trakcie eksploatacji.

Naprawa: Chłodzić w spokojnym powietrzu. Jeśli harmonogram jest napięty, przełączaj się pomiędzy dwoma połączeniami: jedno chłodzi się, podczas gdy drugie jest spawane. Nigdy nie chłodzić szybko stali duplex.

5. Rejestrowanie pojedynczej temperatury dla całej spoiny

Na mapie spawania podano „temperatura międzywarstwowa: 95 °C” dla wszystkich 12 warstw. Wartość ta została zmierzona tylko raz – po wykonaniu warstwy korzeniowej – i następnie skopiowana. Warstwy wypełniające miały temperaturę 140 °C lub wyższą. Ślad audytowy jest fałszywy.

Naprawa: Rejestruj temperaturę międzywarstwową przed każdą warstwą w przypadku spoin krytycznych lub w ustalonej częstotliwości (np. co trzecią warstwę) z pisemnym zapisem punktów pomiaru. Audytorzy zgodnie z normą EN ISO 3834-2 porównują wartości z procedury spawania (WPS) z rejestracjami produkcyjnymi; skopiowana wartość stanowi ustalenie niezgodności. .

Weryfikacja: co należy sprawdzić po spawaniu

Wprowadzanie ciepła i temperatura między przebiegami są parametrami procesu. Ich wpływ weryfikuje się za pomocą trzech testów:

Zawartość ferrytu: Spoina powinna zawierać 30–70% ferrytu w stanie po zgrzewaniu, przy czym typowa zawartość dla metalu podstawowego wynosi 35–60%. Odczyt na feritskopie poza tym zakresem wskazuje na problem z wprowadzeniem ciepła lub temperaturą między przebiegami. Należy jednak zwrócić uwagę na „ślepą strefę”: faza sigma jest niemagnetyczna, więc feritskop wyświetla poprawną wartość nawet wtedy, gdy spoina jest już zbyt krucha .

Twardość udarowa: Uderzenie próbki Charpy typu V przy minimalnej temperaturze projektowej. Dla stali 2507 w warunkach zgodnych z normą NORSOK jest to zwykle −46 °C przy średniej minimalnej energii uderzenia wynoszącej 45 J. Spoina uszkodzona przez fazę sigma nie wytrzyma tego testu – jej wynik będzie dramatycznie niski.

Badania korozyjne: Metoda C normy ASTM A923 (chlorek żelaza) jest testem akceptacyjnym wykrywającym szkodliwe fazy międzymetaliczne w spoinach stali duplexowych. Zaprojektowano ją tak, aby skutecznie potwierdzić brak fazy sigma w sposób opłacalny; akceptację określa się zwykle jako maksymalny współczynnik korozji. Jeśli spoina przejdzie test metodą A923 C, oznacza to, że kontrola wprowadzenia ciepła i temperatury między przebiegami była skuteczna.

Podsumowanie terenowe na jednej stronie

Numer WPS nie jest opublikowanym zakresem klas. Jest to zakres przetestowany, zawężony przez kwalifikację, a następnie dodatkowo zawężony przez specyfikację projektu. Zapisz tę liczbę w procedurze, zmierz ją zarówno w korzeniu, jak i na powierzchni, oraz ochłodź w nieruchomym powietrzu. Reszta to zjawiska metalurgiczne, które zachodzą niezależnie od tego, czy je uwzględniasz, czy nie.