Pagsusuri ng Heat Input sa Pagsusulat ng Duplex Pipe: Pag-iwas sa Sigma Phase Embrittlement sa HAZ

Kung ikaw ay nagsusulat ng duplex o super duplex na stainless steel (DSS/SDSS), parang naglalakad ka sa isang manipis na lubid. Kung masyadong malamig ang temperatura, magkakaroon ka ng labis na ferrite at mawawala ang katibayan. Kung masyadong mainit naman, tatawagin mo ang tahimik na pumatay sa mga weld ng duplex: Sigma (σ) Phase embrittlement sa Heat Affected Zone (HAZ).

Ang sigma phase ay isang intermetallic compound na nagpapabrittle sa mga weld at nawawasak ang resistance nito sa corrosion. Bagaman nabubuo ito sa base metal kapag mali ang heat treatment, sa pagsusulat naman, ito ay direktang bunga ng hindi wastong kontrol sa init .

Ang artikulong ito ay nagbibigay ng teknikal na malalim na pagsusuri kung paano i-customize ang iyong init na ipinapadala upang maiwasan ang pagbuo ng sigma sa pagsolda ng duplex na tubo, na nagsisiguro sa mekanikal na integridad at resistensya sa pitting.

Ang Problema: Bakit Nabubuo ang Sigma sa HAZ

Ang pag-precipitate ng sigma phase ay nangyayari kapag ang weld HAZ ay inilantad sa mga temperatura na humigit-kumulang sa 600°C at 950°C nang masyadong matagal . Sa isang duplex na microstructure, ang sigma ay nagsisimulang bumuo pangunahin sa mga interface ng ferrite/austenite. Lumalaki ito sa pamamagitan ng pagkonsumo ng ferrite (δ), na mayaman sa chromium at molybdenum—mga elementong iyon mismo ang nagbibigay ng resistensya sa korosyon sa duplex .

Ang mekanismo nito ay eutectoid: δ → σ + γ₂ (pangalawang austenite) . Habang nabubuo ang sigma, kinukuha nito ang Cr at Mo mula sa paligid na matrix. Kapag nareprecipitate na, ang pag-alis ng sigma ay nangangailangan ng buong solution annealing treatment (1050–1100°C), na hindi praktikal para sa malalaking pipe spools . Sa kondisyon nang walang karagdagang paggamot (as-welded), ang sigma ay isang matigas at mapagkiling-brittle na phase na lubhang binabawasan ang impact toughness at resistensya sa pitting.

Ang Pangunahing Variable: Pag-input ng Init at Bilis ng Paglamig (t12/8)

Bagaman ang komposisyong kimikal ay napakahalaga, ang siklo ng init ang nagsisilbing trigger. Ang pamantayan ng industriya para sukatin ito ay ang oras ng paglamig mula sa 1200°C hanggang 800°C (t12/8) . Saklaw na ito ay sumasaklaw sa kritikal na panahon para sa parehong pagbuo ng austenite at precipitasyon ng sigma.

Upang maiwasan ang sigma habang pinapanatili ang balanseng phase, karaniwang kailangan mo ng t12/8 na 8 hanggang 15 segundo . Kung ang t12/8 ay lumampas sa humigit-kumulang 15 segundo (na nangyayari kapag mataas ang heat input), may peligro kang makabuo ng sigma. .

Para sa isang duplex na may 22% Cr (tulad ng 2205), ang inirerekomendang heat input para sa pagsusulat ng tubo ay karaniwang nasa hanay na 0.5 kJ/mm hanggang 2.5 kJ/mm para sa kapal ng dingding na 10–15 mm gayunpaman, ang mga kamakailang pag-aaral ay nagmumungkahi na ang mga limitasyong ito ay hindi paunlarin; nagbabago sila batay sa kapal ng pader at hugis ng sambungan.

Bagong Pananaw: Ang Kapal ng Plaka ang Nagbabago sa mga Patakaran

Ang kamakailang pananaliksik ay tumututol sa palagay na "ang mataas na input ng init ay laging masama." Isang pag-aaral noong 2025 tungkol sa pagsusulat ng duplex na may makapal na plaka ay ipinakita na para sa mga plaka na may kapal na higit sa 10 mm, ang itaas na hangganan ng input ng init ay tumataas nang malaki. .

• Para sa manipis-na-pader na tubo (<10 mm): Ang mabagal na pagkalat ng init ay nagpapanatili ng init sa Heat-Affected Zone (HAZ). Mahalaga ang paggamit ng karaniwang mga kalkulasyon ng input ng init upang maiwasan ang pagbuburn-through o sobrang pag-init.

• Para sa makapal-na-pader na tubo (>14 mm): Ang masa ng tubo ay gumagana bilang isang napakalaking heat sink, na kumuha ng init nang mabilis. Sa mga ganitong kaso, kinakailangan ang mas mataas na input ng init upang makamit ang tamang pagsasamang metal at pagbuo ng austenite. Ipinatunayan ng pag-aaral na sa mga plakang may kapal na 20 mm, ang mga input ng init na 5 kJ/mm at 7 kJ/mm ay ginamit nang walang anumang sigma precipitation sa HAZ .

Dalawit: Kailangan mong kalkulahin ang input ng init na kaugnay sa kapal ng materyal. Mas makapal ang tubo, mas mataas ang "ligtas" na input ng init, dahil nananatiling sapat ang bilis ng paglamig upang iwasan ang sigma nose ng kurba ng TTT.

Ang Hamon ng Super Duplex (Mga Baitang na 25Cr)

Kapag pinagsasama ang mga super duplex na baitang (halimbawa: 2507, Zeron 100), ang margin para sa kamalian ay sumusulpot. Ang mga materyal na ito na may mas mataas na halaga ng alloy ay may mas malakas na pwersa para sa pagbuo ng sigma.

• Sensibilidad ng Root Pass: Sa pagsasama ng tubo, ang root pass ay lalo pang madaling maapektuhan. Iminumungkahi ng pananaliksik na ang mga root pass ay dapat gawin gamit ang isang mas mataas input ng init (higit sa 1.0 kJ/mm) kumpara sa unang ilang sumunod na pass. Bakit? Ang mababang input ng init sa root ay maaaring magdulot ng pagbuo ng chromium nitride sa loob na ibabaw dahil sa kakulangan ng reheating. .

• Kahusayan para sa Layunin: Kahit ang mga teknikal na tukoy ay kadalasang nangangailangan ng zero sigma, ang industriyal na katotohanan (lalo na sa mga proyekto sa North Sea ng UK) ay nagpapakita na ang limitadong sigma sa mababang-temperaturang HAZ (2–5 mm mula sa linya ng pagsasamang metal) ay minsan ay tinatanggap. Ang mga pag-aaral ay tumatanggap ng hanggang 2.5% na bahagdan ng bolumen ng sigma sa HAZ, basta't napapasa ang CTOD (Crack Tip Opening Displacement) na pagsubok sa pagtutol sa punit at ang ASTM G48 na pagsubok sa korosyon . Gayunman, ito ay isang limitasyon sa pagkakataon ng pagkakatugma, hindi isang layunin sa produksyon.

Mga Praktikal na Gabay para sa Inhinyerong Pang-Pagweld

Upang maiwasan ang sigma phase sa mga weld ng duplex na tubo, lumipas sa pangkalahatang mga patakaran na "mababang init." Ipatupad ang mga sumusunod na kontrol:

1. Pamahalaan ang Temperatura sa Pagitan ng mga Pass

Ang sigma ay kumulatibo. Habang dinaragdag mo ang mga pass, ang HAZ mula sa mga nakaraang pass ay muling iniinit sa peligrosong saklaw (700–900°C). Panatilihin nang mahigpit ang temperatura sa pagitan ng mga pass. Para sa super duplex (25% Cr), ang pinakamataas na temperatura sa pagitan ng mga pass ay karaniwang 150°C  . Para sa karaniwang duplex na may 22% Cr, ang 200°C ang karaniwang pinakamataas na limitasyon .

2. Iwasan ang 'Maraming Maliit na Pass' na Kapitan

Mukhang kontra-intuitibo, ngunit ang paggamit ng malaking bilang ng mga pass na may mababang init na input ay maaaring mas mapanganib kaysa sa mas kaunti ngunit mas malalaking pass. Ang bawat maliit na pass ay nagpapainit muli sa nakaraang Heat-Affected Zone (HAZ), na effectively na nagpapamatanda sa materyal at nagpapadagdag ng sigma at chi (χ) phases .

• Estratehiya: Gamitin ang isang pagkakasunud-sunod ng pag-welding na nagpapababa sa bilang ng thermal cycles sa anumang tiyak na bahagi ng HAZ.

3. Balansin ang Ferrite Numbers

Ang sigma ay nabubuo nang mas madali sa ferrite. Kung ang nilalaman ng ferrite sa iyong HAZ ay lumalampas sa 70–75%, ang panganib ng pagbuo ng sigma ay tumataas nang husto dahil mayroon kang higit pang hindi stable na ferrite na maaaring magbago.

• Siguraduhing ang iyong shielding gas at filler metals ay sumusuporta sa sapat na austenite reformation. Ang mga filler na may nickel ay nakakatulong, ngunit maging maingat: ang mas mataas na nilalaman ng Ni ay nagpapalawak sa temperature range kung saan nabubuo ang sigma. .

4. I-kalkula ang Effective Heat Input

Huwag umasa sa "damdamin." Gamitin ang pormula:

$$\text{Init na Ipinasok (kJ/mm)}=\frac{\text{Voltiyaj (V)}\times \text{Kasalukuyan (A)}\times 60}{\text{Bilis ng Paglalakbay (mm/min)}\times 1000}$$

Para sa mga proseso ng GTAW (TIG), tandaan na isama ang thermal efficiency factor (η), na karaniwang humihigit sa 0.6 para sa TIG .

Kongklusyon

Ang embrittlement dahil sa sigma phase ay isang maiiwasang uri ng pagkabigo. Ito ay isang palatandaan na ang weld ay nakaranas ng sobrang init nang masyadong matagal—maging sa pangkalahatan (mataas na heat input sa manipis na tubo) o sa lokal na antas (maraming reheats mula sa maliit na mga pass).

Ang modernong pag-weld ng duplex pipes ay nangangailangan ng paglipat mula sa "pagsunod sa WPS" patungo sa pag-unawa sa kasaysayan ng init . Sa pamamagitan ng kontrol sa t12/8 cooling times, pagsunod sa mga limitasyon sa interpass, at pag-aadjust ng heat input batay sa aktwal na kapal ng pader ng tubo, maaari kang makabuo ng HAZ microstructures na walang sigma, matitibay, at laban sa corrosion.