Come selezionare la procedura di saldatura corretta per tubi duplex in acciaio inossidabile per evitare la perdita di resistenza alla corrosione?

Pochi minuti di saldatura scadente possono distruggere completamente le qualità di resistenza alla corrosione-di un tubo in acciaio inossidabile duplex. Ogni giunto prodotto in officina o sul campo deve preservare attentamente la distinta microstruttura a due fasi-che conferisce al duplex forza e resistenza. Mantenere la resistenza alla corrosione-ottenuta con fatica dalla lega in condizioni difficili di cloruro e acidi è più importante che limitarsi a prevenire le perdite.

Il fondamento metallurgico: cosa rende unico il duplex
Una miscela equilibrata di circa il 50% di austenite e il 50% di ferrite si trova negli acciai inossidabili duplex (come UNS S32205, S31803 o 2205). Questa struttura a due-fasi offre:

Elevata resistenza meccanica (circa il doppio di 316L).

Eccezionale resistenza alla tensocorrosione causata dal cloruro (SCC).

Un PREN (numero equivalente di resistenza alla vaiolatura) pari a 34–36 indica una buona resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale.

Il materiale si scioglie e si solidifica rapidamente durante il processo di saldatura. Il bilancio di fase finale nel metallo saldato e nella zona termicamente-influenzata (ZTA) è determinato dalla velocità di raffreddamento e dalla storia termica. Se il processo viene eseguito in modo errato potrebbero verificarsi due cose dannose:

Sovrapproduzione di ferrite: quando la ferrite predomina a causa del raffreddamento lento o dell'elevato apporto di calore, la tenacità e la resistenza alla corrosione diminuiscono.

Precipitazione della fase intermetallica, in particolare della fase sigma (σ) (FeCrMo) e della fase chi (χ), che si sviluppano tra 600 e 900 gradi. Lo sviluppo di queste fasi impoverisce la matrice circostante di questi elementi leganti essenziali poiché ricchi di cromo e molibdeno. I risultati sono un grave infragilimento e un netto calo della resistenza alla corrosione per vaiolatura.

D'altra parte, una quantità eccessiva di austenite potrebbe essere prodotta da un apporto di calore insufficiente o da un raffreddamento estremamente rapido, il che ridurrebbe la resistenza. Di conseguenza, è necessario rispettare una finestra di elaborazione limitata.

Elementi cruciali di un processo di saldatura duplex dell'acciaio inossidabile
I seguenti fattori sono accuratamente controllati da un'appropriata tecnica di prevenzione della corrosione dei tubi con metodo di saldatura in acciaio inossidabile duplex.

1. Selezione del metallo d'apporto
Per preservare l'equilibrio di fase e la resistenza alla corrosione, il contenuto di lega del metallo d'apporto deve essere uguale o superiore a quello del metallo di base. Il riempitivo standard per il duplex 2205 è ER2209 (UNS S39209). La produzione di austenite nel deposito di saldatura è incoraggiata dalla sua composizione, che è leggermente sovralegata in nichel e azoto rispetto al metallo base. Ciò compensa l'effetto favorevole della ferrite-della rapida solidificazione.

Il metallo d'apporto come ER2594 viene utilizzato per i gradi super duplex (come 2507). Su metalli di base duplex, non utilizzare mai un materiale di riempimento austenitico (come 308L o 316L); la saldatura risultante avrà caratteristiche di corrosione errate e potrebbe rompersi.

2. Controllo dell'apporto di calore
La velocità di viaggio, la tensione e la corrente influiscono tutti sull'apporto di calore. L'intervallo di apporto termico suggerito per gli acciai inossidabili duplex è solitamente compreso tra 0,5 e 2,5 kilojoule per millimetro. Un apporto termico troppo elevato favorisce un raffreddamento lento, che permette la formazione della fase sigma e l'ingrossamento della ferrite; un apporto termico troppo basso corre il rischio di fusione incompleta o di ferrite eccessiva.

La saldatura ad arco di tungsteno con gas (GTAW) dei tubi 2205 mira tipicamente a 0,5–1,5 kJ/mm. Se la temperatura di interpass è regolata attentamente, intervalli leggermente più ampi (fino a 2,0 kJ/mm) potrebbero essere accettabili per la saldatura ad arco di gas/metallo (GMAW) con trasferimento di spruzzo pulsato.

3. Interpass di temperatura
È necessario mantenere la temperatura tra le passate-la temperatura dell'area di saldatura prima della passata successiva-sotto i 150 gradi e spesso sotto i 100 gradi durante le passate iniziali. Il calore viene accumulato dalle elevate temperature di interpass, che allungano il periodo di raffreddamento e favoriscono la precipitazione in fase sigma. Il raffreddamento naturale dell'aria tra i passaggi potrebbe essere adeguato per tubi con pareti sottili (ad esempio, 2–3 mm). Per porzioni più spesse sono necessari il raffreddamento ad aria forzata o tempi di attesa ancora più lunghi tra i passaggi.

4. Spurgo e schermatura posteriori
Sia la faccia della saldatura che il lato della radice delle saldature in acciaio inossidabile duplex devono essere protetti dall'ossigeno ambientale. Per quanto riguarda la saldatura dei tubi:

L'argon con 1-3% di azoto è un gas di protezione primario comune. Una piccola quantità di azoto, uno stabilizzatore dell'austenite, aggiunta al gas di protezione aiuta a preservare l'equilibrio di fase previsto nel metallo di saldatura.

Spurgo di ritorno: per impedire l'ossidazione della radice, l'argon puro (o l'argon con il 2–5% di azoto) viene spurgato dall'interno del tubo. Le incrostazioni di ossido di cromo, prodotte dall'inquinamento da ossigeno, portano all'esaurimento del cromo e ad una riduzione della resistenza alla corrosione.

5. Metodo e procedura di saldatura
Per i tubi duplex, vengono utilizzati metodi ad arco pulsato (GTAW pulsato o GMAW pulsato) perché

Utilizzare una corrente di picco elevata seguita da una corrente di fondo bassa per ridurre l'apporto di calore.

Migliora la gestione del bagno di saldatura e riduci il rischio di bruciature-su pareti strette.

Crea una microstruttura più coerente e più fine.

Invece di utilizzare cordoni a trama larga, che aumentano l'apporto di calore e il raffreddamento lento, per la saldatura manuale vengono utilizzati cordoni a trama larga (passaggio diritto senza tessitura).

La pulizia post-della saldatura (decapaggio e passivazione) è il passaggio cruciale
Una tinta dovuta al calore (scala di ossido) apparirà sulla superficie della saldatura e sulla ZTA circostante anche se l'apporto di calore è ideale. Poiché il cromo interagisce preferenzialmente con l'ossigeno, lasciando il metallo sottostante con meno cromo, questo strato di ossido risulta impoverito di cromo-. La vaiolatura e la corrosione interstiziale nel servizio con cloruro iniziano facilmente in questa zona carente.

È necessaria la pulizia dopo la saldatura. Esistono due metodi efficaci:

Rimozione chimica (decapaggio)
Pasta o bagno di decapaggio: il colorante termico viene sciolto e lo strato impoverito di cromo- viene rimosso utilizzando una soluzione di acido nitrico (HNO₃) e acido fluoridrico (HF). La pasta decapante viene applicata alla saldatura e all'area- dei tubi interessata dal calore, lasciata per un periodo di tempo predeterminato (ad esempio da 15 a 60 minuti) e quindi completamente risciacquata con acqua.

Decapaggio per immersione: sebbene richieda attrezzature specifiche, l'immersione di piccoli gruppi di tubi o parti di bobine in un bagno di decapaggio riscaldato è più uniforme.

Passivazione dopo pulizia meccanica
Levigatura o spazzolatura: è possibile utilizzare tamponi abrasivi fini o spazzole non-metalliche (come spazzole metalliche in acciaio inossidabile, utilizzate solo su duplex e mai su acciaio al carbonio) per rimuovere la tinta dovuta al calore. Senza lasciare particelle di ferro inglobate, l'intero strato colorato deve essere rimosso mediante molatura.

Passivazione: per ripristinare il rivestimento passivo di ossido di cromo, dopo la pulizia meccanica viene applicata sulla superficie una soluzione di acido nitrico o citrico. La sola molatura può imbrattare il metallo e produrre una superficie meno protettiva, quindi questo passaggio è cruciale.

Dopo un adeguato decapaggio, la saldatura e la ZTA dovrebbero avere lo stesso aspetto e resistenza alla corrosione del tubo principale poiché una buona saldatura è impermeabile alla corrosione. La saldatura sarà il primo punto di rottura se la tinta dovuta al calore persiste.

Misurazione della ferrite per la verifica della qualità della saldatura
Un endoscopio in ferrite, un dispositivo a induzione magnetica, viene utilizzato per misurare il contenuto di ferrite del metallo saldato e della HAZ al fine di verificare che il processo di saldatura abbia mantenuto il corretto equilibrio di fase. Per gli acciai inossidabili duplex, è spesso accettabile un contenuto di ferrite del 30–70% (bilanciando l’austenite). Molte specifiche mirano al 40-60%.

La resistenza diminuisce in caso di austenite eccessiva, indicata da valori inferiori al 30%.

Un eccesso di ferrite è indicato da valori superiori al 70%, che riducono la tenacità e possono suggerire l'esistenza della fase sigma (il sigma non è-magnetico, ma la percentuale di ferrite diminuisce man mano che si verifica il sigma; una lettura della ferrite insolitamente bassa o incoerente può essere un indizio).

Nelle applicazioni critiche, un coupon saldato può essere sottoposto ad un'analisi microstrutturale (metallografia) per rilevare le fasi intermetalliche. All'interno dei grani di ferrite, la fase sigma si manifesta come un precipitato aciculare o a blocchi.

Errori tipici e come prevenirli
Prevenire le conseguenze degli errori
Utilizzando un metallo d'apporto di 308L o 316L, Weld è soggetto a fessurazioni e ha una scarsa resistenza alla corrosione. Utilizzare sempre il materiale di riempimento duplex corrispondente (ER2209 per 2205).
Surriscaldamento (oltre 2,5 kJ/mm) PREN basso, infragilimento e precipitazione nella fase sigma Determinare l'apporto di calore, utilizzare un arco pulsato e impostare una limitazione della velocità.
Interpass di temperatura superiore a 150 gradi L'accumulo di calore incoraggia sigmaUtilizzare una termocoppia per misurare; lasciarlo raffreddare tra un passaggio e l'altro.
Nessuno spurgo della radice del tubo. Deplezione di cromo, ossidazione dei cordoni radicali e corrosione interstiziale.Utilizzare argon o una combinazione di argon-azoto per lo spurgo
Lasciando in posizione la tinta termica Sul bordo della saldatura inizia la corrosione localizzata. Decapare o passivare utilizzando una macchina.
Utilizzo di mole o spazzole in acciaio al carbonio La corrosione galvanica è causata dall'inquinamento da ferro. Utilizzare strumenti specializzati in acciaio inossidabile, idealmente solo per il duplex.
Specifica della procedura di qualificazione e saldatura (WPS)
È necessario creare e qualificare una specifica formale della procedura di saldatura (WPS) in conformità con un codice come ASME Sezione IX, AWS D1.6 o ISO 15614 per qualsiasi applicazione industriale. Quanto segue deve essere chiaramente indicato nella WPS per i tubi duplex in acciaio inossidabile:

gamma di spessori e qualità del metallo di base.

Classificazione del metallo d'apporto (ad esempio, ER2209).

Tecniche di saldatura GTAW, GMAW o SMAW.

composizione e portata dei gas di protezione.

gas e tecnica di back purge.

Intervallo di apporto di calore e parametri elettrici (tensione, corrente e velocità di spostamento).

superare il limite di temperatura, ad esempio un massimo di 150 gradi.

Solitamente il preriscaldamento non è necessario per il duplex a meno che la temperatura ambiente non sia inferiore a 5 gradi.

Pasta decapante, immersione o meccanica + passivazione sono metodi di pulizia post-saldatura.

Standard di accettazione del contenuto di ferrite (ad esempio, 30–70% di ferrite nel metallo saldato).

Esempi di prove di qualificazione sono le prove di trazione e di piegatura nonché le prove di corrosione (come la prova di vaiolatura del cloruro ferrico secondo ASTM G48). Per le saldature dei tubi può essere necessaria anche un'ispezione con correnti parassite o una prova idrostatica.

Considerazioni sulla saldatura sul campo
Poiché il controllo ambientale è più difficile, saldare i tubi duplex sul campo (per collegamenti o riparazioni, ad esempio) è più difficile della saldatura in officina. Particolare attenzione deve essere data a:

L'utilizzo di lenti e schermi antigas per impedire l'interruzione del gas di protezione è noto come protezione dal vento.

Monitoraggio della temperatura: utilizzare pirometri a contatto o termometri a infrarossi per misurare la temperatura di interpass.

Spurgo: potrebbe non essere possibile svuotare l'intera lunghezza di tubi di grande-diametro; è invece possibile utilizzare una diga di spurgo limitata costituita da tappi di gomma gonfiabili.

Decapaggio: per evitare fuoriuscite sulle apparecchiature vicine, le paste decapanti sul campo devono essere applicate e neutralizzate con attenzione.

In conclusione, la qualità del materiale dipende dalle mani che lo lavorano.
Per i tubi in acciaio inossidabile duplex, la scelta della giusta tecnica di saldatura è fondamentale per prevenire una disastrosa perdita di resistenza alla corrosione. Un eccessivo apporto di calore, elevate temperature di interpass, metalli d'apporto non corrispondenti o la presenza di una tinta termica impoverita di cromo- possono compromettere la microstruttura bilanciata dell'austenite-ferrite che conferisce al duplex la sua robustezza e resistenza alla vaiolatura. La zona di saldatura mantiene le stesse prestazioni di corrosione del tubo principale grazie a un processo metodico che controlla l'apporto di calore (solitamente 0,5–2,5 kJ/mm), la temperatura di interpass inferiore a 150 gradi, il riempitivo ER2209 per il metallo di base 2205, lo spurgo posteriore inerte e un rigoroso decapaggio post-saldatura. Il successo è confermato dalla misurazione della ferrite (30–70% di ferrite). Una saldatura ben-eseguita è resistente alla corrosione; il materiale è buono quanto le mani che lo uniscono.