Perché lo spessore della parete della guaina in acciaio inossidabile 316 inferiore a 1,0 mm richiede procedure di saldatura speciali per il fissaggio della flangia nei riscaldatori elettrici a immersione?

Una delle procedure più cruciali nella produzione di riscaldatori elettrici ad immersione per ingegneri di produzione e professionisti del controllo qualità è il fissaggio delle flange di montaggio alla guaina in acciaio inossidabile 316. Una saldatura difettosa può consentire l'intrusione di fluido di processo, cortocircuiti elettrici o la separazione completa del riscaldatore. I processi di saldatura per spessori di parete normali superiori a 1,5 mm sono ben consolidati. La saldatura di guaine 316 a pareti sottili- inferiori a 1,0 mm presenta problemi specifici. La bassa massa termica della parete sottile comporta un rapido accumulo di calore-e combustione-, un'eccessiva formazione di granuli e una perdita di resistenza alla corrosione. Questo documento descrive la misurazione dei problemi di saldatura delle guaine 316 a parete sottile e la determinazione delle modifiche procedurali necessarie per garantire collegamenti affidabili delle flange.

Problemi di gestione termica della saldatura-di pareti sottili 316
To weld a 316 sheath to a mounting flange the base metal is melted using heat to generate a fusion zone. For a thick-walled sheath (>1,6 mm) il dissipatore di calore del materiale circostante rimuove il calore dal bagno di saldatura e impedisce un eccessivo aumento della temperatura. Per una guaina a parete sottile- inferiore a 1,0 mm l'effetto del dissipatore di calore è trascurabile. La stessa corrente di saldatura che creerebbe un bagno di saldatura controllato in una parete da 1,6 mm si scioglierà attraverso una parete da 0,9 mm in millisecondi.. 316 L'acciaio inossidabile ha una diffusività termica di circa 4 mm2/s a temperatura normale. La conduzione del calore attraverso lo spessore di 0,9 mm richiede solo 0,02 secondi. Ciò significa che, a meno che l'apporto di calore non venga regolato attentamente, il lato posteriore della guaina raggiunge il punto di fusione praticamente immediatamente dopo l'innesco dell'arco. Il burnthrough crea un foro nella guaina esponendo l'isolamento in MgO e il filo di resistenza. Anche senza bruciatura totale-, un significativo apporto di calore causerà un ingrossamento dei grani nella zona-interessata dal calore. La dimensione del grano per le sezioni a parete sottile può variare da ASTM 7-8 (20-30 micron) fino a ASTM 2-3 (100-150 micron). I carburi di cromo precipitano preferenzialmente ai bordi della grana grossa, il che diminuisce la resistenza meccanica e, cosa più critica, la resistenza alla corrosione del 316 in condizioni di cloruro.

Sono necessarie modifiche alle procedure di saldatura per le guaine 316 a parete sottile
Per saldare correttamente una guaina 316 da 0,8–1,0 mm a una flangia di montaggio sono necessarie cinque modifiche al tipico processo di saldatura ad arco di tungsteno con gas. La corrente di saldatura dovrebbe essere inizialmente ridotta del 40–60% rispetto al metodo con spessore della parete di 1,6 mm. Le correnti tipiche per 316 da 1,6 mm sono 60-80 ampere; per 0,9mm la portata si riduce a 25-35 ampere. In secondo luogo, è necessaria una forma d'onda di corrente pulsata. Viene utilizzata una corrente di fondo del 20–30% e gli impulsi sono a 50–100 Hz, consentendo al bagno di saldatura di raffreddarsi leggermente tra gli impulsi in modo che il calore non si accumuli. In terzo luogo, la velocità di spostamento dovrebbe essere aumentata a 200-300 mm al minuto rispetto ai 100-150 mm al minuto delle pareti spesse. Con una velocità più elevata viene immesso meno calore per unità di lunghezza. In quarto luogo, l'uso di un elettrodo di tungsteno di diametro inferiore, 1,0 mm o 1,6 mm anziché il tipico 2,4 mm, aumenta la stabilità dell'arco a basse correnti. Quinto e più importante, è necessario posizionare una barriera antigas all'interno della guaina. Durante la saldatura, il passaggio dell'argon all'interno della guaina evita l'ossidazione della parte posteriore e offre un certo raffreddamento. Senza gas di supporto, la superficie interna è esposta e ampiamente ossidata, lasciando uno strato ruvido, impoverito di cromo, soggetto a corrosione.

Spessore minimo della parete con diversi processi di saldatura
La tabella seguente indica gli spessori minimi accettabili delle pareti della guaina per 316 per i vari processi di saldatura degli attacchi della flangia e le modifiche alle procedure associate per ciascuno. I valori si riferiscono a una saldatura a piena penetrazione per quanto riguarda la resistenza meccanica.

Processo di saldatura Spessore parete guaina minimo 316 per una saldatura coerente Modifiche alla procedura richieste Costo relativo|Qualità di saldatura standard
GTAW (standard), manuale 1,2 mm1,2 mm Nessuno; non consigliato al di sotto di questo Buono a 1,2 mm Basso
GTAW manuale (pulsato) 0,9 mm Gas posteriore Amperaggio inferiore Corrente pulsata Moderata; richiede operatore esperto Da basso a moderato
GTAW automatizzato (pulsato) 0,8 mmProcedure per essere pienamente qualificate:Medio Buono con configurazione corretta
Saldatura laser 0,6 mm Adattamento accurato-, nessuno spazio, allineamento del raggio importanteBasso apporto di caloreEccellente;
Saldatura a fascio di elettroni 0,5 mm Necessaria camera a vuoto Eccellente; nessuna ossidazioneMolto alta
Saldatura a resistenza (sporgenza) 0,8 mm Sporgenza delle flange appositamente progettata Buono per diametri piccoli Da basso a medio
Brasatura (non saldatura) 0,5 mm Metallo d'apporto a base di argento o nichel Resistenza moderata; non per alta pressione bassa
La maggior parte delle applicazioni di riscaldatori elettrici ad immersione industriali sono meglio saldate con guaine con spessori di parete compresi tra 0,9 mm e 1,2 mm. Il GTAW pulsato automatizzato con gas di ritorno è il processo più comune. Per<0.9 mm, laser welding is the most reliable, although the capital equipment cost is much higher. For flanged heaters, manufacturers without laser welding capabilities shall provide a minimum wall thickness of 1.0 mm to assure weld reliability.

Saldature-di pareti sottili: requisiti di ispezione e qualificazione
È necessario un esame più dettagliato per le guaine 316 a parete-sottile rispetto alle saldature a parete-spessa poiché c'è meno spazio per gli errori. Per le guaine inferiori a 1,2 mm l'ispezione visiva non è sufficiente. L'ispezione radiografica o con coloranti penetranti deve essere effettuata a campione. La frequenza sarà basata sul volume di produzione e sulla criticità dell'applicazione. Per le guaine inferiori a 1,0 mm, si consiglia l'esame con colorante penetrante al 100%. Gli standard di accettazione per le saldature a parete-sottile dovrebbero consentire un leggero riempimento insufficiente (fino al 10% dello spessore della parete), ma senza crepe, porosità > 0,2 mm di diametro o bruciatura-attraverso. Tutti i gruppi saldati a parete sottile-progettati per l'uso in operazioni pressurizzate dovranno essere sottoposti anche a una prova di perdita di elio. Una buona saldatura ha un tasso di perdita inferiore a 1 x 10-7 mbar·L/sec. Se il riscaldatore deve essere utilizzato in un'atmosfera corrosiva, si consiglia un test della ferrite del metallo saldato. Un contenuto di ferrite > 5% suggerisce la possibilità di corrosione selettiva in servizio con cloruro. Per la migliore resistenza alla corrosione, la concentrazione di ferrite del metallo di saldatura per le saldature 316-316 deve essere compresa tra il 2% e il 5%. Nello specificare le guaine a parete sottile, gli ingegneri devono richiedere al produttore i registri di qualificazione del metodo di saldatura che mostrano micrografie in sezione trasversale del profilo di penetrazione, dimensione dei grani della zona termicamente interessata e nessuna prova di bruciatura. Se un fornitore esita a fornire questi documenti, non ci si dovrebbe fidare di lui per fornire riscaldatori a pareti sottili. La spesa per la riqualificazione di un metodo di saldatura è minima rispetto al costo dei guasti sul campo dovuti a crepe o perdite di saldatura.