Saldatura di tubi in acciaio legato al nichel e tubi in acciaio inossidabile: Una guida completa

introduzione

Saldatura di metalli diversi, come tubi in acciaio legato al nichel e tubi in acciaio inossidabile, è un requisito comune in settori come la produzione di energia, petrolio e gas, petrolchimico, e l'energia nucleare. Questi metalli vengono spesso uniti utilizzando una tecnica chiamata imburrazione, che prevede l'applicazione di uno strato di materiale d'apporto compatibile su uno dei metalli di base prima che venga effettuata la saldatura finale. Questo processo aiuta a mitigare i problemi legati alla saldatura di metalli dissimili, come la mancata corrispondenza dell'espansione termica, corrosione, e screpolatura.

In questa guida completa, esploreremo il processo di saldatura del nichel tubo dell'acciaio legato imburrazione su tubi in acciaio inossidabile. Tratteremo le tecniche di saldatura, materiali di riempimento, fasi di preparazione, e trattamenti post-saldatura necessari per garantire una saldatura di successo. Inoltre, forniremo tabelle dettagliate che ne illustrano la composizione chimica, Proprietà meccaniche, e parametri di saldatura per varie leghe di nichel e acciai inossidabili.

Perché l'imburrazione è necessaria per la saldatura di metalli diversi

Quando si saldano metalli diversi come le leghe di nichel e l'acciaio inossidabile, sorgono diverse sfide a causa delle differenze nella loro composizione chimica, coefficienti di dilatazione termica, e resistenza alla corrosione. Queste differenze possono portare a problemi come:

• Cracking: I diversi tassi di dilatazione termica delle leghe di nichel e dell'acciaio inossidabile possono causare stress durante il riscaldamento e il raffreddamento, portando alla rottura del giunto saldato.
• Corrosione: Metalli diversi possono formare celle galvaniche, portando ad una corrosione accelerata del giunto saldato.
• Diluizione: La miscelazione di metalli diversi durante la saldatura può provocare una saldatura con proprietà meccaniche o resistenza alla corrosione indesiderate.

Per superare queste sfide, viene utilizzata una tecnica chiamata imburrazione. L'imburrazione prevede l'applicazione di uno strato di materiale riempitivo compatibile (solitamente una lega a base di nichel) al tubo in acciaio inossidabile prima che venga effettuata la saldatura finale. Questo strato funge da buffer, riducendo il rischio di fessurazioni e corrosione creando un'interfaccia più compatibile tra i due metalli diversi.

Leghe di Nichel e Acciai Inossidabili: Una panoramica

Leghe di nichel

Le leghe di nichel sono note per la loro eccellente resistenza alla corrosione, resistenza alle alte temperature, e resistenza all'ossidazione. Sono comunemente utilizzati nelle industrie che richiedono materiali in grado di resistere ad ambienti difficili, come la lavorazione chimica, industria aerospaziale, e produzione di energia.

Alcune comuni leghe di nichel utilizzate nei sistemi di tubazioni includono:

• Inconel 600: Lega di nichel-cromo con eccellente resistenza all'ossidazione e alla corrosione alle alte temperature.
• Inconel 625: Una lega di nichel-cromo-molibdeno nota per la sua elevata robustezza e resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale.
• Monel 400: Una lega di nichel-rame con buona resistenza alla corrosione in un'ampia gamma di ambienti, compresi l'acqua di mare e gli ambienti acidi.
• Hastelloy C-276: Una lega di nichel-molibdeno-cromo con eccellente resistenza a un'ampia gamma di agenti corrosivi, compresi gli acidi forti e gli ambienti contenenti cloruro.

acciai inossidabili

Gli acciai inossidabili sono leghe a base di ferro che contengono almeno 10.5% cromo, che conferisce loro la caratteristica resistenza alla corrosione. Gli acciai inossidabili sono ampiamente utilizzati in settori come la lavorazione alimentare, prodotti farmaceutici, e petrolio e gas grazie alla loro resistenza alla corrosione e alla facilità di fabbricazione.

I tipi comuni di acciaio inossidabile utilizzati nei sistemi di tubazioni includono:

• 304 In acciaio inox: Un acciaio inossidabile austenitico con buona resistenza alla corrosione ed eccellente formabilità.
• 316 In acciaio inox: Un acciaio inossidabile austenitico con aggiunta di molibdeno per una migliore resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale.
• 321 In acciaio inox: Un acciaio inossidabile austenitico stabilizzato con titanio per prevenire la precipitazione del carburo durante la saldatura.
• Acciaio inossidabile duplex: Un acciaio inossidabile con una microstruttura mista di austenite e ferrite, offrendo elevata robustezza ed eccellente resistenza alla tensocorrosione.

Processo di saldatura per imburrare tubi in acciaio legato al nichel e tubi in acciaio inossidabile

Fare un passo 1: Anche se il test è stato fatto

Il primo passo nel processo di saldatura è la selezione dei materiali appropriati in lega di nichel e acciaio inossidabile. La scelta dei materiali dipende dall'applicazione specifica, ambiente operativo, e le proprietà richieste per il giunto di saldatura finale.

Per esempio, se l'applicazione prevede temperature elevate e ambienti corrosivi, Inconel 625 può essere scelto per la lega di nichel, Mentre 316 per il tubo in acciaio inossidabile è possibile selezionare l'acciaio inossidabile.

Fare un passo 2: Selezione del materiale di riempimento

Il materiale d'apporto utilizzato per la spalmatura e la saldatura gioca un ruolo cruciale nella riuscita della saldatura. Il materiale di riempimento deve essere compatibile sia con la lega di nichel che con l'acciaio inossidabile per evitare problemi come le crepe, corrosione, e diluizione.

I comuni materiali d'apporto utilizzati per saldare le leghe di nichel all'acciaio inossidabile includono:

• ERNiCr-3: Un materiale d'apporto al nichel-cromo comunemente utilizzato per la saldatura dell'Inconel 600 all'acciaio inossidabile.
• ERNiCrMo-3: Materiale d'apporto al nichel-cromo-molibdeno utilizzato per la saldatura dell'Inconel 625 e Hastelloy C-276 all'acciaio inossidabile.
• ERNiCu-7: Un materiale d'apporto in nichel-rame utilizzato per la saldatura del Monel 400 all'acciaio inossidabile.

Fare un passo 3: Imburrare il tubo in acciaio inossidabile

Il processo di imburrazione prevede l'applicazione di uno strato di materiale di riempimento sul tubo in acciaio inossidabile prima che venga effettuata la saldatura finale. Questo strato funge da zona di transizione tra l'acciaio inossidabile e la lega di nichel, riducendo il rischio di crepe e corrosione.

Procedura di imburratura:

1. Preparazione della superficie: La superficie del tubo in acciaio inossidabile deve essere pulita accuratamente per rimuovere eventuali contaminanti, come l'olio, Grasso, o strati di ossido. Questo può essere fatto utilizzando metodi meccanici (per esempio., macinatura) o pulizia chimica.
2. Preriscaldamento: A seconda dello spessore dei materiali e delle leghe specifiche da saldare, potrebbe essere necessario il preriscaldamento per ridurre il rischio di rotture. Le temperature di preriscaldamento variano tipicamente da 100°C a 200°C.
3. Passaggio di imburrazione: Uno strato di materiale di riempimento (per esempio., ERNiCrMo-3) viene applicato al tubo in acciaio inossidabile utilizzando un processo di saldatura come GTAW (Saldatura ad arco di tungsteno a gas) o SMAW (Saldatura ad arco di metallo schermato). Lo strato di imburrazione deve essere sufficientemente spesso da evitare la diluizione con il metallo di base durante la saldatura finale.
4. Ispezione: Dopo l'applicazione dello strato di imburrazione, dovrebbe essere ispezionato per difetti come crepe, porosità, o fusione incompleta. Controlli non distruttivi (NDT) metodi come test ad ultrasuoni o test radiografici possono essere utilizzati per garantire la qualità dello strato di burro.

Fare un passo 4: Saldatura della lega di nichel all'acciaio inossidabile imburrato

Una volta applicato lo strato di imburrazione sul tubo in acciaio inox, la saldatura finale può essere effettuata tra il tubo in lega di nichel ed il tubo in acciaio inox imburrato.

Procedura di saldatura:

1. Processo di saldatura: Il processo di saldatura utilizzato per unire la lega di nichel al tubo in acciaio inossidabile imburrato può variare a seconda dei materiali e dell'applicazione specifici. I processi di saldatura comuni includono:
   • GTAW (Saldatura TIG): Fornisce un controllo preciso sulla saldatura ed è comunemente utilizzato per saldature di alta qualità in applicazioni critiche.
   • SMAW (Saldatura a bastone): Un processo versatile che può essere utilizzato per la saldatura in varie posizioni e ambienti.
   • GMAW (Saldatura MIG): Adatto per velocità di saldatura più elevate e materiali più spessi.
2. Materiale di riempimento: Lo stesso materiale di riempimento utilizzato per imburrare (per esempio., ERNiCrMo-3) dovrebbe essere utilizzato per la saldatura finale per garantire la compatibilità tra la lega di nichel e lo strato imburrato.
3. Parametri di saldatura: I parametri di saldatura, come la corrente di saldatura, voltaggio, e velocità di viaggio, devono essere attentamente controllati per evitare surriscaldamenti e distorsioni. La tabella seguente fornisce i parametri di saldatura tipici per i processi GTAW e SMAW:

Processo di saldatura	Materiale di riempimento	Attuale (A)	Voltaggio (V)	Velocità di viaggio (mm/min)	Temperatura di preriscaldamento (° C)	Temperatura di interpassaggio (° C)
GTAW (TIG)	ERNiCrMo-3	100-150	10-14	100-150	100-200	150-250
SMAW (Bastone)	ERNiCrMo-3	80-120	20-24	80-120	100-200	150-250
GMAW (ME)	ERNiCrMo-3	150-200	20-25	150-200	100-200	150-250

4. Trattamento Termico Post Saldatura (PWHT): A seconda dei materiali e dell'applicazione, può essere necessario un trattamento termico post-saldatura per alleviare le tensioni residue e migliorare le proprietà meccaniche della saldatura. Le temperature del PWHT variano tipicamente da 600°C a 800°C, a seconda delle leghe specifiche da saldare.

Fare un passo 5: Ispezione e test

Al termine del processo di saldatura, il giunto di saldatura deve essere ispezionato e testato per garantirne la qualità e l'integrità. I metodi di ispezione comuni includono:

• Ispezione visuale: Il giunto di saldatura viene ispezionato visivamente per eventuali difetti superficiali come crepe, porosità, o fusione incompleta.
• Controlli non distruttivi (NDT): Metodi come i test ad ultrasuoni (OUT), esame radiografico (RT), o test con coloranti penetranti (P.T) può essere utilizzato per rilevare difetti interni nel giunto saldato.
• Prove meccaniche: Prove meccaniche come prove di trazione, prova di piegatura, oppure è possibile eseguire prove di impatto per valutare la resistenza e la tenacità del giunto saldato.

Sfide nella saldatura di leghe di nichel su acciaio inossidabile

La saldatura delle leghe di nichel sull'acciaio inossidabile presenta diverse sfide a causa delle differenze nella loro composizione chimica e nelle proprietà fisiche. Alcune delle sfide principali includono:

1. Mancata corrispondenza della dilatazione termica

Le leghe di nichel e gli acciai inossidabili hanno coefficienti di dilatazione termica diversi, che possono portare a stress termici durante il riscaldamento e il raffreddamento. Queste sollecitazioni possono causare fessurazioni nel giunto saldato, soprattutto in tubi a pareti spesse o geometrie complesse.

2. Diluizione

Durante la saldatura, i metalli di base (lega di nichel e acciaio inossidabile) può mescolarsi con il materiale di riempimento, portando alla diluizione. Ciò può comportare una saldatura con proprietà meccaniche o resistenza alla corrosione indesiderate. Lo strato imburrante aiuta a ridurre la diluizione creando un'interfaccia più compatibile tra i due metalli diversi.

3. Corrosione

La saldatura di metalli diversi può creare celle galvaniche, portando ad una corrosione accelerata del giunto saldato. L'uso di un materiale di riempimento compatibile (per esempio., ERNiCrMo-3) e adeguati trattamenti post-saldatura possono aiutare a mitigare questo problema.

4. Cracking

Possono verificarsi fessurazioni durante o dopo la saldatura a causa delle sollecitazioni termiche, diluizione, o infragilimento da idrogeno. Preriscaldamento, parametri di saldatura controllati, e il trattamento termico post-saldatura può aiutare a ridurre il rischio di fessurazioni.

tavolo: Composizione chimica delle comuni leghe di nichel e degli acciai inossidabili

Materiale	Nichel (NI)	Cromo (CR)	Molibdeno (Mo)	Ferro (Fe)	Rame (Cu)	Carbonio (C)	Altri elementi
Inconel 600	72 min	14-17	–	6-10	–	0.15 Max	MN, Si, S
Inconel 625	58 min	20-23	8-10	5 Max	–	0.10 Max	NB, MN, Si
Monel 400	63 min	–	–	2.5 Max	28-34	0.30 Max	MN, Si, S
Hastelloy C-276	57 min	14.5-16.5	15-17	4-7	–	0.01 Max	W, MN, Si, S
304 In acciaio inox	8-10.5	18-20	–	Equilibrio	–	0.08 Max	MN, Si, P, S
316 In acciaio inox	10-14	16-18	2-3	Equilibrio	–	0.08 Max	MN, Si, P, S
321 In acciaio inox	9-12	17-19	–	Equilibrio	–	0.08 Max	Ti, MN, Si, P, S
Acciaio inossidabile duplex	4.5-6.5	22-23	3-3.5	Equilibrio	–	0.03 Max	MN, Si, P, S

Conclusione

La saldatura di tubi in acciaio legato al nichel su tubi in acciaio inossidabile utilizzando la tecnica della spalmatura è un processo complesso che richiede un'attenta attenzione alla selezione dei materiali, materiale di riempimento, parametri di saldatura, e trattamenti post-saldatura. Applicando uno strato di burro di materiale riempitivo compatibile, il rischio di fessurazioni, corrosione, e la diluizione può essere significativamente ridotta, ottenendo un giunto saldato di alta qualità.

Il successo della saldatura dipende dalla corretta preparazione della superficie, preriscaldamento, parametri di saldatura controllati, e controlli e test approfonditi. Seguendo le linee guida e le migliori pratiche descritte in questa guida, puoi garantire una saldatura affidabile e duratura tra tubi in lega di nichel e acciaio inossidabile.

Per ulteriori informazioni o assistenza sulla saldatura di metalli diversi, consultatevi con un ingegnere di saldatura o uno specialista dei materiali che può fornire una guida esperta sui requisiti specifici del vostro progetto.