Η οπισθοπληρωτική αντικατάσταση στη συγκόλληση ανοξείδωτων σωλήνων: Πρόληψη του φαινομένου «ζαχαρώματος» και της οξείδωσης της ρίζας

Η οπισθοπληρωτική αντικατάσταση σημαίνει την αντικατάσταση του αέρα εντός ενός ανοξείδωτου σωλήνα με αδρανές αέριο, συνήθως αργό, ώστε η λιωμένη ρίζα της συγκόλλησης να στερεοποιηθεί χωρίς επαφή με το οξυγόνο. Εάν εκτελεστεί σωστά, προλαμβάνεται η «ζαχαρώδης» οξείδωση, δηλαδή η κόκκινη, έντονα οξειδωμένη επιφάνεια της ρίζας, η οποία καταστρέφει την αντοχή στη διάβρωση και δεν μπορεί να αφαιρεθεί με γυάλισμα μόλις δημιουργηθεί. Ο πρακτικός στόχος είναι να μειωθεί η υπόλοιπη ποσότητα οξυγόνου εντός της σύνδεσης κάτω του 0,5% περίπου, και κάτω του 0,1% για εργασίες με υψηλή συγκέντρωση κραμάτων και υψηλής καθαρότητας, πριν ανάψει η πλάσμα-κατασκευή. Μια λαμπερή, καθαρή ρίζα συγκόλλησης δεν είναι απλώς αισθητικής φύσεως· είναι αυτό που διατηρεί το παθητικό φιλμ και τη διάρκεια ζωής του σωλήνα.

Τι είναι η «ζαχαρώδης» οξείδωση και γιατί προκαλείται
Όταν οι αυστηνιτικοί και οι διπλοί ανοξείδωτοι χάλυβες φτάνουν στη θερμοκρασία συγκόλλησης, το χρώμιο προσλαμβάνει οποιοδήποτε οξυγόνο βρίσκεται εντός εμβέλειας. Σε έναν ακαθάριστο σωλήνα, ο εγκλωβισμένος αέρας οξειδώνει τη ζεστή ρίζα, σχηματίζοντας μια τραχιά, σκούρα, ζαχαρώδη στρώση πλούσια σε οξείδια χρωμίου και αφαιρώντας χρώμιο από το μέταλλο ακριβώς κάτω από αυτήν. Αυτή η περιοχή που έχει εκφορτιστεί από χρώμιο δεν μπορεί πλέον να διατηρήσει μια παθητική μεμβράνη, γι’ αυτό η ρίζα καθίσταται το ασθενέστερο σημείο της σύνδεσης έναντι της πιτινγκ, της διάβρωσης σε σχισμές και της διάβρωσης λόγω τάσης.

Το φαινόμενο της ζαχαρώδους οξείδωσης προκαλεί επίσης μηχανικές ζημιές. Η οξειδωτική επικάλυψη είναι εύθραυστη και ανώμαλη· διαταράσσει τη ροή, συγκρατεί αποθέματα και προσφέρει υπόστρωμα για την εκκίνηση διάβρωσης και κόπωσης. Και μόλις συμβεί, η ζημιά είναι μεταλλουργική, όχι απλώς μια επιφανειακή μεμβράνη. Η λείανση του εσωτερικού ενός ολοκληρωμένου σωλήνα είναι σπάνια εφικτή και δεν αποκαθιστά το χρώμιο που χάθηκε από το κράμα, γι’ αυτό η πρόληψή της κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης είναι η μόνη αξιόπιστη λύση.

Ο Ρόλος της Οπισθοπληρώσεως με Αργόν
Η πίσω αποαέρωση λειτουργεί με την πλημμύριση του εσωτερικού της σύνδεσης με αργόν, ένα αδρανές αέριο βαρύτερο από τον αέρα, το οποίο δεν αντιδρά με το καυτό μέταλλο. Καθώς το αργόν ρέει μέσα, αραιώνει και εκτοπίζει τον αέρα που περιέχει οξυγόνο, μέχρις ότου το υπολειπόμενο οξυγόνο μειωθεί σε επίπεδο τόσο χαμηλό, ώστε να μη δημιουργείται σημαντική οξείδωση κατά τη στερέωση. Η συγκόλληση εκτελείται στη συνέχεια με το προστατευτικό αέριο της καύστρας να προστατεύει την εξωτερική επιφάνεια και την αποαέρωση να προστατεύει την εσωτερική, ώστε και οι δύο πλευρές της ρίζας να παραμένουν καθαρές.

Το αργόν είναι η συνήθης επιλογή λόγω της αδρανούς φύσης του, της διαθεσιμότητάς του και της πυκνότητάς του, η οποία του επιτρέπει να καθιζάνει και να εκτοπίζει τον αέρα σε οριζόντιες συνδέσεις. Σε παχύτερες ή υψηλότερης συγκέντρωσης κραμάτων συνδέσεις, ορισμένοι κατασκευαστές προσθέτουν μικρή ποσότητα υδρογόνου στο αργόν για λαμπερότερη ρίζα, αν και οι μίγματα που περιέχουν υδρογόνο χρησιμοποιούνται αποκλειστικά σε αυστηνιτικούς βαθμούς και ποτέ σε διπλούς ή μαρτενσιτικούς χάλυβες λόγω του κινδύνου ρηγμάτων. Η αρχή παραμένει αμετάβλητη: να εμποδίζεται η επαφή της καυτής ρίζας με το οξυγόνο μέχρις ότου ψυχθεί σε θερμοκρασία χαμηλότερη από εκείνη στην οποία συμβαίνει η οξείδωση.

Επίτευξη του Στόχου Οξυγόνου

Η αποτελεσματική εκκένωση μετράται, δεν εκτιμάται. Σφραγίστε τον όγκο που εκκενώνετε, εισάγετε αργόνιο με ελεγχόμενο ρυθμό και παρακολουθείτε την εξαγωγή με αναλυτή οξυγόνου μέχρις ότου η ένδειξη φτάσει τον στόχο πριν από τη συγκόλληση. Ένα συνηθισμένο όριο αποδοχής είναι κάτω του 0,5% υπολειμματικού οξυγόνου για γενικές εργασίες με ανοξείδωτο χάλυβα, με αυστηρότερα όρια για απαιτητικές εφαρμογές.

Ο όγκος και η ροή του αερίου καθαρισμού πρέπει να είναι κατάλληλοι για τη διάμετρο και το μήκος του σωλήνα. Πολύ μικρή ροή αφήνει σημεία αέρα· πολύ μεγάλη ροή προκαλεί τυρβώδη ροή, η οποία μπορεί να διαταράξει τη λιωμένη λεκάνη ή να σβήσει τη ρίζα. Εισάγετε το αργόνιο από το κάτω μέρος και αποβάλλετε τον αέρα από το πάνω μέρος, ώστε ο ελαφρύτερος αέρας να ωθείται μπροστά από το προωθούμενο αδρανές αέριο, και δώστε επαρκές χρόνο καθαρισμού πριν από την έναυση του τόξου.

Φράγματα Καθαρισμού και Πρακτική Διαμόρφωση
Σε μακριές γραμμές, ο καθαρισμός ολόκληρου του σωλήνα είναι αργός και σπατάλη, επομένως διαλυτά ή μηχανικά φράγματα καθαρισμού περιορίζουν μια σύντομη ζώνη γύρω από τη σύνδεση. Τα φράγματα από διαλυτό χαρτί ή φιλμ είναι δημοφιλή, επειδή διαλύονται και απομακρύνονται κατά την αργότερη υδροδοκιμή ή τη λειτουργία, αφήνοντας τίποτα πίσω στη γραμμή. Τα φουσκωτά και τα μηχανικά πώματα είναι επαναχρησιμοποιήσιμα για επαναλαμβανόμενες εργασίες. Ανεξάρτητα από το είδος του φράγματος, πρέπει να παρέχεται ελεγχόμενη εξαερωτική οπή, ώστε η πίεση να μην αυξάνεται και να παραμορφώνει τη ρίζα, και να τυλίγεται ή να καλύπτεται η σχισμή συγκόλλησης μέχρι την έναρξη της συγκόλλησης.
Καλές πρακτικές σημαίνει επίσης να γίνεται απομάκρυνση των αερίων πριν από τη συγκόλληση και να διατηρείται η ροή κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης, να συνεχίζεται η απομάκρυνση των αερίων μέχρι να ψυχθούν η ρίζα και η θερμή πέραση, καθώς και να προστατεύονται οι ανοιχτές άκρες των σωλήνων από τις ριπές. Η Wenqiang εφαρμόζει αυτούς τους ελέγχους σε όλη την παραγωγή συγκολλημένων σωλήνων και σωληνώσεων σύμφωνα με τις προδιαγραφές ASTM A249, A269, A312 και A928, ενώ η ποιότητα των συγκολλήσεων επαληθεύεται με μη καταστροφικές δοκιμές (NDT) και υδροστατικές δοκιμές στο πλαίσιο συστήματος ISO 9001.

Ανάγνωση και Αποδοχή του Χρώματος της Ρίζας
Το χρώμα της τελικής ρίζας αποτελεί μια γρήγορη οπτική ένδειξη της ποσότητας οξυγόνου που έφτασε στο μέταλλο. Μια λαμπερή ασημί ή καφετο-κίτρινη ρίζα υποδηλώνει ελάχιστη οξείδωση και είναι γενικά αποδεκτή. Πιο σκούρα χρώματα, από μπλε μέχρι γκρι, υποδηλώνουν αυξανόμενη οξείδωση, ενώ μια σκούρα γκρι ή μαύρη, κοκκώδης ρίζα αντιστοιχεί σε φαινόμενο «ζαχαρώματος» (sugaring) και απορρίπτεται. Πολλές προδιαγραφές και πρότυπα, όπως το AWS D18.1 για τη συγκόλληση υγιεινικών σωληνώσεων, ορίζουν τα αποδεκτά επίπεδα αποχρωματισμού με χρήση χρωματικών πινάκων.
Επειδή η χρωματική αλλαγή λόγω θέρμανσης μειώνει την αντίσταση στη διάβρωση ακόμα και όταν δεν προκαλείται πλήρης «ζαχαρώδης» οξείδωση, οι εφαρμογές υψηλής καθαρότητας και απαιτητικών συνθηκών απαιτούν τις λαμπρότερες ρίζες και, κατά περίπτωση, καθαρισμό μετά τη συγκόλληση. Η καταγραφή του χρώματος της ρίζας μαζί με τις μετρήσεις οξυγόνου κατά την πλήρωση παρέχει ελέγξιμα στοιχεία ότι η σύνδεση πραγματοποιήθηκε υπό έλεγχο.

Συμπέρασμα
Η πλήρωση από την πίσω πλευρά (back-purging) αποτελεί τη διαφορά μεταξύ μιας ανοξείδωτης συγκόλλησης που αντιστέκεται στη διάβρωση για δεκαετίες και μιας άλλης που αποτυγχάνει από το εσωτερικό προς τα έξω. Αντικαταστήστε τον αέρα με αργόν, μειώστε το υπολειπόμενο οξυγόνο σε επίπεδο κάτω του ~0,5 %, απομονώστε τη σύνδεση με εμπόδια πλήρωσης (purge dams), επαληθεύστε τα αέρια εξόδου με αναλυτή οξυγόνου και αποδέχεστε μόνο λαμπρές, χωρίς οξείδια ρίζες. Εάν το κάνετε αυτό, προστατεύετε το χρώμιο που παρέχει στο ανοξείδωτο την παθητικότητά του. Το αποτέλεσμα είναι μια ρίζα συγκόλλησης με αντίσταση στη διάβρωση ισοδύναμη με αυτήν του μητρικού σωλήνα — ακριβώς αυτό που απαιτούν οι απαιτητικές εφαρμογές στον χημικό, υγιεινικό, τροφίμων και θαλάσσιο τομέα για δεκαετίες λειτουργίας.

Συχνές Ερωτήσεις
Ε: Μπορώ να ξυστριμίσω την «ζαχαρώδη» οξείδωση μετά τη συγκόλληση;
Α: Γενικά όχι. Η ζαχαρώδης οξείδωση είναι οξείδωση της εσωτερικής ρίζας που επίσης μειώνει το χρώμιο από το μέταλλο κάτω από αυτήν, και το εσωτερικό του σωλήνα είναι συνήθως απρόσιτο. Η λείανση δεν μπορεί να αποκαταστήσει το χαμένο χρώμιο, οπότε η πρόληψή του με πίσω αναρρόφηση (back-purging) είναι η μόνη αξιόπιστη προσέγγιση.
Ε: Ποιο επίπεδο υπολειμματικού οξυγόνου πρέπει να επιδιώκω πριν από τη συγκόλληση;
Α: Κάτω του 0,5% είναι αποδεκτό για πολλές εφαρμογές ανοξείδωτου χάλυβα, ενώ για συγκολλήσεις υψηλής συγκέντρωσης κραμάτων, υψηλής καθαρότητας ή για επιθετικές χρήσεις πρέπει να φτάνει κάτω του ~0,1%. Ελέγξτε πάντα με αναλυτή οξυγόνου στην εξαγωγή της αναρρόφησης πριν από την έναρξη του τόξου.

Πηγή: Σωλήνας ανοξείδωτου χάλυβα που συγκολλήθηκε με καθαρισμό από διάβρωση και πίσω αναρρόφηση (back-purged), από τον Wenqiang: +86 577 8922 2595 / https://www.chinawqsteel.com/