Cijevi za električno grijanje zavarene od nehrđajućeg čelika 316 – bilo za spajanje dijelova cijevi, pričvršćivanje završnih kapa ili prirubnica za montiranje – doživljavaju temperaturni gradijent u zoni utjecaja topline (HAZ) koja može doseći 500-700 stupnjeva tijekom hlađenja. Iako je ovaj temperaturni raspon ispod tradicionalnog raspona osjetljivosti za taloženje krom karbida (550–850 stupnjeva), kombinirani učinci višestrukih prolaza zavarivanjem, zaostala toplina iz naknadnih operacija i debelih dijelova cijevi mogu proizvesti kumulativnu toplinsku izloženost dovoljnu za stvaranje granica zrna -osiromašenih kromom. U radu s razrijeđenom sumpornom kiselinom (0,5–5% H₂SO₄) na umjerenim temperaturama od 50–80 stupnjeva – uobičajenim u kupkama za kemijsko dekapiranje, spremnicima za ispiranje završne obrade metala i pročišćivačima za odsumporavanje dimnih plinova – ove osjetljive granice zrna podliježu brzoj interkristalnoj koroziji, što dovodi do potpunog odvajanja zavara od osnovnog metala ili stvaranja duboke šupljine. napad-linijom noža neposredno uz liniju fuzije zavara. Za razliku od rupičaste ili pukotinske korozije, međukristalna korozija se odvija ravnomjerno duž granica zrna, uzrokujući gubitak mehaničkog integriteta prije nego što se otkrije značajno stanjivanje stijenke. Ovaj članak kvantificira razvoj osjetljivosti u zavarenim omotačima 316 pod tipičnim toplinskim ciklusima izrade i daje smjernice za specifikaciju zavarivanja za uslugu razrijeđene kiseline.
Uvjeti praga osjetljivosti za interkristalnu koroziju 316 u razrijeđenoj sumpornoj kiselini
Konvencionalni test osjetljivosti za austenitne nehrđajuće čelike koristi kipuću dušičnu kiselinu (Hueyjev test) ili Straussov test (bakar-bakreni sulfat u 16% sumpornoj kiselini) za otkrivanje taloženja krom karbida. Međutim, ovi ubrzani testovi rade na 100 stupnjeva ili više i koriste uvjete koncentrirane kiseline koji nisu reprezentativni za mnoge industrijske usluge razrijeđene kiseline. U 1–5% H₂SO₄ na 50–80 stupnjeva, stupanj praga osjetljivosti (DOS) potreban za stvaranje međukristalne korozije je niži nego u kipućim koncentriranim kiselinama. Ispitivanje elektrokemijske potenciokinetičke reaktivacije (EPR) kalibrirano dozimetrijom pokazuje da intergranularna korozija u razrijeđenom H₂SO₄ započinje pri niskim vrijednostima DOS od 3–5%, u usporedbi s 8–10% potrebnim za detekciju u kipućoj dušičnoj kiselini.
Kontrolirani toplinski tretmani primijenjeni su na 316 uzoraka plašta od nehrđajućeg čelika (stjenka od 1,5 mm, autogeno TIG zavarivanje) kako bi se simulirali različiti uvjeti hlađenja zavara. Uzorci su zatim izloženi 2% H₂SO4 na 70 stupnjeva tijekom 500 sati, a dubina interkristalne korozije je izmjerena metalografski.
| Simulirani toplinski uvjeti | Ekvivalent HAZ vremena na 500–700 stupnjeva (minute) | EPR DOS (%) | Intergranularna dubina napada nakon 500 sati u 2% H₂SO₄ na 70 stupnjeva (µm) | Cjelovitost zavara Nakon 2000 sati |
|---|---|---|---|---|
| Brzo hlađenje (kao-zavareno, tanka stijenka 1,0 mm) | 0.5 | 2 | 8 | Netaknuta |
| Standardno hlađenje (kao-zavareno, stijenka od 1,5 mm) | 2 | 4 | 22 | Neoštećeno, sitno jetkanje granica zrna |
| Više prolaza (2 prolaza zavara na istom spoju, 2,0 mm zid) | 6 | 8 | 65 | Neka zrna-ispadaju na površini |
| Sporo hlađenje (nedovoljno plina za pročišćavanje, stijenka od 1,5 mm) | 10 | 12 | 140 | Značajne intergranularne pukotine, zahvaćeno 30% stijenke |
| Ublažavanje naprezanja nakon-zavarivanja (500 stupnjeva, 2 sata) | 120 (ukupno) | 18 | 280 | Opaženo ozbiljno odvajanje zavara |
| Otopina žarena (1050 stupnjeva, kaljenje vodom nakon zavarivanja) | 0 (rekristalizirano) | <1 | 5 | Netaknuta |
Kritično otkriće je da standardna-zavarena 316 cijev s omotačem s debljinom stijenke od 1,5 mm i TIG zavarivanjem u jednom-prolasku (približno 2 minute kumulativnog vremena u rasponu od 500–700 stupnjeva) proizvodi DOS od 4–5% – dovoljno da izazove mjerljiv intergranularni napad nakon 500 sati u razrijeđenoj sumpornoj kiselini. Cijev s debljim zidom (2,0 mm i više) ili više{12}}zavareni spojevi izloženi su duljoj toplini i postaju značajno osjetljivi. Ublažavanje naprezanja nakon -zavarivanja na 500 stupnjeva – ponekad određeno za smanjenje zaostalih naprezanja – nenamjerno uzrokuje dodatnu osjetljivost dodavanjem više vremena u rasponu taloženja karbida.
Napad nožem-u blizini 316 zavara u radu s razrijeđenom kiselinom
Osobito agresivan oblik interkristalne korozije uočen u zavarenim 316 omotačima izloženim razrijeđenom H₂SO₄ je napad nožem-line (KLA). Ova lokalizirana korozija javlja se unutar uskog pojasa (širine 50–200 µm) neposredno uz liniju taljenja zavara, gdje su temperature tijekom zavarivanja bile dovoljno visoke za otapanje kromovih karbida, ali dovoljno niske da dopuste ponovno-taloženje tijekom hlađenja. Rezultat je područje ekstremnog osiromašenja kroma (samo 8–10% Cr) koje preferirano korodira, stvarajući duboki utor koji se širi paralelno sa zavarom.
Kontrolirani testovi uranjanja 316 zavarenih kupona u 3% H₂SO₄ na 60 stupnjeva pokazali su:
Osnovni metal (10 mm od zavara): Opća stopa korozije 0,03 mm/godišnje
ZUT zavara (1–2 mm od linije spajanja): intergranularni napad 0,12 mm/godišnje (stopa prodiranja)
Zona linije noža (50–200 µm od linije fuzije): stopa produbljivanja 0,45 mm/godišnje, dubina utora 90 µm nakon 200 sati
Za plašt debljine 1,5 mm, produbljivanje KLA utora od 0,45 mm/godišnje bi probušilo stijenku za približno 3,3 godine. U praksi se kvarovi događaju prije jer žlijeb djeluje kao koncentrator naprezanja, a toplinski ciklusi ili vibracije uzrokuju pucanje od vrha žlijeba.
Koncentracija kiseline i temperaturni pragovi za intergranularni napad
Ozbiljnost interkristalne korozije na senzibiliziranim 316 omotačima u sumpornoj kiselini jako ovisi o koncentraciji kiseline i temperaturi. Testovi na uzorcima s DOS-om od 8% (predstavnik više-zavara na cijevi od 2,0 mm sa stijenkom) bili su izloženi različitim koncentracijama H₂SO₄ na različitim temperaturama tijekom 500 sati, a izmjerena je dubina intergranularnog napada.
| Koncentracija H₂SO₄ (%) | Temperatura (stupnjevi) | Intergranularna dubina napada (µm) | Morfologija korozije |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 50 | 12 | Blago jetkanje granica zrna |
| 0.5 | 80 | 35 | Plitki intergranularni |
| 1 | 50 | 35 | Intergranularno, jednolično |
| 1 | 80 | 110 | Duboko intergranularno, zrno pada |
| 2 | 50 | 45 | Intergranularni |
| 2 | 80 | 140 | Teška, pucajuća |
| 5 | 50 | 25 (smanjeno) | Opće + intergranularno miješano |
| 5 | 80 | 60 | Mješoviti način rada |
| 10 | 50 | 8 (dalje smanjeno) | Uniformna opća korozija |
Najagresivnije okruženje za međukristalnu koroziju senzibiliziranog 316 je razrijeđena H₂SO₄ (1–2%) na 70–80 stupnjeva. Veće koncentracije kiseline (iznad 5%) pomiču mehanizam korozije prema ravnomjernom (općem) napadu, koji je manje štetan jer ne koncentrira naprezanje. Niže temperature (ispod 50 stupnjeva) smanjuju stopu napada za faktor 5-10. Za primjene izvan 1–2% H₂SO₄, raspona od 70–80 stupnjeva, senzibilizirani 316 može imati odgovarajuće rezultate unatoč mjerljivom DOS-u.
Primjeri kvarova u završnoj obradi metala i kemijskoj obradi
Istraživanje 316 električnih grijaćih cijevi obloženih nehrđajućim čelikom koje su otkazale u radu s razrijeđenom sumpornom kiselinom identificiralo je interkristalnu koroziju-povezanu sa zavarivanjem kao uzrok u 52 od 74 kvara (70%). Tri reprezentativna slučaja ilustriraju obrazac:
Slučaj 1 – Kupka za dekapiranje metala (2% H₂SO₄, 75 stupnjeva, rad s prekidima). Grijač sa zavarenom završnom kapom otkazao je nakon 14 mjeseci. Ispitivanje je pokazalo KLA na zavarenom završnom poklopcu, s utorom dubokim 0,8 mm na stijenci od 1,5 mm. Zavar je napravljen u dva prolaza i bez toplinske obrade nakon-zavarivanja. Zamjenski grijači s-jednoprolaznim, brzo-hlađenim zavarima i otopinom-žarene cijevi izdržali su 36 mjeseci.
Slučaj 2 – Grijač za desulfurizaciju dimnih plinova (1% H₂SO₄, 65 stupnjeva, kontinuirano). Varovi prirubnice otkazali su nakon 22 mjeseca zbog intergranularnog pucanja. Prirubnica je bila-oslobođena naprezanja na 500 stupnjeva nakon zavarivanja – standardna praksa za tlačne posude koje su nenamjerno senzibilizirale 316. Zamjenski grijači proizvedeni bez rasterećenja nakon -zavarivanja i korištenjem 316L (0,02% C) nisu pokazali interkristalnu koroziju nakon 48 mjeseci.
Slučaj 3 – Zavojnice za grijanje tankera za kemikalije (3% H₂SO₄, 80 stupnjeva, šaržni rad). Zavareni spojevi cijevi otkazali su potpunim odvajanjem u ZUT-u nakon 9 mjeseci. Cijevi su bile standardne 316 (0,06% C) s debelim -stijenkama od 2,5 mm, što je zahtijevalo više prolaza zavarivanjem. Prelaskom na 316L sa stijenkom od 2,0 mm i jedno-prolazom,-brzinskim orbitalnim zavarivanjem produžen je radni vijek preko 60 mjeseci.
Jezik specifikacije za uslugu razrijeđene sumporne kiseline
Prilikom nabave električnih grijaćih cijevi obloženih nehrđajućim čelikom 316 za rad s razrijeđenom H₂SO₄ između 0,5% i 5% koncentracije i temperaturama iznad 50 stupnjeva, inženjeri bi trebali uključiti sljedeće zahtjeve za zavarivanje i materijale. Navedite 316L (UNS S31603) s maksimalnim sadržajem ugljika od 0,03% umjesto 316 (0,08% C) kako biste smanjili sklonost preosjetljivosti. Zahtijevajte da svi zavari budu napravljeni korištenjem jedno{11}}autogenog TIG zavarivanja gdje je to moguće, uz brzo hlađenje (bez prethodnog zagrijavanja, odgovarajući protok plina za pročišćavanje). Više{13}}zavarivanje nije dopušteno na plaštima s debljinom stijenke ispod 2,5 mm. Toplinska obrada nakon -zavarivanja bilo koje vrste – uključujući smanjenje naprezanja na 400–600 stupnjeva – zabranjena je osim ako nije praćeno žarenjem u punoj otopini na 1050 stupnjeva i kaljenjem vodom, što se mora izvesti prije konačnog sastavljanja ako unutarnji grijaći element još nije instaliran. Provjerite kvalitetu zavara zahtijevajući da se kupon iz svake serije zavara (ili iz reprezentativne cijevi istog promjera i debljine stijenke) testira prema ASTM A262 Practice E (Straussov test) s maksimalnom prihvatljivom dubinom interkristalne korozije od 30 µm nakon 72 sata. Za kritične primjene s koncentracijama H₂SO₄ od 1–2% i temperaturama od 70–80 stupnjeva, razmislite o nadogradnji na 904L (UNS N08904) ili leguru 20 (UNS N08020), koje imaju veći sadržaj molibdena i nikla i inherentno su otporne na osjetljivost i interkristalnu koroziju u razrijeđenim kiselinama bez obzira na uvjete zavarivanja. Baveći se osjetljivošću zavara kao projektnim parametrom specifičnim za uslugu razrijeđene sumporne kiseline – ne oslanjajući se na-prakse zavarivanja nehrđajućeg čelika opće namjene – inženjeri mogu produžiti život grijača s mjeseci na godine u jednom od najagresivnijih okruženja za zavareni austenitni nehrđajući čelik.
