Електрически нагревателни тръби, заварени от неръждаема стомана 316 – независимо дали за съединяване на тръбни секции, закрепване на крайни капачки или монтажни фланци – изпитват температурен градиент в зоната, засегната от топлина- (HAZ), която може да достигне 500–700 градуса по време на охлаждане. Въпреки че този температурен диапазон е под традиционния диапазон на сенсибилизация за утаяване на хромен карбид (550–850 градуса), комбинираните ефекти от многобройни заваръчни проходи, остатъчна топлина от последващи операции и дебели тръбни секции могат да доведат до кумулативно топлинно излагане, достатъчно за образуване на-обеднени на хром граници на зърната. При работа с разредена сярна киселина (0,5–5% H₂SO₄) при умерени температури от 50–80 градуса – обичайно във ваните за химическо байцване, резервоарите за изплакване за довършване на метала и скруберите за десулфуризация на димни газове – тези сенсибилизирани граници на зърната претърпяват бърза междукристална корозия, водеща до пълно отделяне на заваръчния шев от основния метал или образуване на дълбоки атака на нож-линия непосредствено до линията на заваряване. За разлика от питинговата или пукнатината корозия, междукристалната корозия протича равномерно по границите на зърната, причинявайки загуба на механична цялост, преди значително изтъняване на стените да бъде открито. Тази статия определя количествено развитието на сенсибилизация в заварени обвивки 316 при типични производствени термични цикли и предоставя насоки за спецификация на заваряване за обслужване с разредена киселина.
Прагови условия на сенсибилизация за междукристална корозия на 316 в разредена сярна киселина
Конвенционалният тест за чувствителност за аустенитни неръждаеми стомани използва кипяща азотна киселина (тест на Хюи) или тест на Щраус (меден-меден сулфат в 16% сярна киселина) за откриване на утаяване на хромен карбид. Въпреки това, тези ускорени тестове работят при 100 градуса или повече и използват условия на концентрирана киселина, които не са представителни за много индустриални услуги за разредена киселина. В 1–5% H₂SO₄ при 50–80 градуса, праговата степен на сенсибилизация (DOS), необходима за предизвикване на междукристална корозия, е по-ниска, отколкото при кипящи концентрирани киселини. Тестът за електрохимично потенциокинетично реактивиране (EPR), калибриран с дозиметрия, показва, че междукристална корозия в разредена H₂SO₄ започва при стойности на DOS толкова ниски, колкото 3–5%, в сравнение с 8–10%, необходими за откриване в кипяща азотна киселина.
Контролирани термични обработки бяха приложени към 316 проби от обвивка от неръждаема стомана (1,5 mm стена, автогенно TIG заваряване), за да се симулират различни условия на охлаждане на заваръчния шев. След това пробите бяха изложени на 2% H2SO4 при 70 градуса за 500 часа и дълбочината на междукристална корозия беше измерена металографски.
| Симулирани топлинни условия | Еквивалентно време на HAZ при 500–700 градуса (минути) | EPR DOS (%) | Междугранулна дълбочина на атака след 500 часа в 2% H₂SO₄ при 70 градуса (µm) | Цялост на заварката след 2000 часа |
|---|---|---|---|---|
| Бързо охлаждане (като-заварена, тънка стена 1,0 mm) | 0.5 | 2 | 8 | Непокътнати |
| Стандартно охлаждане (като-заварено, 1,5 mm стена) | 2 | 4 | 22 | Ненарушено, незначително ецване на границите на зърното |
| Множество прохода (2 заварки на една и съща фуга, 2,0 mm стена) | 6 | 8 | 65 | Някои зърна падат-на повърхността |
| Бавно охлаждане (недостатъчен продухващ газ, 1,5 mm стена) | 10 | 12 | 140 | Значително междузърнесто напукване, 30% засегната стена |
| Освобождаване на напрежението след{0}}заваряване (500 градуса, 2 часа) | 120 (общо) | 18 | 280 | Наблюдава се сериозно отделяне на заваръчен шев |
| Отгрят разтвор (1050 градуса, закаляване с вода след заваряване) | 0 (рекристализиран) | <1 | 5 | Непокътнати |
Критичното откритие е, че стандартната -заварена тръба с обвивка 316 с дебелина на стената 1,5 mm и еднократно -заваряване TIG (приблизително 2 минути кумулативно време в диапазона 500–700 градуса) произвежда DOS от 4–5% – достатъчно, за да предизвика измерима междукристална атака след 500 часа в разредена сярна киселина. Тръбите с по-тежка стена (2,0 mm и повече) или многопроходните заварки са подложени на по-дълго термично излагане и стават значително чувствителни. Освобождаването на напрежението след заваряване при 500 градуса – понякога определено за намаляване на остатъчните напрежения – неволно причинява допълнителна сенсибилизация чрез добавяне на повече време в диапазона на утаяване на карбид.
Нападение-на линия в съседство с 316 заварки в услуга с разредена киселина
Особено агресивна форма на междукристална корозия, наблюдавана в заварени 316 обвивки, изложени на разредена H₂SO₄, е атака с нож -line (KLA). Тази локализирана корозия възниква в тясна ивица (широка 50–200 µm) в непосредствена близост до линията на заваряване, където температурите по време на заваряване са достатъчно високи, за да разтворят хромните карбиди, но достатъчно ниски, за да позволят повторно-утаяване по време на охлаждане. Резултатът е област с екстремно изчерпване на хром (до 8–10% Cr), която корозира преференциално, образувайки дълбока бразда, която се разпространява успоредно на заваръчния шев.
Контролирани тестове за потапяне на 316 заварени купона в 3% H₂SO₄ при 60 градуса показаха:
Основен метал (10 mm от заваръчния шев): Обща скорост на корозия 0,03 mm/година
HAZ на заваръчния шев (1–2 mm от линията на топене): Междукристална атака 0,12 mm/година (скорост на проникване)
Зона на -линията на ножа (50–200 µm от линията на сваряване): Скорост на вдълбочаване 0,45 mm/година, дълбочина на канала 90 µm след 200 часа
За обвивка с дебелина 1,5 mm, KLA канал, задълбочаващ се с 0,45 mm/година, би перфорирал стената за приблизително 3,3 години. На практика повредите възникват по-рано, тъй като жлебът действа като концентратор на напреженията и термичните цикли или вибрациите причиняват напукване от върха на жлеба.
Киселинна концентрация и температурни прагове за междугранулна атака
Тежестта на междукристалната корозия върху сенсибилизирани 316 обвивки в сярна киселина зависи силно от концентрацията на киселината и температурата. Тестовете на проби с DOS от 8% (представителни за многопроходна заварка върху 2,0 mm стена на тръбата) бяха изложени на различни концентрации на H₂SO4 при различни температури в продължение на 500 часа и беше измерена дълбочината на междукристална атака.
| Концентрация на H₂SO₄ (%) | Температура (градус) | Междукристална дълбочина на атака (µm) | Морфология на корозията |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 50 | 12 | Меко ецване на границите на зърното |
| 0.5 | 80 | 35 | Плитки междузърнести |
| 1 | 50 | 35 | Междузърнести, еднородни |
| 1 | 80 | 110 | Дълбоко междузърнесто, падащо зърно |
| 2 | 50 | 45 | Междузърнести |
| 2 | 80 | 140 | Тежка, напукваща |
| 5 | 50 | 25 (намален) | Общ + междузърнест смесен |
| 5 | 80 | 60 | Смесен режим |
| 10 | 50 | 8 (допълнително намалено) | Равномерна обща корозия |
Най-агресивната среда за междукристална корозия на сенсибилизиран 316 е разредена H₂SO₄ (1–2%) при 70–80 градуса. По-високите киселинни концентрации (над 5%) изместват корозионния механизъм към равномерно (общо) нападение, което е по-малко вредно, тъй като не концентрира напрежението. По-ниските температури (под 50 градуса) намаляват степента на атака с фактор 5-10. За приложения извън 1–2% H₂SO₄, диапазон от 70–80 градуса, сенсибилизираният 316 може да работи адекватно въпреки измеримото DOS.
Примери за повреда на място при довършителна обработка на метали и химическа обработка
Проучване на 316 електрически нагревателни тръби с обшивка от неръждаема стомана, повредени при обслужване с разредена сярна киселина, идентифицира свързаната със заваряването-междукристална корозия като причина за 52 от 74 повреди (70%). Три представителни случая илюстрират модела:
Случай 1 – Вана за декапиране на метал (2% H₂SO₄, 75 градуса, работа с прекъсвания). Нагревател със заварена крайна капачка се провали след 14 месеца. Изследването показа KLA при заварката на крайната капачка, с жлеб с дълбочина 0,8 mm върху стена с дебелина 1,5 mm. Заваръчният шев е направен с две преминавания и без термична обработка след-заваряването. Резервните нагреватели с еднопроходни-бързо{12}}охлаждащи се заварки и разтвор-закалени тръби издържаха 36 месеца.
Случай 2 – Скруберен нагревател за десулфуризация на димни газове (1% H₂SO₄, 65 градуса, непрекъснато). Заваръчните шевове на фланеца се развалиха след 22 месеца поради междукристално напукване. Фланецът беше -освободен от напрежението при 500 градуса след заваряване – стандартна практика за съдове под налягане, която по невнимание чувстви 316. Резервните нагреватели, произведени без -освобождаване на напрежението след заваряване и използващи 316L (0,02% C), не показаха междукристална корозия след 48 месеца.
Случай 3 – Нагревателни намотки на танкер за химикали (3% H₂SO₄, 80 градуса, групова работа). Заварените тръбни съединения се повредиха чрез пълно отделяне в HAZ след 9 месеца. Тръбата беше стандартна 316 (0,06% C) с дебел-калибър 2,5 mm стена, изискваща многократни заваръчни проходи. Преминаването към 316L с 2,0 mm стена и едно-проходно, високо-скоростно орбитално заваряване удължава експлоатационния живот над 60 месеца.
Език на спецификацията за обслужване на разредена сярна киселина
Когато доставят електрически нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316 за обслужване с разреден H₂SO₄ между 0,5% и 5% концентрация и температури над 50 градуса, инженерите трябва да включат следните изисквания за заваряване и материали. Посочете 316L (UNS S31603) с максимално въглеродно съдържание от 0,03%, а не 316 (0,08% C), за да намалите склонността към сенсибилизация. Изисквайте всички заварки да се извършват чрез едно{11}}автогенно TIG заваряване, където е възможно, с бързо охлаждане (без предварително нагряване, подходящ поток на продухващ газ). Много{13}}заваръчни шевове не са разрешени на обвивки с дебелина на стената под 2,5 mm. Термична обработка след{16}}заваряване от всякакъв вид – включително облекчаване на напрежението при 400–600 градуса – е забранена, освен ако не е последвано от загряване в пълен разтвор при 1050 градуса и закаляване с вода, което трябва да се извърши преди окончателното сглобяване, ако вътрешният нагревателен елемент все още не е монтиран. Проверете качеството на заваръчния шев, като изискате образец от всяка партида заваръчен шев (или от представителна тръба със същия диаметър и дебелина на стената) да бъде тестван съгласно ASTM A262 Практика Е (тестът на Strauss) с максимална допустима дълбочина на междукристална корозия от 30 µm след 72 часа. За критични приложения с концентрации на H₂SO₄ от 1–2% и температури от 70–80 градуса, помислете за надграждане до 904L (UNS N08904) или сплав 20 (UNS N08020), които имат по-високо съдържание на молибден и никел и по своята същност са устойчиви на сенсибилизация и междукристална корозия в разредени киселини, независимо от условията на заваряване. Като разглеждат чувствителността на заваръчните шевове като проектен параметър, специфичен за услугата с разредена сярна киселина – без да разчитат на-практики за заваряване на неръждаема стомана с общо предназначение – инженерите могат да удължат живота на нагревателя от месеци на години в една от най-агресивните среди за заварена аустенитна неръждаема стомана.
