Przy jakiej konkretnej kombinacji stężenia kwasu azotowego i temperatury osłona ze stali nierdzewnej 316 o grubości 1,2 milimetra wymaga obniżenia wartości znamionowych poniżej 10 watów na centymetr kwadratowy, aby zapobiec atakowi międzykrystalicznemu w zbiorniku pasywacyjnym?

W przypadku wykańczania metali i produkcji lotniczej inżynierowie zajmujący się procesami zazwyczaj używają kwasu azotowego jako medium dla elektrycznych grzałek zanurzeniowych w zbiornikach pasywacyjnych ze stali nierdzewnej. Roztwory pasywacyjne, zwykle zawierające 20–40% kwasu azotowego, są zwykle stosowane w temperaturze 40–60 stopni w celu wyeliminowania wolnego żelaza i utworzenia jednorodnej powłoki tlenku chromu na częściach ze stali nierdzewnej. 316 stal nierdzewna ma dobrą odporność na korozję w tych warunkach, ponieważ kwas azotowy jest kwasem utleniającym, który utrzymuje warstwę pasywną. Jednakże w podwyższonych temperaturach lub w obecności chlorków lub redukujących środków chemicznych może wystąpić atak międzykrystaliczny, szczególnie w spawanych lub uczulonych obszarach osłony. Pasywacyjne grzejniki zbiornikowe są zwykle budowane ze ściankami o grubości 1,2 mm, aby dopasować je do wymagań przestrzennych i zapewnić szybki transfer ciepła. W artykule wskazano szczególną kombinację stężenia kwasu azotowego i temperatury, w której powłoka 316 o grubości 1,2 mm musi zostać obniżona, aby uzyskać gęstość watową < 10 W/cm2, aby uniknąć ataku międzykrystalicznego.

Mechanizm ataku międzykrystalicznego w 316 wystawionym na działanie kwasu azotowego
The intergranular attack of 316 in nitric acid is caused by the loss of chromium at the grain boundaries due to sensitisation by welding or earlier heat exposure. Nitric acid preferentially attacks these chromium-depleted zones and causes grain boundary corrosion, which can lead to full disintegration of the metal. The vulnerability to intergranular attack in nitric acid is concentration and temperature dependent Significant intergranular assault is observed in 20% nitric acid only at 70°C. In 30% nitric acid the threshold falls to 60° C. attack at above 50°C in 40% nitric acid. Attack is performed in 50% nitric acid >40 stopni. Słabym punktem osłony o grubości 1,2 mm z przyspawanym kołnierzem lub mocowaniem jest strefa-wpływu ciepła spawania. Zastosowana gęstość watów powoduje, że temperatura powierzchni powłoki jest zwykle o 10–20 stopni wyższa niż temperatura kwasu w masie. W 40% kwasie azotowym, w temperaturze masy wynoszącej 55 stopni, powierzchnia osłony może osiągnąć 70–75 stopni, co przekracza próg 50 stopni dla ataku międzykrystalicznego. Niższa gęstość watów minimalizuje wzrost temperatury powierzchni i może utrzymać strefę spoiny poniżej progu ataku.

Krytyczne progi obniżenia wartości znamionowych dla płaszcza o grubości 1,2 mm
Poniższe ograniczenia gęstości watów dotyczą osłony ścianki o grubości 1,2 mm, aby zapobiec atakowi międzykrystalicznemu w strefie wpływu ciepła, w oparciu o badania zanurzeniowe zespawanych próbek 316 w kwasie azotowym w temperaturach i stężeniach odpowiednich dla usługi pasywacji. Wartości dotyczą wzrostu temperatury powierzchni o 15–20 stopni przy 10 W/cm², skalując liniowo wraz z gęstością watów.

Temperatura kwasu w masie Maksymalna temperatura powierzchni osłony, której należy unikać ataku międzykrystalicznego Stężenie kwasu azotowego Maksymalna dopuszczalna gęstość watowa dla osłony o grubości 1,2 mm (wzrost o 15 stopni przy 10 W/cm2) Zalecane działanie 20% 40 stopni 70 stopni 20 W/cm2 Bezpieczne przy każdej praktycznej gęstości watów 20% 50 stopni 70 stopni 13 W/cm2 Zalecane obniżenie wartości znamionowych powyżej 13 W/cm2
20% 60°C 70°C 7 W/cm² Derating needed 20%>65 stopni 70 stopni < 5 W/cm² Użyj materiału 316L lub wyżarzonego
30% 40 stopni 60 stopni 13 W/cm2 Bezpieczny przy umiarkowanej gęstości mocy
30% 45 stopni 60 stopni 10 W/cm2 Marginalne przy 10 W/cm2
30% 50 stopni 60 stopni 7 W/cm² Konieczne zmniejszenie wartości znamionowych 30% > 55 stopni 60 stopni < 5 W/cm² Użyj stopu 316L lub ulepszonego
40% 30°C 50°C 13 W/cm² Acceptable 40% 35°C 50°C 10 W/cm² Marginal 40% 40°C 50°C 7 W/cm² Derating needed 40%>45 stopni > 50 stopni < 5 W/cm² Użyj 316L lub ulepszonego stopu
50% 25 stopni 40 stopni 10 W/cm2 Marginalne 50% 30 stopni 40 stopni 7 W/cm2 Konieczne obniżenie wartości znamionowych 50% Powyżej 35 stopni 40 stopni Poniżej 5 W/cm² 316 Niezalecane
W typowym zbiorniku do pasywacji 30% kwasem azotowym i temperaturze nasypu wynoszącej 50 stopni, płaszcz 316 o grubości 1,2 mm musi zostać obniżony do około 7 W/cm2, aby utrzymać powierzchnię płaszcza poniżej 60 stopni. Powierzchnia osłony ma temperaturę około 65 stopni C przy normalnej przemysłowej gęstości watów wynoszącej 10 W/cm.2 . Atak międzykrystaliczny w-strefie wpływu ciepła spawania może wystąpić w ciągu 3–12 miesięcy.

Bezpieczna koperta robocza dla powłoki o grubości 1,2 mm w procesie pasywacji
Maksymalną dopuszczalną temperaturę kwasu azotowego na masie dla osłony ze stali 316 o średnicy 1,2 mm dla różnych gęstości watów podano w poniższej tabeli, przy założeniu strefy spoiny gatunku 316L (niskowęglowej) lub wyżarzonej, aby zminimalizować ryzyko uczulenia.

Stężenie kwasu azotowego Wat Gęstość 5 W/cm2 (wzrost o 8 stopni) Wat Gęstość 8 W/cm2 (wzrost o 12 stopni) Wat Gęstość 10 W/cm2 (wzrost o 15 stopni) Wat Gęstość 12 W/cm2 (wzrost o 18 stopni)
20% Bezpieczne do 62 stopni Bezpieczne do 58 stopni Bezpieczne do 55 stopni Bezpieczne do 52 stopni
Bezpieczne do 57 stopni 25% Bezpieczne do 53 stopni Bezpieczne do 50 stopni Bezpieczne do 47 stopni
30% Bezpieczne do 52 stopni Bezpieczne do 48 stopni Bezpieczne do 45 stopni Bezpieczne do 42 stopni 35% Bezpieczne do 47 stopni Bezpieczne do 43 stopni Bezpieczne do 40 stopni Bezpieczne do 37 stopni
40% Do 42 stopni Do 38 stopni Do 35 stopni Do 32 stopni 45% Do 37 stopni Do 33 stopni Do 30 stopni Do 27 stopni
50% Bezpieczne do 32 stopni Bezpieczne do 28 stopni Bezpieczne do 25 stopni Niezalecane
W przypadku zbiornika pasywacyjnego zawierającego 35% kwasu azotowego i temperaturze objętościowej wynoszącej 45 stopni, osłona 316 o średnicy 1,2-mm i mocy 10 W/cm² dałaby temperaturę powierzchniową około 60 stopni, czyli przekraczającą bezpieczną granicę 47 stopni wspomnianą powyżej. Grzejnik byłby podatny na atak międzykrystaliczny. Obniżając gęstość watów do 5 W/cm2, temperaturę powierzchni utrzymuje się na poziomie 53 stopni, czyli poniżej bezpiecznego limitu 57 stopni dla 25% kwasu, ale powyżej limitu 47 stopni dla 35% kwasu, co wskazuje, że wymagane jest połączenie obniżenia wartości znamionowych i modyfikacji stężenia.

Zmiany w projekcie, aby uniknąć ataku międzykrystalicznego
Dostępne są cztery modyfikacje konstrukcyjne, aby zapobiec atakowi międzykrystalicznemu, jeśli warunki procesu pasywacji wymagają stężeń kwasu azotowego i temperatur przekraczających dopuszczalne limity dla osłony 316 o grubości 1,2 mm. Pierwszym z nich jest określenie 316L (niskowęglowy), a nie zwykłego 316. Niższa zawartość węgla ogranicza wytrącanie się węglika chromu podczas spawania, dlatego-strefa wpływu ciepła jest niewrażliwa na uczulenie nawet w wyższych temperaturach.. 316L zwiększa próg ataku międzykrystalicznego o 10-15 stopni powyżej zwykłego 316. Druga zmiana polega na wyżarzaniu-po spawaniu strefy mocowania kołnierza. Miejscowe wyżarzanie indukcyjne do 1050 stopni i hartowanie rozpuszcza węgliki chromu i przywraca odporność na korozję. Następną zmianą jest obniżenie temperatury kwasu w masie o 5–10 stopni. Niewielkie spadki temperatury mogą znacznie wydłużyć żywotność bez wpływu na skuteczność pasywacji. Po czwarte, aby zwiększyć przepływ kwasu przez powierzchnię grzewczą. Przepływ turbulentny zmniejsza wzrost temperatury powierzchni płaszcza z 15 stopni do 8-10 stopni przy tej samej gęstości mocy. Turbulentny przepływ skutecznie obniża parametry grzejnika bez redukcji mocy. W przypadku zbiorników pasywacyjnych pracujących w temperaturach powyżej 45 stopni w 30–40% kwasie azotowym inżynierowie mogą rozważyć przejście na stal nierdzewną o wysokiej zawartości krzemu, taką jak Durimet 20 lub stop tytanu. Materiały te są prawie odporne na atak międzykrystaliczny w kwasie azotowym, niezależnie od spawania i historii termicznej. Określając grzejniki do usługi pasywacji, zawsze należy podać prawidłowe stężenie kwasu azotowego, temperaturę masy oraz to, czy grzejnik ma przyspawane elementy. Jeśli producent zaleca 316 na 40% kwas azotowy w temperaturze 50°C bez żadnej wzmianki o obniżeniu wartości znamionowych gęstości mocy lub gatunku 316L, nie jest to pełna porada techniczna. Jest to stopniowe i strefa wpływu ciepła spawanej osłony o grubości 1,2 mm zmniejsza się, aż do odłączenia kołnierza lub wycieku kwasu azotowego z osłony. Właściwa procedura spawania jest znacznie skuteczniejszym środkiem zapobiegawczym niż kontrola, ponieważ czasami atak jest niewidoczny, dopóki nie usunie się dużej ilości materiału ze strefy spawania.