W jaki sposób równoważna głębokość zubożenia zawartości chromu w złączach spawanych rur osłonowych grzejnika 316 kontroluje podatność na korozję międzykrystaliczną we wrzącym kwasie azotowym

Gradient mikrostruktury w-strefie wpływu ciepła spoiny (HAZ) jako parametr korozji

W środowisku kwasu utleniającego strefa wpływu ciepła (HAZ) przylegająca do linii wtopienia spoiny jest najbardziej wrażliwym obszarem na korozję międzykrystaliczną (IGC) w przypadku elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316 wymagających spawanych zaślepek lub kołnierzy, takich jak grzejniki ciśnieniowe, wysokotemperaturowe grzejniki wstawkowe lub zespoły z osłonami termometrycznymi. Podczas spawania strefa HAZ podlega cyklowi cieplnemu, który może częściowo rozpuścić istniejące węgliki i ponownie wytrącić węgliki chromu na granicach ziaren po ochłodzeniu. Wynikający z tego ubytek chromu rozciąga się na pewną głębokość od granicy ziaren i jest określany ilościowo jako równoważna głębokość ubytku zawartości chromu (zwykle 50-500 nm). Głębokość zubożenia chromu we wrzącym 65% kwasie azotowym (ASTM A262, praktyka C) jest większa niż 200 nm, a stężenie chromu na granicy ziaren jest mniejsze niż 12%. Atak międzykrystaliczny postępuje szybko, powodując utratę masy rzędu 0,5-2 mm/rok. W artykule zmierzono związek między głębokością zubożenia chromu, stężeniem chromu na granicy ziaren i szybkością IGC w spawanych powłokach 316.

Mechanizm zubożenia chromu przez spawanie

Podczas spawania stali nierdzewnej 316 strefa wpływu ciepła (HAZ) nagrzewa się do temperatur od 600 do 1300 stopni. W ogrzewanym obszarze powyżej około 1050 stopni istniejące węgliki rozpuszczają się całkowicie, a chrom i węgiel znajdują się w roztworze stałym. Wraz ze spadkiem temperatury SWC przechodzi przez zakres uczulenia (450-850 stopni) w tempie zależnym od grubości ścianki, podgrzewania wstępnego i warunków otoczenia. Cienkie-osłony grzejnika ściennego (1,5–2,0 mm) schładzają się dość szybko (10–30 sekund w zakresie uczulenia), często zapobiegając znacznemu ponownemu wytrącaniu się węglików. Jednakże, gdy wykonuje się wiele przejść spoin lub gdy osłona jest przyspawana do grubego kołnierza (który działa jak radiator), szybkość chłodzenia jest wolniejsza, a węgliki chromu mogą wytrącać się na granicach ziaren, tworząc strefę zubożoną w chrom o szerokości 50-500 nm z lokalną zawartością chromu zaledwie 5-10% (w porównaniu z 17-19% objętościowo). Odpowiednia głębokość ubytku zawartości chromu to szerokość obszaru, w którym zawartość chromu jest mniejsza niż wartość krytyczna wynosząca 12%.

Ilościowy związek między głębokością zubożenia a szybkością korozji w korozji międzykrystalicznej.

Zależność ustalono poprzez kontrolowane spawanie rurki 316 (ścianka 1,5 mm) przy różnym dopływie ciepła (0,5-3,0 kJ/mm) i szybkościach chłodzenia, a następnie pomiar głębokości zubożenia chromu metodą spektroskopii elektronów Augera (AES) i badanie IGC we wrzącym 65% HNO₃ (5 cykli po 48 godzin każdy).

Weld Heat Input (kJ/mm) HAZ Cooling Rate (450-850°C, °C/s) Chromium Depletion Depth (nm) Minimum Grain Boundary Chromium (wt%) IGC Rate in Boiling 65% HNO3 (mm/year)Acceptable with monitoring 1.5-2.0 15-30 100-200 10-12 0.40-1.00 Fail (moderate IGA) Not recommended 2.0-2.5 10-15 200-350 8-10 1.00-2.00 Fail (severe IGA) No 2.5-3.0 5-10 350-500 6-8 2.00-3.50 Fail (very severe) No >3.0 (wiele przejść)<5 >500 <6 >3,50 Niepowodzenie (rozpad) Niedopuszczalne
Wpływ zawartości węgla na głębokość zubożenia

Przy tej samej szybkości chłodzenia, Standard 316 (0,08% C) daje głębsze strefy zubożenia niż 316L (0,03% C), ponieważ jest więcej węgla tworzącego węgliki.

Szybkość chłodzenia (stopnie/s) (450-850 stopni) Głębokość wyczerpania w 316 (0,08% C) (nm) Głębokość wyczerpania w 316L (0,03% C) (nm) Szybkość IGC 316 (mm/rok) Szybkość IGC 316L (mm/rok) Zalecany gatunek do spawania w kwasie 100<30 <10 <.05 <.05 316 acceptable 50-100 30-80 10-30 .10-.30 <.10 316L preferred 30-50 80-150 30-60 .30-.80 .10-.25 316L required 15-30 150-300 60-150 .80-1.50 .25-.60 316L with post-weld anneal <15 >300 >150 >W obu przypadkach wymagane jest wyżarzanie-pospawania 1,50 > 0,60
Praktyczne specyfikacje spawania związane z kwasem azotowym

W przypadku grzejników płaszczowych 316 do stosowania we wrzącym kwasie azotowym lub innych kwasach utleniających, poniższe wymagania dotyczące spawania zminimalizują głębokość zubożenia chromu i zapewnią odporność na IGC.

Warunki pracy Maksymalna dopuszczalna szybkość IGC (mm/rok) Sugerowany proces spawania Maksymalny dopływ ciepła (kj/mm) Test akceptacyjny obróbki po spawaniu
Okresowo, rozcieńczony (20% HNO3) 0,3 GTAW, jednoprzebiegowe 1,5 Brak (jeśli 316L) ASTM A262 Praktyka A