Jak se hloubka vyčerpání ekvivalentního obsahu chrómu ve svařovaných spojích 316 ohřívače řídí náchylnost na mezikrystalovou korozi při varu kyseliny dusičné

Mikrostrukturní gradient v zóně ovlivněné teplem svaru (HAZ)- jako parametr koroze

V oxidujících kyselých prostředích je tepelně-ovlivněná zóna (HAZ) sousedící s linií svaru nejcitlivější oblastí pro mezikrystalovou korozi (IGC) v případě elektrických topných trubek 316 s pláštěm z nerezové oceli, které potřebují přivařené koncové uzávěry nebo příruby, jako jsou tlakové ohřívače, vysokoteplotní vkládací ohřívače nebo sestavy teploměrů. Během svařování dochází v HAZ k tepelnému cyklu, který může částečně rozpustit existující karbidy a znovu vysrážet karbidy chrómu na hranicích zrn po ochlazení. Následné vyčerpání chrómu zasahuje určitou hloubku od hranice zrn a je kvantifikováno jako ekvivalentní hloubka ochuzení obsahu chrómu (obvykle 50-500 nm). Hloubka vyčerpání chrómu ve vroucí 65% kyselině dusičné (ASTM A262 praxe C) je větší než 200 nm a koncentrace chrómu na hranici zrn je menší než 12 %. Intergranulární útok probíhá rychle a generuje ztráty hmotnosti 0,5-2 mm/rok. Tento dokument měří souvislost mezi hloubkou vyčerpání chromu, koncentrací chromu na hranicích zrn a rychlostí IGC ve svařených 316 pláštích.

Mechanismus vyčerpání chromu svařováním

Při svařování nerezové oceli 316 se tepelně ovlivněná zóna (HAZ) zahřeje na teploty mezi 600 stupni a 1300 stupni. V zahřáté oblasti nad asi 1050 stupňů se stávající karbidy úplně rozpustí a chrom a uhlík jsou v pevném roztoku. S klesající teplotou prochází HAZ rozsahem senzibilizace (450-850 stupňů) rychlostí, která je funkcí tloušťky stěny, předehřátí a okolních podmínek. Tenkostěnná ohřívací pouzdra (1,5–2,0 mm) se ochlazují poměrně rychle (10–30 sekund v rozsahu citlivosti), což často brání jakémukoli výraznému opětovnému vysrážení karbidu. Když je však provedeno více průchodů svarem nebo když je plášť přivařen k tlusté přírubě (která funguje jako chladič), rychlost ochlazování je pomalejší a karbidy chrómu se mohou vysrážet na hranicích zrn, což vytváří zónu ochuzenou o chrom o šířce 50–500 nm s místním obsahem chrómu 5–10 % (vs. 17 %). Odpovídající hloubka vyčerpání obsahu chrómu je šířka oblasti, kde je obsah chrómu menší než kritická hodnota 12 %.

Kvantifikovaný vztah mezi hloubkou vyčerpání a rychlostí koroze při mezikrystalové korozi.

Vztah byl stanoven řízeným svařováním 316 hadic (1,5 mm stěna) s různými tepelnými příkony (0,5-3,0 kJ/mm) a rychlostmi ochlazování následovaným měřením hloubky ochuzení chromu pomocí Augerovy elektronové spektroskopie (AES) a IGC testováním ve vroucí 65% HNO₃ (5 cyklů, 48 hodin každý).

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 (mnoho průchodů)<5 >500 <6 >3.50 Selhání (dezintegrace) Nepřijatelné
Vliv obsahu uhlíku na hloubku vyčerpání

Při stejné rychlosti chlazení poskytuje Standard 316 (0,08 % C) hlubší zóny ochuzenosti než 316L (0,03 % C), protože je zde více uhlíku pro tvorbu karbidů.

Rychlost chlazení ( stupňů/s) (450-850 stupňů) Hloubka vyčerpání v 316 (0,08 % C) (nm) Hloubka vyčerpání v 316L (0,03 % C) (nm)316 Rychlost IGC (mm/rok)316L Rychlost IGC (mm/rok) Doporučená služba Doporučeno10<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 >1,50 > 0,60 Post-svařovací žíhání je vyžadováno u obou
Servis s kyselinou dusičnou Praktické specifikace svařování

U ohřívačů 316 s pláštěm pro použití při vaření kyseliny dusičné nebo jiných oxidačních kyselin budou následující požadavky na svařování minimalizovat hloubku vyčerpání chromu a zajistit odolnost proti IGC.

Servisní podmínky Maximální povolená rychlost IGC (mm/rok) Navrhovaný svařovací proces Maximální tepelný příkon (kj/mm) Zkouška přijetí po ošetření po svařování
Přerušovaný, zředěný (20% HNO3) 0,3 GTAW, jeden průchod 1,5 Žádný (pokud 316L) ASTM A262 Cvičení A