Jak ovlivní míra chlazení po-svaru z 400 stupňů na 200 stupňů uvolnění zbytkového napětí a odolnost proti důlkové korozi 316 koncových uzávěrů ohřívačů z nerezové oceli

Okno kritické teploty pro úlevu od stresu bez senzibilizace

Technika svařování koncových čepiček vytváří zbytková tahová napětí v elektrických topných trubkách 316 obalených nerezovou ocelí, která mohou způsobit praskání pod napětím (SCC) a zhoršit odolnost proti důlkové korozi v chloridových podmínkách. Tato zbytková napětí jsou často eliminována tepelným zpracováním po svařování (PWHT) při 400-450 stupních po dobu 1-2 hodin. Rychlost ochlazování z teploty PWHT až na 200 stupňů má však značný, ale obecně opomíjený vliv jak na stupeň relaxace napětí, tak na odolnost materiálu proti korozi. Standard 316 vysráží karbidy bohaté na chrom na hranicích zrn (senzibilizace), pokud se pomalu ochladí v rozmezí 300-450 stupňů. Rychlé ochlazení (ochlazení vzduchem nebo vodou) zachová strukturu zmírněnou pnutím bez senzibilizace. Souvislost mezi rychlostí ochlazování PWHT, snížením zbytkového napětí a odolností proti důlkové korozi je kvantifikována v tomto článku, který nabízí rámec specifikací pro optimalizované zpracování po svařování.

Protipůsobící účinky úlevy od stresu a senzibilizace

Během PWHT při 400-450 stupních v nerezové oceli 316 probíhají současně dvě tepelně aktivované reakce. První z nich je úleva od stresu. Zbytková napětí způsobená svařováním (obvykle 100–300 MPa) se uvolňují prostřednictvím dislokačního pohybu a zotavení. Proces je logaritmický a 70-80 % zbytkového napětí se uvolní po 1 hodině při 450 stupních. Druhou fází je precipitace karbidů: nad teplotami kolem 450 stupňů mohou karbidy chrómu nukleovat, i když srážení je pomalé. Jak se materiál ochlazuje z teploty PWHT, opět prochází rozsahem senzibilizace (450-850 stupňů). Protože je však teplota PWHT (400-450 stupňů) pod rozsahem senzibilizace, nevylučují se během zadržení žádné další karbidy. Riziko nastává, když je pec pomalu ochlazována a teplota materiálu se během chlazení zvyšuje nad 450 stupňů? Není – PWHT se provádí při 400-450 stupních, proto chlazení začne pod rozsahem senzibilizace. Skutečné riziko je pro PWHT při 500-600 stupních (někdy se používá pro důkladnější uvolnění stresu), kdy postupné ochlazování přes 450-850 stupňů vyvolává senzibilizaci. Během 400-450 stupňů PWHT není klíčovým problémem senzibilizace, ale opětovné zavedení zbytkových napětí v důsledku diferenciálního chlazení. Jakékoli nerovnoměrné ochlazování (jedna strana svaru se ochlazuje rychleji než druhá) může generovat nová tepelná napětí 50-100 MPa, která do značné míry negují výhodu držení uvolňujícího napětí.

Kvantifikace vlivu rychlosti ochlazování na odolnost proti důlkové korozi a zbytkové napětí

Konečné zbytkové napětí bylo hodnoceno pomocí rentgenové difrakce a odolnost proti důlkové korozi byla hodnocena testováním kritické důlkové teploty (CPT) v 1 M NaCl, v rozsahu rychlostí ochlazování od 450 stupňů, 1 hodina PWHT svařovaných 316 koncovek (tloušťka stěny 1,5 mm) v kontrolovaných testech. Výsledky ukazují, že rychlost ochlazování má malý vliv na senzibilizaci (všechny vzorky zůstaly nesenzibilizované, protože maximální teplota nikdy nepřekročila rozsah senzibilizace), ale silný vliv na konečné zbytkové napětí v důsledku účinků tepelného gradientu.

Metoda PWHT chlazení ze 450 stupňů Odhadovaná rychlost chlazení (450 stupňů až 200 stupňů) Konečné zbytkové napětí při svařování (MPa) Účinnost odlehčení napětí (% as-svařovaného napětí) Kritická teplota důlkové koroze ( stupně ) (1 M NaCl) Doporučeno pro chloridové služby
Chlazení pece (vypnuto)5-10 stupňů/hod 60-80 60-70 % 52-56 Ne (není účinné)
Nehybný vzduch studený (horizontální) 100-200 stupňů /hod. 40-60 70-80 % 54-58 Vhodné pro střední chloridy
Ventilátor s nuceným oběhem 300-500 stupňů/hod. 30-45 80-85 % 55-59 Ano
Kalení vodou (ponoření) 1000-2000 stupňů/hodinu 20-30 85-90% 56-60Ano, nejlépe vysoký obsah chloridů
Bez PWHT (jako-svařované) N/A 150-250 0 % 50-54 Není pro chloridové služby
Zvláštní případ PWHT při 500-600 stupních

In some situations where more comprehensive stress relief is required (e.g. heaters for high pressure duty or severe thermal cycling), PWHT at 500-600 °C for 1-2 hours is occasionally specified. Stress reduction efficiency at these temperatures is 90-95 % however the material is passed through the sensitisation range during heating and cooling. Severe sensitisation is seen in standard 316 (max 0.08 % C) with CPT decreasing to 35-40 °C and slow cooling from 550 °C, inappropriate for any chloride service. For these PWHT temperatures, the cooling rate is crucial. Water quenching from 550 °C (cooling rate >1000 stupňů/hod až 850-450 stupňů) potlačuje senzibilizaci v tenkostěnných hadičkách a udržuje CPT kolem 55-60 stupňů. Tepelný šok z vody kalící svařovaný díl však může způsobit deformaci nebo zlomení. Upřednostňovaným řešením pro jakýkoli ohřívač vyžadující PWHT nad 480 stupňů je použití 316L (maximálně 0,03 % C). 316L je podstatně méně náchylné na senzibilizaci a má sotva menší srážení karbidů, i když je pomalu ochlazováno z 550 stupňů.

Praktická doporučení pro chlazení PWHT

Pro většinu z 316 opláštěných ohřívačů ve vodním provozu je navrhovaná PWHT 450 stupňů po dobu 1 hodiny s následným chlazením nuceným vzduchem (rychlost chlazení 300-500 stupňů/hodinu). Tato úprava snižuje zbytková napětí o 80-85 % a nezpůsobuje senzibilizaci, protože maximální dosažená teplota je pod rozsahem senzibilizace. Kalení vodou nabízí o něco větší snížení napětí, ale je pravděpodobnější, že dojde k deformaci a je zřídka nezbytné. Níže uvedená tabulka slouží jako vodítko pro rozhodování pro výběr teploty PWHT, rychlosti chlazení a třídy materiálu v závislosti na provozní korozi.

Servisní prostředí Hladina chloridů (ppm) Maximální teplota (stupně) Doporučená rychlost chlazení PWHT Druh materiálu
Suché (ne-chloridové)Jakékoli Jakékoliv Žádné (jako-svařované) N/A 316L
Nízký obsah chloridů<200 <80 450°C, 1 hour Forced air 316 
Střední chlorid 200-500<80 450°C, 1 hour Forced air or water quench Preferred 316L
Vysoký chlorid 500-1500<70 450°C, 1 hour Water quench 316L necessary
Very high chloride >1500 <60 500-550oC, 1 hour Water quench 316L (or upgrade to duplex)
Efektivita PWHT při ověřování v terénu

U ohřívačů v provozu, kde je historie PWHT neznámá, lze použít dvě metody k určení, zda byla zbytková napětí dostatečně uvolněna. První je test ohybu ASTM G38 U-, při kterém je malý vzorek z rovné části ohřívače ohnut o 180 stupňů a umístěn do vroucího chloridu hořečnatého. Pokud se trhliny rozvinou před 100 hodinami, zbytková napětí překročí 100 MPa. Druhým způsobem je kvantifikovat zbytkové napětí ve svaru pomocí rentgenové difrakce, ale to vyžaduje specifické vybavení. Toto je reálné řešení pro většinu zákazníků. Uveďte specifikace PWHT na objednávku a požádejte o ověření, že postup (čas, teplota, způsob chlazení) byl dodržen.

Závěr: Specifikace rychlosti chlazení v rámci PWHT pro chloridový servis

U koncových uzávěrů ohřívačů z nerezové oceli 316 poskytuje tepelné zpracování po-svaření při 450 stupních po dobu 1 hodiny následované nuceným chlazením vzduchem 80–85 % zmírnění napětí bez senzibilizace, což výrazně zvyšuje odolnost vůči SCC a důlkové korozi v chloridových prostředích. Nedoporučuje se zpomalovat chlazení (v peci), protože by to snížilo účinnost zmírnění stresu. Kalení vodou poskytuje maximální snížení stresu, ale také zvyšuje složitost a riziko. 316U PWHT je třeba uvádět L a kalení vodou je nutné při vyšších teplotách (500–600 stupňů), aby se zabránilo senzibilizaci. Pro chloridový provoz musí technici specifikující PWHT také definovat udržovací teplotu a způsob chlazení. Zde uvedená metodika umožňuje zákazníkům vybrat parametry PWHT, které maximalizují odolnost proti korozi a zároveň zabraňují nežádoucí senzibilizaci, která by se mohla vyskytnout při nevhodném chlazení, tím, že se rychlost chlazení vztahuje ke zbytkovému napětí a odolnosti proti důlkové korozi.