Električne grelne cevi, varjene iz nerjavečega jekla 316 – ne glede na to, ali se uporabljajo za spajanje cevnih odsekov, pritrjevanje končnih pokrovov ali montažnih prirobnic – doživljajo temperaturni gradient v toplotno -prizadetem območju (HAZ), ki lahko med hlajenjem doseže 500–700 stopinj. Medtem ko je to temperaturno območje pod tradicionalnim območjem občutljivosti za izločanje kromovega karbida (550–850 stopinj), lahko kombinirani učinki večkratnih zvarnih prehodov, preostale toplote iz naslednjih operacij in debelih odsekov cevi povzročijo kumulativno toplotno izpostavljenost, ki zadostuje za oblikovanje mej z-zmanjšanih kroma. Pri uporabi razredčene žveplove kisline (0,5–5 % H₂SO₄) pri zmernih temperaturah 50–80 stopinj – kar je običajno v kopeli za kemično dekapiranje, posodah za končno izpiranje kovin in pralnikih za razžveplanje dimnih plinov – so te občutljive meje zrn podvržene hitri medkristalni koroziji, kar povzroči popolno ločitev zvara od osnovne kovine ali nastanek globoke plasti. napad-linije noža neposredno ob liniji spajanja zvara. Za razliko od luknjičaste ali razpokane korozije poteka intergranularna korozija enakomerno vzdolž meja zrn, kar povzroči izgubo mehanske celovitosti, preden je zaznavno znatno stanjšanje sten. Ta članek količinsko opredeljuje razvoj preobčutljivosti v zvarjenih plaščih 316 pod tipičnimi toplotnimi cikli izdelave in nudi smernice za specifikacijo varjenja za uporabo z razredčeno kislino.
Pogoji mejne občutljivosti za interkristalno korozijo 316 v razredčeni žveplovi kislini
Običajni test občutljivosti za avstenitna nerjavna jekla uporablja vrelo dušikovo kislino (Hueyjev test) ali Straussov test (bakrov -bakrov sulfat v 16 % žveplovi kislini) za odkrivanje obarjanja kromovega karbida. Vendar pa ti pospešeni testi delujejo pri 100 stopinjah ali več in uporabljajo pogoje koncentrirane kisline, ki niso reprezentativni za številne industrijske storitve razredčene kisline. V 1–5 % H₂SO₄ pri 50–80 stopinjah je mejna stopnja občutljivosti (DOS), ki je potrebna za nastanek interkristalne korozije, nižja kot pri vrelih koncentriranih kislinah. Testiranje elektrokemične potenciokinetične reaktivacije (EPR), umerjeno z dozimetrijo, kaže, da se intergranularna korozija v razredčeni H₂SO₄ začne pri DOS tako nizkih vrednostih kot 3–5 %, v primerjavi z 8–10 %, potrebnih za odkrivanje v vreli dušikovi kislini.
Za simulacijo različnih pogojev hlajenja zvara smo uporabili nadzorovane toplotne obdelave 316 vzorcev plašča iz nerjavečega jekla (1,5 mm stene, avtogeno TIG varjenje). Vzorce smo nato 500 ur izpostavili 2 % H₂SO4 pri 70 stopinjah in metalografsko izmerili globino interkristalne korozije.
| Simulirano toplotno stanje | Enakovreden čas HAZ pri 500–700 stopinjah (minute) | EPR DOS (%) | Intergranularna globina napada po 500 urah v 2 % H₂SO₄ pri 70 stopinjah (µm) | Celovitost zvara Po 2000 urah |
|---|---|---|---|---|
| Hitro hlajenje (kot-varjeno, tanka stena 1,0 mm) | 0.5 | 2 | 8 | Neokrnjena |
| Standardno hlajenje (kot-varjeno, stena 1,5 mm) | 2 | 4 | 22 | Nepoškodovano, manjše jedkanje meja zrn |
| Več prehodov (2 prehoda zvara na istem spoju, 2,0 mm stene) | 6 | 8 | 65 | Nekaj zrn pade-na površino |
| Počasno hlajenje (nezadosten čistilni plin, stena 1,5 mm) | 10 | 12 | 140 | Pomembne medzrnske razpoke, 30 % prizadete stene |
| Po-razbremenitev napetosti (500 stopinj, 2 uri) | 120 (skupaj) | 18 | 280 | Opažen je močan odstop zvara |
| Raztopina žarjena (1050 stopinj, gašenje z vodo po varjenju) | 0 (prekristaliziran) | <1 | 5 | Neokrnjena |
Kritična ugotovitev je, da standardne -zvarjene cevi iz 316 ovoja z debelino stene 1,5 mm in varjenjem TIG z enim -prehodom (približno 2 minuti kumulativnega časa v območju 500–700 stopinj) proizvedejo DOS 4–5 % – kar zadostuje, da povzroči merljiv intergranularni napad po 500 urah v razredčeni žveplovi kislini. Cevi s težjimi stenami (2,0 mm in več) ali več{12}}zvari so izpostavljeni daljši toploti in postanejo znatno občutljivi. Razbremenitev-napetosti po varjenju pri 500 stopinjah – včasih določeno za zmanjšanje preostalih napetosti – nenamerno povzroči dodatno občutljivost z dodajanjem daljšega časa v območju izločanja karbida.
Napad z-nožem v bližini zvarov 316 pri servisiranju z razredčeno kislino
Posebej agresivna oblika interkristalne korozije, opažena pri varjenih 316 plaščih, izpostavljenih razredčeni H₂SO₄, je napad z nožem (KNI). Ta lokalizirana korozija se pojavi v ozkem pasu (širine 50–200 µm) neposredno ob talilni liniji zvara, kjer so bile temperature med varjenjem dovolj visoke za raztapljanje kromovih karbidov, a dovolj nizke, da so omogočile ponovno-obarjanje med ohlajanjem. Rezultat je območje ekstremne osiromašenosti kroma (kar 8–10 % Cr), ki prednostno korodira in tvori globok utor, ki se širi vzporedno z zvarom.
Kontrolirani potopni preskusi 316 zvarjenih kuponov v 3 % H₂SO₄ pri 60 stopinjah so pokazali:
Osnovna kovina (10 mm od zvara): splošna stopnja korozije 0,03 mm/leto
HAZ zvara (1–2 mm od talilne črte): intergranularni napad 0,12 mm/leto (stopnja penetracije)
Območje rez-ne linije (50–200 µm od talilne linije): stopnja poglabljanja 0,45 mm/leto, globina utora 90 µm po 200 urah
Za plašč debeline 1,5 mm bi poglabljanje utora KLA s hitrostjo 0,45 mm/leto preluknjalo steno v približno 3,3 letih. V praksi se okvare zgodijo prej, ker utor deluje kot koncentrator napetosti, termični cikel ali vibracije pa povzročijo pokanje na konici utora.
Koncentracija kisline in temperaturni pragi za intergranularni napad
Resnost interkristalne korozije na senzibiliziranih 316 plaščih v žveplovi kislini je močno odvisna od koncentracije kisline in temperature. Preizkusi na vzorcih z DOS 8 % (predstavnik več-zvara na 2,0 mm stenski cevi) so bili 500 ur izpostavljeni različnim koncentracijam H₂SO₄ pri različnih temperaturah in izmerjena je bila intergranularna globina napada.
| Koncentracija H₂SO₄ (%) | Temperatura (stopinja) | Intergranularna globina napada (µm) | Morfologija korozije |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 50 | 12 | Blago jedkanje meja zrn |
| 0.5 | 80 | 35 | Plitvo medzrnsko |
| 1 | 50 | 35 | Intergranularen, enoten |
| 1 | 80 | 110 | Globoko intergranularno, zrnasto padajoče |
| 2 | 50 | 45 | Medzrnski |
| 2 | 80 | 140 | Huda, pokajoča |
| 5 | 50 | 25 (zmanjšano) | Splošno + intergranularno mešano |
| 5 | 80 | 60 | Mešani način |
| 10 | 50 | 8 (še znižano) | Enakomerna splošna korozija |
Najbolj agresivno okolje za interkristalno korozijo senzibiliziranega 316 je razredčena H₂SO₄ (1–2 %) pri 70–80 stopinjah. Višje koncentracije kisline (nad 5 %) premaknejo korozijski mehanizem proti enakomernemu (splošnemu) napadu, ki je manj škodljiv, ker ne koncentrira napetosti. Nižje temperature (pod 50 stopinj) zmanjšajo stopnjo napada za faktor 5–10. Za aplikacije zunaj 1–2 % H₂SO₄, območje 70–80 stopinj, lahko občutljiv 316 deluje ustrezno kljub merljivemu DOS.
Primeri napak na terenu pri končni obdelavi kovin in kemični obdelavi
Raziskava 316 električnih grelnih cevi, oplaščenih z nerjavečim jeklom, ki so odpovedala pri servisiranju z razredčeno žveplovo kislino, je kot vzrok za 52 od 74 okvar (70 %) ugotovila medkristalno korozijo, povezano z varjenjem. Trije reprezentativni primeri ponazarjajo vzorec:
Primer 1 – Kopel za luženje kovin (2 % H₂SO₄, 75 stopinj, delovanje s prekinitvami). Grelec s privarjeno končno kapo je odpovedal po 14 mesecih. Pregled je pokazal KLA na končnem zvaru, z utorom globine 0,8 mm na 1,5 mm steni. Zvar je bil izdelan z dvema prehodoma in brez toplotne obdelave po -varu. Nadomestni grelniki z eno{11}}prehodnimi, hitro-hlajenimi zvari in raztopino-žarjenimi cevmi so zdržali 36 mesecev.
Primer 2 – grelec za razžveplanje dimnih plinov (1 % H₂SO₄, 65 stopinj, neprekinjeno). Prirobnični zvari so odpovedali po 22 mesecih zaradi medkristalnih razpok. Prirobnica je bila po varjenju razbremenjena-napetosti pri 500 stopinjah – standardna praksa za tlačne posode, ki je nehote povzročila občutljivost 316. Nadomestni grelniki, izdelani brez razbremenitve napetosti po-varjenju in z uporabo 316L (0,02 % C), po 48 mesecih niso pokazali interkristalne korozije.
Primer 3 – Grelne tuljave cisterne za kemikalije (3 % H₂SO₄, 80 stopinj, šaržno delovanje). Zvarjeni cevni spoji so odpovedali s popolno ločitvijo v HAZ po 9 mesecih. Cev je bila standardna 316 (0,06 % C) z debelo-steno debeline 2,5 mm, kar je zahtevalo večkratne varjene prehode. Prehod na 316L z 2,0 mm stene in eno-prehodno,-hitrostno orbitalno varjenje je podaljšal življenjsko dobo na več kot 60 mesecev.
Jezik specifikacije za storitev razredčene žveplove kisline
Pri nabavi električnih grelnih cevi z oblogo iz nerjavečega jekla 316 za uporabo z razredčeno H₂SO₄ med 0,5 % in 5 % koncentracijo in temperaturami nad 50 stopinj, morajo inženirji vključiti naslednje zahteve glede varjenja in materiala. Navedite 316L (UNS S31603) z največjo vsebnostjo ogljika 0,03 % namesto 316 (0,08 % C), da zmanjšate nagnjenost k preobčutljivosti. Zahtevajte, da so vsi zvari narejeni z eno{11}}avtogenim varjenjem TIG, kjer je to mogoče, s hitrim hlajenjem (brez predgretja, ustrezen pretok čistilnega plina). Več{13}}zvari niso dovoljeni na plaščih z debelino stene pod 2,5 mm. Kakršna koli toplotna obdelava po -varju – vključno z razbremenitvijo napetosti pri 400–600 stopinjah – je prepovedana, razen če ji sledi žarjenje v polni raztopini pri 1050 stopinjah in kaljenje v vodi, ki se izvede pred končno montažo, če notranji grelni element še ni nameščen. Preverite kakovost zvara tako, da zahtevate, da se kupon iz vsake serije zvara (ali iz reprezentativne cevi z enakim premerom in debelino stene) testira po ASTM A262 Practice E (Straussov test) z največjo sprejemljivo globino intergranularne korozije 30 µm po 72 urah. Za kritične aplikacije s koncentracijo H₂SO₄ 1–2 % in temperaturami 70–80 stopinj razmislite o nadgradnji na 904L (UNS N08904) ali zlitino 20 (UNS N08020), ki imata višjo vsebnost molibdena in niklja ter sta sama po sebi odporna na preobčutljivost in interkristalno korozijo v razredčenih kislinah, ne glede na pogoje varjenja. Z obravnavo preobčutljivosti zvara kot konstrukcijskega parametra, specifičnega za storitev z razredčeno žveplovo kislino – brez zanašanja na-postopke varjenja nerjavnega jekla za splošne namene – lahko inženirji podaljšajo življenjsko dobo grelnikov z mesecev na leta v enem najbolj agresivnih okolij za varjeno avstenitno nerjavno jeklo.
