La ce combinație specifică de concentrație și temperatură de acid azotic necesită o scădere de 1,2 milimetri din oțel inoxidabil 316 sub 10 wați pe centimetru pătrat pentru a preveni atacul intergranular în serviciul rezervorului de pasivare?

În finisarea metalelor și în producția aerospațială, inginerii de proces folosesc de obicei acid azotic ca mediu pentru încălzitoarele electrice cu imersie în rezervoare de pasivare din oțel inoxidabil. Soluțiile de pasivare, de obicei 20–40% acid azotic, sunt de obicei aplicate la 40–60 de grade pentru a elimina fierul liber și pentru a crea o acoperire omogenă de oxid de crom pe piesele din oțel inoxidabil. 316 oțelul inoxidabil are o rezistență bună la coroziune în aceste condiții, deoarece acidul azotic este un acid oxidant care menține filmul pasiv. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate sau în prezența clorurilor sau a substanțelor chimice reducătoare, poate apărea atacul intergranular, în special în zonele sudate sau sensibilizate ale tecii. Încălzitoarele cu rezervor de pasivizare sunt de obicei construite cu o grosime a peretelui de 1,2 mm pentru a se potrivi cerințelor de spațiu și pentru a oferi un transfer rapid de căldură. Articolul indică combinația particulară de concentrație de acid azotic și temperatură la care o înveliș de 1,2 mm 316 trebuie redusă pentru densitatea în wați < 10 W/cm2 pentru a evita atacul intergranular.

Mecanismul de atac intergranular în 316 expus la acid azotic
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 de grade. Punctul slab al unei mantale de 1,2 mm cu o flanșă sau un accesoriu sudat este zona afectată de căldură-sudură. Densitatea de wați aplicată are ca rezultat o temperatură a suprafeței învelișului care este de obicei cu 10-20 de grade mai mare decât temperatura acidului în vrac. În acid azotic 40%, la o temperatură în vrac de 55 de grade, suprafața tecii poate ajunge la 70-75 de grade, care este peste pragul de 50 de grade pentru atacul intergranular. Densitatea mai mică de wați minimizează creșterea temperaturii suprafeței și poate menține zona de sudură sub pragul de atac.

Praguri critice de derating pentru manta de 1,2 mm
Următoarele limitări ale densității în wați se aplică pentru o manta de perete de 1,2 mm pentru a preveni atacul intergranular în zona afectată de căldură, pe baza testării de imersie a probelor sudate 316 în acid azotic la temperaturi și concentrații relevante pentru serviciul de pasivare. Valorile sunt pentru o creștere cu 15-20 de grade a temperaturii suprafeței la 10 W/cm², scalând liniar cu densitatea de wați.

Temperatura acidului în vrac Temperatura maximă a suprafeței învelișului pentru a evita atacul intergranular Concentrație de acid azotic Densitatea maximă admisă în wați pentru manta de 1,2 mm (creștere de 15 grade la 10 W/cm2) Acțiune recomandată 20% 40 grade 70 grade 20 W/cm2 20% practic 20 W/cm2 grad 70 grade 13 W/cm2 Derating recomandat peste 13 W/cm2
20% 60°C 70°C 7 W/cm² Derating needed 20%>65 grade 70 grade < 5 W/cm² Utilizați 316L sau material recoapt
30% 40 grade 60 grade 13 W/cm2 Sigur la densitate modestă de wați
30% 45 grade 60 grade 10 W/cm2 Marginal la 10 W/cm2
30% 50 de grade 60 de grade 7 W/cm² Degradarea necesară 30% > 55 de grade 60 de grade < 5 W/cm² Utilizați 316L sau aliaj de upgrade
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 de grade > 50 de grade < 5 W/cm² Utilizați 316L sau upgrade din aliaj
50% 25 grade 40 grade 10 W/cm2 Marginal 50% 30 grade 40 grade 7 W/cm2 Derating necesar 50% Peste 35 grade 40 grade Sub 5 W/cm² 316 Nerecomandat
Pentru un rezervor tipic de pasivare cu acid azotic de 30 % cu o temperatură în vrac de 50 de grade, o manta 316 de 1,2 mm trebuie redusă la aproximativ 7 W/cm2 pentru a menține suprafața mantalei sub 60 de grade. Suprafața învelișului este de aproximativ 65 de grade C folosind densitatea industrială normală de 10 W/cm2 . Atacul intergranular în zona afectată de căldură de sudare-se poate dezvolta în 3-12 luni.

Plic de funcționare sigur pentru manta de 1,2 mm în serviciul de pasivare
Temperatura maximă acceptabilă a acidului azotic în vrac pentru o manta 316 de 1,2 mm pentru diferite densități de wați este dată în tabelul următor presupunând o zonă de sudură de grad 316L (scăzut carbon) sau recoaptă pentru a minimiza riscul de sensibilizare.

Concentrație de acid azotic Densitate în wați 5 W/cm2 (creștere cu 8 grade) Densitate în wați 8 W/cm2 (creștere cu 12 grade) Densitate în wați 10 W/cm2 (creștere cu 15 grade) Densitate în wați 12 W/cm2 (creștere cu 18 grade)
20% Sigur până la 62 de grade Sigur până la 58 de grade Sigur până la 55 de grade Sigur până la 52 de grade
Sigur la 57 de grade 25% Sigur la 53 de grade Sigur la 50 de grade Sigur la 47 de grade
30% sigur până la 52 de grade Sigur până la 48 de grade Sigur până la 45 de grade Sigur până la 42 de grade 35% sigur până la 47 de grade Sigur până la 43 de grade Sigur până la 40 de grade Sigur până la 37 de grade
40% Până la 42 de grade Până la 38 de grade Până la 35 de grade Până la 32 de grade 45% Până la 37 de grade Până la 33 de grade Până la 30 de grade Până la 27 de grade
50% sigur până la 32 de grade Sigur până la 28 de grade Sigur până la 25 de grade Nerecomandat
Pentru un rezervor de pasivare cu 35 % acid azotic și o temperatură în vrac de 45 de grade, o manta de 1,2-mm 316 la 10 W/cm² ar da o temperatură a suprafeței de aproximativ 60 de grade, care depășește limita de siguranță de 47 de grade menționată mai sus. Încălzitorul ar fi susceptibil la atacul intergranular. Prin scăderea densității de wați la 5 W/cm2, temperatura suprafeței este menținută la 53 de grade, care este sub limita de siguranță de 57 de grade pentru 25% acid, dar dincolo de limita de 47 de grade pentru 35% acid, ceea ce indică faptul că este necesară o combinație de derating și modificarea concentrației.

Modificări de design pentru a evita atacul intergranular
Sunt disponibile patru ajustări de proiectare pentru a preveni atacul intergranular dacă condițiile procesului de pasivare necesită concentrații de acid azotic și temperaturi care ar depăși limitele acceptabile pentru o manta 316 de 1,2 mm grosime. Primul este de a specifica 316L (scăzut de carbon), nu 316 obișnuit. Conținutul mai scăzut de carbon limitează precipitarea de carbură de crom în timpul sudării, prin urmare zona afectată de căldură-este insensibilă la sensibilizare chiar și la temperaturi mai ridicate{. 316L crește pragul de atac intergranular cu 10{9}}alterarea obișnuită peste 10{9}}secunde. recoacerea post-sudură a zonei de atașare a flanșei. Recoacere prin inducție localizată la 1050 de grade și călire dizolvă carburile de crom și restabilește rezistența la coroziune. Următoarea modificare este scăderea temperaturii acidului în vrac cu 5-10 grade. Scăderile mici de temperatură pot crește foarte mult durata de viață fără a afecta eficacitatea pasivării. În al patrulea rând, pentru a crește trecerea acidului pe suprafața de încălzire. Fluxul turbulent reduce creșterea temperaturii suprafeței tecii de la 15 grade la 8-10 grade la aceeași densitate de wați. Debitul turbulent reduce cu succes încălzitorul fără reducerea puterii. Pentru rezervoarele de pasivare care funcționează la temperaturi de peste 45 de grade în acid azotic 30–40%, inginerii ar putea lua în considerare trecerea la un oțel inoxidabil cu conținut ridicat de siliciu, cum ar fi Durimet 20 sau un aliaj de titan. Aceste materiale sunt aproape impermeabile la atacul intergranular în acidul azotic, indiferent de sudură sau istoricul termic. Când specificați încălzitoare pentru serviciul de pasivare, menționați întotdeauna concentrația corectă de acid azotic, temperatura în vrac și dacă încălzitorul are sau nu atașamente sudate. Dacă un producător recomandă 316 pentru acid azotic 40% la 50C fără nicio mențiune despre reducerea densității în wați sau gradul 316L, nu este un sfat tehnic complet. Este treptat și zona afectată de căldură a unei teci sudate de 1,2 mm se subțiază până când flanșa se desprinde sau teaca se scurge de acid azotic. Procedura corectă de sudare este o măsură preventivă mult mai eficientă decât inspecția, deoarece atacul nu este uneori vizibil până când o cantitate mare de material a fost pierdută din zona de sudură.