Cum controlează adâncimea de epuizare a conținutului echivalent de crom la îmbinările sudate ale tubului de înveliș al încălzitorului 316 susceptibilitatea la coroziune intergranulară în acidul azotic la fierbere

Gradient microstructural în zona afectată de căldură{0}}sudură (HAZ) ca parametru de coroziune

În mediile acide oxidante, zona afectată de căldură (HAZ) adiacentă liniei de fuziune de sudură este zona cea mai sensibilă la coroziune intergranulară (IGC) în cazul tuburilor electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil 316 care necesită capace sau flanșe sudate, cum ar fi încălzitoare presurizate, încălzitoare cu termopane sau inserții de ansambluri de înaltă temperatură. În timpul sudării, HAZ experimentează un ciclu de căldură care poate dizolva parțial carburile existente și poate reprecipita carburile de crom la limitele granulelor la răcire. Epuizarea cromului care rezultă se extinde la o anumită adâncime de la limita granulelor și este cuantificată ca adâncimea echivalentă de epuizare a conținutului de crom (de obicei 50-500 nm). Adâncimea epuizării cromului în fierbere 65% acid azotic (ASTM A262 Practica C) este mai mare de 200 nm, iar concentrația de crom la limita granulelor este mai mică de 12%. Asaltul intergranular decurge rapid generând pierderi de greutate de 0,5-2 mm/an. Această lucrare măsoară legătura dintre adâncimea de epuizare a cromului, concentrația de crom la limita granulelor și rata IGC în învelișurile sudate 316.

Mecanismul de epuizare a cromului prin sudare

În timpul sudării oțelului inoxidabil 316, zona afectată de căldură (HAZ) este încălzită la temperaturi cuprinse între 600 de grade și 1.300 de grade. În regiunea încălzită peste aproximativ 1.050 de grade, carburile existente se dizolvă complet, iar cromul și carbonul sunt în soluție solidă. Odată cu scăderea temperaturii, HAZ trece prin intervalul de sensibilizare (450-850 de grade) într-un ritm care depinde de grosimea peretelui, de preîncălzire și de circumstanțele ambientale. Învelișurile de încălzire cu pereți subțiri-(1,5-2,0 mm) se răcesc destul de repede (10-30 de secunde în intervalul de sensibilizare), prevenind adesea orice reprecipitare considerabilă a carburilor. Cu toate acestea, atunci când se efectuează mai multe treceri de sudură sau când mantaua este sudată la o flanșă groasă (care acționează ca un radiator), viteza de răcire este mai lentă și carburile de crom pot precipita la granițele granulelor, creând o zonă sărăcită de crom cu o lățime de 50-500 nm, cu un conținut local de crom de până la 5-100% (5-100%). Adâncimea corespunzătoare de epuizare a conținutului de crom este lățimea regiunii în care cromul este mai mică decât valoarea critică de 12%.

Relația cuantificată între adâncimea de epuizare și rata de coroziune în coroziunea intergranulară.

Relația a fost stabilită prin sudarea controlată a tubului 316 (perete de 1,5 mm) cu aporturi diferite de căldură (0,5-3,0 kJ/mm) și viteze de răcire, urmată de măsurarea adâncimii de epuizare a cromului prin spectroscopie electronică Auger (AES) și testarea IGC în cicluri de fierbere 65% HNO₃ (485 ore fiecare).

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 (multe treceri)<5 >500 <6 >3.50 Eșec (dezintegrare) Inacceptabil
Influența conținutului de carbon asupra adâncimii de epuizare

Pentru aceeași viteză de răcire, Standardul 316 (0,08% C) produce zone de epuizare mai profunde decât 316L (0,03% C), deoarece există mai mult carbon pentru a forma carburi.

Viteza de răcire (grade/s) (450-850 grade) Adâncime de epuizare în 316 (0,08% C) (nm) Adâncime de epuizare în 316 L (0,03% C) (nm) 316 Rata IGC (mm/an) 316 L Rată IGC (mm/an) Serviciu Acid Recommendat pentru Acid Recommendat<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 > .60 Recoacere post-sudură necesară pentru oricare
Specificații practice de sudare pentru serviciul de acid azotic

Pentru încălzitoarele cu manta 316 pentru utilizarea în fierbere a acidului azotic sau alți acizi oxidanți, următoarele cerințe de sudare vor minimiza adâncimea de epuizare a cromului și vor oferi rezistență IGC.

Condiție de service Rata IGC maximă admisă (mm/an) Proces de sudare sugerat Aportul maxim de căldură (kj/mm) Test de acceptare a tratamentului după sudare
Intermitent, diluat (20% HNO3) 0,3 GTAW, o singură trecere 1,5 Niciunul (dacă 316L) ASTM A262 Practică A