Как еквивалентната дълбочина на изчерпване на съдържанието на хром при заварените съединения на тръбите на обвивката на нагревателя 316 контролира чувствителността към междукристална корозия при кипяща азотна киселина

Микроструктурен градиент в засегнатата-топлинна зона (HAZ) като корозионен параметър

В окисляващи киселинни среди засегнатата от топлина -зона (HAZ) в съседство с линията на заваряване на заваръчния шев е най-чувствителната зона за междукристална корозия (IGC) в случай на електрически нагревателни тръби с обшивка от неръждаема стомана 316, които се нуждаят от заварени крайни капачки или фланци, като нагреватели под налягане, високотемпературни нагреватели за вмъкване или възли с термогнезда. По време на заваряване, HAZ преминава през топлинен цикъл, който може частично да разтвори съществуващите карбиди и да утаи отново хромните карбиди по границите на зърната при охлаждане. Последвалото изчерпване на хром се простира на известна дълбочина от границата на зърното и се определя количествено като еквивалентна дълбочина на изчерпване на съдържанието на хром (обикновено 50-500 nm). Дълбочината на изчерпване на хрома при кипяща 65% азотна киселина (ASTM A262 Практика C) е по-голяма от 200 nm и концентрацията на хром на границата на зърното е по-малко от 12%. Интергрануларното нападение протича бързо, генерирайки загуба на тегло от 0,5-2 mm/годишно. Тази статия измерва връзката между дълбочината на изчерпване на хрома, концентрацията на хром на границата на зърното и скоростта на IGC в заварени 316 обвивки.

Механизъм на изчерпване на хром чрез заваряване

По време на заваряване на неръждаема стомана 316 зоната на топлинно въздействие (HAZ) се нагрява до температури между 600 градуса и 1300 градуса. В нагрятата област над около 1050 градуса съществуващите карбиди се разтварят напълно и хромът и въглеродът са в твърд разтвор. С понижаване на температурата HAZ преминава през обхвата на сенсибилизация (450-850 градуса) със скорост, която зависи от дебелината на стената, предварителното загряване и условията на околната среда. Тънкостенните нагревателни обвивки (1,5-2,0 mm) се охлаждат доста бързо (10-30 секунди през обхвата на сенсибилизация), често предотвратявайки значително повторно утаяване на карбиди. Въпреки това, когато се правят многократни заваръчни шевове или когато обвивката е заварена към дебел фланец (който действа като радиатор), скоростта на охлаждане е по-бавна и хромните карбиди могат да се утаят по границите на зърната, създавайки зона с изчерпване на хром с ширина 50-500 nm с локално съдържание на хром до 5-10% (срещу 17-19% насипно състояние). Съответната дълбочина на изчерпване на съдържанието на хром е ширината на областта, където хромът е по-малък от критичната стойност от 12%.

Количествена връзка между дълбочината на изчерпване и скоростта на корозия при междукристална корозия.

Връзката беше установена чрез контролирано заваряване на 316 тръби (1,5 mm стена) с различни входящи топлинни мощности (0,5-3,0 kJ/mm) и скорости на охлаждане, последвано от измерване на дълбочината на изчерпване на хрома чрез Auger електронна спектроскопия (AES) и IGC тестване при кипене 65% HNO3 (5 цикъла, по 48 часа всеки).

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 (много пасове)<5 >500 <6 >3.50 Неуспех (разпадане) Неприемливо
Влияние на въглеродното съдържание върху дълбочината на изчерпване

За същата скорост на охлаждане стандарт 316 (0,08% C) дава по-дълбоки зони на изчерпване от 316L (0,03% C), тъй като има повече въглерод за образуване на карбиди.

Скорост на охлаждане (градус/s) (450-850 градуса) Дълбочина на изчерпване в 316 (0,08% C) (nm) Дълбочина на изчерпване в 316L (0,03% C) (nm) 316 IGC скорост (mm/година) 316L IGC скорост (mm/година) Препоръчителна степен за заварено обслужване в Acid100<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 Отгряване след-заварката се изисква и за двете
Практически спецификации за заваряване на азотна киселина

За нагреватели с обшивка 316 за използване в кипяща азотна киселина или други окислителни киселини, следните изисквания за заваряване ще намалят до минимум дълбочината на изчерпване на хром и ще осигурят устойчивост на IGC.

Условия на обслужване Максимално допустима скорост на IGC (mm/година) Препоръчителен процес на заваряване Максимална входяща топлина (kj/mm) Тест за приемане на обработка след заваряване
Прекъснат, разреден (20% HNO3) 0,3 GTAW, едно преминаване 1,5 Няма (ако е 316L) ASTM A262 Практика A