Ako kontroluje hĺbku úbytku ekvivalentného obsahu chrómu v zvarových spojoch rúrky plášťa ohrievača 316 náchylnosť na medzikryštalickú koróziu pri vare kyseliny dusičnej

Mikroštrukturálny gradient v zóne ovplyvnenej teplom zvaru- (HAZ) ako korózny parameter

V oxidačných kyslých prostrediach je tepelne-ovplyvnená zóna (HAZ) susediaca s líniou zvárania najcitlivejšou oblasťou na medzikryštalickú koróziu (IGC) v prípade elektrických vykurovacích rúrok s plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316, ktoré potrebujú zvárané koncové uzávery alebo príruby, ako sú tlakové ohrievače, vysokoteplotné vložené ohrievače alebo zostavy termowellov. Počas zvárania dochádza v HAZ k tepelnému cyklu, ktorý môže čiastočne rozpustiť existujúce karbidy a po ochladení znovu vyzrážať karbidy chrómu na hraniciach zŕn. Následné ochudobnenie chrómu siaha do určitej hĺbky od hranice zŕn a je kvantifikované ako ekvivalentná hĺbka ochudobnenia obsahu chrómu (zvyčajne 50-500 nm). Hĺbka vyčerpania chrómu vo vriacej 65 % kyseline dusičnej (ASTM A262 prax C) je väčšia ako 200 nm a koncentrácia chrómu na hranici zŕn je menšia ako 12 %. Intergranulárny útok prebieha rýchlo a generuje straty hmotnosti 0,5-2 mm/rok. Tento dokument meria súvislosť medzi hĺbkou vyčerpania chrómu, koncentráciou chrómu na hranici zŕn a rýchlosťou IGC vo zváraných 316 plášťoch.

Mechanizmus vyčerpania chrómu zváraním

Pri zváraní nehrdzavejúcej ocele 316 sa tepelne ovplyvnená zóna (HAZ) zahreje na teploty medzi 600 stupňov a 1300 stupňov. Vo vyhrievanej oblasti nad približne 1 050 stupňov sa existujúce karbidy úplne rozpustia a chróm a uhlík sú v pevnom roztoku. S klesajúcou teplotou prechádza HAZ rozsahom senzibilizácie (450-850 stupňov) rýchlosťou, ktorá je funkciou hrúbky steny, predhriatia a okolitých podmienok. Tenkostenné plášte ohrievačov (1,5 – 2,0 mm) sa ochladzujú pomerne rýchlo (10 – 30 sekúnd v rozsahu senzibilizácie), čo často bráni akémukoľvek značnému opätovnému vyzrážaniu karbidu. Ak sa však vykoná viacero prechodov zvaru alebo keď sa plášť privarí k hrubej prírube (ktorá funguje ako chladič), rýchlosť chladenia je pomalšia a karbidy chrómu sa môžu vyzrážať na hraniciach zŕn, čím sa vytvorí zóna ochudobnená o chróm 50 – 500 nm široká s miestnym obsahom chrómu len 5 – 10 % (vs. 17 %). Zodpovedajúca hĺbka vyčerpania obsahu chrómu je šírka oblasti, kde je obsah chrómu menší ako kritická hodnota 12 %.

Kvantifikovaný vzťah medzi hĺbkou vyčerpania a rýchlosťou korózie pri medzikryštalickej korózii.

Vzťah bol stanovený riadeným zváraním 316 hadíc (1,5 mm stena) s rôznymi tepelnými príkonmi (0,5-3,0 kJ/mm) a rýchlosťami ochladzovania, po ktorom nasledovalo meranie hĺbky ochudobnenia chrómu pomocou Augerovej elektrónovej spektroskopie (AES) a testovanie IGC vo vriacej 65 % HNO₃ (5 cyklov, 48 hodín každý).

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 (veľa prechodov)<5 >500 <6 >3.50 Neúspech (dezintegrácia) Neprijateľné
Vplyv obsahu uhlíka na hĺbku vyčerpania

Pri rovnakej rýchlosti chladenia poskytuje Standard 316 (0,08 % C) hlbšie zóny vyčerpania ako 316L (0,03 % C), pretože na tvorbu karbidov je viac uhlíka.

Rýchlosť chladenia ( stupňov / s) (450-850 stupňov) Hĺbka vyčerpania v 316 (0,08 % C) (nm) Hĺbka vyčerpania v 316 l (0,03 % C) (nm) 316 Rýchlosť IGC (mm/rok) 316 l Rýchlosť IGC (mm/rok) Odporúčaná služba Odporúčaná 10<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 > 0,60 Post-zváracie žíhanie sa vyžaduje pre obe
Praktické špecifikácie zvárania pre servis s kyselinou dusičnou

V prípade ohrievačov 316 s plášťom na použitie pri vriacej kyseline dusičnej alebo iných oxidujúcich kyselinách budú nasledujúce požiadavky na zváranie minimalizovať hĺbku vyčerpania chrómu a zabezpečiť odolnosť proti IGC.

Podmienky služby Maximálna povolená rýchlosť IGC (mm/rok) Navrhovaný proces zvárania Maximálny tepelný príkon (kj/mm) Akceptačný test po spracovaní po zváraní
Prerušovaný, zriedený (20% HNO3) 0,3 GTAW, jeden prechod 1,5 Žiadny (ak 316L) ASTM A262 Cvičenie A