Pentru inginerii de proces care proiectează încălzitoare electrice cu imersie pentru rezervoarele de pasivare din oțel inoxidabil în finisarea metalelor și producția aerospațială, acidul azotic este mediul standard. Soluțiile de pasivare folosesc de obicei 20–40% acid azotic la temperaturi de 40–60 de grade pentru a îndepărta fierul liber și a forma un strat uniform de oxid de crom pe piesele din oțel inoxidabil. În aceste condiții, oțelul inoxidabil 316 prezintă o rezistență bună la coroziune datorită naturii oxidante a acidului azotic, care menține pelicula pasivă. Cu toate acestea, la temperaturi mai ridicate sau în prezența clorurilor sau a agenților reducători, poate apărea atacul intergranular, în special în regiunile sudate sau sensibilizate ale tecii. O grosime a peretelui de 1,2 mm este obișnuită pentru încălzitoarele cu rezervor de pasivare din cauza constrângerilor de spațiu și a necesității unui transfer rapid de căldură. Acest articol identifică combinația specifică de concentrație de acid azotic și temperatură la care o înveliș 316 de 1,2 mm necesită o reducere a densității în wați sub 10 W/cm² pentru a preveni atacul intergranular.
Mecanismul de atac intergranular în 316 expus la acid nitric
Atacul intergranular în 316 expus la acid azotic are loc atunci când limitele de cereale sunt epuizate de crom din cauza sensibilizării de la sudare sau expunerii termice anterioare. Acidul azotic atacă de preferință aceste zone epuizate de crom-, provocând coroziune la granițele granulelor care poate duce la dezintegrarea completă a metalului. Susceptibilitatea la atacul intergranular în acidul azotic este dependentă de concentrație și temperatură. În acid azotic 20%, atacul intergranular semnificativ are loc numai peste 70 de grade. În acid azotic 30%, pragul scade la 60 de grade. În acid azotic 40%, atacul are loc peste 50 de grade. În acid azotic 50%, atacul are loc peste 40 de grade. Pentru o manta de 1,2 mm cu o flansa sudata sau un punct de atasare, zona afectata de caldura-a sudurii este cea mai vulnerabila locatie. Temperatura suprafeței învelișului este de obicei cu 10-20 de grade peste temperatura acidului în vrac datorită densității de wați aplicate. La o temperatură în vrac de 55 de grade în acid azotic 40%, suprafața tecii poate atinge 70-75 de grade, depășind pragul de 50 de grade pentru atacul intergranular. Scăderea densității de wați reduce creșterea temperaturii suprafeței, menținând probabil zona de sudură sub pragul de atac.
Praguri critice de derating pentru manta de 1,2 milimetri
Pe baza testării de imersie a probelor sudate 316 în acid azotic la temperaturi și concentrații relevante pentru serviciul de pasivare, se aplică următoarele limite de densitate în wați pentru o manta de perete de 1,2 mm pentru a preveni atacul intergranular în zona afectată de căldură-. Valorile presupun o creștere a temperaturii suprafeței cu 15-20 de grade la 10 W/cm², scalând liniar cu densitatea în wați.
| Concentrația de acid azotic | Temperatura acidului în vrac | Temperatura maximă a suprafeței tecii pentru niciun atac intergranular | Densitatea maximă de wați permisă pentru manta de 1,2 mm (creștere de 15 grade la 10 W/cm²) | Acțiune recomandată |
|---|---|---|---|---|
| 20% | 40 de grade | 70 de grade | 20 W/cm² | Sigur la orice densitate practică de wați |
| 20% | 50 de grade | 70 de grade | 13 W/cm² | Derating recomandat peste 13 W/cm² |
| 20% | 60 de grade | 70 de grade | 7 W/cm² | Este necesară derating |
| 20% | Peste 65 de grade | 70 de grade | Sub 5 W/cm² | Utilizați 316L sau material recoapt |
| 30% | 40 de grade | 60 de grade | 13 W/cm² | Sigur la densitate moderată în wați |
| 30% | 45 de grade | 60 de grade | 10 W/cm² | Marginal la 10 W/cm² |
| 30% | 50 de grade | 60 de grade | 7 W/cm² | Este necesară derating |
| 30% | Peste 55 de grade | 60 de grade | Sub 5 W/cm² | Utilizați 316L sau upgrade din aliaj |
| 40% | 30 de grade | 50 de grade | 13 W/cm² | Acceptabil |
| 40% | 35 de grade | 50 de grade | 10 W/cm² | Marginal |
| 40% | 40 de grade | 50 de grade | 7 W/cm² | Este necesară derating |
| 40% | Peste 45 de grade | 50 de grade | Sub 5 W/cm² | Utilizați 316L sau upgrade din aliaj |
| 50% | 25 de grade | 40 de grade | 10 W/cm² | Marginal |
| 50% | 30 de grade | 40 de grade | 7 W/cm² | Este necesară derating |
| 50% | Peste 35 de grade | 40 de grade | Sub 5 W/cm² | 316 nu este recomandat |
Pentru un rezervor obișnuit de pasivizare care funcționează la 30% acid azotic și o temperatură în vrac de 50 de grade, o manta 316 de 1,2 mm necesită o reducere a capacității la aproximativ 7 W/cm² pentru a menține suprafața mantalei sub 60 de grade. La o densitate industrială standard de 10 W/cm², suprafața învelișului atinge aproximativ 65 de grade, iar atacul intergranular în zona afectată de căldură de sudare-poate avea loc în decurs de 3-12 luni.
Plic de funcționare sigur pentru manta de 1,2 milimetri în serviciu de pasivare
Următorul tabel oferă temperatura maximă sigură a acidului azotic în vrac pentru o manta de 1,2 mm 316 la diferite densități de wați, presupunând o zonă de sudură de grad 316L (scăzut carbon) sau recoaptă pentru a minimiza riscul de sensibilizare.
| Concentrația de acid azotic | Densitate în wați 5 W/cm² (creștere cu 8 grade) | Densitate de wați 8 W/cm² (creștere de 12 grade) | Densitate de wați 10 W/cm² (creștere de 15 grade) | Densitate de wați 12 W/cm² (creștere de 18 grade) |
|---|---|---|---|---|
| 20% | În siguranță până la 62 de grade | În siguranță până la 58 de grade | În siguranță până la 55 de grade | În siguranță până la 52 de grade |
| 25% | În siguranță până la 57 de grade | În siguranță până la 53 de grade | În siguranță până la 50 de grade | În siguranță până la 47 de grade |
| 30% | În siguranță până la 52 de grade | În siguranță până la 48 de grade | În siguranță până la 45 de grade | În siguranță până la 42 de grade |
| 35% | În siguranță până la 47 de grade | În siguranță până la 43 de grade | În siguranță până la 40 de grade | În siguranță până la 37 de grade |
| 40% | În siguranță până la 42 de grade | În siguranță până la 38 de grade | În siguranță până la 35 de grade | În siguranță până la 32 de grade |
| 45% | În siguranță până la 37 de grade | În siguranță până la 33 de grade | În siguranță până la 30 de grade | În siguranță până la 27 de grade |
| 50% | În siguranță până la 32 de grade | În siguranță până la 28 de grade | În siguranță până la 25 de grade | Nerecomandat |
Pentru un rezervor de pasivare care funcționează la 35% acid azotic și o temperatură în vrac de 45 de grade, o înveliș de 1,2 mm 316 la 10 W/cm² ar avea o temperatură a suprafeței de aproximativ 60 de grade, depășind limita de siguranță de 47 de grade prezentată mai sus. Încălzitorul ar fi expus riscului de atac intergranular. Reducerea densității de wați la 5 W/cm² menține suprafața la 53 de grade , ceea ce este sub limita de siguranță de 57 de grade pentru 25% acid, dar peste limita de 47 de grade pentru 35% acid-indicând că este necesară o combinație de derating și ajustarea concentrației.
Modificări de proiectare pentru a preveni atacul intergranular
Când condițiile procesului de pasivare necesită concentrații de acid azotic și temperaturi care ar depăși limitele de siguranță pentru o manta 316 de 1,2 mm, patru modificări de proiectare pot preveni atacul intergranular fără a schimba materialul învelișului. Prima este de a specifica 316L (scăzut de carbon) mai degrabă decât standardul 316. Conținutul redus de carbon minimizează precipitarea de carbură de crom în timpul sudării, făcând zona afectată de căldură să fie rezistentă la sensibilizare chiar și la temperaturi mai ridicate. 316L ridică pragul de atac intergranular cu 10-15 grade în comparație cu cea de-a doua modificare. recoacerea post-sudură a zonei de atașare a flanșei. Recoacere prin inducție localizată la 1.050 de grade, urmată de răcire rapidă, dizolvă carburile de crom și restabilește rezistența la coroziune. A treia modificare este reducerea temperaturii acidului în vrac cu 5-10 grade. O mică reducere a temperaturii poate prelungi dramatic durata de viață, având un impact minim asupra eficienței pasivării. A patra modificare este de a crește circulația acidului pe suprafața încălzitorului. Fluxul turbulent reduce creșterea temperaturii suprafeței mantalei de la 15 grade la 8-10 grade la aceeași densitate de wați, reducând efectiv încălzitorul fără a reduce puterea. Pentru rezervoarele de pasivare care funcționează peste 45 de grade în acid azotic 30–40%, inginerii ar trebui să ia 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 practic imune la atacul intergranular al acidului azotic, indiferent de istoria de sudare sau termică. Când specificați încălzitoare pentru serviciul de pasivare, precizați întotdeauna concentrația exactă de acid azotic, temperatura în vrac și dacă încălzitorul are atașamente sudate. Un producător care recomandă 316 pentru 40% acid azotic la 50 de grade fără a discuta despre reducerea densității în wați sau gradul 316L nu oferă îndrumări complete de inginerie. Atacul intergranular al unei învelișuri sudate de 1,2 mm în acid azotic are loc progresiv, subțiind zona afectată de căldură-până când flanșa se desprinde sau învelișul se scurge. Prevenirea prin specificarea corectă este mult mai eficientă decât inspecția, deoarece atacul nu este adesea vizibil până când zona de sudură a pierdut material semnificativ.
