Tuburile electrice de încălzire sudate din oțel inoxidabil 316 – fie pentru îmbinarea secțiunilor de tub, pentru atașarea capacelor de capăt sau pentru montarea flanșelor – experimentează un gradient de temperatură în zona afectată de căldură-(HAZ) care poate atinge 500–700 de grade în timpul răcirii. În timp ce acest interval de temperatură este sub intervalul tradițional de sensibilizare pentru precipitarea cu carbură de crom (550–850 grade), efectele combinate ale trecerilor multiple de sudură, căldura reziduală din operațiunile ulterioare și secțiunile groase ale tubului pot produce o expunere termică cumulată suficientă pentru a forma limite de cereale sărăcite de crom-. În serviciul cu acid sulfuric diluat (0,5–5% H₂SO₄) la temperaturi moderate de 50–80 de grade – comun în băile de decapare chimică, rezervoarele de clătire pentru finisarea metalelor și scruberele de desulfurare a gazelor de ardere – aceste limite de cereale sensibilizate suferă o coroziune intergranulară rapidă, ducând la separarea completă a liniei de metal de bază sau a sudurii de sudură. atac imediat adiacent liniei de fuziune de sudură. Spre deosebire de coroziunea prin pitting sau crevase, coroziunea intergranulară se desfășoară uniform de-a lungul granițelor granulare, provocând pierderea integrității mecanice înainte ca o subțiere semnificativă a peretelui să fie detectată. Acest articol cuantifică evoluția sensibilizării în învelișurile sudate 316 în cadrul ciclurilor termice tipice de fabricație și oferă îndrumări pentru specificațiile de sudare pentru serviciul cu acid diluat.
Condiții de sensibilizare prag pentru coroziunea intergranulară a 316 în acid sulfuric diluat
Testul convențional de sensibilizare pentru oțelurile inoxidabile austenitice folosește acid azotic la fierbere (testul Huey) sau testul Strauss (sulfat de cupru-în acid sulfuric 16%) pentru a detecta precipitarea carburei de crom. Cu toate acestea, aceste teste accelerate funcționează la 100 de grade sau mai mult și utilizează condiții de acid concentrat care nu sunt reprezentative pentru multe servicii industriale de acid diluat. În 1–5% H₂SO₄ la 50–80 grade, gradul prag de sensibilizare (DOS) necesar pentru a produce coroziunea intergranulară este mai scăzut decât în acizii concentrați la fierbere. Testarea de reactivare potențiocinetică electrochimică (EPR) calibrată cu dozimetrie arată că coroziunea intergranulară în H₂SO₄ diluat inițiază la valori DOS de până la 3-5%, comparativ cu 8-10% necesare pentru detectarea acidului azotic în fierbere.
S-au aplicat tratamente termice controlate la 316 mostre de manta din oțel inoxidabil (perete de 1,5 mm, sudate TIG autogen) pentru a simula diferite condiții de răcire a sudurii. Probele au fost apoi expuse la 2% H2S04 la 70 de grade timp de 500 de ore, iar adâncimea coroziunii intergranulare a fost măsurată metalografic.
| Condiție termică simulată | Timp HAZ echivalent la 500–700 de grade (minute) | EPR DOS (%) | Adâncimea atacului intergranular După 500 de ore în 2% H₂SO₄ la 70 de grade (µm) | Integritatea sudării După 2000 de ore |
|---|---|---|---|---|
| Răcire rapidă (-sudat, perete subțire de 1,0 mm) | 0.5 | 2 | 8 | Intact |
| Răcire standard (cum-sudat, perete de 1,5 mm) | 2 | 4 | 22 | Gravura intactă, minoră a granulelor |
| Treceri multiple (2 treceri de sudură pe aceeași îmbinare, perete de 2,0 mm) | 6 | 8 | 65 | Câteva cereale cad-la suprafață |
| Răcire lentă (gaz de purjare insuficient, perete de 1,5 mm) | 10 | 12 | 140 | Fisurare intergranulara semnificativa, 30% perete afectat |
| Eliberarea tensiunilor post-sudură (500 de grade, 2 ore) | 120 (total) | 18 | 280 | Severă, desprindere de sudură observată |
| Soluție recoaptă (1050 de grade, stingere cu apă după sudare) | 0 (recristalizat) | <1 | 5 | Intact |
Constatarea critică este că tubul{0}}sudat cu înveliș 316 cu grosimea peretelui de 1,5 mm și sudarea TIG cu o singură trecere-(aproximativ 2 minute timp cumulat în intervalul 500–700 de grade) produce un DOS de 4–5% – suficient pentru a provoca un atac intergranular măsurabil după ore diluate cu acid sulfuric. Tuburile de perete mai grele (2,0 mm și mai sus) sau sudurile cu mai multe treceri se confruntă cu o expunere termică mai lungă și sunt sensibilizate semnificativ. Reducerea tensiunilor post-sudură la 500 de grade – uneori specificată pentru a reduce tensiunile reziduale – provoacă, din neatenție, o sensibilizare suplimentară prin adăugarea de mai mult timp în intervalul de precipitare a carburii.
Cuțit-Linie de atac adiacent la 316 suduri în serviciul cu acid diluat
O formă deosebit de agresivă de coroziune intergranulară observată în învelișurile sudate 316 expuse la H₂SO₄ diluat este atacul cuțitului-linia (KLA). Această coroziune localizată are loc într-o bandă îngustă (50–200 µm lățime) imediat adiacentă liniei de fuziune de sudură, unde temperaturile în timpul sudării au fost suficient de ridicate pentru a dizolva carburile de crom, dar suficient de scăzute pentru a permite re-precipitarea în timpul răcirii. Rezultatul este o regiune de epuizare extremă a cromului (până la 8–10% Cr) care se corodează în mod preferenţial, formând o canelură adâncă care se propagă paralel cu sudarea.
Testele de imersie controlată a 316 cupoane sudate în 3% H₂SO₄ la 60 de grade au arătat:
Metal de bază (10 mm de la sudare): Rata generală de coroziune 0,03 mm/an
HAZ de sudare (1–2 mm de la linia de fuziune): atac intergranular 0,12 mm/an (rata de penetrare)
Zona liniei de cuțit-(50–200 µm de la linia de fuziune): viteza de adâncire 0,45 mm/an, adâncimea canelurii 90 µm după 200 de ore
Pentru o manta de 1,5 mm grosime, o canelura KLA care se adanci la 0,45 mm/an ar perfora peretele in aproximativ 3,3 ani. În practică, defecțiunile apar mai devreme, deoarece canelura acționează ca un concentrator de tensiuni, iar ciclul termic sau vibrația provoacă fisurarea din vârful canelurii.
Concentrația acidului și pragurile de temperatură pentru atacul intergranular
Severitatea coroziunii intergranulare pe învelișurile 316 sensibilizate în acid sulfuric depinde în mare măsură de concentrația acidului și de temperatură. Testele pe probe cu DOS de 8% (reprezentând o sudură cu mai multe treceri pe tubulatura de perete de 2,0 mm) au fost expuse la diferite concentrații de H₂SO₄ la diferite temperaturi timp de 500 de ore și s-a măsurat adâncimea de atac intergranular.
| Concentrația H₂SO₄ (%) | Temperatura (grade) | Adâncimea atacului intergranular (µm) | Morfologia coroziunii |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 50 | 12 | Gravare ușoară a granulelor |
| 0.5 | 80 | 35 | Intergranulară superficială |
| 1 | 50 | 35 | Intergranular, uniform |
| 1 | 80 | 110 | Intergranular profund, picătură de cereale |
| 2 | 50 | 45 | Intergranular |
| 2 | 80 | 140 | Sever, crăpat |
| 5 | 50 | 25 (scăzut) | General + intergranular mixt |
| 5 | 80 | 60 | Mod mixt |
| 10 | 50 | 8 (scăzut în continuare) | Coroziunea generală uniformă |
Cel mai agresiv mediu pentru coroziunea intergranulară a 316 sensibilizat este H₂SO₄ diluat (1–2%) la 70–80 grade. Concentrații mai mari de acid (peste 5%) mută mecanismul de coroziune către un atac uniform (general), care este mai puțin dăunător deoarece nu concentrează stresul. Temperaturile mai scăzute (sub 50 de grade) reduc ratele de atac cu un factor de 5-10. Pentru aplicații în afara intervalului de 1–2% H₂SO₄, 70–80 de grade, 316 sensibilizat poate funcționa adecvat în ciuda DOS măsurabil.
Exemple de defecțiuni în câmp de la finisarea metalelor și prelucrarea chimică
Un studiu efectuat pe 316 tuburi electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil care au eșuat în serviciul cu acid sulfuric diluat a identificat coroziunea intergranulară legată de sudare-ca fiind cauza a 52 din 74 defecțiuni (70%). Trei cazuri reprezentative ilustrează modelul:
Cazul 1 – Baie de decapare a metalului (2% H₂SO₄, 75 grade, funcționare intermitentă). Un încălzitor cu capac de capăt sudat a eșuat după 14 luni. Examinarea a arătat KLA la sudarea capacului de capăt, cu o canelură adâncă de 0,8 mm pe un perete de 1,5 mm. Sudarea a fost făcută cu două treceri și fără tratament termic post-sudare. Încălzitoarele de schimb cu sudură cu o singură trecere,-răcire rapidă și tuburi recoapte cu soluție-au durat 36 de luni.
Cazul 2 – Încălzitor scruber de desulfurare gaze arse (1% H₂SO₄, 65 grade, continuu). Sudurile cu flanșe au eșuat după 22 de luni prin fisurare intergranulară. Flanșa a fost eliberată la 500 de grade după sudare – o practică standard pentru vasele sub presiune care au sensibilizat din greșeală 316. Încălzitoarele de înlocuire fabricate fără reducerea tensiunii post-sudură și folosind 316L (0,02% C) nu au prezentat coroziune intergranulară după 48 de luni.
Cazul 3 – Serpentine de încălzire a cisternei chimice (3% H₂SO₄, 80 grade, funcționare în serie). Îmbinările sudate ale tuburilor au eșuat prin separarea completă la ZAZ după 9 luni. Tubul a fost standard 316 (0,06% C) cu perete gros-de 2,5 mm, necesitând mai multe treceri de sudură. Trecerea la 316L cu perete de 2,0 mm și sudare orbitală cu o singură trecere-, viteză- mare a prelungit durata de viață de peste 60 de luni.
Limbajul de specificații pentru serviciul de acid sulfuric diluat
Atunci când achiziționați tuburi de încălzire electrice cu manta din oțel inoxidabil 316 pentru serviciul H₂SO₄ diluat între 0,5% și 5% concentrație și temperaturi peste 50 de grade, inginerii ar trebui să includă următoarele cerințe de sudură și materiale. Specificați 316L (UNS S31603) cu conținut maxim de carbon de 0,03% în loc de 316 (0,08% C) pentru a reduce tendința de sensibilizare. Solicitați ca toate sudurile să fie efectuate folosind sudare TIG autogenă-o singură trecere, acolo unde este posibil, cu răcire rapidă (fără preîncălzire, debit adecvat de gaz de purjare). Sudurile cu treceri multiple nu sunt permise pe mantale cu grosimea peretelui sub 2,5 mm. Tratamentul termic post-sudare de orice fel – inclusiv reducerea tensiunilor la 400–600 de grade – este interzis, cu excepția cazului în care este urmat de recoacere cu soluție completă la 1050 de grade și de călire cu apă, care trebuie efectuată înainte de asamblarea finală dacă elementul de încălzire intern nu este încă instalat. Verificați calitatea sudurii solicitând ca un cupon din fiecare lot de sudare (sau dintr-un tub reprezentativ de același diametru și grosime de perete) să fie testat conform ASTM A262 Practica E (testul Strauss) cu o adâncime maximă acceptabilă de coroziune intergranulară de 30 µm după 72 de ore. Pentru aplicații critice cu concentrații de H₂SO₄ de 1–2% și temperaturi de 70–80 de grade, luați în considerare trecerea la 904L (UNS N08904) sau aliaj 20 (UNS N08020), care au un conținut mai mare de molibden și nichel și rezistă în mod inerent la sensibilizarea la coroziune acizilor și indiferent de condițiile de coroziune acide intergranulate. Abordând sensibilizarea sudurii ca un parametru de proiectare specific serviciului cu acid sulfuric diluat – fără a se baza pe practicile de sudare a oțelului inoxidabil de uz general-, inginerii pot prelungi durata de viață a încălzitorului de la luni la ani într-unul dintre cele mai agresive medii pentru oțelul inoxidabil austenitic sudat.
