За якого конкретного порогу концентрації сірчаної кислоти оболонка з нержавіючої сталі 316 товщиною 1,2 міліметра потребує відпалу після-зварювання для запобігання міжкристалітній корозії в електричних занурювальних нагрівачах?

Зварювання кріплень монтажних фланців і фітингів до оболонки з нержавіючої сталі 316 має виконуватися інженерами-виробниками та персоналом із забезпечення якості, відповідальним за електричні занурювальні нагрівачі для використання в умовах сірчаної кислоти. Зварювання генерує тепло, яке може спричинити сенсибілізацію, утворення карбідів хрому на границях зерен у -зоні термічного впливу. 316, сенсибілізоване втрачає корозійну стійкість і стає сприйнятливим до міжкристалітної корозії, яка переважно атакує межі зерен, що призводить до швидкої втрати матеріалу та можливого виходу з ладу нагрівача. Товщина стінки оболонки визначає швидкість охолодження після зварювання та необхідність після-відпалу зварювання. У цій роботі ми визначили поріг концентрації сірчаної кислоти, який потребує після-відпалу після зварювання, щоб уникнути атаки міжкристалітної корозії в оболонці 316 товщиною 1,2 мм.

Сенсибілізація та механізм міжкристалічної корозії в 316
Коли нержавіюча сталь 316 нагрівається в діапазоні температур від 450 градусів до 850 градусів (діапазон сенсибілізації), карбіди хрому мають тенденцію випадати в осад на межах зерен. Це випадання призводить до того, що області поблизу меж зерен збіднюються вмістом хрому і, таким чином, дефіцит 12% хрому, необхідного для виробництва пасивної плівки. У корозійному середовищі ці зони збіднення хрому переважно піддаються корозії, що призводить до ураження меж зерен і, зрештою, до видалення матеріалу. Для тонкостінної оболонки товщиною 1,2 мм швидкість охолодження після зварювання висока, оскільки теплова маса мінімальна, і тому тепло швидко розсіюється. Тонка стінка охолоне від температури зварювання до нижче 450 градусів за секунди та проведе небагато часу в діапазоні сенсибілізації. Для товстостінних оболонок (більше 3 мм) швидкість охолодження нижча, що збільшує небезпеку сенсибілізації. Однак для стінки товщиною 1,2 мм швидкість охолодження, як правило, є достатньо високою, щоб уникнути сенсибілізації під час звичайного дугового зварювання вольфрамовим газом. Важливою є не лише товщина стінки, але й вміст вуглецю в матеріалі 316. Низьковуглецевий 316L (макс. 0,03% C) особливо стійкий до сенсибілізації незалежно від товщини стінки. Стандарт 316 (макс. 0,08% вуглецю) може стати сенсибілізованим, якщо охолоджувати надто повільно.

Критична концентрація сірчаної кислоти для виявлення сенсибілізації
The intergranular corrosion of sensitised 316 is especially severe at certain concentrations of sulphuric acid. The Strauss test (ASTM A262 Practice E) is a test for sensitisation using boiling 16% sulphuric acid with copper sulphate. The most susceptible concentration of sulphuric acid to intergranular assault in service is between 10 and 40% at temperatures over 50°C. Below 10 % the acid is not active enough to target grain boundaries preferentially. Above 40% acid it becomes oxidising and repassivates the surface obscuring sensitisation. 1.2 mm 316 sheath in sulphuric acid. For 60-80°C the concentration threshold for the risk of intergranular corrosion is around 15-25%. A sensitised sheath may live for years without obvious attack below 15 per cent. At >25% кислоти, окиснювальна тенденція кислоти може запобігти міжзерновому нападу, але ямка стає проблемою. Сенсибілізована оболонка в критичному діапазоні 15-25% може втрачати матеріал зі швидкістю 0,5-2,0 мм/рік уздовж меж зерен, пробиваючи стінку 1,2 мм за лічені місяці. Таким чином, для застосування з концентрацією сірчаної кислоти від 15% до 25% при температурах вище 50 градусів, настійно рекомендується відпал після зварювання, якщо матеріал не 316L.

Матриця вимог до відпалу для зварних оболонок 316
У таблиці нижче наведено рекомендації щодо -відпалу після зварювання оболонок 316 товщиною 1,2 мм відповідно до концентрації сірчаної кислоти, робочої температури та конкретної марки 316, що використовується. Зварювальний вузол нагрівають до температури 1050 градусів протягом 15 хвилин і швидко охолоджують (загартування водою або примусовий газ).

Концентрація сірчаної кислоти Робоча температура Клас 316 Потрібен відпал після зварювання? Альтернативна рекомендація
Менше ніж 10 відсотків температури 316 або 316L Стандартне зварювання не допускається
10 – 15% нижче 60 градусів 316L Немає переваги 316L
10 – 15% <60°C 316No, however 316L recommended Good without annealing
10 – 15% 60 – 90 градусів 316L Немає застережень проти нападу
10 – 15% 60 – 90 градусів 316 Так Відпалити або використовувати 316L 15 – 25% Нижче 50oC 316L Не приймається 316L 15 – 25% Таблиця 11.2.2.1.2. Склад і застосування 316 і 316L SS при підвищених температурах. Будь-яка температура. Будь-яка 316 Н/З. Сенсибілізація не є переважним типом відмови; Домінує ямчастість
Понад 40% Будь-яка температура Будь-яка 316 Не застосовується Окислювальна кислота; міжзернова атака малоймовірна
Для діапазону критичної концентрації 15-25% при температурах вище 50 градусів, якщо використовується стандарт 316, необхідний відпал оболонки 316 1,2 мм після зварювання. Але відпал дає додатковий запас міцності навіть із 316L. Якщо відпал не проводити, то в зоні кріплення зварного фланця може розвинутися міжкристалітна корозія, яка проникне через тонку стінку через 3-12 місяців, що призведе до відшарування фланця або витоку оболонки.

Практичні міркування щодо відпалу тонкостінних оболонок
Обговорюються практичні труднощі післязварювального відпалу труби 316 діаметром 1,2 мм. Якщо вузол не захищено належним чином, висока температура 1050 градусів може призвести до окислення дроту внутрішнього опору. Щоб уникнути окислення, відпал слід проводити в печі з контрольованим середовищем з використанням аргону або дисоційованого аміаку. Крім того, зону зварювання можна локально відпалити індукційним нагріванням без нагрівання всього нагрівача. Ізоляція MgO у штампах нагрівача розширюється інакше, ніж сталь, і може розбити оболонку, тому повний відпал у печі нагрівачів, які попередньо були скомпоновані з ізоляцією MgO, неможливий. Тому відпал необхідно проводити після зварювання, але перед штампуванням або лише в зоні зварювання. Інженери повинні передбачити, що будь-яке зварювання, виконане на 316 оболонках, які будуть працювати в 15-25% сірчаної кислоти, має супроводжуватися локальним індукційним відпалом зони впливу тепла-. Зона відпалу повинна простягатися щонайменше на 10 мм з обох боків зварного шва. Правильний відпал можна перевірити за допомогою феритометра або надіславши зразок зварного шва для тестування ASTM A262 Practice E. Постачальник, який не може виконати після-зварювальний відпал або запропонувати перевірочні випробування, не повинен використовуватися для обслуговування сірчаної кислоти в критичному діапазоні концентрацій. Вартість одного пошкодження внаслідок міжкристалічної корозії, яке зазвичай відбувається несподівано та без попередження, значно перевищує вартість хороших процесів відпалу. Для нових інсталяцій вибір 316L замість стандартного 316 усуває потенціал сенсибілізації стінок товщиною 1,2 мм за будь-яких умов, окрім найекстремальніших, і настійно рекомендується для будь-якої роботи з сірчаною кислотою з концентрацією вище 10%.