При каком конкретном сочетании концентрации серной кислоты и температуры оболочка из нержавеющей стали 316 толщиной 1,2 мм требует после-отжига после сварки для предотвращения межкристаллитной коррозии в электрических погружных нагревателях?

Сварка крепления монтажных фланцев и фитингов к оболочке из нержавеющей стали 316 должна выполняться инженерами-технологами и персоналом по обеспечению качества, отвечающим за электрические погружные нагреватели для использования при работе с серной кислотой. При сварке выделяется тепло, которое может вызвать сенсибилизацию, образование карбидов хрома на границах зерен в зоне термического воздействия-зоны. 316, сенсибилизированной, теряет свою коррозионную стойкость и становится восприимчивой к межкристаллитной коррозии, которая преимущественно поражает границы зерен, вызывая быструю потерю материала и возможный выход из строя нагревателя. Толщина стенки оболочки определяет скорость охлаждения после сварки и необходимость отжига после-сварки. В этой работе мы определили порог концентрации серной кислоты, требующий отжига после сварки во избежание межкристаллитной коррозии в оболочке из 316 толщиной 1,2 мм.

Сенсибилизация и механизм межкристаллитной коррозии 316
Когда нержавеющая сталь 316 нагревается до температур от 450°C до 850°C (диапазон сенсибилизации), карбиды хрома выпадают на границах зерен. Такое осаждение точки росы - вымывает хром из областей рядом с границами зерен, в результате чего их содержание хрома составляет менее 12 %, необходимого для образования пассивной пленки. В агрессивной среде эти зоны обеднения хромом преимущественно подвергаются коррозии, что приводит к разрушению границ зерен и, в конечном итоге, к удалению материала. Тонкостенная-оболочка толщиной 1,2 мм имеет низкую термическую массу, и после сварки тепло может быстро рассеиваться. Это приводит к быстрой скорости охлаждения. Тонкая стенка быстро остывает от температуры сварки до температуры ниже 450°C и мало времени находится в зоне сенсибилизации. Толстостенная-оболочка толщиной > 3 мм имеет более медленную скорость охлаждения, что увеличивает риск сенсибилизации. Однако для стенки толщиной 1,2 мм скорость охлаждения обычно достаточно быстрая, чтобы избежать сенсибилизации при обычной газовой вольфрамовой дуговой сварке. Ключевым моментом является не только толщина стенок, но и содержание углерода в материале 316. Низкоуглеродистый 316L (макс. 0,03% C) особенно устойчив к сенсибилизации независимо от толщины стенок. Стандарт 316 (макс. содержание углерода 0,08%) может стать сенсибилизированным при слишком медленном охлаждении.

Критическая концентрация серной кислоты для выявления сенсибилизации
Межкристаллитная коррозия сенсибилизированного 316 особенно сильна при определенных концентрациях серной кислоты. Тест Штрауса (ASTM A262 Practice E) сочетает кипячение 16% серной кислоты с сульфатом меди для проверки сенсибилизации. Межкристаллитное разрушение наиболее вероятно произойдет при эксплуатации в серной кислоте с концентрацией от 10 до 40% при температуре выше 50°C. При содержании менее 10% кислота недостаточно сильна, чтобы предпочтительно воздействовать на границы зерен. При содержании около 40% кислота становится окисляющей и репассивирует поверхность, маскируя сенсибилизацию. Пороговая концентрация риска межкристаллитной коррозии для оболочки из стали 316 толщиной 1,2 мм в серной кислоте составляет около 15–25 % при температуре 60–80°С. Ниже 15 % сенсибилизированная оболочка может жить годами без явных повреждений. При концентрациях выше 25% кислота может оказаться достаточно окисляющей, чтобы остановить межкристаллитное разрушение, но тогда становится проблемой образование питтинга. В критическом диапазоне 15–25% сенсибилизированная оболочка может терять 0,5–2,0 мм материала каждый год вдоль границ зерен, пробивая стенку толщиной 1,2 мм за несколько месяцев. Поэтому для применений с концентрацией серной кислоты от 15% до 25% и температурой выше 50°C настоятельно рекомендуется отжиг после сварки, если не используется сталь 316L.

Матрица требований к отжигу сварных оболочек из стали 316
В таблице ниже приведены рекомендации по отжигу после-сварки оболочек из 316 толщиной 1,2 мм для различных концентраций серной кислоты, рабочих температур и конкретных используемых марок стали 316. Отжиг представляет собой нагрев сварного узла до 1050°C в течение 15 минут с последующим быстрым охлаждением (закалка водой или принудительной газовой обработкой).

Концентрация серной кислоты Рабочая температура Класс 316 Требуется отжиг после сварки-? Альтернативная рекомендация
Менее 10 процентов Любая температура 316 или 316L Нет Стандартная сварка в норме
10 – 15 % Ниже 60°C 316L Нет предпочтительного 316L
10–15 % Ниже 60°C 316 Нет, но рекомендуется 316L Допустимо без отжига
10–15 % 60–90°C 316L Нет Монитор разрушения 10–15 % 60–90°C 316 Да Отжиг или использование 316L 15–25 % Ниже 50°C 316L Нет 316L приемлемо 15–25 % Ниже 50°C 316 Да Требуется отжиг 15–25 % 50–80°C 316 или 316L Да Отжиг обязателен для любой марки 15–25 % Свыше 80°C Любой 316 Да, плюс рассмотреть возможность модернизации сплава Высокий риск разрушения; используйте сплав 20 25 – 40 % Любая температура Любая 316 Не применимо Сенсибилизация не является основным видом отказа; питтинг преобладает
Более 40 процентовЛюбая температура Любой 316 Неприменимо Окисляющая кислота; межкристаллитная атака маловероятна
Если используется стандарт 316, после-сварной отжиг требуется для оболочки из 316 толщиной 1,2 мм в диапазоне критической концентрации 15–25 % при температуре выше 50°C. Для 316L отжиг является дополнительным запасом прочности. Межкристаллитная коррозия может проникнуть в тонкую стенку за 3–12 месяцев, что приведет к отслоению фланца или негерметичности оболочки без отжига приваренной зоны крепления фланца.

Практические соображения по отжигу тонкостенных-труб
На практике проблемы возникают при отжиге после-сварки оболочки из 316 толщиной 1,2 мм. Высокая температура 1050°C может привести к окислению провода внутреннего сопротивления, если узел не экранирован должным образом. Отжиг необходимо проводить в печи с контролируемой средой с аргоном или диссоциированным аммиаком, чтобы избежать окисления. Альтернативно, зона сварки может быть локально отожжена индукционным нагревом без нагрева всего нагревателя. Изоляция MgO в штампах нагревателя расширяется иначе, чем сталь, и может разрушить оболочку, поэтому полный отжиг в печи нагревателей, которые ранее были обжаты изоляцией MgO, невозможен. Отжиг необходимо проводить после сварки, но перед обжимкой, или локализовать только в области сварного шва. Инженеры должны указать, что любые сварные швы на оболочках 316, предназначенных для работы с 15–25% серной кислотой, должны сопровождаться локальным индукционным отжигом зоны термического -воздействия. Зона отжига должна составлять минимум 10 мм с каждой стороны сварного шва. Правильный отжиг можно проверить с помощью ферритометра или отправив образец сварного шва на тестирование ASTM A262 Practice E. Поставщик, который не может выполнить отжиг после-сварки или предложить проверочные испытания, не должен привлекаться к работе с серной кислотой в критическом диапазоне концентраций. Цена одного отказа от межкристаллитной коррозии, который обычно происходит неожиданно и без предупреждения, значительно превышает стоимость хорошего процесса отжига. Для новых установок выбор 316L вместо стандартного 316 исключает потенциальную сенсибилизацию стенок толщиной 1,2 мм во всех условиях, кроме самых экстремальных, и настоятельно рекомендуется для любого применения серной кислоты с концентрацией выше 10%.