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

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 в 316
Когда нержавеющая сталь 316 нагревается в диапазоне температур от 450 до 850 градусов (диапазон сенсибилизации), карбиды хрома имеют тенденцию выпадать в осадок на границах зерен. Это осаждение приводит к тому, что области вблизи границ зерен обедняются хромом и, следовательно, испытывают дефицит 12% хрома, необходимого для производства 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. Для тонкостенной оболочки толщиной 1,2 мм скорость охлаждения после сварки высокая, поскольку тепловая масса минимальна и поэтому тепло быстро рассеивается. Тонкая стенка охлаждается от температуры сварки до температуры ниже 450 градусов за секунды и проводит мало времени в диапазоне сенсибилизации. Для толстостенных-оболочек (более 3 мм) скорость охлаждения медленнее, что увеличивает опасность 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
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% кислоты, склонность кислоты к окислению может предотвратить межкристаллитное разрушение, но появление питтинга становится проблемой. Сенсибилизированная оболочка в критическом диапазоне 15-25% может терять материал со скоростью 0,5–2,0 мм/год вдоль границ зерен, пробивая стенку толщиной 1,2 мм за считанные месяцы. Таким образом, для применений с концентрацией серной кислоты от 15% до 25% и температурах выше 50 градусов настоятельно рекомендуется послесварочный отжиг, если только материал не 316L.

Матрица требований к отжигу для сварных оболочек из стали 316
В таблице ниже приведены рекомендации по после-отжигу оболочек из 316 толщиной 1,2 мм в зависимости от концентрации серной кислоты, рабочей температуры и конкретной марки используемой стали 316. Сварочный узел нагревается до температуры 1050 градусов в течение 15 минут и быстро охлаждается (закалка водой или принудительной газовой закалкой).

Концентрация серной кислоты Рабочая температура Марка 316 Нужен ли отжиг после сварки? Альтернативная рекомендация
Менее 10 процентов температуры стали 316 или 316L. Стандартная сварка не разрешена.
10–15 % Ниже 60 градусов 316L Нет предпочтительного 316L
10 – 15% <60°C 316No, however 316L recommended Good without annealing
10–15 % 60–90 градусов 316L Нет Предостережение от нападения
10 – 15 % 60 – 90 градусов 316 Да Отожгите или используйте 316L 15 – 25 % Ниже 50oC 316L Не приемлемо 316L 15 – 25 % Таблица 11.2.2.1.2. Состав и применение нержавеющей стали 316 и 316L при повышенных температурахЛюбая температура Любая 316 Н/Д Сенсибилизация не является основным видом отказа; Питтинг является доминирующим
Свыше 40%Любая температура Любой 316 Неприменимо Окисляющая кислота; межкристаллитная атака маловероятна
Для диапазона критической концентрации 15-25% при температуре выше 50 градусов, если используется стандарт 316, необходим послесварочный отжиг оболочки из 316 толщиной 1,2 мм. Но отжиг дает дополнительный запас прочности даже у 316L. Если отжиг не проводить, в зоне приварного фланцевого присоединения через 3–12 месяцев может развиться межкристаллитная коррозия, проникающая в тонкую стенку, вызывающая отрыв фланца или негерметичность оболочки.

Практические соображения по отжигу тонкостенных оболочек
Обсуждаются практические трудности после-отжига трубы из стали 316 диаметром 1,2 мм. Если сборка не защищена должным образом, высокая температура в 1050 градусов может привести к окислению провода внутреннего сопротивления. Отжиг следует проводить в печи с контролируемой средой с использованием аргона или диссоциированного аммиака во избежание 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. Поэтому отжиг необходимо проводить после сварки, но перед обжимкой, или локализовать его только в зоне сварного шва. Инженеры должны предусмотреть, что любая сварка, выполняемая на оболочках 316, которые будут эксплуатироваться в 15–25-процентной серной кислоте, должна сопровождаться локальным индукционным отжигом зоны термического -воздействия. Зона отжига должна простираться не менее чем на 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%.