Как эквивалентная глубина снижения содержания хрома в сварных соединениях трубок с оболочкой нагревателя 316 контролирует восприимчивость к межкристаллитной коррозии в кипящей азотной кислоте

Микроструктурный градиент в зоне термического-влияния сварного шва (ЗТВ) как параметр коррозии

В окислительных кислотных средах зона термического влияния (ЗТВ), прилегающая к линии сварного шва, является наиболее чувствительной к межкристаллитной коррозии (IGC) в случае электронагревательных трубок с оболочкой из нержавеющей стали 316, требующих приварных торцевых крышек или фланцев, таких как нагреватели под давлением, высокотемпературные вставные нагреватели или сборки с защитными гильзами. Во время сварки ЗТВ подвергается тепловому циклу, который может частично растворять существующие карбиды и переосаждать карбиды хрома на границах зерен при охлаждении. Последующее обеднение хромом распространяется на некоторую глубину от границы зерна и количественно оценивается как эквивалентная глубина обеднения содержания хрома (обычно 50-500 нм). Глубина обеднения хромом при кипячении 65% азотной кислоты (ASTM A262 Practice C) превышает 200 нм, а концентрация хрома на границе зерна составляет менее 12%. Межкристаллитное разрушение протекает быстро, приводя к потерям массы 0,5-2 мм/год. В этой статье измеряется связь между глубиной обеднения хромом, концентрацией хрома на границах зерен и скоростью IGC в сварных оболочках из 316.

Механизм обеднения хромом при сварке

Во время сварки нержавеющей стали 316 зона термического влияния (ЗТВ) нагревается до температуры от 600 до 1300 градусов. В области нагрева выше 1050 градусов существующие карбиды полностью растворяются, а хром и углерод находятся в твердом растворе. При понижении температуры ЗТВ проходит диапазон сенсибилизации (450-850 градусов) со скоростью, которая зависит от толщины стенки, предварительного нагрева и условий окружающей среды. Тонкостенные -оболочки нагревателя (1,5–2,0 мм) остывают довольно быстро (10–30 секунд в диапазоне сенсибилизации), что часто предотвращает значительное переосаждение карбидов. Однако при выполнении нескольких проходов сварки или когда оболочка приварена к толстому фланцу (который действует как теплоотвод), скорость охлаждения замедляется, и карбиды хрома могут осаждаться на границах зерен, создавая обедненную хромом зону шириной 50–500 нм с локальным содержанием хрома всего 5–10% (по сравнению с 17–19% в массе). Соответствующая глубина обеднения содержания хрома равна ширине области, где содержание хрома меньше критического значения 12%.

Количественная связь между глубиной истощения и скоростью коррозии при межкристаллитной коррозии.

Взаимосвязь была установлена ​​путем контролируемой сварки трубок 316 (стенка 1,5 мм) с различными тепловложениями (0,5-3,0 кДж/мм) и скоростями охлаждения с последующим измерением глубины обеднения хромом с помощью электронной оже-спектроскопии (AES) и IGC-тестирования при кипении 65% HNO₃ (5 циклов по 48 часов каждый).

Weld Heat Input (kJ/mm) HAZ Cooling Rate (450-850°C, °C/s) Chromium Depletion Depth (nm) Minimum Grain Boundary Chromium (wt%) IGC Rate in Boiling 65% HNO3 (mm/year)Acceptable with monitoring 1.5-2.0 15-30 100-200 10-12 0.40-1.00 Fail (moderate IGA) Not recommended 2.0-2.5 10-15 200-350 8-10 1.00-2.00 Fail (severe IGA) No 2.5-3.0 5-10 350-500 6-8 2.00-3.50 Fail (very severe) No >3.0 (много проходов)<5 >500 <6 >3.50 Неисправность (распад) Недопустимо
Влияние содержания углерода на глубину истощения

При той же скорости охлаждения стандарт 316 (0,08% C) дает более глубокие зоны обеднения, чем 316L (0,03% C), поскольку в нем содержится больше углерода для образования карбидов.

Скорость охлаждения (градус/с) (450-850 градусов) Глубина истощения в 316 (0,08% C) (нм) Глубина истощения в 316L (0,03% C) (нм)316 Скорость IGC (мм/год)316L Скорость IGC (мм/год)Рекомендуемая марка для сварки в кислоте100<30 <10 <.05 <.05 316 acceptable 50-100 30-80 10-30 .10-.30 <.10 316L preferred 30-50 80-150 30-60 .30-.80 .10-.25 316L required 15-30 150-300 60-150 .80-1.50 .25-.60 316L with post-weld anneal <15 >300 >150 >1,50 > 0,60 Отжиг после-сварки необходим для любого
Практические характеристики сварки при работе с азотной кислотой

Для нагревателей с оболочкой 316, предназначенных для использования при кипении азотной кислоты или других окислительных кислот, следующие требования к сварке позволят минимизировать глубину истощения хрома и обеспечить стойкость к IGC.

Условия эксплуатации Максимально допустимая скорость IGC (мм/год) Рекомендуемый процесс сваркиМаксимальное тепловложение (кДж/мм) Приемочные испытания на обработку после сварки
Периодический, разбавленный (20 % HNO3) 0,3 GTAW, одиночный проход 1,5 Нет (если 316L) ASTM A262, практика A