Как среднее расстояние между карбидами на границе зерен после сенсибилизирующей термообработки трубки с оболочкой нагревателя 316 контролирует скорость межкристаллитной коррозии в тесте ASTM A262 Practice E

Микроструктурный параметр тяжести сенсибилизации

Для электронагревательных трубок с оболочкой из нержавеющей стали 316, которые подвергались воздействию температур сенсибилизации (450-850 градусов) на каком-то этапе производства или обслуживания, тяжесть восприимчивости к межкристаллитной коррозии (IGC) не является простой функцией присутствия или отсутствия зернограничных карбидов. Ключевым параметром микроструктуры является среднее расстояние между частицами карбида хрома по границам зерен. Когда частицы карбида расположены достаточно близко друг к другу (расстояние менее примерно 0,5-1,0 мкм), обедненные хромом зоны вокруг соседних частиц перекрываются, образуя непрерывную дорожку с низким содержанием хрома, которая быстро разрушается окисляющими кислотами (ASTM A262 Practice E, испытание сульфатом меди-меди-серной кислотой). Если карбидные частицы широко распространены (расстояние > 1-2 м), зоны обеднения не перекрываются и границы зерен устойчивы к межкристаллитному разрушению. В этой статье количественно оценивается связь между средним расстоянием между карбидами, степенью сенсибилизации и скоростью IGC в обычном 24-часовом тесте Practice E.

Механизм перекрытия обедненных зон.

Выделение карбида хрома на границах зерен нержавеющей стали 316 приводит к образованию обедненной хромом зоны размером ~50-200 нм с каждой стороны частицы. В зависимости от температуры и времени осаждения изучается степень обеднения хромом (часто минимальная концентрация хрома 8-12% по сравнению с основной 17-19%). Межкристаллитная коррозия имеет решающее значение, если расстояние между двумя соседними карбидами меньше суммы ширин двух соседних зон обеднения. В этом случае зоны обеднения перекрываются, и вдоль границы зерна образуется непрерывный след материала с низким содержанием хрома. В интенсивно окислительной и -зоне с дефицитом хрома-селективно кипящем растворе медно-медного сульфата и серной кислоты (методика Е) обедненные зоны перекрываются и быстро подвергаются коррозии, вызывая выпадение зерен и окончательное разрушение образца при изгибе. При расстоянии между карбидами более 1-2 мкм обедненные зоны изолированы и не существует непрерывного пути с низким содержанием хрома.

Количественная связь между расстоянием между карбидами и результатами практики E

Следующие пороговые значения были установлены путем контролируемой сенсибилизации трубок 316 (стенка 1,5 мм, 0,06% C) при температуре 650 градусов (самая быстрая температура осаждения карбидов) в течение различных периодов времени и последующего измерения среднего расстояния между карбидами с помощью просвечивающей электронной микроскопии и тестирования ASTM A262 Practice E.

Время сенсибилизации при 650 градусах (ч) Границы зерен Среднее расстояние между карбидами (мкм) Расчетная доля перекрытия обедненной зоны (%) Результат практики E (24-час кипячения Cu-CuSO4-H2SO4) Глубина межзеренного воздействия, мкм Рекомендуется для работы в окислительных кислотах
0 (отожженный, карбиды отсутствуют Н/Д Пройдено (нет трещин при изгибе)<5 Yes 0.1 5-10 0% Pass <10 Yes 0.5 2-4 0-20% Pass (slight etching) 10-20 Acceptable
1 1-2 20-50% Незначительный (трещины на изгибе) 20–40 Не рекомендуется
2 0.8-1.2 50-80% Неисправно (сильные трещины) 80–150 Неисправно (чистые трещины) 40–80 Нет 5 0.4-0.8 80-100%
10 0.2-0.5 100% (continuous) Fail (grain dropping) 150-250 No 24 0.1-0.3 100% (continuous) Fail (severe grain dropping) >250 Нет
Влияние содержания углерода на критическое расстояние между карбидами

Количество углерода в 316 определяет общее количество карбидов, которые могут осаждаться, и, следовательно, наименьшее расстояние между карбидами, которое может быть достигнуто для конкретного процесса сенсибилизации.

Carbon Content (wt%) Minimum Carbide Spacing after Complete Sensitisation (µm) Practice E Result at Minimum SpacingMaximum Allowable Service Temperature To Avoid Sensitisation >0,020 (низкий)2–3 соответствует 450 градусов 0,020–0,030 (316L) 1,5–2,5 соответствует (предельно) 425 градусов 0.030-0.040 1.0-1.8 предел 400 градусов 0.040-0.050 0.8-1.2 не соответствует 375 градусов 0.050-0.060 0.5-0.8 не соответствует 350 градусов 0,060–0,080 (стандарт 316) 0,3-0,6 провал 325 градусов
Практическое избежание сенсибилизации при производстве обогревателей

Чтобы избежать расстояния между карбидами ниже необходимого предела в 1–2 мкм в корпусных нагревателях 316, которые будут привариваться или могут подвергаться сенсибилизирующим температурам во время эксплуатации, рекомендуется соблюдать следующие критерии:

Условия производства или эксплуатацииМаксимальное температурное воздействие (градусы) Максимальное время при температуре Рекомендуемое содержание углеродаТребования после испытания на воздействие
Сварка (один проход, без наполнителя) быстрое охлаждение, максимум 1200–1400 секунд (ЗТВ быстро остывает) Любая (ЗТВ, если тонкая не сенсибилизирована) Нет для тонких стенок (<2mm)
Сварка (толстое сечение, много-проход) 450–850 (всего)316L Мин. (С<0.03%)Practice E Weld coupon
Термическая обработка после-сварки (снятие напряжения) 400–450 градусов 1–2 часа 316L (все)Нет (ниже предела обнаружения)
Service temperature excursion 450-550°C >Совокупно требуется 10 часов использования 316L. Методика E через 5 лет.
Пайка или пайка 500–700 градусов От минут до часов 316L или стабилизированная (321/347) Требуется практика E
ASTM A262 Practice E Тест качества на приемку

Испытание ASTM A262 Practice E обеспечивает окончательную гарантию устойчивости к IGC для тех покупателей, которые указывают оболочки 316, которые могут быть сенсибилизированы во время производства. Процедура испытания должна включать:

кипячение в течение 24 ч в растворе медного-сульфата меди-серной кислоты (ASTM A262, процедура E)

Образец изгибают на 180 градусов на оправке диаметром, равным толщине образца.

Просмотр трещин на изогнутой поверхности при 10-кратном увеличении.

Критерии приемки: Если после изгиба не наблюдается трещин, то это «пройденный» (несенсибилизированный). «Неудачный» (сенсибилизированный) регистрируется, если наблюдаются трещины (любой длины). Тест чувствителен к расстояниям между карбидами < ~ 1–2 мкм.

Полевая идентификация МПК, вызванная сенсибилизацией

В нагревателе марки 316, не работающем в окислительных кислотах (например, азотной кислоте, травильных растворах) или в хлоридных средах с окислительным компонентом, межкристаллитная коррозия от сенсибилизации проявляется в виде сети трещин по границам зерен, которые можно увидеть при небольшом увеличении (50-100×) на полированном и протравленном поперечном сечении. Трещины могут иметь «скелетный» рисунок, указывающий на наличие предшествующих зерен аустенита. Сенсибилизация будет подтверждена согласно ASTM A262 Practice E на образце, взятом из вышедшего из строя нагревателя. Расстояние, определенное металлографически с помощью сканирующей электронной микроскопии, будет менее 0,5-1,0 мкм. Ответом на такие отказы является использование 316L или требование отжига раствора после сварки.

Вывод: контроль спецификации расстояния между карбидами путем сенсибилизации

Скорость межкристаллитной коррозии основана на стандарте ASTM A262 Practice E для нагревателей с оболочкой из нержавеющей стали 316 и основана на среднем межзеренном расстоянии между карбидами после температур сенсибилизации. Когда расстояние между карбидами составляет менее 1-2 мкм, зоны, обедненные хромом-, перекрывают друг друга, образуя непрерывный маршрут с низким содержанием хрома, который быстро корродирует и не проходит испытание по практике E. Для применений, где температура сварки или эксплуатации находится в диапазоне 450–850 градусов, инженеры, выбирающие оболочки 316, должны использовать 316L (углеродистый<0.03%) to ensure that the carbide spacing will be above the critical threshold. After minimum sensitisation (1-2 hours at 650°C) carbide spacing for standard 316 (0.06-0.08% C) is less than 1 µm which results in sensitisation and IGC susceptibility. The framework offered herein, which correlates the average carbide spacing with quantitative Practice E results, allows purchasers to define combinations of material and heat treatment that will not allow overlapping depletion zones, and will retain intergranular corrosion resistance.