Hoe regelt de equivalente uitputtingsdiepte van het chroomgehalte bij gelaste verbindingen van 316 verwarmingsmantelbuizen de gevoeligheid voor intergranulaire corrosie bij kokend salpeterzuur?

Microstructurele gradiënt in de laswarmte-geïnfecteerde zone (HAZ) als corrosieparameter

In oxiderende zure omgevingen is de door hitte beïnvloede zone (HAZ) grenzend aan de lasfusielijn het meest gevoelige gebied voor intergranulaire corrosie (IGC) in het geval van 316 roestvrijstalen omhulde elektrische verwarmingsbuizen die gelaste eindkappen of flenzen nodig hebben, zoals drukverwarmers, insteekverwarmers met hoge temperatuur of assemblages met thermowells. Tijdens het lassen ervaart de HAZ een hittecyclus die bestaande carbiden gedeeltelijk kan oplossen en chroomcarbiden bij korrelgrenzen opnieuw kan neerslaan bij afkoeling. De daaruit voortvloeiende chroomuitputting strekt zich uit tot enige diepte vanaf de korrelgrens en wordt gekwantificeerd als de equivalente chroomgehalte-uitputtingsdiepte (gewoonlijk 50-500 nm). De diepte van chroomuitputting in kokend 65% salpeterzuur (ASTM A262 Praktijk C) is groter dan 200 nm en de chroomconcentratie aan de korrelgrens is minder dan 12%. De intergranulaire aanval verloopt snel en veroorzaakt een gewichtsverlies van 0,5-2 mm/jaar. Dit artikel meet het verband tussen de diepte van de chroomuitputting, de chroomconcentratie op de korrelgrens en de IGC-snelheid in gelaste 316-mantels.

Mechanisme van chroomuitputting door lassen

Tijdens het lassen van 316 roestvrij staal wordt de hittebeïnvloede zone (HAZ) verwarmd tot temperaturen tussen 600 graden en 1.300 graden. In het verwarmde gebied boven ongeveer 1050 graden lossen de bestaande carbiden volledig op en zijn chroom en koolstof in vaste oplossing. Bij afnemende temperatuur doorloopt de HAZ het sensibilisatiebereik (450-850 graden) in een tempo dat afhankelijk is van de wanddikte, voorverwarming en omgevingsomstandigheden. Dunne-wandverwarmers (1,5-2,0 mm) koelen vrij snel af (10-30 seconden via het sensibilisatiebereik), waardoor vaak aanzienlijke herprecipitatie van carbiden wordt voorkomen. Wanneer er echter meerdere laspassages worden gemaakt, of wanneer de mantel aan een dikke flens wordt gelast (die als koellichaam fungeert), is de afkoelsnelheid langzamer en kunnen chroomcarbiden neerslaan op de korrelgrenzen, waardoor een chroomarme zone ontstaat van 50-500 nm breed met een lokaal chroomgehalte van slechts 5-10% (versus 17-19% bulk). De overeenkomstige diepte van de afname van het chroomgehalte is de breedte van het gebied waar het chroom minder is dan de kritische waarde van 12%.

Gekwantificeerde relatie tussen uitputtingsdiepte en corrosiesnelheid bij intergranulaire corrosie.

De relatie werd tot stand gebracht door het gecontroleerd lassen van 316 buizen (1,5 mm wand) met verschillende warmte-inbreng (0,5-3,0 kJ/mm) en koelsnelheden, gevolgd door het meten van de chroomdepletiediepte door middel van Auger-elektronenspectroscopie (AES) en IGC-testen in kokend 65% HNO₃ (5 cycli, elk 48 uur).

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 (veel passen)<5 >500 <6 >3.50 Mislukt (desintegratie) Onaanvaardbaar
Invloed van het koolstofgehalte op de uitputtingsdiepte

Voor dezelfde koelsnelheid levert Standaard 316 (0,08% C) diepere uitputtingszones op dan 316L (0,03% C), omdat er meer koolstof is om carbiden te vormen.

Koelsnelheid (graden /s) (450-850 graden) Uitputtingsdiepte in 316 (0,08% C) (nm) Uitputtingsdiepte in 316L (0,03% C) (nm)316 IGC-snelheid (mm/jaar)316L IGC-snelheid (mm/jaar)Aanbevolen kwaliteit voor gelast gebruik in zuur100<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 Na-lasgloeien vereist voor beide
Salpeterzuurservice Praktische lasspecificaties

Voor 316 verwarmingstoestellen met mantel voor gebruik bij het koken van salpeterzuur of andere oxiderende zuren zullen de volgende lasvereisten de chroomuitputtingsdiepte minimaliseren en IGC-weerstand bieden.

Gebruiksconditie Maximaal toegestane IGC-snelheid (mm/jaar) Aanbevolen lasprocesMaximale warmte-inbreng (kj/mm) Acceptatietest na lasbehandeling
Intermitterend, verdund (20% HNO3) 0,3 GTAW, enkele doorgang 1,5 Geen (indien 316L) ASTM A262 Praktijk A