Intergranularna korozija nakon zavarivanja: zašto se javlja preosjetljivost i kako ASTM A262 testira za to

Šta je intergranularna korozija i zašto nastaje nakon zavarivanja?

Intergranularna korozija (IGC) je lokalizirani napad koji se odvija duž granica zrna nehrđajućeg čelika ili legure nikla, dok unutrašnjost zrna ostaje uglavnom netaknuta, a zavarivanje je njen najčešći pokretač jer zona{0}}zahvaćena toplinom (HAZ) prolazi kroz temperaturni raspon u kojem se formira mehanizam napada.

Za razliku od opće korozije, koja ravnomjerno razrjeđuje površinu i koju je lako otkriti mjerenjem gubitka na zidu{0}}, intergranularna korozija napada usku mrežu granica ispod površine. Komponenta može izgledati potpuno netaknuta i još uvijek je izgubila većinu svoje mehaničke čvrstoće i duktilnosti duž zrnaste mreže, što je čini načinom kvara s velikim-posljedicama u rafinerijama, hemijskim postrojenjima i kalema cijevi, a ne kozmetičkim defektom.

Mehanizam je metalurški, a ne nasumičan: austenitni nehrđajući čelici se oslanjaju na kontinuirani, hromom{0}}bogat pasivni film za otpornost na koroziju.Kada se hrom izvuče iz rastvora na granici zrna da bi se formirao karbid, sama granica gubi svoj pasivni film lokalno, iako je sadržaj hroma u leguri nepromenjen. Zavarivanje stvara upravo one termičke uslove koji izvlače hrom iz rastvora u uskom pojasu sa obe strane linije fuzije - stanje koje metalurzi nazivaju senzibilizacijom.

Zašto zavarivanje uzrokuje preosjetljivost?

Zavarivanje uzrokuje senzibilizaciju jer zona{0}}zahvaćena toplinom provodi vrijeme u rasponu taloženja karbida od 425-870 stepeni (800-1600 stepeni F) dok se zagrijava i hladi, omogućavajući ugljiku da se kombinira s hromom na granicama zrna brže nego što hrom može difundirati natrag u zonu kako bi se ponovo napunila.

Tri uslova moraju se uskladiti da bi se ovo dogodilo, a razumijevanje svakog od njih je ono što omogućava inženjeru zavarivanja da ga kontrolira, a ne samo da se nada da se neće dogoditi:

Ugljenik u rastvoru.Standardne-ugljične austenitne klase (304, 316) drže otprilike 0,04-0,08% ugljika u čvrstom rastvoru na temperaturi žarenja. Taj ugljik je dostupan za reakciju čim legura ponovo uđe u opseg osjetljivosti.

Vrijeme na temperaturi.Krom karbid (pretežno Cr23C6) stvara jezgru i raste na granicama zrna unutar prozora od 425-870 stepeni. Brzi termalni ciklus zavarivanja ograničava vrijeme u ovom rasponu; spori,-prolaz visokog unosa toplote ga proširuje.

Zaostajanje difuzije hroma.Krom difundira kroz austenitnu rešetku mnogo sporije od ugljika. Formiranje karbida uklanja hrom iz granične zone široke samo nekoliko stotina nanometara brže nego što okolni hrom može migrirati da bi ga zamijenio, tako da tanka zona može pasti ispod praga od ~10,5-12% hroma potrebnog za održavanje pasivnog filma, iako osnovni metal na maloj udaljenosti ostaje u potpunosti zaštićen.

Praktični rezultat je omotač sa-osiromašenim hromom koji prati HAZ zavara na obje strane linije fuzije. Taj omotač, a ne sam metal šava, obično je mjesto gdje intergranularni napad inicira u službi.

Koji parametri zavarivanja povećavaju rizik od preosjetljivosti?

Veći unos toplote, sporija brzina hlađenja, povišena temperatura međuprolaza i višestruki prolazi zavarivanja preko iste HAZ povećavaju rizik od senzibilizacije jer svaki od njih produžava vreme koje materijal provodi u opsegu padavina od 425-870 stepeni.

Ove varijable su one koje specifikacija postupka zavarivanja (WPS) zapravo kontrolira, zbog čega se osjetljivost najbolje tretira kao problem{0}}kontrole procesa, a ne kao neizbježna nuspojava zavarivanja:

Unos toplote (kJ/mm ili kJ/in).Veći unos toplote usporava brzinu hlađenja kroz opseg senzibilizacije. Procesi kao što su SAW i SMAW sa vrućim prolazom imaju tendenciju da pokreću veći unos topline od GTAW korijenskih prolaza, što povećava rizik od senzibilizacije osim ako se ne kompenzira na drugom mjestu.

Interpass temperatura.Dozvoljavajući međuprolaznoj temperaturi da se penje na zavarenim spojevima sa više-prolaza, HAZ svakog narednog prolaza održava toplijim duže, vrijeme spajanja-na-temperaturi preko spoja.

Debljina presjeka i ograničenje spoja.Deblji dijelovi zadržavaju toplinu duže i hlade se sporije od tankih{0}}cijev, produžavajući prozor za osjetljivost čak i pri uporedivom unosu topline.

Broj prolaza i ciklusa ponovnog zagrijavanja.Svaki sljedeći prolaz ponovo zagrijava susjedni HAZ iz prethodnog prolaza, tako da zavari u više-prolaza i zavari za popravku mogu senzibilizirati zonu više puta.

Nijedan od ovih faktora ne treba eliminisati - oni moraju biti ograničeni kvalifikovanim WPS/PQR-om (ASME odjeljak IX) koji odražava senzibilizirajuće ponašanje specifične klase koja se zavari.

Šta je napad na liniju nožem{0}}i zašto se još uvijek dešava u stabiliziranim razredima?

Napad-linija noža je uska traka intergranularne korozije koja se formira neposredno uz liniju fuzije u titanijum- ili niobiju{2}}stabiliziranim klasama (321, 347) kada visoko-prolaz zavarenim spojem otapa stabilizirajuće karbide i naknadno smanjenje temperature{6} retemperature repre{6} hrom karbida prije nego što se stabilizatori mogu reformisati.

Stabilizirani tipovi su obično otporni na-osjetljivost jer se titanijum ili niobijum prvenstveno vezuju za ugljik, držeći hrom podalje od reakcije -formiranja karbida. Napad-linijom nožem je uski izuzetak: vrlo visoko{4}}prolaz zavarivanja (blizu linije fuzije) može rastvoriti postojeće titanijum/niobijum karbide nazad u rastvor. Prilikom hlađenja, hrom karbid se može ponovo taložiti u tom tankom pojasu prije nego što se karbidi stabilizatora koji se sporije -formiraju- ponovo uspostave, ostavljajući usku osjetljivu liniju koja prati granicu fuzije, a ne široku HAZ omotač. Stabilizirajuće žarenje, ili kontrola procesa koja ograničava cikluse ponovnog zagrijavanja na liniji fuzije, rješava ovaj specifični način kvara.

Kako ASTM A262 otkriva preosjetljivost?

ASTM A262 indirektno detektuje preosjetljivost: izlaže uzorak korozivnom mediju odabranom da prvenstveno napada granice zrna osiromašenih hromom-, zatim procjenjuje rezultat mikroskopijom, duktilnošću savijanja ili gubitkom mase, umjesto direktnog mjerenja sadržaja hroma.

ASTM A262, Standardne prakse za otkrivanje podložnosti intergranularnom napadu u austenitnim nerđajućim čelicima, definira pet postupaka testiranja - A, B, C, E i F - od kojih svaki odgovara drugoj porodici legura, obliku proizvoda ili nivou strogosti. Nijedan od njih ne simulira specifično uslužno okruženje; svaki je standardizirani ubrzani test čiji kriteriji prolaze/ne uspijevaju u korelaciji s ponašanjem senzibilizacije u stvarnom-svijetu.

Izvor: ASTM A262, Standardne prakse za otkrivanje podložnosti intergranularnom napadu u austenitnim nerđajućim čelicima.

Dva boda su bitna za svakog ko specificira ove testove. Prvo, praksa A je alat za skrining: povoljna struktura graviranja može se kvalifikovati mnogo bez daljeg testiranja, ali nepovoljna sama po sebi ne odbacuje materijal - ona pokreće naknadni-kvantitativni test (obično B, C ili F). Drugo, prakse nisu zamjenjive zamjene; svaki cilja na drugačiju kombinaciju hemije legure i mehanizma degradacije, zbog čega je A262 napisan kao izbornik vježbi, a ne kao jedan test prolaznosti/neuspjeha.

Koju A262 praksu trebate navesti za datu primjenu?

Navedite praksu A za rutinsko ispitivanje ulaznog-materijala bilo kojeg austenitnog stupnja, praksu E za proceduru zavarivanja i kvalifikaciju proizvoda za zavarivanje i praksu C ili F kada se radi o razredima ležajeva molibdena-ili sigma{2}}fazi zahtijevaju rigorozniji kvantitativni rezultat.

Specifikacije nabavke i specifikacije postupka zavarivanja treba da navode praksu slovom, a ne samo da citiraju "ASTM A262" - prakse nose značajno drugačiju logiku prolaza/neuspjeha, a kriteriji prihvatljivosti projekta (struktura nagrizanja, ograničenje brzine korozije ili rezultat savijanja) moraju odgovarati praksi koja se stvarno izvodi.

Kako spriječiti preosjetljivost tokom proizvodnje?

Najpouzdanija prevencija je odabir materijala - koji specificira niske-ugljične 'L' razrede ili stabilizirane razrede tako da je malo ili nimalo dostupnog ugljika za formiranje krom karbida - podržanog unosom topline i kontrolom temperature međuprolaza, te toplinskom obradom nakon-zavarivanja gdje je to još uvijek potrebna primjena.

1. Odredite niske-ugljične 'L' ocjene

304L i 316L drže ugljen na 0,03% maksimuma naspram otprilike 0,08% za standardne tipove. Uz to malo dostupnog ugljika, stopa formiranja krom karbida dovoljno opada da većina termičkih ciklusa zavarivanja ne proizvodi značajnu osjetljivost, bez ikakvih promjena u postupku zavarivanja.

2. Odredite stabilizirane stupnjeve za visoke-temperature ili ponovljene-usluge zavarivanja

321 (titanijum-stabiliziran) i 347 (stabiliziran niobijem-) vezuju ugljik kao titanijum ili niobijum karbid tokom obrade u mlinu, ostavljajući malo ugljenika slobodnog da reaguje sa hromom tokom naknadnog zavarivanja ili rada na povišenoj{4}}temperaturi. Ovo su standardni izbor za komponente koje će imati produženi rad iznad 425 stepeni, ili proizvodnju koja uključuje više ciklusa zavarivanja/ponovnog zavarivanja, gdje L- razredi sami po sebi možda neće biti dovoljni.

3. Kontrolirajte ulaznu toplinu i međuprolaznu temperaturu

WPS koji ograničava unos topline, ograničava međuprolaznu temperaturu i favorizuje brže, niže-procese{0}}unosa{1}}toplote za kritične prolaze smanjuje vrijeme koje bilo koja tačka u HAZ-u provede u rasponu od 425-870 stepeni. Ovo je poluga jeftinija od zamjene materijala i obično se koristi uz nju, a ne umjesto nje.

4. Primijenite naknadnu-toplinsku obradu zavarivanja ili žarenje otopinom gdje je potrebno

Žarenje rastvorom (zagrevanje iznad otprilike 1040 stepeni i brzo hlađenje) ponovo otapa hrom karbide i vraća ujednačenu distribuciju hroma preko granice zrna. To je najkompletniji korektivni tretman, ali nije uvijek praktičan za velike proizvedene sklopove ili zavarene šavove, zbog čega su odabir kvaliteta i kontrola procesa prve linije odbrane, a PWHT se primjenjuje tamo gdje uvjeti rada ili kodeks to zahtijevaju.

Često postavljana pitanja

P: Da li senzibilizacija čini nehrđajući čelik slabijim čak i prije nego što korodira?

O: Ne samo po sebi. Senzibilizirana mikrostruktura ima suštinski ista mehanička svojstva kao i ne-osjetljiva sve dok granice zrna osiromašene hromom- ne budu izložene korozivnom okruženju; Gubitak duktilnosti i čvrstoće prati napad korozije, a ne samo taloženje karbida.

P: Može li 316 ili 316L i dalje biti senzibiliziran iako sadrži molibden?

O: Da. Molibden poboljšava otpornost na koroziju udubljenja i pukotina, ali ne sprječava taloženje krom karbida na granicama zrna. Zbog toga se klase nosivosti molibdena-testiraju prema ASTM A262 praksi F umjesto da se pretpostavlja da su imune na senzibilizaciju{4}}.

P: Da li je povoljan ASTM A262 Practice A rezultat dovoljan da prihvati materijal bez daljeg testiranja?

O: Za mnoge specifikacije kupovine, da - struktura koraka ili dvostruka graviranja se obično prihvata bez dodatnog testiranja. Struktura jarka ne odbija automatski materijal, ali zahtijeva naknadnu-kvantitativnu praksu (B, C ili F) kako bi se utvrdila prihvatljivost, prema važećoj specifikaciji kupovine.

P: Da li PWHT uvijek eliminira rizik od senzibilizacije?

O: Pravilno obavljeno žarenje otopinom ponovo otapa krom karbide i uklanja stanje osjetljivosti, ali svako naknadno zavarivanje ili usluga na povišenoj{0}}temperaturi može ponovo povećati osjetljivost materijala. PWHT adresira postojeće senzibilizirano stanje; ne čini leguru imunom na buduću senzibilizaciju.