Các ống gia nhiệt bằng điện được hàn từ thép không gỉ 316 – cho dù để nối các phần ống, gắn nắp đầu hay lắp mặt bích – đều chịu sự chênh lệch nhiệt độ trong vùng-ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể đạt tới 500–700 độ trong quá trình làm mát. Mặc dù phạm vi nhiệt độ này thấp hơn phạm vi nhạy cảm truyền thống đối với kết tủa cacbua crom (550–850 độ), nhưng tác động tổng hợp của nhiều đường hàn, nhiệt dư từ các hoạt động tiếp theo và các phần ống dày có thể tạo ra sự tiếp xúc nhiệt tích lũy đủ để tạo thành ranh giới hạt crom-bị cạn kiệt. Trong dịch vụ axit sunfuric loãng (0,5–5% H₂SO₄) ở nhiệt độ vừa phải 50–80 độ – phổ biến trong bể tẩy hóa chất, bể rửa hoàn thiện kim loại và máy lọc khử lưu huỳnh trong khí thải – các ranh giới hạt nhạy cảm này trải qua sự ăn mòn giữa các hạt nhanh chóng, dẫn đến tách hoàn toàn mối hàn khỏi kim loại cơ bản hoặc hình thành đường dao sâu{13}}tấn công ngay sát đường nung chảy mối hàn. Không giống như ăn mòn rỗ hoặc kẽ hở, ăn mòn giữa các hạt diễn ra đồng đều dọc theo ranh giới hạt, gây mất tính toàn vẹn cơ học trước khi có thể phát hiện được độ mỏng đáng kể của thành. Bài viết này định lượng sự phát triển độ nhạy trong vỏ bọc hàn 316 trong các chu trình nhiệt chế tạo điển hình và cung cấp hướng dẫn thông số kỹ thuật hàn đối với dịch vụ axit loãng.
Các điều kiện nhạy cảm ngưỡng đối với sự ăn mòn giữa các hạt 316 trong axit sunfuric loãng
Thử nghiệm độ nhạy thông thường đối với thép không gỉ austenit sử dụng axit nitric sôi (thử nghiệm Huey) hoặc thử nghiệm Strauss (đồng-sulfat đồng trong axit sunfuric 16%) để phát hiện kết tủa crom cacbua. Tuy nhiên, các thử nghiệm tăng tốc này hoạt động ở nhiệt độ 100 độ trở lên và sử dụng các điều kiện axit đậm đặc không đại diện cho nhiều dịch vụ axit loãng công nghiệp. Trong 1–5% H₂SO₄ ở 50–80 độ, ngưỡng nhạy cảm (DOS) cần thiết để tạo ra sự ăn mòn giữa các hạt thấp hơn so với khi đun sôi axit đậm đặc. Thử nghiệm tái kích hoạt tiềm năng điện hóa (EPR) được hiệu chuẩn bằng phép đo liều cho thấy sự ăn mòn giữa các hạt trong H₂SO₄ loãng bắt đầu ở giá trị DOS thấp tới 3–5%, so với 8–10% cần thiết để phát hiện trong axit nitric đang sôi.
Các phương pháp xử lý nhiệt có kiểm soát đã được áp dụng cho 316 mẫu vỏ thép không gỉ (tường 1,5 mm, hàn TIG tự sinh) để mô phỏng các điều kiện làm mát mối hàn khác nhau. Sau đó, các mẫu được tiếp xúc với 2% H₂SO₄ ở 70 độ trong 500 giờ và độ sâu ăn mòn giữa các hạt được đo bằng phương pháp kim loại học.
| Điều kiện nhiệt mô phỏng | Thời gian HAZ tương đương ở 500–700 độ (phút) | EPR DOS (%) | Độ sâu tấn công giữa các hạt sau 500 giờ trong 2% H₂SO₄ ở 70 độ (µm) | Tính toàn vẹn của mối hàn sau 2000 giờ |
|---|---|---|---|---|
| Làm mát nhanh (như{0}}được hàn, thành mỏng 1,0 mm) | 0.5 | 2 | 8 | nguyên vẹn |
| Làm mát tiêu chuẩn (như-được hàn, tường 1,5 mm) | 2 | 4 | 22 | Nguyên vẹn, khắc ranh giới hạt nhỏ |
| Nhiều đường hàn (2 đường hàn trên cùng một mối nối, tường 2,0 mm) | 6 | 8 | 65 | Một số hạt rơi-trên bề mặt |
| Làm mát chậm (không đủ khí thanh lọc, thành 1,5 mm) | 10 | 12 | 140 | Nứt giữa các hạt đáng kể, ảnh hưởng 30% thành |
| Sau{0}}giảm căng thẳng sau mối hàn (500 độ , 2 giờ) | 120 (tổng cộng) | 18 | 280 | Quan sát thấy mối hàn bị bong tróc nghiêm trọng |
| Dung dịch ủ (1050 độ, làm nguội nước sau khi hàn) | 0 (kết tinh lại) | <1 | 5 | nguyên vẹn |
Phát hiện quan trọng là tiêu chuẩn như ống bọc hàn 316 có độ dày thành 1,5 mm và hàn TIG một lần (thời gian tích lũy khoảng 2 phút trong phạm vi 500–700 độ) tạo ra DOS ở mức 4–5% – đủ để gây ra sự tấn công giữa các hạt có thể đo được sau 500 giờ trong axit sulfuric loãng. Ống vách nặng hơn (2,0 mm trở lên) hoặc các mối hàn nhiều lớp sẽ tiếp xúc với nhiệt lâu hơn và trở nên nhạy cảm đáng kể. Giảm ứng suất sau mối hàn ở 500 độ – đôi khi được chỉ định để giảm ứng suất dư – vô tình gây ra sự nhạy cảm bổ sung bằng cách tăng thêm thời gian trong phạm vi kết tủa cacbua.
Dao-Tấn công đường liền kề với 316 mối hàn trong dịch vụ axit loãng
Một dạng ăn mòn giữa các hạt đặc biệt mạnh mẽ được quan sát thấy ở 316 vỏ bọc hàn tiếp xúc với H₂SO₄ loãng là tấn công bằng dao-(KLA). Sự ăn mòn cục bộ này xảy ra trong một dải hẹp (rộng 50–200 µm) ngay sát đường hàn nóng chảy, trong đó nhiệt độ trong quá trình hàn đủ cao để hòa tan cacbua crom nhưng đủ thấp để cho phép tái kết tủa trong quá trình làm mát. Kết quả là một vùng bị suy giảm crom cực độ (thấp tới 8–10% Cr) bị ăn mòn nhiều hơn, tạo thành một rãnh sâu lan truyền song song với mối hàn.
Các thử nghiệm ngâm có kiểm soát của 316 phiếu hàn trong 3% H₂SO₄ ở 60 độ cho thấy:
Kim loại cơ bản (cách mối hàn 10 mm): Tốc độ ăn mòn chung 0,03 mm/năm
Mối hàn HAZ (1–2 mm từ đường nóng chảy): Tấn công giữa các hạt 0,12 mm/năm (tốc độ xuyên thấu)
Vùng đường dao-(50–200 µm từ đường nhiệt hạch): Tốc độ sâu 0,45 mm/năm, độ sâu rãnh 90 µm sau 200 giờ
Đối với lớp vỏ dày 1,5 mm, rãnh KLA khoét sâu với tốc độ 0,45 mm/năm sẽ làm thủng tường trong khoảng 3,3 năm. Trong thực tế, hư hỏng xảy ra sớm hơn do rãnh hoạt động như một bộ tập trung ứng suất và chu kỳ nhiệt hoặc rung động gây ra vết nứt ở đầu rãnh.
Nồng độ axit và ngưỡng nhiệt độ cho sự tấn công giữa các hạt
Mức độ nghiêm trọng của sự ăn mòn giữa các hạt trên vỏ bọc nhạy cảm trong axit sulfuric phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ và nhiệt độ axit. Các thử nghiệm trên các mẫu có DOS 8% (đại diện cho mối hàn nhiều lớp trên ống vách 2,0 mm) được cho tiếp xúc với các nồng độ H₂SO₄ khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau trong 500 giờ và đo độ sâu tiếp xúc giữa các hạt.
| Nồng độ H₂SO₄ (%) | Nhiệt độ (độ) | Độ sâu tấn công giữa các hạt (µm) | Hình thái ăn mòn |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 50 | 12 | Khắc ranh giới hạt nhẹ |
| 0.5 | 80 | 35 | nông giữa các hạt |
| 1 | 50 | 35 | Giữa các hạt, đồng đều |
| 1 | 80 | 110 | Hạt sâu, rơi hạt |
| 2 | 50 | 45 | liên hạt |
| 2 | 80 | 140 | Nặng, nứt nẻ |
| 5 | 50 | 25 (giảm) | Hỗn hợp chung + giữa các hạt |
| 5 | 80 | 60 | Chế độ hỗn hợp |
| 10 | 50 | 8 (giảm thêm) | Ăn mòn tổng thể thống nhất |
Môi trường mạnh nhất gây ra sự ăn mòn giữa các hạt của 316 nhạy cảm là H₂SO₄ loãng (1–2%) ở 70–80 độ. Nồng độ axit cao hơn (trên 5%) chuyển cơ chế ăn mòn theo hướng tấn công đồng đều (chung), ít gây hại hơn vì nó không tập trung ứng suất. Nhiệt độ thấp hơn (dưới 50 độ) làm giảm tỷ lệ tấn công theo hệ số 5–10. Đối với các ứng dụng nằm ngoài phạm vi 1–2% H₂SO₄, 70–80 độ, 316 nhạy cảm có thể hoạt động đầy đủ mặc dù DOS có thể đo lường được.
Ví dụ về lỗi hiện trường từ quá trình hoàn thiện kim loại và xử lý hóa học
Một cuộc khảo sát về 316 ống sưởi điện có vỏ bọc bằng thép không gỉ không hoạt động khi sử dụng axit sulfuric loãng đã xác định ăn mòn giữa các hạt liên quan đến hàn-là nguyên nhân gây ra 52 trong số 74 lỗi (70%). Ba trường hợp đại diện minh họa mô hình:
Trường hợp 1 – Bể ngâm kim loại (2% H₂SO₄, 75 độ, hoạt động không liên tục). Lò sưởi có nắp hàn bị hỏng sau 14 tháng. Kiểm tra cho thấy KLA ở đầu mối hàn, có rãnh sâu 0,8 mm trên tường 1,5 mm. Mối hàn được thực hiện qua hai lần hàn và không có-xử lý nhiệt sau mối hàn. Máy sưởi thay thế bằng các mối hàn-một chiều, làm mát nhanh-và ống ủ dung dịch{13}}có tuổi thọ 36 tháng.
Trường hợp 2 – Máy lọc khí khử lưu huỳnh (1% H₂SO₄, 65 độ, liên tục). Mối hàn mặt bích bị hỏng sau 22 tháng do nứt giữa các hạt. Mặt bích đã được giảm ứng suất-ở 500 độ sau khi hàn – một thông lệ tiêu chuẩn cho các bình chịu áp lực đã vô tình làm nhạy cảm với 316. Các bộ gia nhiệt thay thế được chế tạo không có bộ giảm ứng suất sau mối hàn-và việc sử dụng 316L (0,02% C) cho thấy không bị ăn mòn giữa các hạt sau 48 tháng.
Trường hợp 3 – Cuộn dây gia nhiệt tàu chở hóa chất (3% H₂SO₄, 80 độ, vận hành theo mẻ). Các mối nối ống hàn bị hỏng do bị tách rời hoàn toàn tại HAZ sau 9 tháng. Ống là tiêu chuẩn 316 (0,06% C) có thành dày-khổ 2,5 mm, cần có nhiều đường hàn. Việc chuyển sang 316L với thành 2,0 mm và đường hàn một đường,{14}}hàn quỹ đạo tốc độ cao đã kéo dài tuổi thọ sử dụng lên hơn 60 tháng.
Ngôn ngữ đặc tả cho dịch vụ axit sunfuric loãng
Khi mua ống sưởi điện có vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 để pha loãng H₂SO₄ với nồng độ từ 0,5% đến 5% và nhiệt độ trên 50 độ, các kỹ sư nên đưa ra các yêu cầu về vật liệu và hàn sau đây. Chỉ định 316L (UNS S31603) có hàm lượng carbon tối đa là 0,03% thay vì 316 (0,08% C) để giảm xu hướng nhạy cảm. Yêu cầu tất cả các mối hàn phải được thực hiện bằng phương pháp hàn TIG{11}}tự sinh một lần nếu có thể, với khả năng làm mát nhanh (không làm nóng trước, lưu lượng khí thanh lọc thích hợp). Không được phép hàn nhiều đường trên vỏ bọc có độ dày thành dưới 2,5 mm. -Xử lý nhiệt sau mối hàn dưới bất kỳ hình thức nào – bao gồm giảm ứng suất ở 400–600 độ – đều bị cấm trừ khi sau đó là ủ dung dịch hoàn chỉnh ở 1050 độ và làm nguội bằng nước, việc này phải được thực hiện trước khi lắp ráp lần cuối nếu bộ phận làm nóng bên trong chưa được lắp đặt. Xác minh chất lượng mối hàn bằng cách yêu cầu kiểm tra phiếu giảm giá từ mỗi lô mối hàn (hoặc từ ống đại diện có cùng đường kính và độ dày thành) theo tiêu chuẩn ASTM A262 Practice E (thử nghiệm Strauss) với độ sâu ăn mòn giữa các hạt tối đa chấp nhận được là 30 µm sau 72 giờ. Đối với các ứng dụng quan trọng có nồng độ H₂SO₄ là 1–2% và nhiệt độ 70–80 độ, hãy cân nhắc nâng cấp lên 904L (UNS N08904) hoặc hợp kim 20 (UNS N08020), có hàm lượng molypden và niken cao hơn đồng thời có khả năng chống lại sự nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt trong axit loãng bất kể điều kiện hàn. Bằng cách giải quyết vấn đề nhạy cảm với mối hàn như một thông số thiết kế dành riêng cho dịch vụ axit sunfuric loãng – không dựa vào các phương pháp hàn thép không gỉ có mục đích chung – các kỹ sư có thể kéo dài tuổi thọ của lò sưởi từ nhiều tháng đến nhiều năm ở một trong những môi trường khắc nghiệt nhất đối với thép không gỉ austenit hàn.
