Kuidas karbiidi osakeste suurus jaotus 316 roostevabast terasest küttekehas pärast lahustamist lõõmutamist kontrollib teradevahelist korrosioonitundlikkust oksüdeerivates happelistes keskkondades

Sensibiliseerimisresistentsust reguleeriv mikrostruktuurne aspekt

Karbiidiosakeste suurus, jaotus ja järjepidevus terade piiridel on kriitilise tähtsusega, et teha kindlaks, kas 316 roostevabast terasest ümbrisega elektriküttetoru, mis on kokku puutunud oksüdeerivate hapetega, nagu lämmastikhape või kloriide sisaldavate hapete seguga, peavad vastu teradevahelisele korrosioonile (IGC) või tõrjuvad tera piiride kiirel rünnakul. Enamik karbiide lahustatakse tahkeks lahuseks pärast sobivat lahusega lõõmutamist 1040-1100 kraadi juures, millele järgneb kiire karastamine ja seega saadakse puhas tera piirstruktuur. Kui aga jahutamine lõõmutamistemperatuurist on liiga aeglane või kui materjal kuumutatakse seejärel uuesti sensibiliseerimisvahemikku (450–850 kraadi), sadestuvad kroomkarbiidid terade piiridel. IGC vastuvõtlikkus sõltub nende karbiidide osakeste suuruse jaotusest, st kas need on peened ja katkendlikud (alla 0,1 µm ja asuvad üksteisest rohkem kui 1 µm kaugusel) või jämedad ja pidevad (moodustavad piki piiri praktiliselt täiskile). Siin on kvantifitseeritud seos karbiidiosakeste suuruse, teradevahelise korrosioonikiiruse ja kasutusea vahel oksüdeerivate hapete tingimustes.

Teradevahelise korrosiooni mehhanism pidevatest karbiididest

Kroomkarbiidide (Cr 23 C 6 ) sadestumine 316 roostevaba terase terade piiridel põhjustab kroomi kahanemist naabermaatriksis ja iga karbiidiosakese ümber moodustub kroomi-vaese tsoon laiusega umbes 50{7}}200 nm. Kui karbiidide vaheline kaugus on väike (osakeste vahel on alla 0,5 µm), kattuvad kahanemistsoonid ja moodustavad piki terade piiri pideva madala{11}}kroomi tee. Kuid oksüdeerivates hapetes (nt . 65% lämmastikhapet keevas või vähem kontsentreeritud hapetes koos oksüdeerivate ainetega) lahustub see kroomi-vaese tee eelistatavalt 10–100 korda kiiremini kui kroomirikkad terad, mis põhjustab teradevahelise korrosiooni. Kahjustatud terapiirid võivad nädalate või kuude jooksul korrodeeruda 100–500 µm sügavusele, mille tulemuseks on ümbrise täielik lagunemine. Kui karbiidid on suured (0,5–2,0 µm) ja laialt levinud (üle 2–3 µm), ei kattu kahanemistsoonid ja tera piiril on passiivsuse säilitamiseks piisavalt kroomi (üle 12 %). Karbiidid ei mängi siin teradevahelises korrosioonis rolli. Peamine mikrostruktuuriline tingimus ei ole mitte niivõrd karbiidide olemasolu, vaid pigem pideva võrgu moodustumine.

Kvantitatiivne seos karbiidi suuruse jaotuse ja IGC kiiruse vahel

Kvantitatiivsed seosed karbiidiosakeste omaduste ja teradevahelise korrosioonikiiruse vahel on kindlaks tehtud 316 torude puhul, mida on süstemaatiliselt kontrollitud kuumtöödeldud, millele järgnes sukelkatse keevas 65% lämmastikhappes (ASTM A262 praktika C). Täislahusega lõõmutatud materjalis täheldatakse IGC kiirust alla 0,1 mm aastas (1000-kordsel suurendusel pole nähtavaid karbiide). Peente pidevate karbiididega materjalil (osakesed 0,05–0,2 µm, vahekaugus < 0,3 µm) on IGC kiirus 5–20 mm/a – piisav 1,5 mm seina hävitamiseks nädalate või kuude jooksul. Jämedate, katkendlike karbiididega materjalil (osakesed 0,5–1,5 µm, vahekaugus 2–5 µm) on IGC kiirus alla 0,5 mm aastas, mis sobib paljude teenuste jaoks. Karbiidi osakeste omaduste, kuumtöötluse ajaloo ja eeldatava IGC jõudluse korrelatsioon oksüdeerivates hapetes on kokku võetud allolevas tabelis.

Karbiidi osakeste suurus, µm Osakeste vaheline kaugus, µm Karbiidi morfoloogia Sensibiliseerimistingimus, ASTM A26265% HNO3 keemise IGC määr (mm/aastas Perforatsioonini kuluv aeg (1,5 mm sein))|Soovitatav oksüdeeriva happe teenuse jaoks
N/A Täielikult lahusega lõõmutatud Ükski ei tuvastatud Läbis<0.1 >15 aastat jah
0.02-0.10 <0.2 Continuous film Severe sensitisation 10-20 1-3 monthsNo 0.10-0.25 0.2-0.5 Almost continuousmoderate sensitisation 5-10 2-6 monthsNo 0.25-0.50 0.5-1.0 Discontinuous yet frequentMild sensitisation 1-5 3-12 monthsMarginal 0.50-1.00 1.0-2.0 Discontinuous Slight sensitisation 0.5-1.0 1-3 yearsSuitable for light duty
2.0-5.0 1.00-2.00 Single particlesNo Sensitisation (Carbides Present) 0.1-0.5 3-15 yearsYes (with supervision)2.00 >5.0 Väga jäme Isoleeritud Ei tekita ülitundlikkust<0.1 >15 aastat jah
Lahuse lõõmutamistemperatuuri jahutuskiiruse roll

It is found that the transition from a desirable coarse, discontinuous carbide distribution to an unsatisfactory fine, continuous distribution is mostly governed by the cooling rate from solution annealing temperature. When 316 is slowly cooled from 1040 °C (e.g. in still air or in the furnace) carbides nucleate lavishly since the material is in the sensitisation region (450-850 °C) for minutes instead of seconds. The high nucleation rate yields many tiny carbides with close spacing. 316 rapidly quenched (water quench, cooling rate >500 kraadi/s sensibiliseerimisvahemikus) ei jõua karbiididel tuumada enne, kui temperatuur langeb alla 450 kraadi, kus kroomi difusioon on ebaoluline. Selle tulemuseks on karbiidivaba-või väga jäme karbiidi struktuur. Jahutuskiiruse pärast küttekehade lõõmutamist määrab seina paksus ja karastusaine. 1–2 mm seinapaksusega torusid saab tõhusalt veega karastada ja saavutada jahutuskiirus 1000–2000 kraadi/s. Paksemad osad (5 kuni 10 mm, nt äärikuplokid) jahtuvad aeglasemalt ja vajavad piisava jahutuse tagamiseks tugevat veepihustust või polümeerikustutusaineid. Kütteseadmetes, kus suured äärikud keevitatakse õhukeste ümbriste külge, on võimalik, et ümbris ei muutu jahtumisel tundlikuks, kuid äärik teeb seda, nii et keevisliites tekib IGC.

Karbiidi leviku ja IGC-le vastuvõtlikkuse kontrollimine

Oksüdeeriva happega töötamiseks mõeldud 316 korpusega küttekeha sobiva karbiidijaotuse kontrollimiseks on ette nähtud kolm meetodit. Esimene on oksaalhappe söövitamise test (ASTM A262 praktika A), mille käigus poleeritud proov söövitatakse elektrolüütiliselt 10% oblikhappes. "Sammuline" struktuur (siledad terade piirid) näitab head mikrostruktuuri. "Kraavi" struktuur (söövitatud kaevikud tera piiridel) viitab pidevatele karbiididele ja sensibiliseerimisele. Teine protseduur on vask-vasksulfaadi-väävelhappe test (ASTM A262 praktika E), mille käigus painutatud proov asetatakse 24 tunniks vette. Mõra kurvis=kinnitas sensibilisatsiooni. Kolmas viis hõlmab poleeritud ja söövitatud ristlõike otsest uurimist{14}}500–1000-kordse suurendusega skaneeriva elektronmikroskoobi abil. Kvantitatiivselt saab karbiidi suurust ja vahekaugust mõõta kujutise analüüsi abil. Hanke puhul nõuab jõustatav kvaliteeditagamine, et küttekeha tootja peab kinnitama, et ümbrise materjal läbib ASTM A262 praktika A astmelise struktuuriga ja sensibiliseerimise tunnusteta.

Sensibiliseeritud mikrostruktuuride leevendamine

Kui avastatakse, et 316 kesta mikrostruktuur on sensibiliseeritud (peened, pidevad karbiidid), on kolm võimalust. Esimene on kogu küttekeha uuesti-lõõmutamine 1040-1100 kraadi juures, millele järgneb kiire veega kustutamine. See teraapia eemaldab karbiidid ja taastab IGC-resistentsuse. Valmis küttekeha uuesti lõõmutamine võib kahjustada sisemist MgO isolatsiooni, deformeerida kesta või oksüdeerida sisemisi komponente. Teine võimalus on kasutada kütteseadet ainult mitte-oksüdeerivates tingimustes (nt neutraalsed kloriidid, redutseerivad happed), kus teradevahelist korrosiooni ei toimu, kuna kroomivaesed tsoonid jäävad passiivseks. Kolmas alternatiiv on asendada kütteseade 316L-ga (madala süsinikusisaldusega, alla 0,03%). Madal süsinikusisaldus väldib ka pidevate karbiitide tootmist aeglasema jahutamisega, kuna süsinikku pole pideva võrgu sadestamiseks piisavalt. Oksüdeerivate hapete teenindamiseks on tungivalt soovitatav märkida 316L, mitte tavaline 316.

Järeldus: karbiidi{0}}vabade mikrostruktuuride määratlemine happeteenuses

316 roostevabast terasest pakitud küttekehade teradevaheline korrosioonitundlikkus oksüdeerivates happelistes keskkondades ei sõltu mitte karbiidide olemasolust või puudumisest, vaid nende suurusest ja järjepidevusest. Peened pidevad karbiidid (osakeste vahekaugus alla 0,5 µm) viivad kroomivabade tsoonide kattumiseni, mis erodeeruvad 5–20 mm aastas. Jämedad katkendlikud karbiidid (vahe > 2 µm) ei kutsu esile IGC-d, kuna puudulikud tsoonid eraldatakse. Lämmastikhappe, segatud hapete või muude oksüdeerivate ainete jaoks küttekehasid määravad insenerid peaksid nõudma ASTM A262 testimise teel tõendamist karbiidi piisava hajuvuse kohta ja määrama 316L, et pakkuda täiendavat varu sensibiliseerimise vastu tootmise ajal. Korreleerides karbiidi osakeste suurust ja vahekaugusi mõõdetavate IGC määradega, võimaldab siin antud raamistik ostjatel valida 316 kesta, mis peavad vastu kõige vaenulikumates happetingimustes teradevahelisele rünnakule.