A quale soglia specifica di concentrazione di acido solforico una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,2 millimetri richiede una ricottura post-saldatura per prevenire la corrosione intergranulare nei riscaldatori elettrici a immersione?

La saldatura dell'attacco delle flange e dei raccordi di montaggio alla guaina in acciaio inossidabile 316 deve essere eseguita dagli ingegneri di produzione e dal personale addetto al controllo qualità responsabile dei riscaldatori elettrici a immersione da utilizzare nel servizio con acido solforico. La saldatura genera calore che può produrre sensibilizzazione, la formazione di carburi di cromo ai bordi dei grani nella-zona interessata dal calore. 316 sensibilizzata perde la sua resistenza alla corrosione e diventa suscettibile alla corrosione intergranulare che attacca preferenzialmente i bordi dei grani producendo una rapida perdita di materiale e possibili guasti del riscaldatore. Lo spessore della parete della guaina controlla la velocità del raffreddamento dopo la saldatura e la necessità di ricottura post-saldatura. In questo lavoro abbiamo determinato la soglia della concentrazione di acido solforico che richiede la ricottura post-saldatura per evitare attacchi di corrosione intergranulare in una guaina 316 da 1,2 mm.

Sensibilizzazione e meccanismo di corrosione intergranulare in 316
Quando l'acciaio inossidabile 316 viene riscaldato nell'intervallo di temperatura compreso tra 450 gradi e 850 gradi (intervallo di sensibilizzazione), i carburi di cromo tendono a precipitare ai bordi dei grani. Questa precipitazione fa sì che le regioni vicine ai bordi dei grani siano impoverite di cromo e quindi carenti del 12% di cromo richiesto per la produzione di film passivi. In un ambiente corrosivo, queste zone di impoverimento del cromo sono preferenzialmente corrose, con conseguente attacco ai bordi del grano e, infine, con la rimozione di materiale. Per una guaina a parete sottile con spessore di 1,2 mm, la velocità di raffreddamento dopo la saldatura è rapida poiché la massa termica è minima e quindi il calore si dissipa rapidamente. Una parete sottile si raffredderà dalla temperatura di saldatura fino a meno di 450 gradi in pochi secondi e trascorrerà poco tempo nell'intervallo di sensibilizzazione. Per le guaine a pareti spesse-(più di 3 mm) la velocità di raffreddamento è più lenta, il che aumenta il pericolo di sensibilizzazione. Tuttavia, per una parete da 1,2 mm, la velocità di raffreddamento è generalmente sufficientemente rapida da evitare la sensibilizzazione in circostanze di saldatura ad arco di tungsteno con gas convenzionale. La chiave non è solo lo spessore della parete, ma anche il contenuto di carbonio del materiale 316. Il 316L a basso contenuto di carbonio (max 0,03% C) è particolarmente resistente alla sensibilizzazione indipendentemente dallo spessore della parete. Lo standard 316 (max 0,08% carbonio) può essere sensibilizzato se raffreddato troppo lentamente.

Concentrazione critica di acido solforico per il rilevamento della sensibilizzazione
The intergranular corrosion of sensitised 316 is especially severe at certain concentrations of sulphuric acid. The Strauss test (ASTM A262 Practice E) is a test for sensitisation using boiling 16% sulphuric acid with copper sulphate. The most susceptible concentration of sulphuric acid to intergranular assault in service is between 10 and 40% at temperatures over 50°C. Below 10 % the acid is not active enough to target grain boundaries preferentially. Above 40% acid it becomes oxidising and repassivates the surface obscuring sensitisation. 1.2 mm 316 sheath in sulphuric acid. For 60-80°C the concentration threshold for the risk of intergranular corrosion is around 15-25%. A sensitised sheath may live for years without obvious attack below 15 per cent. At >25% di acido, la tendenza ossidante dell'acido può prevenire l'attacco intergranulare ma la vaiolatura diventa una preoccupazione. Una guaina sensibilizzata nell'intervallo critico del 15-25% può perdere materiale a una velocità di 0,5-2,0 mm/anno lungo i bordi dei grani, perforando una parete di 1,2 mm nel giro di pochi mesi. Pertanto, per applicazioni con concentrazioni di acido solforico comprese tra il 15% e il 25% a temperature superiori a 50 gradi, è fortemente consigliata la ricottura post-saldatura, a meno che il materiale non sia 316L.

Matrice dei requisiti di ricottura per guaine saldate 316
La tabella seguente fornisce raccomandazioni per la ricottura post-saldatura delle guaine 316 da 1,2 mm in base alla concentrazione di acido solforico, alla temperatura operativa e al grado specifico di 316 utilizzato. Il gruppo di saldatura viene riscaldato ad una temperatura di 1.050 gradi per 15 minuti e raffreddato rapidamente (tempra in acqua o gas forzato).

Concentrazione di acido solforico Temperatura di esercizio Grado 316 È necessaria la ricottura post saldatura? Raccomandazione alternativa
Meno del 10% della temperatura di 316 o 316L. Non è consentita la saldatura standard
10 – 15% Sotto i 60 gradi 316L No preferito 316L
10 – 15% <60°C 316No, however 316L recommended Good without annealing
10 – 15% 60 – 90 gradi 316L No Attenzione agli attacchi
10 – 15% 60 – 90 gradi 316 Sì Ricottura o utilizzo 316L 15 – 25% Sotto 50oC 316L No accettabile 316L 15 – 25%Tabella 11.2.2.1.2. Composizione e applicazioni di acciaio inossidabile 316 e 316L a temperature elevateQualsiasi temperatura Qualsiasi 316 N/A La sensibilizzazione non è la modalità di guasto predominante; La vaiolatura è dominante
Oltre il 40%Qualsiasi temperatura Qualunque 316 Non applicabile Acido ossidante; attacco intergranulare improbabile
Per l'intervallo di concentrazione critica del 15-25% a temperature superiori a 50 gradi, se si utilizza lo standard 316, è necessaria la ricottura post-saldatura di una guaina 316 da 1,2 mm. Ma la ricottura offre un ulteriore margine di sicurezza anche con il 316L. Se la ricottura non viene eseguita, la zona di attacco di una flangia saldata può sviluppare corrosione intergranulare che penetra nella parete sottile in un periodo compreso tra 3 e 12 mesi, producendo il distacco della flangia o la perdita della guaina.

Considerazioni pratiche sulla ricottura di guaine a parete sottile
Vengono discusse le difficoltà pratiche della ricottura post-saldatura del tubo da 1,2 mm di 316. Se il gruppo non è adeguatamente protetto, l'elevata temperatura di 1050 gradi potrebbe consentire l'ossidazione del filo della resistenza interna. La ricottura deve essere eseguita in un forno ad ambiente controllato utilizzando argon o ammoniaca dissociata per evitare l'ossidazione. In alternativa, la zona di saldatura può essere ricotta localmente mediante riscaldamento ad induzione senza riscaldare l'intero riscaldatore. L'isolamento in MgO nei riscaldatori si espande in modo diverso dall'acciaio e può frantumare la guaina, pertanto non è possibile la ricottura a forno completo dei riscaldatori che sono stati precedentemente stampati con isolamento in MgO. Pertanto la ricottura deve essere eseguita dopo la saldatura ma prima della ricalcatura o localizzata solo nell'area di saldatura. Gli ingegneri dovrebbero stabilire che qualsiasi saldatura eseguita su guaine 316 che verranno utilizzate in acido solforico dal 15 al 25% dovrebbe essere seguita da una ricottura a induzione localizzata della zona-influenzata dal calore. La zona ricotta deve estendersi almeno 10 mm su entrambi i lati della saldatura. La corretta ricottura può essere verificata utilizzando un misuratore di ferrite o inviando un campione di saldatura per il test ASTM A262 Practice E. Un fornitore che non può eseguire la ricottura post-saldatura o offrire test di verifica non dovrà essere impiegato per il servizio di acido solforico nell'intervallo di concentrazione critica . Il costo di un cedimento per corrosione intergranulare, che di solito è inatteso e senza preavviso, è significativamente maggiore del costo di un buon processo di ricottura. Per le nuove installazioni, la scelta del 316L, anziché del 316 standard, elimina il potenziale di sensibilizzazione per pareti da 1,2 mm in tutte le condizioni tranne quelle più estreme ed è fortemente raccomandato per qualsiasi servizio di acido solforico con una concentrazione superiore al 10%.