In che modo la spaziatura media del carburo al confine del grano dopo il trattamento termico di sensibilizzazione della tubazione della guaina del riscaldatore 316 controlla il tasso di corrosione intergranulare nella prova pratica E ASTM A262

Parametro microstrutturale per la gravità della sensibilizzazione

Per i tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 316 che sono stati esposti a temperature di sensibilizzazione (450-850 gradi) in alcune fasi di produzione o servizio, la gravità della suscettibilità alla corrosione intergranulare (IGC) non è una semplice funzione della presenza o assenza di carburi al bordo del grano. Il parametro microstrutturale chiave è la spaziatura media delle particelle di carburo di cromo sui bordi-del grano. Quando le particelle di carburo sono sufficientemente vicine tra loro (distanza inferiore a circa 0,5-1,0 µm) le zone impoverite di cromo attorno alle particelle adiacenti si sovrappongono per formare un percorso continuo a basso contenuto di cromo che viene attaccato rapidamente dagli acidi ossidanti (ASTM A262 Practice E, test al solfato di rame-rame-acido solforico). Se le particelle di carburo sono ampiamente diffuse (spaziatura > 1-2 m), le zone di svuotamento non si sovrappongono e i bordi dei grani sono resistenti all'assalto intergranulare. Questo articolo quantifica il legame tra la spaziatura media del carburo, il grado di sensibilizzazione e il tasso di IGC nel test E pratico convenzionale di 24 ore.

Meccanismo di sovrapposizione delle zone esaurite

La precipitazione del carburo di cromo ai bordi dei grani dell'acciaio inossidabile 316 produce una zona impoverita di cromo di ~50-200 nm su ciascun lato della particella. In funzione della temperatura e del tempo delle precipitazioni, viene studiata l'entità dell'esaurimento del cromo (spesso una concentrazione minima di cromo dell'8-12% rispetto al 17-19% della massa). La corrosione intergranulare è critica se la distanza tra due carburi vicini è inferiore alla somma delle larghezze delle due zone di svuotamento vicine. In questa circostanza, le zone di esaurimento si sovrappongono e lungo il bordo del grano si forma una scia continua di materiale a basso-cromo. Nella soluzione intensamente ossidante e carente di cromo-soluzione selettiva di rame-solfato di rame-acido solforico bollente (Pratica E), le zone impoverite si sovrappongono e vengono rapidamente corrose, causando la caduta dei grani e la rottura definitiva del campione durante la flessione. Per spaziature del carburo superiori a circa 1-2 μm, le zone impoverite sono isolate e non esiste un percorso continuo a basso contenuto di cromo.

Collegamento quantificato tra la spaziatura del carburo e i risultati della pratica E

Le seguenti soglie sono state stabilite mediante sensibilizzazione controllata di tubi 316 (parete 1,5 mm, 0,06% C) a 650 gradi (la temperatura di precipitazione del carburo più veloce) per vari periodi di tempo e successiva misurazione della spaziatura media del carburo mediante microscopia elettronica a trasmissione e test ASTM A262 Practice E.

Tempo di sensibilizzazione a 650 gradi (ora) Bordo del grano Spaziatura media del carburo (μm) Frazione di sovrapposizione zona impoverita stimata (%) Risultato pratica E (bollitura per 24- ore Cu-CuSO4-H2SO4) Profondità di attacco intergranulare, µm Consigliato per il servizio in acidi ossidanti
0 (ricotto, senza carburi N/A Passato (nessuna frattura in piega)<5 Yes 0.1 5-10 0% Pass <10 Yes 0.5 2-4 0-20% Pass (slight etching) 10-20 Acceptable
1 1-2 20-50% Marginale (crepe in piega) 20-40Non consigliato
2 0.8-1.2 50-80% Guasto (crepe gravi) 80-150 Nessun guasto (crepe evidenti) 40-80 No 5 0.4-0.8 80-100%
10 0.2-0.5 100% (continuous) Fail (grain dropping) 150-250 No 24 0.1-0.3 100% (continuous) Fail (severe grain dropping) >250 n
Effetto del contenuto di carbonio sulla spaziatura critica del carburo

La quantità di carbonio nel 316 determina il carburo totale che può precipitare e quindi la distanza più bassa tra i carburi che può essere ottenuta per un particolare processo di sensibilizzazione.

Carbon Content (wt%) Minimum Carbide Spacing after Complete Sensitisation (µm) Practice E Result at Minimum SpacingMaximum Allowable Service Temperature To Avoid Sensitisation >0,020 (basso)2-3 Superato 450 gradi 0,020-0,030 (316L) 1,5-2,5 Superato (marginale) 425 gradi 0.030-0.040 1.0-1.8 Marginale 400 gradi 0.040-0.050 0.8-1.2 Fallito 375 gradi 0.050-0.060 0.5-0.8 Fallito 350 gradi 0,060-0,080 (standard 316) 0,3-0,6 Fallimento 325 gradi
Prevenzione pratica della sensibilizzazione nella produzione di riscaldatori

Per evitare una spaziatura del carburo inferiore al limite essenziale di 1-2 µm nei riscaldatori rivestiti 316 che verranno saldati o che potrebbero essere esposti a temperature di sensibilizzazione durante il servizio, si raccomandano i seguenti criteri:

Condizioni di produzione o servizioEsposizione alla temperatura massima (gradi) Tempo massimo alla temperaturaContenuto di carbonio suggeritoRequisiti del test post-esposizione
Saldatura (passaggio singolo, senza apporto) raffreddamento veloce, max 1.200-1.400 secondi (la HAZ si raffredda velocemente) Qualsiasi (HAZ se sottile non sensibilizzata) Nessuna per pareti sottili (<2mm)
Saldatura (sezione spessa, multi-passaggio) 450-850 (totale)316L Min. (C<0.03%)Practice E Weld coupon
Trattamento termico post-saldatura (attenuazione dello stress) 400-450 gradi 1-2 ore 316L (tutti) Nessuno (sotto il limite di rilevamento)
Service temperature excursion 450-550°C >10 ore cumulative di 316L necessarie Pratica E dopo 5 anni
Brasatura o brasatura 500-700 gradi Da minuti a ore 316L o stabilizzato (321/347) Pratica E necessaria
ASTM A262 Practice E Test di qualità per l'accettazione

I test ASTM A262 Practice E forniscono la garanzia finale della resistenza IGC per quegli acquirenti che specificano guaine 316 che potrebbero essere sensibilizzate durante la produzione. La procedura di prova comprende:

bollire per 24 ore in una soluzione di rame-solfato di rame-acido solforico (ASTM A262, procedura E)

Il provino viene piegato di 180 gradi su un mandrino di diametro pari allo spessore del provino

Visualizzazione delle fessure nella superficie piegata con ingrandimento 10x

Criteri di accettazione: Se non si osservano crepe dopo la piegatura, si tratta di un "passato" (non sensibilizzato). Se si osservano crepe (di qualsiasi lunghezza) viene registrato un "fail" (sensibilizzato). Il test è sensibile alle spaziature del carburo < ~1-2 μm.

Identificazione sul campo degli IGC indotti dalla sensibilizzazione

In un riscaldatore 316 che non funziona nel servizio con acido ossidante (ad es. acido nitrico, soluzioni di decapaggio) o in ambienti di cloruro con un componente ossidante, la corrosione intergranulare dovuta alla sensibilizzazione si manifesta come una rete di crepe lungo i bordi dei grani che può essere vista a basso ingrandimento (50-100×) su una sezione trasversale lucidata e incisa. Le fessure possono avere un disegno a "scheletro", indicante i precedenti grani di austenite. La sensibilizzazione sarà confermata dalla ASTM A262 Practice E su un campione prelevato dal riscaldatore guasto. La spaziatura determinata metallograficamente utilizzando la microscopia elettronica a scansione sarà inferiore a 0,5-1,0 µm. La risposta a tali fallimenti è utilizzare 316L o richiedere una ricottura della soluzione post-saldatura.

Conclusione: controllo della specifica della spaziatura del carburo mediante sensibilizzazione

Il tasso di corrosione intergranulare basato sulla pratica ASTM A262 E per i riscaldatori con guaina in acciaio inossidabile 316 si basa sulla spaziatura media del carburo tra i bordi dei grani dopo le temperature di sensibilizzazione. Quando la spaziatura del carburo è inferiore a 1-2 µm, le zone impoverite di cromo- si sovrappongono l'una all'altra, formando un percorso continuo a basso contenuto di cromo che si corrode rapidamente e non supera il test Practice E. Per le applicazioni in cui le temperature di saldatura o di servizio sono comprese tra 450 e 850 gradi, gli ingegneri che specificano le guaine 316 devono fornire 316L (carbonio<0.03%) to ensure that the carbide spacing will be above the critical threshold. After minimum sensitisation (1-2 hours at 650°C) carbide spacing for standard 316 (0.06-0.08% C) is less than 1 µm which results in sensitisation and IGC susceptibility. The framework offered herein, which correlates the average carbide spacing with quantitative Practice E results, allows purchasers to define combinations of material and heat treatment that will not allow overlapping depletion zones, and will retain intergranular corrosion resistance.