چگونه توزیع اندازه ذرات کاربید در غلاف بخاری فولادی ضد زنگ 316 پس از بازپخت محلول، حساسیت خوردگی بین دانه‌ای را در محیط‌های اسیدی اکسیدکننده کنترل می‌کند

جنبه ریز ساختاری حاکم بر مقاومت حساسیت

اندازه، توزیع و تداوم ذرات کاربید در مرزهای دانه برای تعیین اینکه آیا 316 لوله گرمایش الکتریکی غلاف فولادی ضد زنگ در معرض اسیدهای اکسید کننده مانند اسید نیتریک یا اسیدهای مخلوط حاوی کلرید در برابر خوردگی بین دانه ای (IGC) مقاومت می کنند یا در اثر حمله سریع دانه ای از کار می افتند، بسیار مهم است. اکثر کاربیدها پس از بازپخت محلول مناسب در 1040-1100 درجه و سپس خاموش شدن سریع در محلول جامد حل می شوند و بنابراین ساختار مرزی دانه تمیز به دست می آید. با این حال، اگر خنک شدن از دمای بازپخت خیلی آهسته باشد، یا اگر مواد متعاقباً دوباره در محدوده حساسیت (450-850 درجه) گرم شوند، کاربیدهای کروم در مرز دانه ها رسوب می کنند. حساسیت IGC به توزیع اندازه ذرات این کاربیدها بستگی دارد، یعنی اینکه آیا آنها ریز و ناپیوسته هستند (زیر 0.1 میکرومتر و با فاصله بیش از 1 میکرومتر) یا درشت و پیوسته (تشکیل یک لایه تقریباً کامل در امتداد مرز). در اینجا کمیت ارتباط بین اندازه ذرات کاربید، نرخ خوردگی بین دانه ای و عمر مفید در شرایط اسیدی اکسید کننده ارائه شده است.

مکانیسم خوردگی بین دانه ای از کاربیدهای پیوسته

رسوب کاربیدهای کروم (Cr 23 C 6 ) در مرزهای دانه در فولاد ضد زنگ 316 منجر به تخلیه کروم در ماتریس همسایه می شود و یک منطقه تخلیه شده کروم- با عرض حدود 50-200 نانومتر در اطراف هر ذره کاربی تشکیل می شود. اگر فاصله بین کاربیدها کوچک باشد (کمتر از 0.5 میکرومتر بین ذرات)، مناطق تخلیه با هم همپوشانی دارند و یک مسیر کم{11}کروم پیوسته در امتداد مرز دانه تشکیل می‌دهند. با این حال، در اسیدهای اکسید کننده (مثلاً{10}}% اسید نیتریک در حال جوش یا اسیدهای کمتر غلیظ با گونه‌های اکسیدکننده) این مسیر کروم{13} خالی شده ترجیحاً با سرعتی 10-100 برابر سریع‌تر از داخل دانه‌های غنی از کروم حل می‌شود که منجر به خوردگی بین دانه‌ای می‌شود. مرزهای دانه آسیب دیده ممکن است در عرض چند هفته یا چند ماه تا عمق 100 تا 500 میکرومتر خورده شود و منجر به از هم پاشیدگی کامل غلاف شود. هنگامی که کاربیدها بزرگ هستند (0.5-2.0 میکرومتر) و به طور گسترده پخش می شوند (با فاصله بیش از 2-3 میکرومتر) مناطق تخلیه با هم همپوشانی ندارند و مرز دانه دارای کروم کافی (بالای 12٪) بین ذرات برای حفظ انفعال است. در اینجا کاربیدها در خوردگی بین دانه ای نقشی ندارند. شرط ریزساختاری کلیدی وجود کاربیدها نیست، بلکه تشکیل یک شبکه پیوسته است.

رابطه کمی بین توزیع اندازه کاربید و نرخ IGC

اتصالات کمی بین خواص ذرات کاربید و نرخ خوردگی بین دانه‌ای برای لوله‌های 316 ایجاد شده است که تحت عملیات حرارتی کنترل‌شده سیستماتیک و به دنبال آن آزمایش غوطه‌وری در جوشاندن اسید نیتریک 65 درصد (ASTM A262 Practice C) قرار گرفته‌اند. نرخ IGC کمتر از 0.1 میلی‌متر در سال در مواد آنیل شده کاملاً محلول مشاهده می‌شود (بدون کاربید قابل مشاهده در بزرگنمایی 1000×). موادی با کاربیدهای ریز و پیوسته (ذرات 0.05-0.2 میکرومتر، فاصله کمتر از 0.3 میکرومتر) دارای نرخ IGC 5-20 میلی‌متر در سال هستند که برای تخریب دیوار 1.5 میلی‌متری در هفته‌ها تا ماه‌ها کافی است. مواد با کاربیدهای درشت و ناپیوسته (ذرات 0.5-1.5 میکرومتر، فاصله 2-5 میکرومتر) دارای نرخ IGC کمتر از 0.5 میلی متر در سال است که برای بسیاری از خدمات مناسب است. همبستگی خواص ذرات کاربید، تاریخچه عملیات حرارتی و عملکرد پیش بینی شده IGC در اسیدهای اکسید کننده در جدول زیر خلاصه شده است.

اندازه ذرات کاربید، فاصله بین ذرات میکرومتر، شرایط حساسیت مورفولوژی کاربید، در هر ASTM A26265% HNO3 نرخ IGC جوش (میلی‌متر/سال زمان تا سوراخ شدن (دیواره 1.5 میلی‌متر)|توصیه شده برای سرویس اسید اکسید کننده
N/A کاملاً حل نشده است<0.1 >15 سال بله
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 بسیار درشت جدا شده بدون ایجاد حساسیت<0.1 >15 سال بله
نقش نرخ خنک کننده از دمای بازپخت محلول

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 درجه بر ثانیه در محدوده حساسیت) زمانی برای هسته شدن کاربیدها قبل از کاهش دما به زیر 450 درجه که در آن انتشار کروم ناچیز است، ندارد. این منجر به یک ساختار کاربید-آزاد یا بسیار درشت کاربید می شود. سرعت خنک شدن پس از بازپخت غلاف بخاری بر اساس ضخامت دیواره و محیط خاموش کننده تعیین می شود. لوله هایی با ضخامت دیواره 1 تا 2 میلی متر می توانند به طور موثر آب را خاموش کنند و به سرعت خنک کننده 1000 تا 2000 درجه بر ثانیه برسند. قطعات ضخیم تر (به عنوان مثال بلوک های فلنجی 5 تا 10 میلی متری) کندتر خنک می شوند و برای خنک کردن کافی به اسپری آب قوی یا کوئنچ های پلیمری نیاز دارند. در مجموعه‌های بخاری که فلنج‌های بزرگ به غلاف‌های نازک جوش داده می‌شوند، ممکن است غلاف در هنگام خنک شدن حساس نشود، اما فلنج حساس شود، بنابراین IGC در محل اتصال جوش رخ می‌دهد.

بررسی میدانی توزیع کاربید و حساسیت به IGC

سه روش برای بررسی توزیع کاربید مناسب 316 هیتر محصور شده برای سرویس اسید اکسید کننده ارائه شده است. اولین مورد آزمایش اچ اگزالیک اسید (ASTM A262 Practice A) است که در آن یک نمونه صیقلی به صورت الکترولیتی در اسید اگزالیک 10 درصد اچ می شود. ساختار "پله ای" (مرزهای دانه صاف) ریزساختار خوبی را نشان می دهد. یک ساختار "خندق" (ترانشه های حک شده در مرزهای دانه) به کاربیدهای مداوم و حساسیت اشاره دارد. روش دوم تست مس-سولفات مس-آزمایش اسید سولفوریک (ASTM A262 Practice E) است که در آن یک نمونه خم شده به مدت 24 ساعت غوطه ور می شود. ترک در خم=حساسیت را تأیید کرد. روش سوم شامل بررسی مستقیم یک مقطع صیقلی و حکاکی شده با بزرگنمایی 500-1000× با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی است. از نظر کمی، اندازه و فاصله کاربید را می توان با استفاده از تجزیه و تحلیل تصویر اندازه گیری کرد. برای تدارک، تضمین کیفیت قابل اجرا این است که از سازنده بخاری بخواهد تأیید کند که مواد غلاف ASTM A262 Practice A را با ساختار "گام" و بدون هیچ نشانه ای از حساسیت گذرانده است.

کاهش ریزساختارهای حساس

اگر ریزساختار غلاف 316 حساس شده باشد (کاربیدهای ریز و پیوسته)، سه گزینه وجود دارد. اولین مورد، بازپخت مجدد کل بخاری در 1040-1100 درجه و سپس خاموش کردن سریع آب است. این درمان کاربیدها را حذف می کند و مقاومت IGC را بازیابی می کند. بازپخت مجدد یک بخاری تکمیل شده می تواند به عایق داخلی MgO آسیب برساند، غلاف را تغییر شکل دهد یا اجزای داخلی را اکسید کند. جایگزین دیگر استفاده از بخاری صرفاً در شرایط غیر اکسید کننده (مانند کلریدهای خنثی، اسیدهای احیاکننده) است که در آن خوردگی بین دانه‌ای رخ نمی‌دهد زیرا مناطق خالی از کروم غیرفعال می‌مانند. گزینه سوم جایگزینی بخاری با بخاری 316 لیتری (کم کربن، زیر 0.03 درصد) است. محتوای کربن کم همچنین از تولید کاربیت های پیوسته با خنک شدن کندتر جلوگیری می کند زیرا کربن کافی برای رسوب یک شبکه پیوسته وجود ندارد. برای سرویس اسید اکسید کننده، به شدت توصیه می شود که 316L به جای 316 معمولی مشخص شود.

نتیجه‌گیری: تعریف ریزساختارهای رایگان کاربید-در سرویس اسید

حساسیت به خوردگی بین دانه‌ای بخاری‌های پیچیده شده از جنس استنلس استیل 316 در محیط‌های اسیدی اکسیدکننده نه با وجود یا عدم وجود کاربید، بلکه بر اساس توزیع اندازه و تداوم آن‌ها تعیین می‌شود. کاربیدهای پیوسته ریز (فاصله ذرات کمتر از 0.5 میکرومتر) منجر به همپوشانی مناطق محروم از کروم می شود که با 5 تا 20 میلی متر در سال فرسایش می یابد. کاربیدهای درشت و ناپیوسته (فاصله بیش از 2 میکرومتر) IGC را القا نمی کنند زیرا مناطق کمبود جدا می شوند. مهندسانی که بخاری‌ها را برای اسید نیتریک، اسیدهای مخلوط یا سایر محیط‌های اکسیدکننده مشخص می‌کنند، باید با آزمایش ASTM A262 اثبات پراکندگی کاربید کافی را درخواست کنند و 316L را برای ارائه حاشیه اضافی در برابر حساسیت در طول ساخت، مشخص کنند. با همبستگی اندازه ذرات کاربید و فاصله با نرخ های قابل اندازه گیری IGC، چارچوب ارائه شده در اینجا به خریداران اجازه می دهد 316 غلاف را انتخاب کنند که در برابر حمله بین دانه ای در خصمانه ترین شرایط اسیدی مقاومت می کنند.