Как предотвратить сенсибилизацию сварных швов из аустенитной нержавеющей стали

Сенсибилизация происходит, когда карбиды хрома выпадают на границах зерен в диапазоне 425–815 градусов, обедняя хром ниже порога пассивации 10,5%.

Марки с низким-углеродом (304L, 316L с содержанием C менее или равным 0,030%) являются наиболее экономически-эффективной защитой для сварных компонентов, работающих при температуре ниже 425 градусов.

Стабилизированные марки (321 с Ti, 347 с Nb) связывают углерод в стабильные карбиды, идеальные для работы при высоких-температурах выше 425 градусов.

Отжиг на раствор после-сварки (1040–1150 градусов + быстрое охлаждение) восстанавливает коррозионную стойкость уже-сенсибилизированных компонентов.

Контролируемое тепловложение (менее или равно 1,5 кДж/мм для GTAW), низкие температуры между проходами (менее или равны 150 градусов) и технология стрингерных валиков являются важными дополнительными мерами.

Источник:АСТМ А240/А240М; Справочник ASM, том . 1; Липпольд и Котеки, Сварочная металлургия и свариваемость нержавеющих сталей, Wiley, 2005.

Сенсибилизация Механизм межкристаллитной коррозии

Аустенитные нержавеющие стали-, такие как 304, 316, 321 и 347 -, основаны на самовосстанавливающейся пассивной пленке из оксида хрома (Cr₂O₃) для обеспечения коррозионной стойкости. Чтобы эта пленка оставалась стабильной и защитной, требуется минимум 10,5 мас.% хрома в твердом растворе.

Когда стандартные марки (например, 304 с содержанием C менее или равным 0,08%) нагреваются в диапазоне температур 425–815 градусов (800–1500 градусов F), углерод -, который имеет ограниченную растворимость в аустенитной матрице -, мигрирует к границам зерен и соединяется с хромом с образованием-богатых хромом карбидов, в первую очередь Cr₂₃C₆. Этот процесс называется сенсибилизацией.

Последствия серьезные:

• Вдоль границ зерен образуются зоны, обедненные хромом-, где содержание Cr падает ниже 10,5 %.
• Эти зоны становятся анодными по отношению к объемной матрице, создавая гальванический элемент.
• В агрессивных средах (кислоты, хлориды, политионовые кислоты) межкристаллитная коррозия (МКК) быстро распространяется по ослабленным границам.
• Результат: падение зерна, потеря механической целостности и потенциальный катастрофический отказ -, даже если сыпучий материал выглядит неповрежденным.
• Стандартным отраслевым тестом на сенсибилизацию является ASTM A262 Practice A (травление щавелевой кислотой) или Practice B–E (погружение в сульфат железа/азотную кислоту), которые определяют межкристаллитное разрушение с помощью металлографического исследования или потери веса.

Источник:ASTM A262 – Стандартные методы определения склонности к межкристаллитному разрушению аустенитных нержавеющих сталей; Справочник ASM, том. 13B: Коррозия, 2005 г.

Риск сенсибилизации в опасной зоне 425–815 градусов​​​​​​​

Во время сварки основной металл, прилегающий к линии сплавления, испытывает температурный градиент от температуры плавления (~ 1450 градусов) до температуры окружающей среды. Область между линией плавления и незатронутым основным металлом называется зоной термического влияния (ЗТВ).

Внутри ЗТВ узкая полоса неизбежно находится в диапазоне 425–815 градусов - окна сенсибилизации. Критическим фактором является не то, достигает ли ЗТВ этого диапазона (а это всегда так), а то, как долго она остается там.

Диаграмма временной-температурной-сенсибилизации (TTS) дает количественную оценку этой взаимосвязи:

• При температуре 650–700 градусов (носовая часть кривой C-) сенсибилизация может начаться всего за 5–15 минут для 304 с 0,06% C.
• При температуре 425 градусов это может занять сотни часов -, но при многопроходной сварке совокупное время может быть значительным.
• Марки с низким-углеродом (304L, C менее или равно 0,030%) резко смещают кривую TTS вправо, и для начала сенсибилизации требуются часы при максимальной температуре.
• Вот почему параметры сварки имеют значение: более высокое тепловложение, более медленное охлаждение, предварительный нагрев и толстые секции увеличивают время нахождения в опасной зоне и повышают риск сенсибилизации.

Источник:Липпольд, Дж. К. и Котецки, Д. Д., Сварочная металлургия и свариваемость нержавеющих сталей, Wiley, 2005, Глава 4; АСТМ А240/А240М.

Низкое-содержание углерода исключает сенсибилизацию

Логика проста: отсутствие избытка углерода означает отсутствие значительного выделения карбида хрома. ASTM A240 определяет предел углерода класса L- как менее или равный 0,030% масс. по сравнению с уровнем менее или равным 0,08% масс. для стандартных марок. Такое снижение содержания углерода на 63% смещает кривую TTS настолько вправо, что сенсибилизация при нормальных условиях сварки эффективно устраняется.

Сравнение химического состава и риска сенсибилизации

Источник:ASTM A240/A240M – Стандартные спецификации для пластин, листов и полос из хрома и хром{2}}нержавеющей стали для сосудов под давлением.

Ключевые соображения в отношении сортов с низким-углеродом

Компромисс по пределу текучести-: минимальный предел текучести 304L составляет 170 МПа по сравнению с. 205 МПа для 304. Для сосудов под давлением, спроектированных в соответствии с разделом VIII ASME, это необходимо учитывать при расчете толщины стенок.

Ограничение долгосрочного-обслуживания. При непрерывной работе при температуре выше 425 градусов даже 304L может стать сенсибилизированной в течение тысяч часов. Стабилизированные марки (321/347) предпочтительны для применений при повышенных-температурах.

Доступность: марки нержавеющей стали 304L и 316L являются одними из наиболее широко распространенных марок нержавеющей стали в мире, что делает их практическим выбором для сварных изделий.

Источник:Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением, раздел VIII, раздел 1; АСТМ А240/А240М.

Стабилизированные марки (321/347) Блокировка углерода титаном или ниобием

Стабилизация работает по другому принципу, чем сокращение выбросов углекислого газа. Вместо удаления углерода в стабилизированные сорта добавляют элемент с более высоким сродством к углероду, чем хром:

Марка 321: Титан (Ti больше или равен 5 × C, но меньше или равен 0,70%) образует карбид титана (TiC), который выпадает в осадок при температурах выше образования Cr₂₃C₆, изолируя углерод до того, как он сможет соединиться с хромом.

Марка 347: Ниобий (Nb больше или равен 10 × C, но меньше или равен 1,00%) образует карбид ниобия (NbC) с еще большей термической стабильностью, чем TiC.

Стабилизированное сравнение оценок

Источник:АСТМ А240/А240М; Справочник ASM, том. 1: Свойства и выбор — чугуны, стали и высокоэффективные-сплавы.

Ножевая-линейная атака: предостережение относительно стабилизации уклона

Стабилизированные оценки имеют одно важное ограничение. Во время сварки зона плавления достигает температуры, достаточно высокой (~ 1300 градусов), чтобы повторно -растворить TiC и NbC. При охлаждении в диапазоне сенсибилизации углерод временно освобождается и может образовывать Cr₂₃C₆ в очень узкой полосе, прилегающей к линии плавления -, явление, называемое атакой по ножевой- линии (KLA).

Профилактика ОАК требует:

• Стабилизационный отжиг после-сварки при температуре 870–925 градусов, что позволяет Ti или Nb повторно-захватывать углерод.
• Использование 347 вместо 321 при работе при высоких-температурах, поскольку NbC восстанавливается- легче, чем TiC, после растворения.
• Сочетание стабилизированного сорта с низкоуглеродистым-углеродом (например, 347 с содержанием C менее или равным 0,04%) для критически важных применений.

Источник:Липпольд и Котеки, Сварочная металлургия и свариваемость нержавеющих сталей, Wiley, 2005, Глава 6; АСТМ А240/А240М.

Отжиг после сварного раствора-восстанавливает коррозионную стойкость после сенсибилизации

Если сенсибилизация уже произошла -, будь то из-за неправильной сварки стандартных марок или из-за длительного-эксплуатации при высоких температурах -, отжиг на раствор является единственным процессом, который может полностью восстановить микроструктуру.

Этот процесс включает в себя три важных этапа:

Нагрев: Поднимите компонент до 1040–1150 градусов. При этих температурах карбиды Cr₂₃C₆ растворяются обратно в матрицу аустенита, возвращая хром в твердый раствор.

Выдержка: Поддерживайте температуру не менее 1 минуты на миллиметр толщины, обеспечивая полное растворение карбида по всему поперечному-сечению.

Быстрое охлаждение: закалка водой или быстрое охлаждение на воздухе до температуры 425–815 градусов, достаточно быстрое, чтобы предотвратить повторное-осаждение карбидов.

Параметры отжига на раствор по маркам

Источник:АСТМ А240/А240М; АСТМ А182/А182М; Справочник ASM, том. 4: Термическая обработка.

Контролируемое тепловложение и температура между проходами снижают риск сенсибилизации

Переменные сварочного процесса напрямую влияют на тепловой цикл ЗТВ. Хотя ни одна сварочная процедура не может полностью исключить переход через диапазон сенсибилизации, правильный контроль может значительно сократить продолжительность воздействия.

Параметры сварки: методы низкого-риска и высокого-риска

Источник:Раздел IX ASME – Квалификация сварщика; AWS D18.1 – Сварка систем труб и трубопроводов из аустенитной нержавеющей стали.

Важные правила сварки аустенитной нержавеющей стали

Никогда не нагревайте аустенитную нержавеющую сталь, если это специально не требуется квалифицированной процедурой. Предварительный нагрев увеличивает время в диапазоне сенсибилизации.

Используйте GTAW (TIG) с стрингерами для корневого и критических проходов -, это обеспечивает минимальное тепловложение и лучший контроль.

Ограничьте температуру между проходами ниже или равной 150 градусам (измеряется контактным пирометром на расстоянии не менее 25 мм от сварного шва). Для проверки используйте временные палочки или инфракрасный порт.

Для сварки GMAW (MIG) используйте импульсный режим, чтобы снизить среднее тепловложение, сохраняя при этом достаточную глубину провара.

Избегайте вплетения стрингеров -, чтобы сконцентрировать подвод тепла и свести к минимуму ширину ЗТВ.

Для SMAW (стержня) используйте электроды небольшого-диаметра (2,5–3,2 мм) с низкой силой тока и короткой длиной дуги.

Источник:АРМ Д18.1; ASME Раздел IX; Липпольд и Котецкий, 2005.

Комплексное сравнение: какая стратегия предотвращения подходит для вашего приложения?

Многомерное-сравнение стратегий

Источник:АСТМ А240/А240М; АСТМ А182/А182М; ASME Раздел IX; АРМ Д18.1; Липпольд и Котецкий, 2005.

Руководство по выбору-с учетом приложения

Источник:Инженерные рекомендации JN Alloys, основанные на стандартах ASTM, ASME и AWS; опыт отраслевых проектов в нефтехимической и морской промышленности.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Может ли 304L стать сенсибилизирующим во время сварки?

A: При нормальных условиях сварки 304L (C менее или равно 0,030%) не становится сенсибилизирующим, поскольку содержание углерода слишком низкое для образования значительного количества карбидов хрома. Однако длительное воздействие температуры выше 425 градусов в течение тысяч часов может в конечном итоге вызвать сенсибилизацию, даже в степени L-. Для эксплуатации при температуре выше 425 градусов используйте вместо этого стабилизированные марки (321 или 347).

Вопрос: В чем разница между межкристаллитной коррозией (IGC) и ножевой-линейной коррозией (KLA)?

A: IGC возникает в ЗТВ, где металл был нагрет до диапазона сенсибилизации 425–815 градусов, образуя относительно широкую сенсибилизированную полосу. KLA представляет собой особую форму IGC в стабилизированных марках (321, 347), где зона плавления достигает температур, достаточно высоких для растворения стабилизирующих карбидов (TiC, NbC), а при охлаждении прямо на линии плавления образуется узкая полоса Cr₂₃C₃. KLA уже, но может быть более глубоким и агрессивным, чем обычный IGC.

Вопрос. Всегда ли для сварных швов 304L необходим отжиг после-раствора?

A: Нет. Для сварных швов 304L при температуре от окружающей до умеренной -температуры (ниже 425 градусов) отжиг на раствор обычно не требуется, поскольку низкое содержание углерода предотвращает значительную сенсибилизацию. Отжиг после-сварки предназначен для: (1) стандартных марок (304, 316), сваренных без наполнителя класса L-, (2) критических условий эксплуатации, при которых существует нулевая сенсибилизация, или (3) восстановления уже-сенсибилизированных компонентов.

Вопрос: Почему предварительный нагрев не рекомендуется для аустенитной нержавеющей стали?

A: В отличие от ферритных и мартенситных нержавеющих сталей, аустенитные марки не поддаются закалке -, они не образуют хрупкий мартенсит. Предварительный нагрев аустенитной нержавеющей стали увеличивает время нахождения ЗТВ в диапазоне сенсибилизации 425–815 градусов, способствуя выделению карбидов. Единственным исключением являются очень специфические применения, где возникает проблема водородного растрескивания, что редко встречается в аустенитных марках.

Вопрос: Что следует использовать: 321 или 347 для высоко-фланцев, работающих при высоких температурах?

A: Для эксплуатации при температуре выше 425 градусов марка 347 обычно предпочтительнее марки 321, поскольку: (1) NbC более термически стабилен, чем TiC, и легче -восстанавливается после растворения в сварочной ванне; (2) 347 имеет лучшую прочность на разрыв при ползучести-при повышенных температурах; (3) 347 менее восприимчив к ножевой атаке. Однако модель 321 можно выбрать из соображений стоимости или доступности при умеренной температуре эксплуатации (425–540 градусов).

Вопрос: Как проверить чувствительность после сварки?

A: Стандартным промышленным методом является ASTM A262, который включает пять практик: Практика A (травление щавелевой кислотой, быстрый скрининг), Практика B (сульфат железа и серная кислота, потеря веса), Практика C (азотная кислота, потеря веса для марок подшипников Mo-), Практика E (медь-сульфат меди-серная кислота, испытание на изгиб) и Практика F (сульфат меди-50% серная кислота, для марок Mo). Методика А является наиболее распространенной для быстрого скрининга; Практики B–F дают количественные результаты.

Вопрос: Может ли возникнуть сенсибилизация дуплексных нержавеющих сталей?

A: Да, но механизм и тяжесть различаются. Дуплексные марки (2205, 2507) имеют двухфазную микроструктуру (аустенит + феррит). Выделение карбида хрома может происходить в ферритной фазе, но непрерывная сетка аустенита обеспечивает путь для повторной диффузии хрома из феррита, делая сенсибилизацию менее серьезной. Современные дуплексные марки с низким содержанием азота и углерода (например, 2205 с содержанием C менее или равным 0,030%) обладают высокой устойчивостью к сенсибилизации.