Межкристаллитная коррозия после сварки: почему происходит сенсибилизация и как ее проверяет ASTM A262

Что такое межкристаллитная коррозия и почему она возникает после сварки?

Межкристаллитная коррозия (IGC) — это локализованное воздействие, которое проходит вдоль границ зерен нержавеющей стали или никелевого сплава, оставляя при этом внутреннюю часть зерен практически неповрежденной, а сварка является ее единственным наиболее распространенным пусковым механизмом, поскольку зона термического-воздействия (ЗТВ) проходит через температурный диапазон, в котором формируется механизм коррозии.

В отличие от общей коррозии, которая равномерно утончает поверхность и которую легко обнаружить путем измерения-потерь стенок, межкристаллитная коррозия поражает узкую сеть границ под поверхностью. Компонент может выглядеть полностью неповрежденным, но при этом потерять большую часть своей механической прочности и пластичности по сетке зерен, поэтому на нефтеперерабатывающих заводах, химических заводах и катушках труб он является скорее источником серьезных-последствий, чем косметическим дефектом.

Механизм является металлургическим, а не случайным: в аустенитных нержавеющих сталях используется сплошная пассивная пленка,-богатая хромом, обеспечивающая коррозионную стойкость.Когда хром вытягивается из раствора на границе зерна с образованием карбида, сама граница локально теряет пассивную пленку, хотя объемное содержание хрома в сплаве не меняется. Сварка создает именно те температурные условия, которые вытягивают хром из раствора узкой полосой по обе стороны от линии плавления -, состояние, которое металлурги называют сенсибилизацией.

Почему сварка вызывает сенсибилизацию?

Сварка вызывает сенсибилизацию, поскольку зона термического-воздействия находится в течение некоторого времени в диапазоне осаждения карбидов в диапазоне 425–870 градусов (800–1600 градусов по Фаренгейту) при нагревании и охлаждении, что позволяет углероду соединяться с хромом на границах зерен быстрее, чем хром может диффундировать обратно, заполняя обедненную зону.

Чтобы это произошло, должны совпасть три условия, и понимание каждого из них позволяет инженеру-сварщику контролировать ситуацию, а не просто надеяться, что этого не произойдет:

Углерод в растворе.Стандартные-углеродистые аустенитные марки (304, 316) содержат примерно 0,04-0,08% углерода в твердом растворе при температуре отжига. Этот углерод готов к реакции, как только сплав снова войдет в диапазон сенсибилизации.

Время при температуре.Карбид хрома (преимущественно Cr23C6) зарождается и растет на границах зерен в пределах окна 425-870 градусов. Быстрый термический цикл сварки ограничивает время в этом диапазоне; медленный проход с высоким-тепловложением расширяет его.

Диффузионная задержка хрома.Хром диффундирует через решетку аустенита гораздо медленнее, чем углерод. Образование карбида удаляет хром из граничной зоны шириной всего в несколько сотен нанометров быстрее, чем окружающий хром может мигрировать, чтобы заменить его, так что тонкая зона может упасть ниже порога содержания хрома ~ 10,5–12%, необходимого для поддержания пассивной пленки, даже если основной металл на небольшом расстоянии остается полностью защитным.

Практическим результатом является оболочка, обедненная хромом-, повторяющая ЗТВ сварного шва по обе стороны от линии сварки. Именно эта оболочка, а не сам металл сварного шва, обычно является местом возникновения межкристаллитной атаки при эксплуатации.

Какие параметры сварки повышают риск сенсибилизации?

Более высокое тепловложение, более медленная скорость охлаждения, повышенная температура между проходами и несколько проходов сварки по одной и той же ЗТВ увеличивают риск сенсибилизации, поскольку каждый из них увеличивает время пребывания материала в диапазоне температур осаждения 425–870 градусов.

Этими переменными фактически управляет спецификация процедуры сварки (WPS), поэтому сенсибилизацию лучше всего рассматривать как проблему-управления процессом, а не как неизбежный побочный эффект сварки:

Тепловложение (кДж/мм или кДж/дюйм).Более высокое тепловложение замедляет скорость охлаждения в диапазоне сенсибилизации. Такие процессы, как SAW и SMAW с горячим-проходом, как правило, требуют более высокого тепловложения, чем корневые проходы GTAW, что повышает риск сенсибилизации, если это не компенсируется где-либо еще.

Межпроходная температура.Повышение температуры между проходами в многопроходных сварных швах позволяет сохранять ЗТВ каждого последующего прохода более горячей, увеличивая время усугубления-при-температуры по всему соединению.

Толщина сечения и ограничение соединения.Более толстые секции сохраняют тепло дольше и охлаждаются медленнее, чем тонкостенные-трубы, что расширяет сенсибилизирующее окно даже при сопоставимом подводе тепла.

Количество проходов и циклов разогрева.При каждом последующем проходе происходит повторный нагрев соседней ЗТВ после предыдущего прохода, поэтому многопроходные и ремонтные сварные швы могут повысить чувствительность зоны более одного раза.

Ни один из этих факторов не нужно исключать -, они должны быть ограничены квалифицированным WPS/PQR (ASME, раздел IX), который отражает сенсибилизирующее поведение конкретной свариваемой марки.

Что такое ножевая-линейная атака и почему она все еще встречается в стабилизированных классах?

Ножевая-линия коррозии — это узкая полоса межкристаллитной коррозии, которая образуется непосредственно рядом с линией плавления в титановых- или ниобиевых- стабилизированных марках (321, 347), когда высоко-проход сварки растворяет стабилизирующие карбиды, а последующий-повторный нагрев-выделяет карбид хрома до того, как стабилизаторы смогут восстановиться.

Стабилизированные марки обычно -устойчивы к сенсибилизации, поскольку титан или ниобий преимущественно связываются с углеродом, не допуская участия хрома в реакции образования карбидов-. Ножевая-линия является узким исключением: проход сварки при очень высокой-температуре (около линии плавления) может растворить существующие карбиды титана/ниобия обратно в раствор. При охлаждении карбид хрома может повторно осаждаться в этой тонкой полосе до того, как более медленно -образующиеся карбиды стабилизатора восстановятся-, оставляя узкую сенсибилизированную линию, которая очерчивает границу плавления, а не широкую зону ЗТВ. Стабилизирующий отжиг или управление процессом, которое ограничивает циклы повторного нагрева на линии сварки, устраняет этот конкретный вид отказа.

Как ASTM A262 обнаруживает сенсибилизацию?

ASTM A262 обнаруживает сенсибилизацию косвенно: образец подвергается воздействию агрессивной среды, выбранной для преимущественного воздействия на границы зерен, -обедненных хромом, затем оценивается результат с помощью микроскопии, пластичности при изгибе или потери массы, а не непосредственного измерения содержания хрома.

ASTM A262, Стандартные методы определения чувствительности аустенитных нержавеющих сталей к межкристаллитному разрушению, определяет пять методов испытаний - A, B, C, E и F -, каждый из которых подходит для различного семейства сплавов, формы продукта или уровня строгости. Ни один из них не моделирует конкретную среду обслуживания; каждый из них представляет собой стандартизированный ускоренный тест, критерии успешного/неуспешного прохождения которого коррелируют с поведением в реальном-мире.

Источник: ASTM A262, Стандартные методы определения чувствительности аустенитных нержавеющих сталей к межкристаллитному разрушению.

Два момента имеют значение для любого, кто определяет эти тесты. Во-первых, практика А — это инструмент проверки: благоприятная структура травления позволяет многое определить без дальнейших испытаний, но неблагоприятная сама по себе не отвергает материал -, она запускает последующий-количественный тест (обычно B, C или F). Во-вторых, практики не являются взаимозаменяемыми заменителями; каждый из них нацелен на различную комбинацию химического состава сплава и механизма деградации, поэтому A262 написан как набор практических действий, а не как одиночный тест «прошел/не прошел».

Какую практику A262 следует указать для конкретного приложения?

Укажите Методику A для регулярного проверки входящего-материала любой аустенитной марки, Методику E для процедуры сварки и аттестации сварочной продукции, а также Методику C или F, когда проблемы с молибденом-содержащими марками или сигма-фазой- требуют более строгих количественных результатов.

В спецификациях закупок и спецификациях сварочных процедур следует указывать практику по буквам, а не просто цитировать «ASTM A262». - методики имеют существенно разную логику «прошел/не прошел», а критерии приемки проекта (структура травления, предел скорости коррозии или результат изгиба) должны соответствовать фактически применяемой практике.

Как предотвратить сенсибилизацию во время изготовления?

Наиболее надежной профилактикой является выбор материалов - с указанием низкоуглеродистых марок L или стабилизированных марок, чтобы было мало или совсем не было углерода для образования карбида хрома -, что сопровождалось подводом тепла и контролем межпроходной температуры, а также термообработкой после-сварки, если это все еще необходимо для применения.

1. Укажите низкоуглеродистые-классы L.

В сплавах 304L и 316L содержание углерода составляет максимум 0,03% по сравнению с примерно 0,08% для стандартных марок. При таком небольшом количестве углерода скорость образования карбида хрома падает настолько, что большинство термических циклов производственной сварки не вызывают значительной сенсибилизации без каких-либо изменений в процедуре сварки.

2. Укажите стабилизированные марки для высоких-температур или повторной-сварки.

321 (стабилизированный титаном-) и 347 (стабилизированный ниобием-) связывают углерод в виде карбида титана или ниобия во время прокатной обработки, оставляя мало свободного углерода для реакции с хромом во время последующей сварки или эксплуатации при повышенных-температурах. Это стандартный выбор для компонентов, которые будут эксплуатироваться при температуре выше 425 градусов, или для изготовления, включающего несколько циклов сварки/переварки, где одних марок L- может быть недостаточно.

3. Контроль тепловложения и температуры между проходами.

WPS, которая ограничивает подвод тепла, ограничивает температуру между проходами и способствует более быстрым процессам с -тепловложением- для критических проходов, сокращает время, которое любая точка ЗТВ находится в диапазоне 425-870 градусов. Это более дешевый рычаг, чем замена материала, и обычно он используется наряду с ним, а не вместо него.

4. При необходимости примените термообработку после-сварки или отжиг на раствор.

Отжиг на раствор (нагрев примерно до 1040 градусов и быстрое охлаждение) повторно растворяет карбиды хрома и восстанавливает равномерное распределение хрома по границе зерна. Это наиболее полная корректирующая обработка, но она не всегда практична для крупных сборных узлов или сварных швов на месте, поэтому выбор марки и контроль процесса являются первой линией защиты, и PWHT применяется там, где этого требуют условия эксплуатации или нормы.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Делает ли сенсибилизация нержавеющую сталь слабее еще до того, как она подвергнется коррозии?

О: Не само по себе. Сенсибилизированная микроструктура имеет по существу те же объемные механические свойства, что и несенсибилизированная микроструктура, пока границы зерен, обедненные хромом-, не подвергаются воздействию агрессивной среды; потеря пластичности и прочности следует за коррозионным воздействием, а не только за выделением карбидов.

Вопрос: Могут ли марки 316 или 316L вызывать сенсибилизацию, даже если они содержат молибден?

А: Да. Молибден повышает устойчивость к точечной и щелевой коррозии, но не предотвращает осаждение карбида хрома на границах зерен. Вот почему марки, содержащие молибден,-проверяются в соответствии с ASTM A262, практика F, а не считаются устойчивыми к сенсибилизации-.

Вопрос: Достаточно ли положительного результата по ASTM A262, чтобы принять материал без дальнейших испытаний?

О: Да, для многих спецификаций покупки - обычно допускается ступенчатая или двойная структура травления без дальнейшего тестирования. Конструкция канавы не отбраковывает материал автоматически, но требует последующей-количественной практики (B, C или F) для определения приемлемости в соответствии с регулирующей спецификацией покупки.

Вопрос: Всегда ли PWHT устраняет риск сенсибилизации?

О: Правильно выполненный отжиг в растворе повторно растворяет карбиды хрома и устраняет сенсибилизированное состояние, но любая последующая сварка или эксплуатация при повышенных-температурах могут привести к повторной чувствительности материала. PWHT направлен на существующее сенсибилизированное состояние; это не делает сплав невосприимчивым к будущей сенсибилизации.