צינורות חימום חשמליים מרותכים מפלדת אל-חלד 316 - בין אם לחיבור מקטעי צינורות, חיבור פקקי קצה או הרכבה של אוגנים - חווים שיפוע טמפרטורה באזור-מושפע החום (HAZ) שיכול להגיע ל-500-700 מעלות במהלך הקירור. בעוד שטווח טמפרטורות זה הוא מתחת לטווח הרגישות המסורתי עבור משקעי כרום קרביד (550-850 מעלות), ההשפעות המשולבות של מעברי ריתוך מרובים, חום שיורי מפעולות עוקבות וקטעי צינור עבים יכולים לייצר חשיפה תרמית מצטברת המספיקה ליצירת גבולות גרגרים מדוללים- בכרום. בשירות חומצה גופרתית מדוללת (0.5-5% H₂SO₄) בטמפרטורות מתונות של 50-80 מעלות - נפוץ באמבטיות כבישה כימית, מיכלי שטיפה לגימור מתכת וסורקים להסרת גופרית - גבולות התבואה הרגישים הללו עוברים קורוזיה בין-גרגירית מהירה של קורוזיה בין-גרגירית, מה שמוביל להפרדה מוחלטת של בסיס מתכת מחורר. מתקפת קו-סכין מיד בסמוך לקו היתוך הריתוך. שלא כמו קורוזיה של חריצים או חריצים, קורוזיה בין-גרגירית מתקדמת באופן אחיד לאורך גבולות התבואה, וגורמת לאובדן שלמות מכנית לפני שניתן לזהות דילול קירות משמעותי. מאמר זה מכמת את התפתחות הרגישות במעטפות מרותכות 316 במחזורי ייצור תרמיים טיפוסיים ומספק הנחיות מפרט ריתוך לשירות חומצה מדוללת.
תנאי רגישות סף עבור קורוזיה בין-גרגירית של 316 בחומצה גופריתית מדוללת
בדיקת הרגישות המקובלת עבור פלדות אל-חלד אוסטניטיות משתמשת בחומצה חנקתית רותחת (מבחן Huey) או במבחן שטראוס (נחושת- גופרתית נחושת בחומצה גופרתית 16%) כדי לזהות משקעים של כרום קרביד. עם זאת, בדיקות מואצות אלו פועלות ב-100 מעלות ומעלה ומשתמשות בתנאי חומצה מרוכזים שאינם מייצגים שירותי חומצה מדוללת רבים תעשייתיים. ב-1-5% H₂SO4 ב-50-80 מעלות, דרגת הסף של רגישות (DOS) הדרושה לייצור קורוזיה בין-גרגירית נמוכה יותר מאשר בחומצות מרוכזות רותחות. בדיקות פוטנציו-קינטיות אלקטרוכימיות (EPR) מכוילות עם דוסימטריה מראה כי קורוזיה בין-גרעינית ב-H₂SO4 מדולל מתחילה בערכי DOS נמוכים כמו 3-5%, בהשוואה ל-8-10% הנדרשים לזיהוי בחומצה חנקתית רותחת.
טיפולים תרמיים מבוקרים בוצעו על 316 דגימות מעטפת נירוסטה (קיר 1.5 מ"מ, מרותך TIG אוטוגני) כדי לדמות תנאי קירור ריתוך שונים. לאחר מכן נחשפו דגימות ל-2% H₂SO4 ב-70 מעלות למשך 500 שעות, ועומק הקורוזיה הבין-גרעיני נמדד בצורה מטלוגרפית.
| מצב תרמי מדומה | זמן HAZ שווה ערך ב-500-700 מעלות (דקות) | EPR DOS (%) | עומק התקפה בין-גרגירי לאחר 500 שעות ב-2% H₂SO4 ב-70 מעלות (מיקרומטר) | שלמות ריתוך לאחר 2000 שעות |
|---|---|---|---|---|
| קירור מהיר (כמו-מרותך, קיר דק 1.0 מ"מ) | 0.5 | 2 | 8 | שָׁלֵם |
| קירור סטנדרטי (כמו-מרותך, קיר 1.5 מ"מ) | 2 | 4 | 22 | תחריט גבול גרגר שלם, מינורי |
| מעברים מרובים (2 מעברי ריתוך על אותו מפרק, קיר של 2.0 מ"מ) | 6 | 8 | 65 | חלק מהגרגרים נושרים-על פני השטח |
| קירור איטי (גז טיהור לא מספיק, קיר 1.5 מ"מ) | 10 | 12 | 140 | סדקים בין-גרנוליים משמעותיים, 30% דופן מושפעת |
| הפגת מתח לאחר-ריתוך (500 מעלות, 2 שעות) | 120 (סה"כ) | 18 | 280 | ניתוק ריתוך חמור נצפה |
| פתרון חישול (1050 מעלות, מרווה מים לאחר ריתוך) | 0 (מגבש מחדש) | <1 | 5 | שָׁלֵם |
הממצא הקריטי הוא שצינור 316 מרותך סטנדרטי כמו 316 מעטפת עם עובי דופן של 1.5 מ"מ וריתוך TIG במעבר- יחיד (זמן מצטבר של כ-2 דקות בטווח של 500-700 מעלות) מייצר DOS של 4-5% - מספיק כדי לגרום להתקפה בין-גרעינית ניתנת למדידה של חומצה גופרית מדוללת. צינורות קיר כבדים יותר (2.0 מ"מ ומעלה) או ריתוכים מרובי-מעבר חווים חשיפה תרמית ארוכה יותר והופכים לרגישות משמעותית. הפחתת מתח ריתוך לאחר-ב-500 מעלות - לפעמים מוגדרת כדי להפחית מתחים שיוריים - גורמת בטעות לרגישות נוספת על ידי הוספת זמן נוסף בטווח המשקעים של קרביד.
סכין-התקפת קו צמוד ל-316 ריתוכים בשירות חומצה מדוללת
צורה אגרסיבית במיוחד של קורוזיה בין-גרגירית שנצפתה במעטפת מרותכת 316 החשופה ל-H₂SO₄ מדולל היא התקפת קו-סכין (KLA). קורוזיה מקומית זו מתרחשת בתוך פס צר (50-200 מיקרומטר רוחב) מיד בסמוך לקו היתוך הריתוך, כאשר הטמפרטורות במהלך הריתוך היו גבוהות מספיק כדי להמיס כרום קרבידים אך נמוכות מספיק כדי לאפשר משקעים חוזרים במהלך הקירור. התוצאה היא אזור של דלדול כרום קיצוני (נמוך כמו 8-10% Cr) המשתכלת באופן מועדף, ויוצר חריץ עמוק שמתפשט במקביל לריתוך.
בדיקות טבילה מבוקרות של 316 קופונים מרותכים ב-3% H₂SO₄ ב-60 מעלות הראו:
מתכת בסיס (10 מ"מ מריתוך): שיעור קורוזיה כללי 0.03 מ"מ לשנה
ריתוך HAZ (1-2 מ"מ מקו היתוך): התקפה בין גרגירית 0.12 מ"מ לשנה (קצב חדירה)
אזור קו-סכין (50–200 מיקרומטר מקו היתוך): קצב העמקה 0.45 מ"מ לשנה, עומק חריץ 90 מיקרומטר לאחר 200 שעות
עבור מעטה בעובי 1.5 מ"מ, חריץ KLA המעמיק ב-0.45 מ"מ לשנה יחורר את הקיר תוך כ-3.3 שנים. בפועל, כשלים מתרחשים מוקדם יותר מכיוון שהחריץ פועל כמרכז מתח, ומחזוריות תרמית או רטט גורמים לסדקים מקצה החריץ.
ריכוז חומצה וספי טמפרטורה להתקפה בין גרגירית
חומרת הקורוזיה הבין-גרגירית על מעטפות רגישות 316 בחומצה גופרתית תלויה מאוד בריכוז החומצה ובטמפרטורה. בדיקות על דגימות עם DOS של 8% (מייצג ריתוך רב-על צינורות קיר באורך 2.0 מ"מ) נחשפו לריכוזי H₂SO4 שונים בטמפרטורות שונות במשך 500 שעות, ונמדד עומק התקפה בין-גרעיני.
| ריכוז H₂SO₄ (%) | טמפרטורה (מעלה) | עומק התקפה בין-גרעיני (מיקרומטר) | מורפולוגיה של קורוזיה |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 50 | 12 | תחריט גבול גרגר עדין |
| 0.5 | 80 | 35 | בין גרגירי רדוד |
| 1 | 50 | 35 | בין גרגירי, אחיד |
| 1 | 80 | 110 | בין-גרגירי עמוק, צניחת גרגירים |
| 2 | 50 | 45 | בין גרגירי |
| 2 | 80 | 140 | חמור, סדוק |
| 5 | 50 | 25 (ירד) | כללי + בין-גרגירי מעורב |
| 5 | 80 | 60 | מצב מעורב |
| 10 | 50 | 8 (ירידה נוספת) | קורוזיה כללית אחידה |
הסביבה האגרסיבית ביותר עבור קורוזיה בין-גרגירית של 316 רגיש היא H₂SO₄ מדולל (1-2%) ב-70-80 מעלות. ריכוזי חומצה גבוהים יותר (מעל 5%) מעבירים את מנגנון הקורוזיה לעבר התקפה אחידה (כללית), שהיא פחות מזיקה כי היא לא מרכזת מתח. טמפרטורות נמוכות יותר (מתחת ל-50 מעלות) מפחיתות את שיעורי ההתקפה בפקטור של 5-10. עבור יישומים מחוץ לטווח 1–2% H₂SO₄, 70–80 מעלות, 316 רגיש עשוי לתפקד כראוי למרות DOS שניתן למדידה.
דוגמאות לכשלים בשטח מגימור מתכת ועיבוד כימי
סקר של 316 צינורות חימום חשמליים בעלי מעטפת נירוסטה שנכשל בשירות חומצה גופרתית מדוללת זיהה קורוזיה בין-גרגירית הקשורה לריתוך כגורם ל-52 מתוך 74 כשלים (70%). שלושה מקרים מייצגים ממחישים את הדפוס:
מקרה 1 - אמבט כבישה מתכתי (2% H₂SO₄, 75 מעלות, פעולה לסירוגין). תנור חימום עם פקק מרותך נכשל לאחר 14 חודשים. בדיקה הראתה KLA בריתוך מכסה הקצה, עם חריץ בעומק 0.8 מ"מ על קיר של 1.5 מ"מ. הריתוך בוצע בשני מעברים וללא טיפול בחום לאחר-ריתוך. תנורי חימום חלופיים עם-מעבר יחיד, ריתוך-קירור מהיר וצינורות חישולים-תמיסים החזיקו מעמד 36 חודשים.
מקרה 2 - מחמם סקראב להסרת גז פליטה (1% H₂SO₄, 65 מעלות, רציף). ריתוך אוגן נכשל לאחר 22 חודשים על ידי פיצוח בין-גרגירי. האוגן הוקל במתח -ב-500 מעלות לאחר ריתוך - נוהג סטנדרטי עבור מיכלי לחץ שעשו רגישות בטעות ל-316. תנורי חימום חלופיים שיוצרו ללא הפחתת מתח ריתוך לאחר- ושימוש ב-316L (0.02% C) לא הראו קורוזיה בין-גרעינית לאחר 48 חודשים.
מקרה 3 - סלילי חימום למיכליות כימיות (3% H₂SO₄, 80 מעלות, הפעלה אצווה). חיבורי צינור מרותכים נכשלו על ידי הפרדה מוחלטת ב-HAZ לאחר 9 חודשים. הצינור היה סטנדרטי 316 (0.06% C) עם דופן כבדה -2.5 מ"מ, הדורשת מעברי ריתוך מרובים. המעבר ל-316L עם קיר של 2.0 מ"מ וריתוך מסלולי-יחיד,-במהירות גבוהה, האריך את חיי השירות מעבר ל-60 חודשים.
שפת מפרט עבור שירות חומצה גופרתית מדוללת
בעת רכישת 316 צינורות חימום חשמליים מצופים מנירוסטה לשירות מדולל H₂SO₄ בין 0.5% ל-5% ריכוז וטמפרטורות מעל 50 מעלות, על המהנדסים לכלול את דרישות הריתוך והחומר הבאות. ציין 316L (UNS S31603) עם תכולת פחמן מקסימלית של 0.03% במקום 316 (0.08% C) כדי להפחית את הנטייה לרגישות. דרוש שכל הריתוכים יבוצעו באמצעות{11}}ריתוך TIG אוטוגני יחיד במידת האפשר, עם קירור מהיר (ללא חימום מוקדם, זרימת גז טיהור מספקת). ריתוך רב- אינו מותר במעטפות עם עובי דופן מתחת ל-2.5 מ"מ. טיפול בחום שלאחר-ריתוך מכל סוג שהוא - כולל הפגת מתחים ב-400-600 מעלות - אסור, אלא אם כן יתבצע חישול תמיסה מלא ב-1050 מעלות וריבוי מים, שיתבצע לפני ההרכבה הסופית אם גוף החימום הפנימי עדיין לא הותקן. ודא את איכות הריתוך על ידי דרישה שקופון מכל חלקת ריתוך (או מצינור מייצג באותו קוטר ועובי דופן) ייבדק לפי ASTM A262 Practice E (מבחן שטראוס) עם עומק קורוזיה בין-גרגירי מרבי מקובל של 30 מיקרומטר לאחר 72 שעות. עבור יישומים קריטיים עם ריכוזי H₂SO₄ של 1-2% וטמפרטורות של 70-80 מעלות, שקול לשדרג ל-904L (UNS N08904) או סגסוגת 20 (UNS N08020), שיש להם תכולת מוליבדן וניקל גבוהה יותר ועמידה באופן מהותי בפני רגישות לא-גרעינית בין-גרעינית בתנאי רגישות לא-גרעינית של חומצה. על ידי התייחסות לרגישות ריתוך כפרמטר עיצובי ספציפי לשירות חומצה גופרתית מדוללת - לא בהסתמך על נוהלי ריתוך נירוסטה -כלליים - מהנדסים יכולים להאריך את חיי המחמם מחודשים לשנים באחת הסביבות האגרסיביות ביותר עבור נירוסטה אוסטניטית מרותכת.
