Wie kontrolliert die Verarmungstiefe des äquivalenten Chromgehalts an Schweißverbindungen von 316-Heizmantelrohren die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion in siedender Salpetersäure?

Mikrostrukturgradient in der Schweißwärmeeinflusszone (HAZ) als Korrosionsparameter

In Umgebungen mit oxidierenden Säuren ist die Wärmeeinflusszone (HAZ) neben der Schweißnahtlinie der empfindlichste Bereich für interkristalline Korrosion (IGC) im Fall von ummantelten elektrischen Heizrohren aus Edelstahl 316, die geschweißte Endkappen oder Flansche benötigen, wie z. B. Druckheizgeräte, Hochtemperatur-Einsteckheizgeräte oder Baugruppen mit Schutzrohren. Während des Schweißens unterliegt die HAZ einem Wärmezyklus, der vorhandene Karbide teilweise auflösen und beim Abkühlen Chromkarbide an den Korngrenzen wieder ausscheiden kann. Die daraus resultierende Chromverarmung erstreckt sich über eine gewisse Tiefe von der Korngrenze und wird als äquivalente Verarmungstiefe des Chromgehalts (normalerweise 50–500 nm) quantifiziert. Die Tiefe der Chromverarmung in siedender 65 %iger Salpetersäure (ASTM A262 Practice C) beträgt mehr als 200 nm und die Chromkonzentration an der Korngrenze beträgt weniger als 12 %. Der intergranulare Angriff schreitet schnell voran und führt zu Gewichtsverlusten von 0,5–2 mm/Jahr. Dieses Papier misst den Zusammenhang zwischen der Chromverarmungstiefe, der Chromkonzentration an den Korngrenzen und der IGC-Rate in geschweißten 316-Hüllen.

Mechanismus der Chromverarmung durch Schweißen

Beim Schweißen von Edelstahl 316 wird die Wärmeeinflusszone (HAZ) auf Temperaturen zwischen 600 und 1.300 Grad erhitzt. Im erhitzten Bereich über etwa 1.050 Grad lösen sich die vorhandenen Karbide vollständig auf und Chrom und Kohlenstoff liegen in fester Lösung vor. Mit abnehmender Temperatur durchläuft die HAZ den Sensibilisierungsbereich (450 -850 Grad) mit einer Geschwindigkeit, die von der Wandstärke, der Vorwärmung und den Umgebungsbedingungen abhängt. Dünnwandige Heizmäntel (1,5–2,0 mm) kühlen ziemlich schnell ab (10–30 Sekunden im Sensibilisierungsbereich) und verhindern so oft eine nennenswerte Neuausfällung von Karbid. Wenn jedoch mehrere Schweißdurchgänge durchgeführt werden oder wenn die Ummantelung an einen dicken Flansch geschweißt wird (der als Wärmesenke fungiert), ist die Abkühlgeschwindigkeit langsamer und Chromkarbide können sich an den Korngrenzen ausscheiden, wodurch eine chromverarmte Zone mit einer Breite von 50–500 nm und einem lokalen Chromgehalt von nur 5–10 % (im Vergleich zu 17–19 % in der Masse) entsteht. Die entsprechende Verarmungstiefe des Chromgehalts ist die Breite des Bereichs, in dem der Chromgehalt unter dem kritischen Wert von 12 % liegt.

Quantifizierter Zusammenhang zwischen Verarmungstiefe und Korrosionsrate bei interkristalliner Korrosion.

Die Beziehung wurde durch das kontrollierte Schweißen von 316-Rohren (1,5 mm Wand) mit unterschiedlichen Wärmeeinträgen (0,5–3,0 kJ/mm) und Abkühlgeschwindigkeiten, gefolgt von der Messung der Chromverarmungstiefe mittels Auger-Elektronenspektroskopie (AES) und IGC-Tests in kochender 65 %iger HNO₃ (5 Zyklen, jeweils 48 Stunden) ermittelt.

Weld Heat Input (kJ/mm) HAZ Cooling Rate (450-850°C, °C/s) Chromium Depletion Depth (nm) Minimum Grain Boundary Chromium (wt%) IGC Rate in Boiling 65% HNO3 (mm/year)Acceptable with monitoring 1.5-2.0 15-30 100-200 10-12 0.40-1.00 Fail (moderate IGA) Not recommended 2.0-2.5 10-15 200-350 8-10 1.00-2.00 Fail (severe IGA) No 2.5-3.0 5-10 350-500 6-8 2.00-3.50 Fail (very severe) No >3,0 (viele Durchgänge)<5 >500 <6 >3,50 Scheitern (Zerfall) Inakzeptabel
Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf die Verarmungstiefe

Bei gleicher Abkühlgeschwindigkeit führt Standard 316 (0,08 % C) zu tieferen Verarmungszonen als 316L (0,03 % C), da mehr Kohlenstoff zur Bildung von Karbiden vorhanden ist.

Abkühlrate (Grad/s) (450-850 Grad) Erschöpfungstiefe in 316 (0,08 % C) (nm) Erschöpfungstiefe in 316L (0,03 % C) (nm)316 IGC-Rate (mm/Jahr)316L IGC-Rate (mm/Jahr)Empfohlener Grad für geschweißten Einsatz in Säure100<30 <10 <.05 <.05 316 acceptable 50-100 30-80 10-30 .10-.30 <.10 316L preferred 30-50 80-150 30-60 .30-.80 .10-.25 316L required 15-30 150-300 60-150 .80-1.50 .25-.60 316L with post-weld anneal <15 >300 >150 >1,50 > 0,60 Nach-Glühen ist für beides erforderlich
Praktische Schweißspezifikationen für den Salpetersäure-Service

Bei ummantelten 316-Heizgeräten zur Verwendung in siedender Salpetersäure oder anderen oxidierenden Säuren minimieren die folgenden Schweißanforderungen die Chromverarmungstiefe und sorgen für IGC-Beständigkeit.

Betriebsbedingungen Maximal zulässige IGC-Rate (mm/Jahr) Empfohlener SchweißprozessMaximale Wärmezufuhr (kJ/mm) Abnahmetest nach der Schweißbehandlung
Intermittierend, verdünnt (20 % HNO3) 0,3 GTAW, einzelner Durchgang 1,5 Keine (bei 316L) ASTM A262 Praxis A