Razpoke zaradi napihnjenosti v prisotnosti kloridov: zakaj se 316L razpoka, medtem ko dupločna jekla odpornost kažejo

Razpoke zaradi napihnjenosti v prisotnosti kloridov (CSCC) nastanejo, ko so izpolnjene tri pogoje: trajna natezna napetost, kloridi in temperatura nad približno 60 stopinj Celzija. V teh pogojih se standardne avstenitne jeklene vrste, kot sta 304L in 316L, lahko nenadoma in katastrofalno razpokata, kljub temu da površina kaže le majhno splošno korozijo, medtem ko se duploks vrste, kot sta 2205 in 2507, ter popolnoma feritna nerjavna jekla razpokajo veliko manj verjetno. Ključna spremenljivka je mikrostruktura: neprekinjena avstenitna faza pri 316L je notranje občutljiva, medtem ko dvo-fazna duploks struktura prekine rast razpok.

Tromečni mehanizem
CSCC se pogosto opisuje kot trojnoga stolčka, pri čemer odstranitev katerekoli noge prepreči razpokanje. Prva noga je natezna napetost, bodisi zaradi uporabne obremenitve ali, pogosteje, zaradi ostankov napetosti, ki jih zaklene varjenje, hladno ukrivljanje ali oblikovanje; ostanki napetosti v bližini zvarnega šava lahko dosežejo mejo plastičnosti materiala celo brez kakršnekoli zunanje obremenitve. Druga noga je okolje, ki vsebuje kloride, pri čemer je prag presenetljivo nizek, saj se kloridi koncentrirajo pod usedlinami, v tesnih režah in pod izolacijo, ko se voda izpareva. Tretja noga je temperatura; občutljivost hitro narašča nad približno 60 stopinj Celzija, zato so vroči cevovodi, cevi s parno sledilno ogrevanimi linijami in oprema pod toplotno izolacijo klasična mesta odpovedi. Ko so prisotne vse tri noge, se razpoke začnejo na jamicah ali površinskih napakah in se širijo kot drobne, vejevaste, pogosto medzrnatne mreže, ki lahko v nekaj tednih prebijete steno. Ker površina običajno kaže skoraj nič splošne korozije, CSCC pogosto ne daje nobenega vidnega opozorila pred prebojem stene ali nenadno razpočitvijo, kar ga naredi tako nevarnega v tlakovni obratovanju.

Zakaj so avstenitne vrste občutljive
Občutljivost 304L in 316L izhaja iz njihove popolnoma avstenitne, ploskovno centrirane kubične strukture ter vsebine niklja v razponu približno 8 do 12 odstotkov. Izkušnje in laboratorijski podatki kažejo, da so avstenitne nerjavnih jekla najbolj občutljiva na CSCC ravno v tem srednjem razponu vsebine niklja, kjer se pasivni film lokalno razgradi in razpoka najde neprekinjeno avstenitno pot za napredovanje. Ker gre za eno neprekinjeno fazo, ko se razpoka začne, ni nobene metalurške ovire, ki bi jo upočasnila, zato so odpovedi pogosto hitre in dajejo malo opozoril. Molibden, kot v 316L, izboljša odpornost proti lupinjenju in nekoliko zamudi začetek razpoke, vendar ne spremeni osnovne občutljivosti avstenita, zato 316L še vedno razpoka pri topli kloridni uporabi.

Tabela: Relativno obnašanje pri CSCC

Zakaj duplex odpornost
Duplekse nerjavnih jekel zdržijo CSCC, ker je približno polovica njihove strukture ferit, ki ima telesno središčno kubično kristalno mrežo in je po naravi veliko bolj odporna proti kloridnemu razpokanju kot austenit. V dupleksni mikrostrukturi se razpoke, ki se začnejo v austenitnem otoku, kmalu srečajo z zrnati feritno strukturo, ki jih ustavi ali odklone, zato neprekinjene poti razpokanja, ki so usodne za 316L, splošno ne obstajajo. Nižja vsebnost niklja ter višja vsebnost kroma in molibdena pri dupleksnih razredih prav tako povzročita bolj stabilno pasivno zaščitno plast. Praktičen rezultat je znaten skok temperature in koncentracije kloridov, ki jih material zdrži, preden postane razpokanje tveganje: medtem ko je 316L v kloridnih pogojih morda omejen na zmernih temperaturah, 2205 in 2507 omogočata varno delovanje še pri znatno višjih temperaturah, zato sta standardna izboljšava za vročo morsko vodo, sladkovodno-morsko mešanico in cevovode za kloridne procese. Odpornost dupleksnih jekel ni neskončna; pri zelo visokih temperaturah in koncentracijah kloridov se tudi dupleksne razrede končno lahko razpokajo, vendar se prag dvigne za desetine stopinj Celzija, kar običajno zadostuje, da se aplikacija premakne iz stanja kroničnega tveganja za odpoved v varno obratovalno območje.

Pogojni mejni primeri in prepoznavanje tveganja
Enotnega univerzalnega mejnega primera ni, vendar obstajajo uporabna navodila. Pri avstenitnih jeklenih razredih 304 in 316 se tveganje za korozijo pod napetostjo v prisotnosti kloridov (CSCC) ostro poveča nad približno 60 stopinj Celzija, kadar sta hkrati prisotna kloridi in natezna napetost; pod to temperaturo se ti razredi pogosto uporabljajo v okoljih z kloridi z zadostno zanesljivostjo. Zelo znana posebna situacija je korozija pod izolacijo, pri kateri deževnica, ki vsebuje kloride, namoči izolacijo na toplih ceveh, nato izhlapi in koncentrira kloride do večkrat višje koncentracije kot v osnovni tekočini neposredno na površini kovine, kar povzroči razpoke v ceveh, ki bi jih glede na sestavo procesne tekočine sicer šteli za varne. Prepoznavanje teh pogojev – toplih površin, izolacije, tesnih rež, izhlapevalne koncentracije in ostankov napetosti iz varjenja – je prvi korak k preprečevanju odpovedi.

Strategije preprečevanja
Učinkovita preprečitev napadov prizadene eno ali več stopnic mehanizma. Najzanesljivejša ukrepanja so izboljšava razreda materiala: zamenjava 316L z 2205 ali 2507 odpravi kovinsko nagnjenost namesto, da bi le nadzorovali okolje, in je to standardna rešitev za vroče kloridne obremenitve. Kjer je razred materiala določen, zmanjšanje natezne napetosti pomaga: povarilna raztopinska žaritev ali sprostitev napetosti zmanjšata ostanke napetosti, konstrukcijske spremembe, ki izognijo koncentraciji napetosti, pa zmanjšajo gonilno silo. Nadzor okolja je tretja možnost: ohranjanje nizke količine kloridov na površini, odprava tesnih rež in mirujočih območij, kjer se kloridi koncentrirajo, izbor izolacijskih sistemov in premazov, ki odtekajo vodo, ter ohranjanje temperature pod pragom nagnjenosti, če je to mogoče. Pomembne so tudi podrobnosti izdelave, saj vgrajeno železo, varilni razprški in grube površine ustvarjajo začetna mesta napadov; pasivacija in kislinjenje po izdelavi obnovita čist in enakomeren pasivni film ter odstranita prosti železov del, ki bi sicer povzročil nastanek jam in razpok. Preverjanje dobavljenega materiala z identifikacijo pozitivnega materiala, kemično analizo ter mehanskimi in korozivnimi preskusi potrdi, da je nameščena cev resnično odporna razreda, kot je bilo določeno. Kombinacija pravilnega razreda, nadzorovane napetosti in nadzorovanega okolja spremeni CSCC iz nepredvidljive nevarnosti v dobro razumljeno in izogibljivo obliko odpovedi.

Pogosta vprašanja
V: Pri kateri temperaturi postane 316L občutljiv na napetostno korozijo v prisotnosti kloridov (SCC)?
O: Tveganje se ostro poveča nad približno 60 stopinj Celzija, kadar sta hkrati prisotna kloridi in napetost; pod to temperaturo se avstenične jeklene različice široko uporabljajo v okoljih z kloridi.
V: Zakaj je dupleks odpornejši proti razpokam kot 316L?
O: Njegova mikrostruktura vsebuje približno polovico ferita, ki je naravno odporen proti kloridni napetostni koroziji in prekine neprekinjeno avstenično pot, po kateri se razpoke širijo v 316L.

Ali ste izpostavljeni tveganju napetostne korozije v prisotnosti kloridov? Nadgradite na cevi iz dupleksnega ali superdupleksnega jekla od Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. Tel. +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/