Com prevenir la sensibilització a les soldadures d'acer inoxidable austenític

La sensibilització es produeix quan els carburs de crom precipiten als límits del gra en el rang de 425-815 graus, esgotant el crom per sota del llindar de passivació del 10,5%.

Els graus-baix en carboni (304L, 316L amb C inferior o igual al 0,030%) són la prevenció més rendible-per als components soldats que funcionen per sota dels 425 graus .

Els graus estabilitzats (321 amb Ti, 347 amb Nb) uneixen el carboni en carburs estables, ideals per al servei a altes -temperaturas superiors a 425 graus.

El recuit post-solució de soldadura (1040-1150 graus + refredament ràpid) restaura la resistència a la corrosió en components ja-sensibilitzats.

L'entrada de calor controlada (menys o igual a 1,5 kJ/mm per a GTAW), les temperatures interpass baixes (menys o iguals a 150 graus) i les tècniques de corda de corda són mesures complementàries essencials.

Font:ASTM A240/A240M; Manual ASM Vol. 1; Lippold & Kotecki, Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels, Wiley, 2005.

Sensibilització Mecanisme de corrosió intergranular

Acers inoxidables austenítics-, com ara 304, 316, 321 i 347 -, depenen d'una pel·lícula passiva d'òxid de crom (Cr₂O₃) que s'autocurarà per a la resistència a la corrosió. Aquesta pel·lícula requereix un mínim del 10,5% en pes de crom en solució sòlida per mantenir-se estable i protectora.

Quan els graus estàndard (per exemple, 304 amb C inferior o igual al 0,08%) s'escalfen a l'interval de temperatura de 425–815 graus (800–1500 graus F), el carboni - que té una solubilitat limitada a la matriu d'austenita - migra als límits del gra i es combina amb carbur de crom{10} primari{10} crom{10}. Cr₂₃C₆. Aquest procés s'anomena sensibilització.

Les conseqüències són greus:

• Les zones esgotades de crom-es formen al llarg dels límits del gra, on el Cr cau per sota del 10,5%.
• Aquestes zones es tornen anòdiques en relació amb la matriu a granel, creant una cèl·lula galvànica.
• En ambients corrosius (àcids, clorurs, àcids politiònics), la corrosió intergranular (IGC) es propaga ràpidament al llarg dels límits debilitats.
• El resultat: caiguda del gra, pèrdua d'integritat mecànica i possible fallada catastròfica - fins i tot quan el material a granel no sembli afectat.
• La prova estàndard de la indústria per a la sensibilització és l'ASTM A262 Practice A (gravat amb àcid oxàlic) o Practice B–E (immersió de sulfat fèrric / àcid nítric), que detecten atacs intergranulars mitjançant examen metal·logràfic o pèrdua de pes.

Font:ASTM A262 - Pràctiques estàndard per detectar la susceptibilitat a l'atac intergranular en acers inoxidables austenítics; ASM Handbook Vol. 13B: Corrosion, 2005.

Risc de sensibilització a la zona de perill de 425-815 graus​​​​​​​

Durant la soldadura, el metall base adjacent a la línia de fusió experimenta un gradient tèrmic des del punt de fusió (~ 1450 graus) fins a la temperatura ambient. La regió entre la línia de fusió i el metall base no afectat és la -zona afectada per la calor (HAZ).

Dins de la HAZ, una banda estreta resideix inevitablement a l'interval de 425-815 graus - la finestra de sensibilització. El factor crític no és si la HAZ arriba a aquest rang (sempre ho fa), sinó quant de temps hi roman.

El diagrama de sensibilització de temps-temperatura-(TTS) quantifica aquesta relació:

• A 650-700 graus (el nas de la corba C-), la sensibilització pot començar en tan sols 5-15 minuts per 304 amb 0,06% C.
• A 425 graus, pot trigar centenars d'hores -, però en la soldadura de diverses passades, el temps acumulat pot ser important.
• Els graus -baix en carboni (304L, C Inferior o igual al 0,030%) desplacen la corba TTS de manera espectacular cap a la dreta, i requereixen hores a la temperatura màxima abans que comenci la sensibilització.
• És per això que els paràmetres de soldadura són importants: una major aportació de calor, un refredament més lent, un preescalfament i seccions gruixudes allargaran el temps a la zona de perill i augmenten el risc de sensibilització.

Font:Lippold, JC & Kotecki, DJ, Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels, Wiley, 2005, capítol 4; ASTM A240/A240M.

Els graus-baix de carboni eliminen la sensibilització

La lògica és senzilla: no hi ha excés de carboni significa que no hi ha precipitació significativa de carbur de crom. L'ASTM A240 defineix el límit de carboni del "grau L-" com a Inferior o igual al 0,030% en pes, en comparació amb Menys o igual al 0,08% en pes per als graus estàndard. Aquesta reducció del 63% de la disponibilitat de carboni desplaça la corba TTS tan lluny cap a la dreta que s'elimina efectivament la sensibilització en condicions normals de soldadura.

Composició química i comparació de riscos de sensibilització

Font:ASTM A240/A240M: especificació estàndard per a crom i crom-plaques, xapes i tires d'acer inoxidable de níquel per a recipients a pressió.

Consideracions clau per als graus-baix en carboni

Compartiment de la força de fluència-: 304L té un rendiment mínim de 170 MPa vs. 205 MPa de 304. Per als recipients a pressió dissenyats segons ASME Secció VIII, això s'ha de tenir en compte en els càlculs del gruix de la paret.

Límit de servei-a llarg termini: per a un servei continu superior a 425 graus, fins i tot el 304L pot arribar a sensibilitzar-se durant milers d'hores. Es prefereixen els graus estabilitzats (321/347) per a aplicacions a -temperatura elevada.

Disponibilitat: 304L i 316L es troben entre els graus d'acer inoxidable més distribuïts a tot el món, cosa que els converteix en una primera opció pràctica per a la fabricació de soldadura.

Font:Codi de calderes i recipients a pressió ASME, secció VIII, divisió 1; ASTM A240/A240M.

Graus estabilitzats (321 / 347) Bloqueig de carboni amb titani o niobi

L'estabilització funciona amb un principi diferent al de la reducció de carboni. En lloc d'eliminar el carboni, els graus estabilitzats afegeixen un element amb més afinitat pel carboni que pel crom:

Grau 321: el titani (Ti superior o igual a 5 × C, però inferior o igual al 0,70%) forma carbur de titani (TiC), que precipita a temperatures superiors a la formació de Cr₂₃C₆, segrestant carboni abans que es pugui combinar amb el crom.

Grau 347: el niobi (Nb superior o igual a 10 × C, però inferior o igual a 1,00%) forma carbur de niobi (NbC), amb una estabilitat tèrmica encara més gran que el TiC.

Comparació de notes estabilitzada

Font:ASTM A240/A240M; ASM Handbook Vol. 1: Propietats i selecció: ferros, acers i aliatges d'alt-rendiment.

-Atac de línia: l'advertència de grau estabilitzat

Les qualificacions estabilitzades tenen una limitació important. Durant la soldadura, la zona de fusió arriba a temperatures prou altes (~1300 graus ) com per tornar a dissoldre -TiC i NbC. En refredar-se a través del rang de sensibilització, el carboni està temporalment lliure i pot formar Cr₂₃C₆ en una banda molt estreta adjacent a la línia de fusió - un fenomen anomenat atac de línia-de ganivet (KLA).

La prevenció del KLA requereix:

• Recuit d'estabilització post-soldadura a 870-925 graus , que permet que Ti o Nb tornin a captar el carboni.
• S'utilitza 347 sobre 321 en servei d'alta-temperatura, ja que el NbC es torna-més fàcilment que el TiC després de la dissolució.
• Combinació d'un grau estabilitzat amb pràctica baixa-de carboni (p. ex., 347 amb C inferior o igual al 0,04%) per a aplicacions crítiques.

Font:Lippold & Kotecki, Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels, Wiley, 2005, capítol 6; ASTM A240/A240M.

El recobriment post-solució de soldadura restaura la resistència a la corrosió després de la sensibilització

Quan ja s'ha produït la sensibilització - ja sigui per una soldadura inadequada de graus estàndard o per un servei prolongat d'alta -temperatura -, el recuit de la solució és l'únic procés que pot restaurar completament la microestructura.

El procés inclou tres passos crítics:

Calefacció: aixequeu el component a 1040-1150 graus. A aquestes temperatures, els carburs de Cr₂₃C₆ es dissolen de nou a la matriu d'austenita, tornant el crom a una solució sòlida.

Manteniment: mantingueu la temperatura durant un mínim d'1 minut per mil·límetre de gruix, assegurant la dissolució completa del carbur en tota la-secció transversal.

Refrigeració ràpida: extinció d'aigua o refredament ràpid d'aire a través de l'interval de 425-815 graus amb prou rapidesa com per evitar la re-precipitació dels carburs.

Paràmetres de recuit de solució per grau

Font:ASTM A240/A240M; ASTM A182/A182M; Manual ASM Vol. 4: Tractament tèrmic.

L'entrada de calor controlada i la temperatura entre passades redueixen el risc de sensibilització

Les variables del procediment de soldadura influeixen directament en el cicle tèrmic de la ZAT. Tot i que cap procediment de soldadura pot eliminar completament el pas pel rang de sensibilització, un control adequat pot reduir significativament la durada de l'exposició.

Paràmetres de soldadura: baix-risc vs. alt-pràctiques de risc

Font:ASME Secció IX - Qualificacions de soldadura; AWS D18.1 - Soldadura de sistemes de tubs i canonades d'acer inoxidable austenític.

Regles crítiques per a la soldadura d'acer inoxidable austenític

No preescalfeu mai l'acer inoxidable austenític tret que un procediment qualificat ho requereixi específicament. El preescalfament allarga el temps en el rang de sensibilització.

Utilitzeu GTAW (TIG) amb perles de filament per a les passades d'arrel i les passades crítiques - proporciona l'entrada de calor més baixa i el millor control.

Limiteu la temperatura entre passades a Inferior o igual a 150 graus (mesurada amb un piròmetre de contacte a almenys 25 mm de la soldadura). Utilitzeu pals de temperatura o infrarojos per a la verificació.

Per a GMAW (MIG), utilitzeu el mode de pols per reduir l'entrada mitjana de calor mantenint una penetració adequada.

Eviteu teixir - perles de lligam que concentren l'entrada de calor i minimitzeu l'amplada HAZ.

Per a SMAW (estic), utilitzeu elèctrodes de -diàmetre petit (2,5-3,2 mm) amb baix amperatge i arc curt.

Font:AWS D18.1; ASME Secció IX; Lippold i Kotecki, 2005.

Comparació exhaustiva: quina estratègia de prevenció s'adapta a la vostra aplicació?

Comparació multi-d'estratègies multidimensionals

Font:ASTM A240/A240M; ASTM A182/A182M; ASME Secció IX; AWS D18.1; Lippold i Kotecki, 2005.

Guia de selecció-basada en aplicacions

Font:Recomanació d'enginyeria de JN Alloys basada en els estàndards ASTM, ASME i AWS; experiència en projectes industrials en aplicacions petroquímiques i offshore.

Preguntes freqüents

P: El 304L es pot sensibilitzar durant la soldadura?

A: En condicions normals de soldadura, 304L (C inferior o igual al 0,030%) no es sensibilitza perquè el contingut de carboni és massa baix per formar carburs de crom significatius. Tanmateix, una exposició prolongada per sobre de 425 graus durant milers d'hores pot provocar sensibilització, fins i tot en graus L-. Per a un servei superior a 425 graus, utilitzeu graus estabilitzats (321 o 347).

P: Quina diferència hi ha entre la corrosió intergranular (IGC) i l'atac de la línia-de ganivet (KLA)?

A: L'IGC es produeix a l'HAZ on el metall es va escalfar a l'interval de sensibilització de 425 a 815 graus, formant una banda sensibilitzada relativament àmplia. KLA és una forma específica d'IGC en graus estabilitzats (321, 347) on la zona de fusió arriba a temperatures prou elevades per dissoldre els carburs estabilitzadors (TiC, NbC), i en refredar-se, es forma una banda estreta de Cr₂₃C₃ just a la línia de fusió. El KLA és més estret, però pot ser més profund i agressiu que l'IGC convencional.

P: El recuit post-solució de soldadura és sempre necessari per a les soldadures 304L?

A: No. Per a les soldadures 304L en servei de temperatura -ambiental a moderada (per sota de 425 graus), normalment no es requereix el recuit de la solució perquè el baix contingut de carboni evita una sensibilització significativa. El recuit post-soldadura es reserva per a: (1) graus estàndard (304, 316) soldats sense farciment de grau L-, (2) servei crític on existeix tolerància de sensibilització zero o (3) rehabilitació de components ja-sensibilitzats.

P: Per què no es recomana el preescalfament per a l'acer inoxidable austenític?

A: A diferència dels acers inoxidables ferrítics i martensítics, els graus austenítics no es poden endurir per trempada - no formen martensita fràgil. El preescalfament de l'acer inoxidable austenític amplia el temps que passa la HAZ en el rang de sensibilització de 425 a 815 graus, afavorint la precipitació del carbur. L'única excepció són aplicacions molt específiques on el craqueig de l'hidrogen és una preocupació, que és poc freqüent en els graus austenítics.

P: He d'utilitzar 321 o 347 per a aplicacions de brides d'alta-temperatura?

A: Per al servei per sobre de 425 graus, el grau 347 es prefereix generalment sobre el 321 perquè: (1) NbC és més estable tèrmicament que el TiC, i es torna a formar més fàcilment després de la dissolució a la piscina de soldadura; (2) 347 té una millor resistència a la ruptura de fluència-a temperatures elevades; (3) 347 és menys susceptible a l'atac de la línia-de ganivet. Tanmateix, es pot triar 321 per raons de cost o de disponibilitat quan la temperatura de servei és moderada (425-540 graus).

P: Com puc provar la sensibilització després de la soldadura?

A: El mètode estàndard de la indústria és ASTM A262, que inclou cinc pràctiques: Pràctica A (gravat d'àcid oxàlic, cribratge ràpid), Pràctica B (sulfat fèrric-àcid sulfúric, pèrdua de pes), Pràctica C (àcid nítric, pèrdua de pes per a graus de Mo-), Pràctica E (cobre-sulfat de coure-àcid sulfúric, prova de flexió de sulfat de coure i 50% de sulfúric) àcid, per als graus Mo). La pràctica A és la més habitual per a la detecció ràpida; Les pràctiques B–F proporcionen resultats quantitatius.

P: Es pot produir sensibilització en acers inoxidables dúplex?

A: Sí, però el mecanisme i la gravetat són diferents. Els graus dúplex (2205, 2507) tenen una microestructura de dues-fàsiques (austenita + ferrita). La precipitació del carbur de crom pot ocórrer en la fase de ferrita, però la xarxa contínua d'austenita proporciona un camí per a la difusió del crom des de la ferrita, fent que la sensibilització sigui menys severa. Els graus dúplex moderns amb baix contingut de nitrogen i carboni (per exemple, 2205 amb C inferior o igual a 0,030%) són molt resistents a la sensibilització.