Jedko napetostno korozijsko pokanje nerjavečega jekla: temperaturne in koncentracijske meje

Standardna avstenitna nerjavna jekla, kot sta 304 in 316, so na splošno odporna na jedko (NaOH) do približno 50-odstotne koncentracije in približno 93 stopinj (199 stopinj F), vendar nad to temperaturo postanejo občutljiva za nestabilno pasivnost in razpoke zaradi jedke napetostne korozije (CSCC) - in bolj ko je jedka raztopina razredčena, višja mora biti temperatura, preden pokanje se začne, pri čemer je pokanje še vedno možno v tako šibkih raztopinah kot 1 % NaOH nad približno 200 stopinjami (392 stopinj F). Nad 300 stopinj (572 stopinj F) lahko pride do jedkega razpokanja avstenitnega nerjavnega jekla precej hitro, kar je točka, pri kateri večina specifikacij zahteva prehod na nikljevo zlitino.

Natrijev hidroksid (kavstična soda) je ena najpogosteje uporabljenih industrijskih kemikalij -, ki jo najdemo v predelavi celuloze in papirja, rafiniranju aluminijevega oksida, kemični proizvodnji in čistilnih sistemih - in predstavlja tveganje korozije, ki ujame inženirje nepripravljene, ker se ne obnaša kot kislina. Ta članek določa mejne vrednosti temperature in koncentracije, ki urejajo pokanje zaradi jedke napetostne korozije v nerjavnem jeklu, pojasnjuje, zakaj se prag spreminja glede na koncentracijo, in ugotavlja, kje postanejo nikljeve zlitine prava izbira materiala.

Kaj je kavstično stresno korozijsko razpokanje in kako se razlikuje od kloridnega SCC?

Jedki SCC je poseben mehanizem pokanja, ki ga poganjajo vroče, koncentrirane raztopine hidroksida, ki napadejo obremenjeno kovinsko površino - za razliko od kloridnega SCC ga sploh ne povzročajo kloridni ioni, za preprečevanje pa sta potrebni popolnoma različni strategiji zlitin.

Tako kavstični SCC kot kloridni SCC zahtevata iste tri sestavine, da se pojavita skupaj: občutljivo zlitino, natezno napetost (zaradi varjenja, oblikovanja ali delovnih obremenitev) in dovolj agresivno okolje. Kjer se razhajajo, je okolje samo. Kloridni SCC poganjajo kloridni ioni, ki napadajo pasivni film, običajno v skoraj-nevtralni do kisli vodi,-kisik.

Jedki SCC poganjajo močno alkalne raztopine hidroksida - natrijev hidroksid (NaOH), kalijev hidroksid (KOH) ali kalcijev hidroksid - in postane tveganje zlasti pri povišani temperaturi in koncentraciji, zgodovinsko znano kot "kavstična krhkost", ko je bilo prvič ugotovljeno v zakovičenih ohišjih kotlov. Ker je pogonska kemija nasprotnega značaja, nadgradnja zlitine, izbrana za rešitev problema s kloridom, ne reši samodejno problema z jedkostjo, in obratno - izbiro materiala je treba prilagoditi specifičnemu okolju.

Pri kateri temperaturi in koncentraciji začne kavstični SCC v standardnem nerjavnem jeklu?

Nerjavno jeklo 304 in 316 na splošno dobro vzdržuje NaOH do približno 50-odstotne koncentracije in približno 93 stopinj (199 stopinj F); nad to temperaturo se splošna odpornost proti koroziji in odpornost proti razpokanju zmanjšata, natančen prag pokanja pa se premakne glede na to, kako koncentrirana je jedka snov.

Podatki o koroziji v industriji postavljajo praktično zgornjo mejo uporabe za standardno avstenitno nerjavno jeklo pri približno 50-odstotni koncentraciji NaOH in približno 93 stopinj (199 stopinj F). Nad to temperaturo postane pasivni film, ki daje nerjavnemu jeklu odpornost proti koroziji, nestabilen, kar odpre vrata tako pospešeni splošni koroziji kot razpokanju zaradi kavstične napetostne korozije. Ločeno prijavljene omejitve industrijske uporabe postavljajo mejo praktične kavstične uporabe avstenitnega nerjavnega jekla okoli 70–90 stopinj, pri čemer so razpoke razredov serije 300- dokumentirane tudi nad približno 100 stopinjami -, ki so na splošno skladne s pragom ~93 stopinj in odražajo razpršitev v resničnem svetu, ki jo opazimo po različnih obratih, stopnjah nečistoč in stresne razmere.

Zakaj nižja koncentracija NaOH zahteva višjo temperaturo za pokanje kovine?

Koncentracija in temperatura se izmenjujeta na meji razpok - razredčene jedke raztopine potrebujejo veliko višje temperature, da sprožijo razpoke kot koncentrirane, zato je temperaturna-koncentracijska krivulja, ne ena sama številka, pravi način razmišljanja o tveganju.

Pri koncentracijah NaOH pod približno 15 % se temperatura, ki je potrebna za razpokanje neobčutljivega nerjavnega jekla, znatno poveča. Pri tako nizki koncentraciji, kot je približno 1 % NaOH, se nagnjenost k pokanju na splošno ne pojavi, dokler temperature ne presežejo približno 200 stopinj (392 stopinj F). Ko temperatura še narašča, se reakcija močno pospeši: nad približno 300 stopinj (572 stopinj F) lahko jedko pokanje avstenitnega nerjavnega jekla poteka zelo hitro.

To obratno razmerje - nižja koncentracija, ki zahteva višjo temperaturo, in obratno - je točno razlog, zakaj je tveganje jedkega SCC pravilno predstavljeno kot mejna krivulja na diagramu temperature-v-koncentraciji, ne pa kot en sam prag uspešnosti/neuspeha. Postopek, ki je videti varen pri nizki koncentraciji in zmerni temperaturi, lahko preide na ozemlje tveganja, če se katera od spremenljivk poveča, čeprav skromno.

Ali je zaradi preobčutljivosti nerjaveče jeklo bolj dovzetno za jedko pokanje?

Da - preobčutljivost, tvorba kromovega karbida na mejah zrn zaradi neustrezne toplotne obdelave ali počasnega-ohlajenega varjenja, znižuje efektivni prag razpokanja z ustvarjanjem poti, ki so-osiromašene s kromom, vzdolž katerih se lahko koncentrira kavstični napad.

Preobčutljivost se pojavi, ko nerjavno jeklo držimo ali počasi ohlajamo skozi območje približno 425–870 stopinj, kar omogoča, da se krom združi z ogljikom in se obori kot kromov karbid vzdolž meja zrn. To lokalno osiromaši krom v neposredno sosednji kovini, kar spodkopava pasivni film natanko tam, kjer se ponavadi oblikujejo poti razpok.

Medtem ko osnovni mehanizem pokanja deluje tudi na neobčutljivem materialu, je preobčutljivost splošno priznana kot dejavnik, ki premakne temperaturno-koncentracijsko mejo v napačno smer - še en razlog več, nizko-ogljična (razred »L«) ali stabilizirana nerjavna jekla in pravilno izvedena -toplotna obdelava po varjenju so običajne specifikacijske zahteve za opremo za kavstične storitve.

Ali sta Duplex ali Super-avstenitna nerjavna jekla zanesljiva nadgradnja v primerjavi s 304/316?

Viš-legirani razredi nerjavečega jekla, kot sta 904L in 6-odstotna molibdenova super-avstenitna družina, ponujajo občutno boljšo odpornost kot 304/316 pri agresivni uporabi na splošno, vendar odpornost proti jedkim razpokam ni odvisna od vsebnosti zlitine na enak preprost način kot odpornost proti luknjam - je še vedno pomembno preverjanje za specifično jedko okolje.

Pri razpokanju in luknjanju, ki ga povzroča-klorid, višja vsebnost niklja in molibdena zanesljivo zagotovi večjo odpornost, ta vzorec pa je dobro dokumentiran za avstenitne razrede. Jedka okolja se obnašajo drugače: nekatere raziskave kažejo, da vsebnost molibdena, ki je zelo koristen proti napadu kloridov, dejansko lahko ne pomaga pri odpornosti nikljevih -zlitin na jedke, medtem ko ostaja krom na splošno ugoden pri visokih koncentracijah jedkega. To pomeni, da kakovost, izbrana zgolj zato, ker se dobro obnese proti kloridom - 904L, 6Mo super-avstenitu ali nikljevi-molibdenovi zlitini -, ne bi smela domnevati, da zagotavlja sorazmerno izboljšanje kavstične uporabe brez preverjanja podatkov, specifičnih za hidroksidna okolja, ne za kloridna okolja.

Kdaj naj nikljeve zlitine zamenjajo nerjavno jeklo za jedko uporabo?

Nikljeve zlitine postanejo standardna izbira, ko delovni pogoji presežejo praktično zgornjo mejo nerjavečega jekla - približno nad 50 % koncentracije NaOH v kombinaciji s temperaturami nad približno 93 stopinjami ali katero koli storitev, kjer se pričakuje trajna izpostavljenost nad približno 100 stopinjami - s komercialno čistim nikljem, ki ponuja najširšo maržo v skupini.

Splošni vzorec med nikljevimi zlitinami je jasen tudi tam, kjer se natančne številke razlikujejo glede na vir: višja vsebnost niklja je povezana z nižjo splošno stopnjo korozije in večjo odpornostjo proti jedkim napadom, zato je komercialno čisti nikelj - ni nerjavno jeklo in ni nujno najbolj legirana nikljeva zlitina - pogosto referenčni material za najhujše vroče, koncentrirane jedke storitve.

Ali je zlitina 600 dejansko odporna na jedko razpokanje?

No - Alloy 600 se veliko bolje upira jedkim napadom kot nerjaveče jeklo in se pogosto uporablja pri vročih jedkih storitvah, vendar ni odporna, dokumentirani laboratorijski in terenski primeri pa kažejo, da lahko poči pri dovolj strogih kombinacijah temperature, koncentracije in časa izpostavljenosti.

To je pomembna niansa za vsakogar, ki domneva, da nadgradnja nikljeve zlitine v celoti odpravi tveganje jedkega razpokanja. Izkazalo se je, da zlitina 600 poči v odzračeni 10-odstotni raztopini NaOH pri 315 stopinjah (600 stopinj F) pod preskusnimi pogoji, industrijske izkušnje pa potrjujejo, da lahko zlitina 600 po dolgotrajni uporabi še vedno razvije razpoke v vročih jedkih okoljih, čeprav bistveno prekaša nerjavno jeklo.

Obnašanje razpok v zlitini 600 je bilo povezano tudi z elektrokemičnim potencialom, pri čemer je največja dovzetnost opažena pri potencialih, ki so približno 200 mV bolj pozitivni od naravnega korozijskega potenciala materiala -, kar pomeni, da lahko procesni pogoji, ki vplivajo na elektrokemični potencial, ne le temperatura in koncentracija, vplivajo na to, ali se razpoke začnejo. Novejše zlitine, kot je zlitina 690, ki vsebuje bistveno več kroma, so bile uporabljene v nekaterih najzahtevnejših jedkih in visoko-temperaturnih storitvah, posebej za izboljšanje dolgoročne-učinkovitosti zlitine 600.

Ali drugi dejavniki poleg temperature in koncentracije vplivajo na tveganje jedkega SCC?

Da - usedline, galvanska sklopitev, uporabljeni elektrokemični potencial in preostale napetosti pri varjenju premaknejo efektivni prag razpok, zato se-okvare zaradi jedkega SCC v resničnem svetu pogosto pojavljajo pri pogojih, ki so nižji od laboratorijskih{2}}temperaturnih-koncentracijskih grafikonov.

Obloge in razpoke: porozne usedline (kot je magnetit v generatorju pare) lahko lokalno koncentrirajo jedko snov in ustvarijo galvansko sklopitev, ki premakne elektrokemični potencial nikljeve zlitine v območje,-občutljivo za razpoke, tudi če je raztopina v masi videti blaga.

Uporabljeni elektrokemični potencial: občutljivost na razpoke v zlitini 600 je najvišja pri določenem območju potenciala glede na njen korozijski potencial, kar pomeni, da je kemija postopka poleg preproste koncentracije in temperature lahko pomembna.

Preostale napetosti: varjenje, hladno oblikovanje in neustrezna razbremenitev napetosti povečajo lokalno natezno napetost, ki jo mora jedki SCC sprožiti - zmanjšanje te napetosti s pravilno -toplotno obdelavo po varjenju zmanjša tveganje neodvisno od izbire materiala.

Onesnaževalci: poročali so o vrstah, kot sta svinčev oksid in natrijev tiosulfat, ki pospešujejo jedko pokanje, medtem ko so druge, vključno s titanovim dioksidom, pokazale zaviralni učinek v nekaterih sistemih nikljevih zlitin.

Kaj bi morali storiti inženirji, da bi v praksi obvladovali tveganje jedkega SCC?

Uskladite zlitino s kombinacijo koncentracije-dejanske delovne temperature (ne le z nominalno projektno točko), zmanjšajte preostalo napetost pri varjenju in se izogibajte predpostavki, da je katera koli posamezna zlitina - vključno z nikljevimi zlitinami - brezpogojno odporna.

Narišite dejansko delovno ovojnico procesa -, vključno z zagonom, motnjami in odstopanji koncentracije, ne le nominalnimi stacionarnimi-pogoji - glede na temperaturno-koncentracijsko mejo razpok za kandidatno zlitino.

Določite nizko{0}}ogljične ali stabilizirane stopnje in pravilno izvedeno -toplotno obdelavo po varjenju, kjer koli bo varjeno nerjavno jeklo izpostavljeno dolgotrajni jedki izpostavljenosti, da preprečite tveganje,-povezano s preobčutljivostjo.

Obravnavajte podatke, razvite za odpornost na kloride, kot neprenosljive na jedko uporabo; preverite zmogljivost zlitine glede na jedke{1}}specifične testne podatke pred nadgradnjo zgolj na podlagi poverilnic odpornosti proti luknjam.

Za storitve nad približno 50 % NaOH in 93 stopinjami ali kakršno koli dolgotrajno izpostavljenost nad približno 100 stopinjami ocenite nikljeve zlitine, namesto da bi nerjavno jeklo še naprej potiskali preko dokumentirane zgornje meje storitev.

Tudi po izbiri nikljeve zlitine upoštevajte-pogoje za nastajanje usedlin, galvansko sklopitev in elektrokemični potencial v določenem sistemu, saj se je izkazalo, da ti dejavniki povzročajo pokanje zunaj 'varnega' območja, ki ga nakazujeta samo temperatura in koncentracija.

Pogosto zastavljena vprašanja

Kakšna je najvišja temperatura za nerjaveče jeklo 316 pri uporabi kavstične sode?

Približno 93 stopinj (199 stopinj F) je splošno citirana zgornja meja za standardno avstenitno nerjavno jeklo v NaOH do približno 50-odstotne koncentracije; nad to temperaturo se poveča tveganje splošne korozije in razpok.

Ali lahko v razredčenih raztopinah NaOH pride do razpok zaradi kavstične napetostne korozije?

Da, vendar zahteva veliko višje temperature. Poročali so o nagnjenosti k pokanju v tako razredčenih raztopinah, kot je približno 1 % NaOH, pri temperaturah nad približno 200 stopinj (392 stopinj F), kar je precej nad temperaturo, pri kateri dejansko deluje večina kavstičnih storitev za nerjavno jeklo.

Ali je jedki SCC enak razpokanju zaradi kloridne napetostne korozije?

Ne. Gre za različne mehanizme, ki jih poganjajo različne kemije - kloridni ioni v enem primeru, vroče koncentrirane raztopine hidroksida v drugem - in zlitina, ki je izbrana tako, da je odporna na eno, ni samodejno odporna na drugo.

Ali je komercialno čisti nikelj odporen na jedko pokanje?

Ponuja najširšo odpornost med običajnimi inženirskimi zlitinami, uporabna celo v staljenem brezvodnem NaOH pri temperaturah do približno 538 stopinj, vendar se viri razlikujejo glede tega, ali ostaja rahlo občutljiva nad približno 300 stopinj ali je praktično odporna, zato je ne bi smeli obravnavati kot brezpogojno odporno na -razpoke v vseh ekstremnih scenarijih.

Zakaj Alloy 600 včasih poči med jedkim delovanjem, čeprav je priporočena nadgradnja?

Zlitina 600 bistveno prekaša nerjavno jeklo v vročih jedkih okoljih, vendar ni imuna - dokumentirani primeri kažejo razpoke po dolgotrajni izpostavljenosti in pod posebnimi pogoji elektrokemičnega potenciala, zlasti pri visoki temperaturi in koncentraciji.