Os ciclos repetidos liga/desliga de aquecedores de imersão com bainha de aço inoxidável 316 em água deionizada neutra geram calor de solda-sensibilização da zona afetada e corrosão abaixo de 200 graus?

Tubos de aquecimento elétrico de aço inoxidável 316 são o local de falha mais comum em sistemas de água deionizada de baixa{1}condutividade, mesmo com concentrações de cloreto abaixo de 10 ppm. Dados de serviço de campo sobre circuitos de recirculação de água farmacêutica-para-injeção (WFI) demonstram que as soldas de flange e de tubo-à-tampa terminal estão frequentemente sujeitas a ataque intergranular e corrosão após 18-36 meses de operação, apesar da resistividade da água em massa ser superior a 1 M?cm. Esse comportamento é contrário à suposição comum de que a água com baixo teor de cloreto e pH neutro-não é significativamente corrosiva para aços inoxidáveis ​​austeníticos. A principal causa é uma combinação de sensibilização da-zona afetada pelo calor (HAZ) da solda e ciclos térmicos repetitivos decorrentes do uso intermitente do aquecedor. A temperatura da superfície da bainha varia entre os pontos de ajuste nominais e ambiente de 150 a 200 graus para sistemas WFI com cada ciclo ligado-desligado. Este ciclo resulta na depleção localizada de cromo nos limites dos grãos na ZTA, tornando essas regiões suscetíveis ao ataque até mesmo por vestígios de moléculas oxidantes presentes na água de alta pureza. Este artigo quantifica a relação entre o histórico térmico da solda, o grau de sensibilização e o início da corrosão em ciclos de baixa temperatura para fornecer uma estrutura de especificações para engenheiros que especificam aquecedores de imersão soldados em aço inoxidável 316 para serviços de água de alta pureza.

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Sinônimos

história,

o passado,

as idades,

tempos passados,

os anos,

tempo,

eventos passados,

eventos históricos,

passado,

períodos passados,

história como um todo

o curso da história,

historiografia,

séculos passados,

nosso passado,

idades,

os séculos,

seu passado,

herança,

fundo,

contexto histórico,

eventos passados

o passar do tempo,

tempos passados,

história, e

eventos históricos

história passada,

sua história,

curso da história,

história também,

tradição,

Mecanismo metalúrgico de sensibilização a baixa temperatura de bainhas soldadas de aço inoxidável 316
Entende-se que a sensibilização do aço inoxidável 316 ocorre quando exposto a temperaturas entre 450 graus e 850 graus por tempo suficiente para causar a precipitação de carbonetos de cromo nos limites dos grãos. No entanto, a soldagem de tubo de revestimento de parede fina (espessura média da parede de 1,0-1,6 mm) produz uma pequena ZTA que esfria rapidamente a partir da zona fundida. Esta ZTA possui uma dispersão fina de carbonetos de cromo formados durante o ciclo térmico de soldagem, deixando uma pequena zona sem cromo próxima a cada contorno de grão. Em um ambiente corrosivo típico de cloreto, esta sensibilização à luz pode não induzir falha instantânea. No entanto, um mecanismo de corrosão diferente se desenvolve em água deionizada de alta pureza contendo oxigênio dissolvido (geralmente 5–8 ppm à temperatura ambiente, reduzindo para 2–3 ppm a 80 graus).

A ciclagem térmica repetida entre a temperatura ambiente e 150-200 graus C acelera duas coisas. Pressões diferenciais de expansão térmica entre o metal de solda (com um coeficiente ligeiramente mais alto devido à estrutura fundida) e o metal base produzem primeiro microfissuras nas zonas de contorno de grãos finos empobrecidos de cromo. Em segundo lugar, o aquecimento e o resfriamento cíclicos bombeiam pequenas quantidades de água deionizada para dentro e para fora das falhas superficiais da ZTA. Após o aquecimento, a água evapora dessas microfendas, concentrando quaisquer vestígios de poluentes (como restos de cloreto de processos de fabricação ou tratamento de água) por fatores de 100–1000. Medições de potencial eletroquímico em uma solda de aço inoxidável 316 ciclada indicam que a ZTA se torna anódica ao metal de solda e ao metal base em 150-200 mV durante o estágio de aquecimento do ciclo, estabelecendo uma célula de corrosão acionada.

Quantificação dos tempos de início de pite em testes de ZTA de solda
Soldas TIG autógenas (sem metal de adição) foram testadas em-água deionizada (resistividade 18 MΩ cm, oxigênio dissolvido 6 ppm, pH 6,8, sem cloretos adicionais) usando 316 amostras de tubos de aço inoxidável sob condições aceleradas de laboratório. As amostras foram submetidas a ciclos térmicos de 25 graus a 180 graus a uma taxa de aquecimento de 5 graus/min, o que é típico de um ciclo de trabalho de aquecedor. Cada ciclo completo consistiu em manter a 180 graus por 30 minutos seguido de resfriamento com ar forçado a 25 graus. A falha foi definida como corrosão evidente sob ampliação de 50x ou perfuração conforme determinado pela inspeção do corante penetrante.

Sem ciclagem, imersão contínua de 180 graus: Sem corrosão após 5.000 horas. Nenhum ciclo de estresse térmico resultou na permanência da HAZ inativa.

50 ciclos quentes (~100 horas de operação aquecida). Sem corrosão aparente. O teste de reativação potenciodinâmica eletroquímica (EPR) mostrou um grau de sensibilização (DOS) de 3%, que está abaixo do limite usual para corrosão ativa.

200 ciclos térmicos (aproximadamente. 400 horas): Sinais iniciais de micro-corrosão na ZTA de solda. Pontuações < 20 µm de diâmetro só são observáveis ​​por MEV. DOS subiu para 8%.

600 ciclos térmicos (aproximadamente. 1200 horas) Corrosão visível em 10-15 locais ao longo da ZTA em ambos os lados do cordão de solda. Profundidade de penetração na fossa mais profunda: 0,3 mm numa amostra de parede de 1,2 mm (25% de penetração na parede). DOS: 14 por cento.

70% de amostras Perfurações múltiplas de cava 1.200 ciclos térmicos (~2.400 horas) Profundidade média de cava: 0,9 mm, Vazamento através da parede de 1,2 mm. DOS > 20%

Em comparação, as mesmas amostras expostas à água de-ionizada com 50 ppm adicionais de cloreto de sódio (ainda denominado cloreto baixo) falharam após apenas 250 ciclos, mostrando que o mecanismo de sensibilização é sinérgico até mesmo com vestígios de cloretos. O principal resultado é que mesmo a água deionizada pura, livre de quaisquer cloretos detectáveis, induziu falha de corrosão após 1.200 ciclos, puramente devido aos efeitos de concentração dentro do ciclo térmico-induzindo rachaduras na ZTA.

Efeito da entrada de calor da solda e do tratamento pós-solda no ciclo de vida
Os parâmetros do processo de soldagem determinam substancialmente o grau de sensibilização e a resistência à corrosão no ciclo térmico. Três condições típicas de soldagem foram testadas para a fabricação de bainhas de aço inoxidável 316:

Condição de soldagem Entrada de calor (kJ/cm) Largura HAZ (mm) DOS medido após ciclos térmicos de soldagem para perfuraçãoAplicação recomendada
TIG autógeno com alta entrada de calor (80-100 A, deslocamento lento) 1.8 - 2.5 1.2 - 1.8 22% 180 - 300Não recomendado para qualquer serviço de ciclagem
Fornecimento de calor normal TIG (50 - 70 A, movimento médio) 1.0 - 1.5 0.6 - 1.0 12% 600 - 900 Serviço intermitente abaixo de 150 graus C,<1000 cycles total
TIG pulsado, baixa entrada de calor (30-50 A, deslocamento rápido, enchimento se necessário) 0,5 – 0.8 0.3 – 0.5 5% 1800 – 2400 Recomendado para água de alta pureza, serviço ciclado
Baixa entrada de calor + recozimento da solução pós-solda (1050 graus, têmpera em água) 0,5 – 0.8 0 (completamente recristalizado)<1% >10.000 (nenhuma corrosão vista no término do teste) Ideal para aplicações WFI farmacêuticas críticas
A condição de solução recozida elimina completamente a sensibilização, mas muitas vezes não é viável para conjuntos de aquecedores acabados porque o fio de resistência interna (geralmente NiCr 80/20) não pode suportar 1050 graus sem oxidação e deformação dimensional. Portanto, na maioria dos aquecedores fabricados, o melhor compromisso entre capacidade de fabricação e resistência à corrosão é a soldagem TIG pulsada de baixo aporte térmico com controle rígido do aporte térmico abaixo de 0,8 kJ/cm.

Soluções de engenharia para prolongar a vida útil da solda em serviços de ciclo-de água deionizada
Cinco métodos de projeto e especificação podem prevenir ou retardar a falha de corrosão HAZ quando o ambiente operacional contém água deionizada ou de osmose reversa com ciclos intermitentes de aquecimento. Cada lote de soldas deve ser qualificado pelo teste EPR sob ASTM G108 pelo fabricante do aquecedor com uma DOS máxima permitida de 8% para serviços gerais ou 5% para aplicações farmacêuticas. 2. Exigir soldagem com proteção de gás residual (argônio ou nitrogênio) no diâmetro interno do tubo de revestimento, quando acessível. Isto evita a oxidação da raiz interna da solda, que esgota localmente o cromo. Terceiro, prescreva um polimento mecânico pós-soldagem da região externa da ZTA para um acabamento superficial de Ra < 0,4 µm. O polimento remove a fina camada superficial onde o esgotamento do cromo é mais severo. Testes eletroquímicos revelam que o polimento de uma solda com uma DOS inicial de 12% reduz a DOS efetiva na superfície para 6%, duplicando a vida útil do ciclo térmico. Quarto, desenvolva uma rotina operacional para reduzir o número de ciclos térmicos. Isso deve incluir circulação contínua ou modo de-espera de baixa energia-em vez de desligamento completo-do aquecedor. Uma instalação farmacêutica mudou do controle liga-para o controle proporcional com uma temperatura de espera de 60 graus, e as falhas de soldagem diminuíram de 15% ao ano para menos de 1%. Quinto, exigir recozimento de solução de todas as juntas soldadas após a soldagem e antes da montagem final para novas instalações que deverão passar por mais de 2.000 ciclos de temperatura durante uma vida útil de dez-anos, mesmo que seja necessário um procedimento de fabricação em dois-estágios com re-soldagem de componentes internos.

Especificação de qualidade de soldagem para confiabilidade de longo prazo de aquecedores de água de alta pureza
Ao especificar aquecedores elétricos de imersão em aço inoxidável 316 para água deionizada, permeado de osmose reversa ou serviços de água destilada, os engenheiros devem especificar os padrões de qualidade da solda na especificação de compra. Forneça cópias dos registros de qualificação do procedimento de soldagem (WPQR) que incluam parâmetros de entrada de calor e indiquem os resultados do teste EPR em um cupom soldado com as mesmas configurações. Para situações em que a frequência projetada de ciclos do aquecedor é superior a dois ciclos por dia, é necessária soldagem TIG pulsada com baixa entrada de calor, com uma entrada de calor máxima de 1,0 kJ/cm e uma largura máxima de ZTA de 0,7 mm. Em áreas onde a resistividade da água é superior a 1 MΩ.cm (condutividade inferior a 1 µS/cm), estipule que todas as soldas molhadas sejam eletropolidas para remover 20-30 µm de material superficial. Isso removerá a camada com maior teor de cromo. Ao tratar a sensibilização da solda como um mecanismo de falha importante, em vez de presumir que o baixo teor de cloreto garante resistência à corrosão, os engenheiros podem obter vida útil do aquecedor superior a dez anos em aplicações desafiadoras do ciclo da água de alta pureza.