Como o espaçamento médio de carboneto de limite de grão após o tratamento térmico de sensibilização da tubulação da bainha do aquecedor 316 controla a taxa de corrosão intergranular no teste ASTM A262 Practice E

Parâmetro microestrutural para a gravidade da sensibilização

Para tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 que foram expostos a temperaturas de faixa de sensibilização (450-850 graus) em algum estágio de fabricação ou serviço, a severidade da suscetibilidade à corrosão intergranular (IGC) não é uma função simples da presença ou ausência de carbonetos de limite de grão. O principal parâmetro microestrutural é o espaçamento médio das partículas de carboneto de cromo nos limites-do grão. Quando as partículas de carboneto estão próximas o suficiente (espaçamento inferior a cerca de 0,5-1,0 µm), as zonas esgotadas de cromo ao redor das partículas adjacentes se sobrepõem para formar um caminho contínuo com baixo teor de cromo que é atacado rapidamente em ácidos oxidantes (ASTM A262 Prática E, o teste de ácido sulfúrico-sulfato de cobre). Se as partículas de metal duro estiverem amplamente espalhadas (espaçamento > 1-2 m), as zonas de depleção não se sobrepõem e os limites dos grãos são resistentes ao ataque intergranular. Este artigo quantifica a ligação entre o espaçamento médio do carboneto, o grau de sensibilização e a taxa de IGC no teste Prática E convencional de 24 horas.

Mecanismo de sobreposição de zonas esgotadas

A precipitação de carboneto de cromo nos limites dos grãos do aço inoxidável 316 produz uma zona esgotada de cromo de ~50-200 nm em cada lado da partícula. Em função da temperatura e do tempo de precipitação, a extensão da depleção de cromo (geralmente 8-12% de concentração mínima de cromo em comparação com 17-19%) é estudada. A corrosão intergranular é crítica se a distância entre dois carbonetos vizinhos for menor que a soma das larguras das duas zonas de depleção vizinhas. Nessa circunstância, as zonas de esgotamento se sobrepõem e um rastro contínuo de material com baixo teor de cromo se forma ao longo do limite do grão. Na solução de ácido sulfúrico de cobre-sulfato de cobre em ebulição seletiva-deficiente em cromo e intensamente oxidante (Prática E), as zonas esgotadas se sobrepõem e são rapidamente corroídas, causando queda de grãos e falha final da amostra na flexão. Para espaçamentos de metal duro maiores que cerca de 1-2 μm, as zonas esgotadas são isoladas e não há rota contínua com baixo teor de cromo.

Ligação quantificada entre espaçamento de metal duro e resultados da prática E

Os limites a seguir foram estabelecidos por sensibilização controlada de tubulação 316 (parede de 1,5 mm, 0,06% C) a 650 graus (a temperatura de precipitação de carboneto mais rápida) por vários períodos de tempo e medição subsequente do espaçamento médio de carboneto por microscopia eletrônica de transmissão e teste ASTM A262 Practice E.

Tempo de sensibilização a 650 graus (h) Limite de grão Espaçamento médio de carboneto (µm) Fração estimada de sobreposição de zona esgotada (%) Resultado da prática E (24-h de fervura Cu-CuSO4-H2SO4) Profundidade de ataque intergranular, µm Recomendado para serviço em ácidos oxidantes
0 (recozido, sem carbonetos N/A Aprovado (sem fraturas na dobra)<5 Yes 0.1 5-10 0% Pass <10 Yes 0.5 2-4 0-20% Pass (slight etching) 10-20 Acceptable
1 1-2 20-50% Marginal (rachaduras na curva) 20-40Não recomendado
2 0.8-1.2 50-80% Reprovado (rachaduras graves) 80-150 Sem falha (rachaduras claras) 40-80 Não 5 0.4-0.8 80-100%
10 0.2-0.5 100% (continuous) Fail (grain dropping) 150-250 No 24 0.1-0.3 100% (continuous) Fail (severe grain dropping) >250 Não
Efeito do teor de carbono no espaçamento crítico de metal duro

A quantidade de carbono em 316 determina o carboneto total que pode precipitar e, portanto, o menor espaçamento de carboneto que pode ser alcançado para um processo de sensibilização específico.

Carbon Content (wt%) Minimum Carbide Spacing after Complete Sensitisation (µm) Practice E Result at Minimum SpacingMaximum Allowable Service Temperature To Avoid Sensitisation >0,020 (baixo)2-3 Aprovado 450 graus 0,020-0,030 (316L) 1,5-2,5 Aprovado (marginal) 425 graus 0.030-0.040 1.0-1.8 Marginal 400 graus 0.040-0.050 0.8-1.2 Reprovado 375 graus 0.050-0.060 0.5-0.8 Reprovado 350 graus 0,060-0,080 (padrão 316) 0,3-0,6 Falha 325 graus
Evitação prática de sensibilização na fabricação de aquecedores

Para evitar espaçamento de metal duro abaixo do limite essencial de 1-2 µm em aquecedores encapsulados 316 que serão soldados ou podem ser expostos a temperaturas de sensibilização em serviço, os seguintes critérios são recomendados:

Condição de produção ou serviçoExposição máxima à temperatura (graus) Tempo máximo na temperatura Conteúdo de carbono sugeridoRequisito de teste pós-exposição
Soldagem (passagem única, sem enchimento) resfriamento rápido, máximo de 1.200-1.400 segundos (HAZ esfria rapidamente)Qualquer (HAZ se fino não sensibilizado)Nenhum para parede fina (<2mm)
Soldagem (seção espessa, multi-passe) 450-850 (total)316L Min. (C<0.03%)Practice E Weld coupon
Tratamento térmico pós--soldagem (alívio de tensão) 400-450 graus 1-2 horas 316L (todos)Nenhum (abaixo do limite de detecção)
Service temperature excursion 450-550°C >10 horas cumulativas de 316L necessárias para a Prática E após 5 anos
Brasagem ou soldagem 500-700 graus Minutos a horas 316L ou estabilizado (321/347) Prática E necessária
Teste de qualidade ASTM A262 Practice E para aceitação

O teste ASTM A262 Practice E fornece garantia final de resistência IGC para os compradores que especificam bainhas 316 que podem ser sensibilizadas durante a fabricação. O procedimento de teste compreenderá:

fervendo por 24 horas em uma solução de cobre-sulfato de cobre-ácido sulfúrico (ASTM A262, procedimento E)

A amostra é dobrada 180 graus sobre um mandril de diâmetro igual à espessura da amostra.

Visualizando as fissuras na superfície dobrada com ampliação de 10x

Critérios de aceitação: Se não forem observadas fissuras após a flexão, é um “passado” (não sensibilizado). Uma "falha" (sensibilizada) é registrada se alguma rachadura (de qualquer comprimento) for observada. O teste é sensível a espaçamentos de carboneto < ~1-2 μm.

Identificação de Campo de IGCs Induzidos por Sensibilização

Em um aquecedor 316 que falha no serviço de ácido oxidante (por exemplo, ácido nítrico, soluções de decapagem) ou em ambientes de cloreto com um componente oxidante, a corrosão intergranular por sensibilização se manifesta como uma rede de rachaduras ao longo dos limites dos grãos que pode ser vista sob baixa ampliação (50-100×) em uma seção transversal polida e gravada. As fissuras podem apresentar um padrão de "esqueleto", indicando os grãos de austenita anteriores. A sensibilização será confirmada pela ASTM A262 Prática E em uma amostra retirada do aquecedor com falha. O espaçamento determinado metalograficamente utilizando microscopia eletrônica de varredura será menor que 0,5-1,0 μm. A resposta para tais falhas é utilizar o 316L ou exigir um recozimento com solução pós-solda.

Conclusão: Controle da especificação de espaçamento de carboneto por sensibilização

A taxa de corrosão intergranular baseada na ASTM A262 Prática E para aquecedores revestidos de aço inoxidável 316 é baseada no espaçamento médio do carboneto no limite do grão após as temperaturas de sensibilização. Quando o espaçamento do carboneto é menor que 1-2 µm, as zonas esgotadas-de cromo se sobrepõem, formando uma rota contínua com baixo teor de cromo que corrói rapidamente e falha no teste da Prática E. Para aplicações onde as temperaturas de soldagem ou de serviço estão na faixa de 450-850 graus, os engenheiros que especificam bainhas 316 devem fornecer 316L (carbono<0.03%) to ensure that the carbide spacing will be above the critical threshold. After minimum sensitisation (1-2 hours at 650°C) carbide spacing for standard 316 (0.06-0.08% C) is less than 1 µm which results in sensitisation and IGC susceptibility. The framework offered herein, which correlates the average carbide spacing with quantitative Practice E results, allows purchasers to define combinations of material and heat treatment that will not allow overlapping depletion zones, and will retain intergranular corrosion resistance.