Intergranulär korrosion efter svetsning: varför sensibilisering händer och hur ASTM A262 testar för det

Vad är intergranulär korrosion och varför följer det efter svetsning?

Intergranulär korrosion (IGC) är ett lokaliserat angrepp som löper längs korngränserna för ett rostfritt stål eller en nickellegering samtidigt som det lämnar korninteriörerna i stort sett intakta, och svetsning är den enskilt vanligaste utlösaren eftersom den värme-påverkade zonen (HAZ) passerar genom temperaturområdet där attackmekanismen bildas.

Till skillnad från allmän korrosion, som tunnar ut en yta jämnt och är lätt att upptäcka genom vägg-förlustmätning, angriper intergranulär korrosion ett smalt nätverk av gränser under ytan. En komponent kan se helt intakt ut och fortfarande ha förlorat det mesta av sin mekaniska styrka och duktilitet längs kornnätverket, vilket är det som gör den till ett hög-konsekvensfelläge i raffinaderier, kemiska fabriker och rörspolar snarare än en kosmetisk defekt.

Mekanismen är metallurgisk, inte slumpmässig: austenitiska rostfria stål förlitar sig på en kontinuerlig, -kromrik passiv film för korrosionsbeständighet.När krom dras ut ur lösningen vid korngränsen för att bilda en karbid, förlorar själva gränsen sin passiva film lokalt, trots att legeringens bulk-kromhalt är oförändrad. Svetsning skapar exakt de termiska förhållanden som drar ut krom ur lösningen i ett smalt band på vardera sidan av fusionslinjen - en statlig metallurger kallar sensibilisering.

Varför orsakar svetsning sensibilisering?

Svetsning orsakar sensibilisering eftersom den värme-påverkade zonen tillbringar tid i intervallet 425-870 grader (800-1600 grader F) karbidutfällning när den värms upp och kyls, vilket gör att kol kan kombineras med krom vid korngränserna snabbare än krom kan diffundera tillbaka in för att fylla ut zonen igen.

Tre villkor måste stå i linje för att detta ska hända, och att förstå var och en är det som låter en svetsingenjör kontrollera det snarare än att bara hoppas att det inte inträffar:

Kol i lösning.Standard-austenitiska kolkvaliteter (304, 316) innehåller ungefär 0,04-0,08 % kol i fast lösning vid glödgningstemperatur. Det kolet är tillgängligt för att reagera så snart legeringen återinträder i sensibiliseringsområdet.

Tid vid temperatur.Kromkarbid (främst Cr23C6) bildar kärnor och växer vid korngränserna inom 425-870 graders fönstret. En snabb termisk svetscykel begränsar tiden i detta område; ett långsamt, högt-värmepass förlänger det.

Kromdiffusionsfördröjning.Krom diffunderar genom austenitgittret mycket långsammare än kol. Karbidbildning remsor krom från en gränszon som bara är några hundra nanometer bred snabbare än omgivande krom kan migrera in för att ersätta det, så att den tunna zonen kan falla under ~10,5-12% kromtröskel som behövs för att upprätthålla en passiv film, även om basmetallen en bit bort förblir fullt skyddande.

Det praktiska resultatet är ett krom-utarmat hölje som spårar svetsens HAZ på båda sidor om smältlinjen. Det höljet, inte själva svetsmetallen, är vanligtvis där intergranulära attacker initieras under drift.

Vilka svetsparametrar ökar sensibiliseringsrisken?

Högre värmetillförsel, långsammare kylningshastighet, förhöjd interpass-temperatur och flera svetspassager över samma HAZ ökar sensibiliseringsrisken eftersom var och en förlänger tiden som materialet tillbringar i intervallet 425-870 graders nederbörd.

Dessa variabler är de som en svetsprocedurspecifikation (WPS) faktiskt kontrollerar, varför sensibilisering bäst behandlas som ett-processkontrollproblem snarare än en oundviklig bieffekt av svetsning:

Värmetillförsel (kJ/mm eller kJ/in).Högre värmetillförsel saktar ned kylningshastigheten genom sensibiliseringsområdet. Processer som SAW och hot-pass SMAW tenderar att köra högre värmetillförsel än GTAW-rotpass, vilket ökar sensibiliseringsrisken om de inte kompenseras någon annanstans.

Interpass temperatur.Genom att tillåta interpass-temperaturen att klättra på svetsar med flera-passningar håller varje efterföljande passs HAZ varmare under längre tid, vilket förenar tiden-vid-temperatur över fogen.

Sektionstjocklek och foghållning.Tjockare sektioner behåller värmen längre och svalnar långsammare än tunna-väggar, vilket förlänger det sensibiliserande fönstret även vid jämförbar värmetillförsel.

Antal passeringar och återuppvärmningscykler.Varje efterföljande pass värmer upp den intilliggande HAZ från föregående pass, så fler-passsvetsar och reparationssvetsar kan sensibilisera en zon mer än en gång.

Ingen av dessa faktorer behöver elimineras - de måste begränsas av en kvalificerad WPS/PQR (ASME Section IX) som återspeglar sensibiliseringsbeteendet för den specifika sorten som svetsas.

Vad är Knife-Line Attack, och varför händer det fortfarande i stabiliserade betyg?

Kniv-linjeangrepp är ett smalt band av intergranulär korrosion som bildas omedelbart intill smältlinjen i titan- eller niob-stabiliserade kvaliteter (321, 347) när en svetspassage med hög-temperatur löser upp de stabiliserande karbiderna och en efterföljande{7}recipit}recipit{7}recipit} kromkarbid innan stabilisatorerna kan reformeras.

Stabiliserade kvaliteter är normalt sensibiliserings-resistenta eftersom titan eller niob företrädesvis binder till kol och håller krom borta från den karbidbildande-reaktionen. Kniv-linjeattack är det snäva undantaget: en svetspassage med mycket hög-temperatur (nära smältlinjen) kan lösa de befintliga titan-/niobkarbiderna tillbaka i lösning. Vid kylning kan kromkarbid återutfällas i det tunna bandet innan de långsammare-bildande stabilisatorkarbiderna åter-etableras, vilket lämnar en smal sensibiliserad linje som spårar fusionsgränsen snarare än ett brett HAZ-hölje. En stabiliserande glödgning, eller processkontroll som begränsar återuppvärmningscykler vid fusionslinjen, adresserar detta specifika felläge.

Hur upptäcker ASTM A262 sensibilisering?

ASTM A262 upptäcker sensibilisering indirekt: det exponerar ett prov för ett frätande medium som valts för att angripa krom-utarmade korngränser, och utvärderar sedan resultatet genom mikroskopi, böjduktilitet eller massförlust, snarare än att mäta krominnehållet direkt.

ASTM A262, standardpraxis för att upptäcka känslighet för intergranulära attacker i austenitiska rostfria stål, definierar fem testmetoder - A, B, C, E och F - var och en lämpad för olika legeringsfamiljer, produktform eller rigornivå. Ingen av dem simulerar en specifik tjänstemiljö; var och en är ett standardiserat accelererat test vars kriterier för godkänt/underkänd korrelerar med verkliga-sensibiliseringsbeteende.

Källa: ASTM A262, Standard Practices for Detecting Suceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels.

Två punkter är viktiga för alla som specificerar dessa tester. För det första är övning A ett screeningverktyg: en gynnsam etsstruktur kan kvalificera mycket utan ytterligare testning, men en ogynnsam struktur avvisar inte i sig materialet - det utlöser ett uppföljnings-kvantitativt test (vanligtvis B, C eller F). För det andra är metoderna inte utbytbara substitut; var och en riktar sig mot en annan kombination av legeringskemi och nedbrytningsmekanism, vilket är anledningen till att A262 är skriven som en meny med metoder snarare än ett enda godkänt/underkänt test.

Vilken A262-praxis ska du ange för en given applikation?

Ange praxis A för rutinmässig inkommande-materialscreening av valfri austenitisk kvalitet, praxis E för svetsförfarande och svetsproduktkvalificering, och praxis C eller F när molybden-bärande kvaliteter eller sigma-fas kräver ett mer rigoröst kvantitativt resultat.

Inköpsspecifikationer och specifikationer för svetsningsprocedur bör ange övningen per bokstav, inte bara citera "ASTM A262" - övningarna har en meningsfullt olika godkänd/underkänd logik, och ett projekts acceptanskriterier (etsningsstruktur, korrosionshastighetsgräns eller böjresultat) måste matcha övningen som faktiskt körs.

Hur förhindrar du sensibilisering under tillverkning?

Det mest tillförlitliga förebyggandet är materialval - som specificerar låga-kolhalter 'L' eller stabiliserade kvaliteter så att det finns lite eller inget kol tillgängligt för att bilda kromkarbid - med stöd av värmeinmatning och interpass temperaturkontroll, och efter-svetsvärmebehandling där applikationen fortfarande kräver det.

1. Ange Låg-koldioxidklass

304L och 316L håller kol vid maximalt 0,03 % jämfört med ungefär 0,08 % för standardkvaliteter. Med det lilla kolet tillgängligt sjunker hastigheten för kromkarbidbildning tillräckligt mycket för att de flesta termiska svetscykler för tillverkning inte ger meningsfull sensibilisering, utan någon förändring av svetsproceduren.

2. Ange stabiliserade betyg för hög-temperatur eller upprepad-svetstjänst

321 (titan-stabiliserat) och 347 (niob-stabiliserat) binder upp kol som titan eller niobkarbid under kvarnbearbetning, vilket lämnar lite kolfritt att reagera med krom under efterföljande svetsning eller förhöjda-temperaturer. Dessa är standardvalet för komponenter som kommer att se utökad service över 425 grader, eller tillverkning som involverar flera svets-/omsvetscykler, där endast L-kvaliteter kanske inte är tillräckliga.

3. Styr värmeinmatning och mellanluftstemperatur

En WPS som begränsar värmetillförseln, begränsar interpass-temperaturen och gynnar snabbare, lägre-värme-processer för kritiska passager minskar tiden som någon punkt i HAZ spenderar i intervallet 425-870 grader. Detta är en billigare spak än materialersättning och används vanligtvis bredvid den, inte istället för den.

4. Applicera efter-svetsvärmebehandling eller lösningsglödgning där det behövs

Lösningsglödgning (uppvärmning över ungefär 1040 grader och snabb kylning) återlöser kromkarbider och återställer en jämn kromfördelning över korngränsen. Det är den mest kompletta korrigerande behandlingen men är inte alltid praktiskt för stora tillverkade sammansättningar eller fältsvetsar, vilket är anledningen till att kvalitetsval och processkontroll är de första försvarslinjerna och PWHT tillämpas där servicevillkoret eller koden kräver det.

Vanliga frågor

F: Gör sensibilisering ett rostfritt stål svagare redan innan det korroderar?

S: Inte av sig själv. En sensibiliserad mikrostruktur har i huvudsak samma bulkmekaniska egenskaper som en icke-sensibiliserad tills de krom-utarmade korngränserna utsätts för en korrosiv miljö; duktiliteten och hållfasthetsförlusten följer korrosionsangreppet, inte enbart karbidutfällningen.

F: Kan 316 eller 316L fortfarande sensibilisera även om den innehåller molybden?

A: Ja. Molybden förbättrar motståndet mot gropfrätning och spaltkorrosion, men det förhindrar inte utfällning av kromkarbid vid korngränserna. Det är därför som molybden-halter testas enligt ASTM A262 Practice F snarare än antas vara sensibiliserande-immun.

F: Är ett gynnsamt resultat enligt ASTM A262 praxis A tillräckligt för att acceptera material utan ytterligare testning?

S: För många köpspecifikationer, ja - accepteras vanligtvis en steg- eller dubbeletsningsstruktur utan ytterligare testning. En dikesstruktur avvisar inte automatiskt materialet, men det kräver en uppföljning av-kvantitativ praxis (B, C eller F) för att bestämma acceptansen, enligt den gällande köpspecifikationen.

F: Eliminerar PWHT alltid sensibiliseringsrisken?

S: En korrekt utförd lösningsglödgning återupplöser kromkarbiderna och tar bort det sensibiliserade tillståndet, men varje efterföljande svetsning eller förhöjd-temperaturservice kan göra materialet sensibiliserat. PWHT adresserar ett existerande sensibiliserat tillstånd; det gör inte legeringen immun mot framtida sensibilisering.