316 ヒーターシースチューブの溶接接合部における等価クロム含有量の減少深さは沸騰硝酸中での粒界腐食感受性をどのように制御するのか

腐食パラメータとしての溶接熱影響部（HAZ）-の微細構造勾配

酸化性の酸環境では、溶接されたエンドキャップやフランジを必要とする 316 ステンレス鋼シース電熱管（加圧ヒーター、高温挿入ヒーター、サーモウェル付きアセンブリなど）の場合、溶接溶融線に隣接する熱影響部（HAZ）が最も粒界腐食（IGC）の影響を受けやすい領域です。{0}}溶接中、HAZ は熱サイクルにさらされ、既存の炭化物が部分的に溶解し、冷却時に粒界にクロム炭化物が再析出する可能性があります。その後のクロムの減少は粒界からある程度の深さにまで広がり、等価クロム含有量の減少深さ (通常 50 ～ 500 nm) として定量化されます。沸騰した 65% 硝酸 (ASTM A262 Practice C) でのクロムの消耗深さは 200 nm を超え、粒界のクロム濃度は 12% 未満です。粒界攻撃は急速に進行し、年間 0.5 ～ 2 mm の重量損失が発生します。この論文では、溶接された 316 シースのクロム消耗深さ、粒界クロム濃度、IGC 率の間の関連性を測定します。

溶接によるクロムの消耗メカニズム

316 ステンレス鋼の溶接中、熱影響部 (HAZ) は 600 度から 1,300 度の温度に加熱されます。約1,050度以上の加熱領域では、既存の炭化物が完全に溶解し、クロムと炭素が固溶します。温度が低下すると、HAZ は肉厚、予熱、周囲環境の関数となるペースで鋭敏化範囲 (450-850 度) を通過します。薄壁のヒーター シース (1.5 ～ 2.0 mm) はかなり早く冷却されます (感作範囲で 10 ～ 30 秒) ため、多くの場合、炭化物の再析出が大幅に防止されます。ただし、複数の溶接パスが行われる場合、またはシースが厚いフランジ (ヒートシンクとして機能する) に溶接される場合、冷却速度が遅くなり、クロム炭化物が粒界で析出し、局所的なクロム含有量が 5 ～ 10% (バルクでは 17 ～ 19%) と低い、幅 50 ～ 500 nm のクロム欠乏ゾーンが生成される可能性があります。対応するクロム含有量の減少深さは、クロムが臨界値の 12% 未満である領域の幅です。

粒界腐食における劣化深さと腐食速度の定量化された関係。

この関係は、異なる入熱量 (0.5 ～ 3.0 kJ/mm) と冷却速度での 3​​16 チューブ (壁 1.5 mm) の制御された溶接、その後のオージェ電子分光法 (AES) によるクロム消耗深さの測定および沸騰 65% HNO₃ での IGC テスト (5 サイクル、各 48 時間) によって確立されました。

Weld Heat Input (kJ/mm) HAZ Cooling Rate (450-850°C, °C/s) Chromium Depletion Depth (nm) Minimum Grain Boundary Chromium (wt%) IGC Rate in Boiling 65% HNO3 (mm/year)Acceptable with monitoring 1.5-2.0 15-30 100-200 10-12 0.40-1.00 Fail (moderate IGA) Not recommended 2.0-2.5 10-15 200-350 8-10 1.00-2.00 Fail (severe IGA) No 2.5-3.0 5-10 350-500 6-8 2.00-3.50 Fail (very severe) No >3.0 (多くのパス)<5 >500 <6 >3.50 不合格（崩壊） 許容できない
炭素含有量が枯渇深さに及ぼす影響

同じ冷却速度の場合、標準 316 (0.08% C) は 316L (0.03% C) よりも深い空乏領域を生成します。これは、炭化物を形成するための炭素がより多く含まれるためです。

冷却速度 (度/秒) (450-850 度) 316 での消耗深さ (0.08% C) (nm) 316L での消耗深さ (0.03% C) (nm)316 IGC 速度 (mm/年)316L IGC 速度 (mm/年)酸性での溶接用途の推奨グレード100<30 <10 <.05 <.05 316 acceptable 50-100 30-80 10-30 .10-.30 <.10 316L preferred 30-50 80-150 30-60 .30-.80 .10-.25 316L required 15-30 150-300 60-150 .80-1.50 .25-.60 316L with post-weld anneal <15 >300 >150 >1.50 > .60-どちらの場合も溶接後焼鈍が必要
硝酸サービス 実用溶接仕様書

沸騰硝酸またはその他の酸化性酸で使用する 316 シーズ ヒーターの場合、次の溶接要件によりクロムの消耗深さが最小限に抑えられ、IGC 耐性が得られます。

使用条件 最大許容 IGC 速度 (mm/年) 推奨溶接プロセス 最大入熱 (kj/mm) 溶接処理後の受け入れテスト
断続的、希釈 (20% HNO3) 0.3 GTAW、シングルパス 1.5 なし (316L の場合) ASTM A262 Practice A