Kaustisk spændingskorrosion Revner af rustfrit stål: Temperatur- og koncentrationsgrænser

Standard austenitiske rustfrie ståltyper såsom 304 og 316 modstår generelt kaustisk (NaOH) angreb op til ca. 50 % koncentration og ca. 93 grader (199 grader F), men over den temperatur bliver de sårbare over for både ustabil passivitet og kaustisk spændingskorrosion (CSCC) - og jo mere kaustisk er det nødvendigt at fortynde det starter, med revnedannelse stadig mulig i opløsninger så svage som 1 % NaOH over ca. 200 grader (392 grader F). Over 300 grader (572 grader F) kan kaustisk revnedannelse af austenitisk rustfrit stål forekomme ret hurtigt, hvilket er det punkt, hvor de fleste specifikationer kræver flytning til en nikkellegering.

Natriumhydroxid (kaustisk soda) er et af de mest udbredte industrielle kemikalier -, der findes i papirmasse- og papirforarbejdning, aluminiumoxidraffinering, kemisk fremstilling og rengøringssystemer -, og det udgør en korrosionsrisiko, der fanger ingeniører på vagt, fordi det ikke opfører sig som en syre. Denne artikel opstiller temperatur- og koncentrationsgrænserne, der styrer revner ved kaustisk spændingskorrosion i rustfrit stål, forklarer, hvorfor tærsklen flyttes afhængigt af koncentrationen, og identificerer, hvor nikkellegeringer bliver det korrekte materialevalg.

Hvad er ætsende spændingskorrosion, og hvordan adskiller det sig fra Chloride SCC?

Kaustisk SCC er en tydelig revnemekanisme drevet af varme, koncentrerede hydroxidopløsninger, der angriber en belastet metaloverflade - i modsætning til chlorid SCC, er det slet ikke forårsaget af chloridioner, og de to kræver helt forskellige legeringsstrategier for at forhindre.

Både kaustisk SCC og chlorid SCC kræver, at de samme tre ingredienser forekommer sammen: en modtagelig legering, trækspænding (fra svejsning, formning eller driftsbelastninger) og et tilstrækkeligt aggressivt miljø. Der, hvor de divergerer, er miljøet selv. Chlorid SCC drives af chloridioner, der angriber den passive film, typisk i næsten -neutralt til surt, oxygen-holdigt vand.

Kaustisk SCC er drevet af stærkt alkaliske hydroxidopløsninger - natriumhydroxid (NaOH), kaliumhydroxid (KOH) eller calciumhydroxid - og bliver en risiko specifikt ved forhøjet temperatur og koncentration, historisk kendt som "kaustisk skørhed", da det første gang blev identificeret i nittede kedelskaller. Fordi drivkemien er modsat af karakter, løser en legeringsopgradering valgt til at løse et kloridproblem ikke automatisk et ætsende problem, og omvendt skal - materialevalg matches til det specifikke miljø.

Ved hvilken temperatur og koncentration begynder kaustisk SCC i standard rustfrit stål?

304 og 316 rustfrit stål holder sig generelt godt i NaOH op til ca. 50 % koncentration og ca. 93 grader (199 grader F); over den temperatur falder både den generelle korrosionsbestandighed og revnemodstanden, og den nøjagtige revnegrænse skifter afhængigt af, hvor koncentreret kaustikummet faktisk er.

Industrikorrosionsdata placerer det praktiske serviceloft for standard austenitisk rustfrit stål ved ca. 50 % NaOH-koncentration og ca. 93 grader (199 grader F). Over denne temperatur bliver den passive film, der giver rustfrit stål dets korrosionsbestandighed, ustabil, hvilket åbner døren for både accelereret generel korrosion og revnedannelse ved kaustisk spændingskorrosion. Separat rapporterede grænser for industrielle anvendelser placerer austenitisk rustfrit ståls praktiske kaustiske servicegrænse omkring 70-90 grader, med revnedannelser af 300-seriekvaliteter, der også er dokumenteret over ca. 100 graders - tal, der stort set er i overensstemmelse med ~93 graders tærskelværdien og afspejler de virkelige belastninger, unaturlige forhold og betingelser på tværs af verden.

Hvorfor kræver en lavere NaOH-koncentration en højere temperatur for at knække metallet?

Koncentration og temperatur afvejes mod hinanden på sprækkegrænsen - fortyndede kaustiske opløsninger har brug for meget højere temperaturer for at starte revnedannelse end koncentrerede, hvilket er grunden til, at en temperatur-koncentrationskurve, ikke et enkelt tal, er den rigtige måde at tænke risikoen på.

Ved NaOH-koncentrationer under ca. 15 % stiger den temperatur, der kræves for at revne usensibiliseret rustfrit stål, væsentligt. Ved en koncentration så lav som ca. 1 % NaOH opstår revne-tendensen generelt ikke, før temperaturen overstiger omkring 200 grader (392 grader F). Efterhånden som temperaturen stiger yderligere, accelererer reaktionen kraftigt: Over ca. 300 grader (572 grader F), kan kaustisk revnedannelse af austenitisk rustfrit stål forløbe ret hurtigt.

Dette omvendte forhold - lavere koncentration, der kræver højere temperatur, og omvendt - er præcis grunden til, at kaustisk SCC-risiko er korrekt repræsenteret som en grænsekurve på et temperatur-versus-koncentrationsdiagram snarere end som en enkelt pass/fail-tærskel. En proces, der ser sikker ud ved lav koncentration og moderat temperatur, kan krydse ind i risikoområdet, hvis en af ​​variablene stiger, selv beskedent.

Gør sensibilisering rustfrit stål mere modtageligt for kaustisk revnedannelse?

Ja - sensibilisering, dannelsen af ​​chromcarbider ved korngrænser fra forkert varmebehandling eller langsom-afkølet svejsning, sænker den effektive revnegrænse ved at skabe chrom-udtømte baner, langs hvilke kaustisk angreb kan koncentreres.

Sensibilisering opstår, når et rustfrit stål holdes i, eller afkøles langsomt gennem, omkring 425-870 graders området, hvilket tillader krom at kombinere med kulstof og udfældes som kromkarbider langs korngrænser. Dette udtømmer chrom lokalt i det umiddelbart tilstødende metal, og underminerer den passive film præcis dér, hvor revnebaner har tendens til at dannes.

Mens basisrevnemekanismen også fungerer på usensibiliseret materiale, er sensibilisering almindeligt anerkendt som en faktor, der flytter temperatur-koncentrationsgrænsen i den forkerte retning - endnu en grund til lavt-kulstof ("L"-kvalitet) eller stabiliseret rustfrit stål og korrekt udført efter-specifikke krav til varmebehandling af svejseudstyr til kaustisk service.

Er duplex eller super-austenitisk rustfri kvalitet en pålidelig opgradering over 304/316?

Højere-legerede rustfrie kvaliteter såsom 904L og den 6 % molybdæn super-austenitiske familie giver meningsfuldt bedre modstand end 304/316 i aggressiv drift generelt, men modstandsdygtighed over for kaustisk revnedannelse skalerer ikke med legeringsindhold på samme enkle måde, som grubemodstandsdygtighed gør - stadig vigtig for det specifikke miljø for det specifikke miljø.

For klorid--drevet revnedannelse og grubetæring køber højere nikkel- og molybdænindhold pålideligt mere modstand, og det mønster er veldokumenteret for austenitiske kvaliteter. Kaustiske miljøer opfører sig anderledes: Nogle undersøgelser tyder på, at molybdænindhold, som er yderst gavnligt mod chloridangreb, faktisk kan være uhensigtsmæssigt i forhold til nikkel-legerings kaustisk modstand, mens krom forbliver stort set gunstigt ved høje kaustiske koncentrationer. Dette betyder, at en kvalitet, der udelukkende er valgt, fordi den klarede sig godt over for chlorider - 904L, en 6Mo super-austenitisk eller en nikkel-molybdænlegering - bør ikke antages at levere en proportional forbedring af kaustisk service uden at kontrollere data, der er specifikke for hydroxidmiljøer, ikke chloridmiljøer.

Hvornår skal nikkellegeringer erstatte rustfrit stål for kaustisk service?

Nikkellegeringer bliver standardvalget, når driftsbetingelserne skubber forbi rustfrit ståls praktiske loft - ca. over 50 % NaOH-koncentration kombineret med temperaturer over ca. 93 grader eller enhver tjeneste, hvor vedvarende eksponering over ca. 100 grader forventes - med kommercielt rent nikkel, der giver gruppens bredeste margin.

Det generelle mønster på tværs af nikkellegeringer er tydeligt, selv hvor de nøjagtige tal varierer fra kilde til kilde: højere nikkelindhold korrelerer med lavere generel korrosionshastighed og større modstandsdygtighed over for kaustisk angreb, hvilket er grunden til, at kommercielt rent nikkel - ikke er et rustfrit stål, og ikke nødvendigvis den tungest legerede nikkellegering - er oftest det alvorlige referencemateriale til tjenester.

Er Alloy 600 faktisk immun over for kaustisk revnedannelse?

Nej - Alloy 600 modstår ætsende angreb langt bedre end rustfrit stål og bruges i vid udstrækning i varm ætsende service, men den er ikke immun, og dokumenterede laboratorie- og felttilfælde viser, at den kan revne under tilstrækkeligt alvorlige kombinationer af temperatur, koncentration og eksponeringstid.

Dette er en vigtig nuance for enhver, der antager, at en opgradering af nikkellegering helt eliminerer risikoen for kaustisk revnedannelse. Alloy 600 har vist sig at revne i afluftet 10 % NaOH-opløsning ved 315 grader (600 grader F) under testforhold, og industriel erfaring bekræfter, at Alloy 600 efter længere tids brug stadig kan udvikle revner i varme kaustiske miljøer, selvom den klarer sig væsentligt bedre end rustfrit stål.

Revneadfærd i Alloy 600 er også blevet forbundet med elektrokemisk potentiale, med maksimal modtagelighed observeret ved potentialer, der er omkring 200 mV mere positive end materialets naturlige korrosionspotentiale -, hvilket betyder, at procesforhold, der påvirker det elektrokemiske potentiale, ikke kun temperatur og koncentration, kan påvirke, om revnedannelse starter. Nyere legeringer såsom Alloy 690, som indeholder væsentligt mere krom, er blevet brugt i nogle af de mest krævende kaustiske og-højtemperaturtjenester, specifikt for at forbedre Alloy 600's langsigtede-ydelse.

Påvirker andre faktorer end temperatur og koncentration risikoen for kaustisk SCC?

Ja - aflejringer, galvanisk kobling, påført elektrokemisk potentiale og resterende spænding fra svejsning flytter alle den effektive revnegrænse, hvilket er grunden til, at den virkelige-verdens kaustiske SCC-fejl ofte forekommer under forhold, der er mildere end laboratorietemperatur-koncentrationsdiagrammer alene ville forudsige.

Aflejringer og sprækker: Porøse aflejringer (såsom magnetit i dampgeneratordrift) kan koncentrere kaustik lokalt og skabe galvanisk kobling, der flytter en nikkellegerings elektrokemiske potentiale ind i et sprækker-følsomt område, selv når masseopløsningen ser mild ud.

Anvendt elektrokemisk potentiale: revnefølsomhed i Alloy 600-toppe ved et specifikt potentialeområde i forhold til dets korrosionspotentiale, hvilket betyder, at proceskemi ud over simpel koncentration og temperatur kan have betydning.

Restspænding: svejsning, koldformning og utilstrækkelig spændingsaflastning øger alle den lokale trækspænding, som kaustisk SCC har brug for for at starte - ved at reducere denne spænding gennem korrekt efter-varmebehandling, sænker risikoen uafhængigt af materialevalg.

Forurenende stoffer: arter som blyoxid og natriumthiosulfat er blevet rapporteret at accelerere kaustisk revnedannelse, mens andre, herunder titaniumdioxid, har vist en hæmmende effekt i nogle nikkellegeringssystemer.

Hvad bør ingeniører gøre for at håndtere kaustisk SCC-risiko i praksis?

Tilpas legeringen til den faktiske driftstemperatur-koncentrationskombination (ikke kun det nominelle designpunkt), aflast svejserestspænding, og undgå at antage, at en enkelt legering - inklusive nikkellegeringer - er ubetinget immun.

Plot den faktiske procesdriftsramme - inklusive opstart, forstyrrelse og koncentrationsudsving, ikke kun nominelle konstante-tilstande - mod temperatur-koncentrationsrevnegrænsen for kandidatlegeringen.

Angiv lave-kulstof- eller stabiliserede kvaliteter og korrekt udført efter-svejsevarmebehandling, hvor end svejset rustfrit stål vil se vedvarende kaustisk eksponering, for at modvirke sensibiliseringsrelateret-risiko.

Behandl data udviklet til kloridresistens som ikke-overførbare til kaustisk service; verificere legeringens ydeevne i forhold til kaustisk-specifikke testdata før opgradering udelukkende på grundlag af pitting-resistensoplysninger.

For tjenester over omkring 50 % NaOH og 93 grader, eller enhver vedvarende eksponering over omkring 100 grader, skal du evaluere nikkellegeringer i stedet for at fortsætte med at skubbe rustfrit stål forbi dets dokumenterede serviceloft.

Selv efter at du har valgt en nikkellegering, skal du tage højde for aflejringsdannende-betingelser, galvanisk kobling og elektrokemisk potentiale i det specifikke system, da disse faktorer har vist sig at inducere revnedannelse uden for den "sikre" zone, som foreslås af temperatur og koncentration alene.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er den maksimale temperatur for 316 rustfrit stål i kaustisk sodaservice?

Omtrent 93 grader (199 grader F) er det almindeligt nævnte generelle serviceloft for standard austenitisk rustfrit stål i NaOH op til omkring 50 % koncentration; over den temperatur øges både generel korrosion og revnerisiko.

Kan der ske revner ved kaustisk spændingskorrosion i fortyndede NaOH-opløsninger?

Ja, men det kræver meget højere temperaturer. Tilbøjelighed til revnedannelse i opløsninger så fortyndet som ca. 1 % NaOH er blevet rapporteret over ca.

Er kaustisk SCC det samme som chloridspændingskorrosion?

Nej. De er forskellige mekanismer drevet af forskellig kemi - chloridioner i det ene tilfælde, varme koncentrerede hydroxidopløsninger i det andet - og en legering, der er valgt til at modstå den ene, modstår ikke automatisk den anden.

Er kommercielt rent nikkel immun over for kaustisk revnedannelse?

Det giver den bredeste modstand blandt almindelige ingeniørlegeringer, anvendeligt selv i smeltet vandfrit NaOH ved temperaturer op til ca. 538 grader, men kilderne er forskellige med hensyn til, om det forbliver lidt modtageligt over omkring 300 grader eller praktisk talt er immunt, så det bør ikke behandles som ubetinget revne-sikkert i alle ekstreme scenarier.

Hvorfor revner Alloy 600 nogle gange i kaustisk service, selvom det er en anbefalet opgradering?

Alloy 600 klarer sig væsentligt bedre end rustfrit stål i varme kaustiske miljøer, men det er ikke immunt. - dokumenterede tilfælde viser revner efter længere tids eksponering og under specifikke elektrokemiske potentialeforhold, især ved høj temperatur og koncentration.