Uwrażliwienie i korozja w strefie spawu stali nierdzewnej

Uczulanie i rozkład spoin w stali nierdzewnej to forma degradacji wzdłuż granic ziaren, w której austenityczna stal nierdzewna, utrzymywana lub powoli schładzana w przybliżeniu w zakresie 425, 815 stopni Celsjusza, wydziela węgliki bogate w chrom na granicach ziaren, odsącza sąsiedni metal z chromu i staje się miejscowo podatna na korozję międzykrystaliczną. Gdy dzieje się to w paśmie strefy wpływu ciepła (HAZ) obok spoiny, powstały atak nazywany jest rozkładem spoiny.

Metalurgia: wydzielanie węglików chromu

Gatunki austenityczne, takie jak 304 i 316, odporne są na korozję, ponieważ chrom rozpuszczony w osnowie tworzy pasywną warstwę tlenkową. Ta ochrona zależy od utrzymania w każdym punkcie około 10,5, 12% chromu w roztworze.

Węgiel ma bardzo niską rozpuszczalność w austenicie w temperaturach pośrednich, więc gdy stal przebywa w zakresie uczulającym, węgiel i chrom łączą się tworząc węglik M23C6 (przeważnie Cr23C6) na granicach ziaren. Chrom dyfunduje znacznie wolniej niż węgiel, więc wąska strefa przylegająca do każdej granicy zostaje odprowadzona z chromu, czasem poniżej progu pasywacji. Wnętrze ziaren pozostaje chronione; granica pozbawiona chromu, nie.

Dlaczego spoiny są klasycznym przypadkiem

Pojedynczy przejście spawania narzuca pełny gradient temperatury na otaczającej blachy. Bezpośrednio na linii przetopienia metal jest ciekły lub powyżej roztworu węglików, więc żadne węgliki nie przetrwają. Krótka odległość dalej szczytowa temperatura spada dokładnie w okienko 425, 815°C i podczas schładzania pozostaje tam wystarczająco długo, by wydzielić węgliki.

Dlatego rozkład spoiny pojawia się jako jedna lub dwie linie biegnące równolegle do spoiny, odsunięte o kilka milimetrów na każdą stronę, a nie w materiale spoiny.

Rola zawartości węgla i czasu

Ilość i szybkość wydzielania węglików skaluje się z zawartością węgla. Standardowy 304 (do 0,08% węgla) ulega uczuleniu łatwo; efekt jest znacznie słabszy poniżej około 0,03%. Czas ekspozycji również ma znaczenie: wydzielanie węglików jest najszybsze w pobliżu 650°C, gdzie uczulanie może rozpocząć się w ciągu minut, podczas gdy na krańcach zakresu może zająć godziny. Krzywe czas-temperatura-uczulanie (TTS) dla każdego gatunku oddają to zachowanie w kształcie litery C.

Metody zapobiegania i ich działanie

Trzy drogi zapobiegają uczulaniu: usunąć węgiel, związać go silniejszym formującym węgliki pierwiastkiem, albo rozpuścić węgliki po fakcie i schłodzić na tyle szybko, by utrzymać je w roztworze.

Atak typu knife-line w gatunkach stabilizowanych

Gatunki stabilizowane nie są odporne. W spawach wielokrotnych metal bezpośrednio przy linii przetopienia może być nagrzany na tyle wysoko (powyżej ~1200°C), że węgliki stabilizujące (TiC, NbC) rozpuszczą się i uwolnią węgiel z powrotem do roztworu. Jeśli późniejsze przejście lub eksploatacja ponownie nagrzeje ten sam wąski pas do zakresu uczulającego, węgliki chromu i tak wydzielą się.

Efektem jest bardzo cienka, wyraźnie zdefiniowana linia ataku międzykrystalicznego tuż na krawędzi spoiny, znana jako knife-line attack. Wyżarzanie stabilizujące po spawaniu w okolicach 900°C ponownie wydziela węgliki tytanu lub niobu i przywraca odporność.

Wykrywanie, badania i konsekwencje

Uczulanie potwierdza się standaryzowanymi próbami korozji międzykrystalicznej: ASTM A262 (praktyki A, F, w tym próbnik kwasu szczawiowego oraz test Straussa z miedzią i siarczanem miedzi) oraz EN ISO 3651. Elektrochemiczna reaktywacja potencjokinetyczna (EPR) daje ilościową, niemal nieniszczącą miarę.

Poza widocznym rozkładem, uczulone granice zwiększają też podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe w środowisku chlorków oraz mogą stanowić miejsca inicjacji korozji wżerowej. Ponieważ uszkodzenie jest sterowane składem, weryfikacja, że zainstalowany materiał odpowiada wyspecyfikowanemu gatunkowi L lub stabilizowanemu poprzez pozytywną identyfikację materiału chroni przed błędami polegającymi na mieszaniu wsadów (mixed-heat).

Zarządzanie ryzykiem w eksploatowanych instalacjach

Uczulanie to problem dokumentacyjny tak samo jak metalurgiczny: ważne jest znać procedury spawania, obróbki cieplne i świadectwa materiałowe dla każdego obwodu podatnego na to zjawisko. Fabrico pozwala dołączać do każdego elementu informacje o gatunkach materiałów, mapy spawów i wyniki inspekcji, dzięki czemu powtarzalne kontrole HAZ są zaplanowane i odtwarzalne. Zarezerwuj demo Fabrico, aby zobaczyć, jak ta historia jest prowadzona.

Często zadawane pytania

Czy rozkład spoiny występuje w materiale spoiny czy w materiale podstawowym?

Praktycznie zawsze w materiale podstawowym, w strefie wpływu ciepła kilka milimetrów od linii przetopienia, gdzie temperatura maksymalna mieści się w zakresie uczulającym 425, 815°C. Metal spoiny i sama linia przetopienia osiągają zbyt wysoką temperaturę, by zachować węgliki.

Czy stale ferrytyczne i duplex są podatne?

Stale ferrytyczne mogą ulegać uczulaniu, ale przy wyższych temperaturach i w znacznie krótszym czasie, ponieważ chrom dyfunduje szybciej, więc główną obroną jest niska zawartość interstycjalnych pierwiastków. Gatunki duplex lepiej opierają się klasycznemu rozkładowi spoiny, ale mają własne problemy z wydzieleniami, takie jak faza sigma w podwyższonych temperaturach.

Czy uczulony element można odzyskać?

Tak, jeśli geometria i wyposażenie na to pozwalają. Pełne wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze około 1040, 1120°C, a następnie szybkie schłodzenie rozpuszcza węgliki chromu i przywraca odporność korozyjną. Dla dużych zespołów wykonawczych jest to często niepraktyczne, dlatego wybór odpowiedniego gatunku materiału jest preferowany zamiast naprawy.

Czy gatunek L jest zawsze lepszy niż gatunek stabilizowany?

Nie zawsze. Gatunki L dają najprostsze zabezpieczenie dla usług spawanych do umiarkowanych temperatur. Gatunki stabilizowane, takie jak 321 i 347, wiążą węgiel podczas długotrwałej pracy w wysokich temperaturach, gdzie nawet stal niskowęglowa mogłaby z czasem ulec uczuleniu, więc wybór zależy od temperatury roboczej.