خوردگی تنش سوز آور ترک خوردگی فولاد ضد زنگ: محدودیت های دما و غلظت - دانش

فولادهای زنگ نزن آستنیتی استاندارد مانند 304 و 316 معمولاً تا حدود 50٪ غلظت و تقریباً 93 درجه (199 درجه فارنهایت) در برابر حمله سوزاننده (NaOH) مقاومت می کنند، اما بالاتر از آن دما در برابر انفعال ناپایدار و ترک خوردگی تنش سوزآور (CSCC) آسیب پذیر می شوند (CSCC) - ترک خوردگی شروع می شود، در حالی که ترک خوردن در محلول های ضعیف 1% NaOH بالاتر از حدود 200 درجه (392 درجه فارنهایت) ممکن است. در دمای بالای 300 درجه (572 درجه فارنهایت)، ترک خوردگی سوزاننده فولاد زنگ نزن آستنیتی می تواند به سرعت رخ دهد، که در آن بیشتر مشخصات نیاز به انتقال به آلیاژ نیکل دارند.

Caustic Stress Corrosion Cracking of Stainless Steel

هیدروکسید سدیم (سودا سوزآور) یکی از پرمصرف‌ترین مواد شیمیایی صنعتی است - که در پردازش خمیر و کاغذ، پالایش آلومینا، تولید مواد شیمیایی و سیستم‌های تمیز کردن - یافت می‌شود و خطر خوردگی ایجاد می‌کند که مهندسان را غافلگیر می‌کند زیرا مانند اسید رفتار نمی‌کند. این مقاله محدودیت‌های دما و غلظتی را که بر ترک خوردگی تنش سوزاننده در فولاد ضد زنگ حاکم است، توضیح می‌دهد، توضیح می‌دهد که چرا آستانه بسته به غلظت حرکت می‌کند، و مشخص می‌کند که آلیاژهای نیکل در کجا به انتخاب مواد صحیح تبدیل می‌شوند.

کاستیک SCC یک مکانیسم ترک متمایز است که توسط محلول‌های هیدروکسید متمرکز و داغ که به یک سطح فلزی تحت فشار حمله می‌کنند - بر خلاف SCC کلرید، به هیچ وجه توسط یون‌های کلرید ایجاد نمی‌شود، و این دو به استراتژی‌های آلیاژی کاملاً متفاوتی برای جلوگیری نیاز دارند.

هر دو SCC سوزاننده و SCC کلرید به سه ماده یکسان نیاز دارند تا با هم اتفاق بیفتند: آلیاژ حساس، تنش کششی (از جوشکاری، شکل‌دهی یا بارهای عملیاتی)، و محیطی به اندازه کافی تهاجمی. جایی که آنها واگرایی دارند خود محیط است. کلرید SCC توسط یون‌های کلریدی که به لایه غیرفعال حمله می‌کنند، معمولاً در نزدیکی-خنثی تا اسیدی، حاوی اکسیژن-حاوی آب هدایت می‌شود.

SCC کاستیک توسط محلول های هیدروکسید قلیایی قوی - هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH) یا هیدروکسید کلسیم - هدایت می شود و به طور خاص در دما و غلظت بالا به یک خطر تبدیل می شود، که از لحاظ تاریخی به عنوان "تردی سوزاننده" شناخته می شود، زمانی که برای اولین بار در rills شناسایی شد. از آنجایی که شیمی محرک از نظر خصوصیت مخالف است، ارتقاء آلیاژی که برای حل مشکل کلرید انتخاب می‌شود، به‌طور خودکار مشکل سوزاننده را حل نمی‌کند، و بالعکس، انتخاب مواد باید با محیط خاص مطابقت داده شود.

فولاد ضد زنگ 304 و 316 معمولاً در NaOH تا حدود 50% غلظت و تقریباً 93 درجه (199 درجه فارنهایت) به خوبی حفظ می شود. بالاتر از آن دما، هم مقاومت به خوردگی عمومی و هم مقاومت در برابر ترک کاهش می‌یابد، و آستانه دقیق ترک بسته به غلظت واقعی ماده سوزاننده تغییر می‌کند.

At What Temperature and Concentration Does Caustic SCC Begin in Standard Stainless Steel

داده های خوردگی صنعت سقف خدمات عملی را برای فولاد زنگ نزن آستنیتی استاندارد در غلظت تقریباً 50% NaOH و حدود 93 درجه (199 درجه فارنهایت) قرار می دهد. بالاتر از این دما، فیلم غیرفعال که به فولاد ضد زنگ مقاومت خوردگی آن را می دهد، ناپایدار می شود و در را به روی خوردگی عمومی تسریع شده و ترک خوردگی ناشی از تنش سوزاننده باز می کند. محدودیت‌های کاربردی صنعتی گزارش‌شده جداگانه، مرز سرویس سوزاننده عملی فولاد ضد زنگ آستنیتی را در حدود 70 تا 90 درجه قرار می‌دهد، با ترک‌خوردگی از گریدهای سری 300- نیز بالاتر از تقریباً 100 درجه - ارقام مستند شده است که به طور گسترده با سطوح ~93 درجه ناهمواری و آستانه‌ی واقعی کمتر دیده می‌شود و منعکس‌کننده آستانه واقعی یا کمتر دیده‌شده در کارخانه هستند. شرایط استرس

غلظت و دما در مرز ترک با یکدیگر مبادله می‌کنند - محلول‌های سوزاننده رقیق برای شروع ترک به دمای بسیار بالاتری نسبت به محلول‌های متمرکز نیاز دارند، به همین دلیل است که منحنی غلظت- دما، نه یک عدد واحد، راه درستی برای فکر کردن در مورد خطر است.

در غلظت NaOH کمتر از حدود 15 درصد، دمای مورد نیاز برای شکستن فولاد ضد زنگ غیر حساس به طور قابل توجهی افزایش می یابد. در غلظت کمتر از تقریباً 1٪ NaOH، تمایل به ترک خوردن معمولاً تا زمانی که دما از حدود 200 درجه (392 درجه فارنهایت) فراتر رود، ظاهر نمی شود. همانطور که دما بیشتر می شود، واکنش به شدت تسریع می شود: در بالای حدود 300 درجه (572 درجه فارنهایت)، ترک خوردگی سوزاننده فولاد زنگ نزن آستنیتی می تواند بسیار سریع انجام شود.

این رابطه معکوس - غلظت کمتر که نیاز به دمای بالاتر دارد، و بالعکس - دقیقاً به همین دلیل است که خطر SCC سوزاننده به درستی به‌عنوان یک منحنی مرزی در نمودار دما-در مقابل{3}}غلظت نشان داده می‌شود، نه به‌عنوان یک آستانه عبور/شکست واحد. فرآیندی که در غلظت کم و دمای متوسط ایمن به نظر می‌رسد، در صورتی که هر یک از متغیرها حتی به میزان متوسط افزایش یابد، می‌تواند وارد محدوده خطر شود.

غلظت NaOH	تقریبا دما که در آن خطر ترک شروع می شود	نکته کاربردی
~1%	بالای 200 درجه (392 درجه فارنهایت)	محلول های رقیق برای شروع ترک نیاز به حرارت بسیار بیشتری دارند
~ 15٪ و کمتر	دمای قابل ملاحظه ای بالاتر از سوزاننده غلیظ	با کاهش غلظت، آستانه به شدت افزایش می یابد
تا 50%	سقف خدمات عمومی ~93 درجه (199 درجه فارنهایت).	بالاتر از این، انفعال ناپایدار می شود و ریسک ترک افزایش می یابد
متمرکز / هر	بالای 300 درجه (572 درجه فارنهایت)	ترک خوردگی فولاد زنگ نزن آستنیتی می تواند بسیار سریع باشد

بله، حساسیت -، تشکیل کاربیدهای کروم در مرزهای دانه در اثر عملیات حرارتی نامناسب یا جوشکاری آهسته{1}}آهسته، آستانه ترک موثر را با ایجاد مسیرهای خالی از کروم- که در امتداد آن حمله سوزاننده می‌تواند متمرکز شود، کاهش می‌دهد.

Does Sensitization Make Stainless Steel More Susceptible to Caustic Cracking

حساس شدن زمانی اتفاق می افتد که یک فولاد ضد زنگ در محدوده 425 تا 870 درجه به آرامی سرد می شود و به کروم اجازه می دهد با کربن ترکیب شود و به صورت کاربیدهای کروم در امتداد مرزهای دانه رسوب کند. این به صورت موضعی کروم را در فلز مجاور آن تخلیه می کند و لایه غیرفعال را دقیقاً در جایی که مسیرهای ترک تشکیل می شود تضعیف می کند.

در حالی که مکانیسم ترک پایه بر روی مواد غیر حساس نیز عمل می کند، حساسیت به طور گسترده به عنوان عاملی شناخته می شود که مرز تمرکز دما را در جهت اشتباه تغییر می دهد - یکی دیگر از دلایل دیگر فولادهای زنگ نزن کم-کربن (درجه "L") یا تثبیت شده است، و به درستی اجرا شده پس از عملیات حرارتی خاص مورد نیاز است.

نمرات آلیاژی بالاتر-از آلیاژهای زنگ نزن مانند 904L و خانواده آستنیتی سوپر{3}}مولیبدن 6 درصد، مقاومت بسیار بهتری نسبت به 304/316 در خدمات تهاجمی به طور کلی ارائه می‌دهند، اما مقاومت ترک‌خوردگی سوزاننده با محتوای آلیاژ به همان روش ساده که مقاومت حفره‌ای برای محیط خاص مهم است -

برای ترک‌خوردگی و حفره شدن ناشی از کلرید، محتوای نیکل و مولیبدن بالاتر به‌طور قابل اعتمادی مقاومت بیشتری را می‌خرد، و این الگو برای گریدهای آستنیتی به خوبی مستند شده است. محیط‌های سوزاننده رفتار متفاوتی دارند: برخی تحقیقات نشان می‌دهند که محتوای مولیبدن، که در برابر حمله کلرید بسیار مفید است، در واقع می‌تواند در مقاومت سوزاننده آلیاژ نیکل مفید نباشد، در حالی که کروم در غلظت‌های سوزآور بالا به طور کلی مطلوب باقی می‌ماند. این بدان معناست که درجه ای که صرفاً به این دلیل انتخاب شده است که در برابر کلریدهای - 904L، یک سوپر-آستنیتی 6Mo یا آلیاژ نیکل-مولیبدن - خوب عمل می‌کند، نباید بدون بررسی داده‌های خاص محیط‌های هیدروکسید و نه محیط‌های کلرید، بهبود متناسبی در خدمات سوزاننده ایجاد کند.

آلیاژهای نیکل زمانی که شرایط عملیاتی از سقف عملی فولاد ضد زنگ - تقریباً بالای 50% غلظت NaOH همراه با دماهای بالاتر از حدود 93 درجه رد شود، یا هر سرویسی که در آن قرار گرفتن در معرض پایدار بالاتر از تقریباً 100 درجه انتظار می‌رود - با نیکل خالص تجاری که وسیع‌ترین حاشیه گروه را ارائه می‌دهد، به گزینه استاندارد تبدیل می‌شوند.

مواد	قابلیت خدمات سوزاننده گزارش شده	هشدار کلیدی
فولاد کربن / چدن	تا 50% NaOH، تا ~85 درجه	در معرض شکنندگی سوزاننده کلاسیک بدون کاهش استرس کافی
ضد زنگ آستنیتی 304 / 316	تا 50٪ NaOH، ~ 93 درجه محدودیت عمومی	خطر ترک بیش از ~93-100 درجه افزایش می یابد. حساسیت این را بیشتر کاهش می دهد
904 لیتر / 6 ماه فوق-آستنیتی	مقاومت عمومی نسبت به 304/316 بهبود یافته است	داده‌های خاص سوزاننده{0}}باید تأیید شوند. سود مولیبدن به طور مستقیم از خدمات کلرید منتقل نمی شود
نیکل 200 (نیکل خالص تجاری)	قابل استفاده حتی در NaOH مذاب بی آب تا ~538 درجه (1000 درجه فارنهایت)	برخی منابع حساسیت جزئی را بالای 300 درجه ذکر می کنند. دیگران آن را عملا مصون می دانند
آلیاژ 600 (N06600)	دسته سوزاننده داغ غلیظ. به طور گسترده در صنعت استفاده می شود	هنوز هم می تواند پس از خدمات طولانی کرک شود. ترک خوردگی در 10٪ NaOH در 315 درجه تحت شرایط آزمایش ثبت شده است

الگوی کلی در بین آلیاژهای نیکل حتی در مواردی که اعداد دقیق براساس منبع متفاوت است، واضح است: محتوای نیکل بالاتر با نرخ خوردگی عمومی کمتر و مقاومت بیشتر در برابر حمله سوزاننده مرتبط است، به همین دلیل است که نیکل خالص تجاری - یک فولاد ضد زنگ نیست و لزوماً آلیاژ نیکل شدیدترین آلیاژ نیست و اغلب آلیاژ نیکل متمرکز شده - اغلب برای خدمات مرجع داغ است.

هیچ - آلیاژ 600 به مراتب بهتر از فولاد ضد زنگ در برابر حملات سوزاننده مقاومت می کند و به طور گسترده در خدمات سوزاننده داغ استفاده می شود، اما مصون نیست، و موارد آزمایشگاهی و صحرایی مستند نشان می دهد که می تواند تحت ترکیبات به اندازه کافی شدید دما، غلظت و زمان قرار گرفتن در معرض ترک بخورد.

Is Alloy 600 Actually Immune to Caustic Cracking

این نکته مهمی برای هر کسی است که فرض می‌کند ارتقای آلیاژ نیکل خطر ترک‌خوردگی سوزاننده را به طور کامل حذف می‌کند. نشان داده شده است که آلیاژ 600 در محلول 10 درصد NaOH هوادهی شده در دمای 315 درجه (600 درجه فارنهایت) تحت شرایط آزمایش ترک می خورد، و تجربه صنعتی تأیید می کند که پس از سرویس طولانی مدت، آلیاژ 600 همچنان می تواند در محیط های سوزاننده داغ ترک ایجاد کند، حتی اگر عملکرد قابل توجهی از فولاد ضد زنگ داشته باشد.

رفتار ترک خوردگی در آلیاژ 600 نیز با پتانسیل الکتروشیمیایی مرتبط است، با حداکثر حساسیت در پتانسیل‌هایی که تقریباً 200 میلی ولت مثبت‌تر از پتانسیل خوردگی طبیعی ماده - مشاهده می‌شود، به این معنی که شرایط فرآیند تأثیرگذار بر پتانسیل الکتروشیمیایی، نه فقط دما و غلظت، می‌تواند بر شروع ترک تأثیر بگذارد. آلیاژهای جدیدتر مانند آلیاژ 690 که حاوی کروم قابل ملاحظه‌ای است، در برخی از درخواست‌کننده‌ترین خدمات سوزاننده و دمای بالا به‌ویژه برای بهبود عملکرد بلندمدت آلیاژ 600-استفاده شده است.

بله، رسوبات -، جفت گالوانیکی، پتانسیل الکتروشیمیایی اعمال شده، و تنش پسماند ناشی از جوشکاری، آستانه موثر ترک خوردگی را تغییر می‌دهند، به همین دلیل است که-شکست‌های واقعی SCC سوزاننده جهانی اغلب در شرایط خفیف‌تر از دمای آزمایشگاهی-که نمودار غلظت به تنهایی پیش‌بینی می‌کند رخ می‌دهد.

رسوبات و شکاف ها: رسوبات متخلخل (مانند مگنتیت در سرویس مولد بخار) می توانند مواد سوزاننده را به صورت محلی متمرکز کنند و جفت گالوانیکی ایجاد کنند که پتانسیل الکتروشیمیایی آلیاژ نیکل را به محدوده حساس-ترک تبدیل می کند، حتی زمانی که محلول توده خفیف به نظر می رسد.

پتانسیل الکتروشیمیایی کاربردی: حساسیت به ترک در آلیاژ 600 در محدوده پتانسیل خاصی نسبت به پتانسیل خوردگی آن به اوج می رسد، به این معنی که شیمی فرآیند فراتر از غلظت ساده و دما می تواند مهم باشد.

تنش پسماند: جوشکاری، شکل‌دهی سرد، و تنش‌زدایی ناکافی، همگی تنش کششی موضعی را افزایش می‌دهند که SCC سوزاننده برای شروع به آن نیاز دارد - کاهش آن تنش از طریق عملیات حرارتی مناسب پس از-جوش، خطر را مستقل از انتخاب ماده کاهش می‌دهد.

آلاینده ها: گونه هایی مانند اکسید سرب و تیوسولفات سدیم گزارش شده است که ترک خوردگی سوزاننده را تسریع می کنند، در حالی که سایرین، از جمله دی اکسید تیتانیوم، اثر بازدارندگی در برخی از سیستم های آلیاژ نیکل نشان داده اند.

آلیاژ را با دمای کارکرد واقعی-ترکیب غلظت (نه فقط نقطه طراحی اسمی) تطبیق دهید، تنش پسماند جوشکاری را کاهش دهید، و از فرض اینکه هیچ آلیاژی - از جمله آلیاژهای نیکل - بدون قید و شرط مصون است خودداری کنید.

What Should Engineers Do to Manage Caustic SCC Risk in Practice

پاکت عملیاتی فرآیند واقعی - از جمله راه‌اندازی، ناراحتی، و گشت‌وگذارهای تمرکز، نه فقط شرایط نامی-حالت ثابت- را در برابر مرزهای دما-غلظت ترک برای آلیاژ کاندید ترسیم کنید.

هر جا که فولاد زنگ نزن جوش داده شده دارای قرار گرفتن در معرض سوزاننده پایدار باشد، درجه-کربن کم یا تثبیت شده، و عملیات حرارتی پس از جوش به درستی اجرا شده{1} را برای مقابله با خطرات مربوط به حساسیت مشخص کنید.

داده‌های توسعه‌یافته برای مقاومت در برابر کلرید را به‌عنوان غیرقابل انتقال به سرویس سوزاننده-در نظر بگیرید. عملکرد آلیاژ را در برابر داده‌های آزمایشی خاص{1}}قبل از ارتقاء صرفاً بر اساس اعتبار مقاومت حفره‌ای تأیید کنید.

برای خدمات بالاتر از تقریباً 50٪ NaOH و 93 درجه، یا هر گونه قرار گرفتن در معرض پایدار بالای حدود 100 درجه، به جای ادامه دادن به فشار دادن فولاد ضد زنگ از سقف خدمات مستند آن، آلیاژهای نیکل را ارزیابی کنید.

حتی پس از انتخاب یک آلیاژ نیکل، شرایط تشکیل رسوب، جفت گالوانیکی و پتانسیل الکتروشیمیایی در سیستم خاص را در نظر بگیرید، زیرا نشان داده شده است که این عوامل باعث ایجاد ترک در خارج از منطقه "ایمن" می شوند که تنها توسط دما و غلظت پیشنهاد شده است.

حداکثر دما برای فولاد ضد زنگ 316 در سرویس سود سوزآور چقدر است؟

تقریباً 93 درجه (199 درجه فارنهایت) سقف خدمات عمومی است که به طور گسترده برای فولاد ضد زنگ آستنیتی استاندارد در NaOH تا غلظت 50٪ ذکر شده است. بالاتر از آن دما، هم خوردگی عمومی و هم خطر ترک افزایش می یابد.

آیا ترک خوردگی تنش سوز آور می تواند در محلول های رقیق NaOH اتفاق بیفتد؟

بله، اما به دمای بسیار بالاتری نیاز دارد. تمایل به ترک خوردگی در محلول‌های رقیق تقریباً 1% NaOH بالاتر از حدود 200 درجه (392 درجه فارنهایت) گزارش شده است، بسیار بالاتر از جایی که اکثر سرویس‌های سوزاننده فولاد ضد زنگ در واقع عمل می‌کنند.

آیا SCC سوزاننده همان ترک خوردگی ناشی از تنش کلرید است؟

نه. آنها مکانیسم های متمایزی هستند که توسط شیمی های مختلف - یون های کلرید در یک مورد، محلول های هیدروکسید غلیظ داغ در مورد دیگر - هدایت می شوند و آلیاژی که برای مقاومت در برابر یکی انتخاب شده است، به طور خودکار در مقابل دیگری مقاومت نمی کند.

آیا نیکل خالص تجاری از ترک خوردگی سوزاننده مصون است؟

این گسترده ترین مقاومت را در میان آلیاژهای مهندسی رایج ارائه می دهد، حتی در NaOH مذاب بی آب در دماهای تقریباً 538 درجه قابل استفاده است، اما منابع در مورد اینکه آیا کمی حساس به بالای حدود 300 درجه باقی می ماند یا عملاً مصون است، متفاوت است، بنابراین نباید در هر حالت شدید به عنوان ضد ترک بدون قید و شرط تلقی شود.

چرا آلیاژ 600 با وجود اینکه یک ارتقاء توصیه شده است، گاهی اوقات در سرویس سوزاننده ترک می کند؟

آلیاژ 600 در محیط های سوزاننده داغ به طور قابل توجهی از فولاد ضد زنگ بهتر عمل می کند، اما مصون نیست - موارد مستند شده ترک خوردگی را پس از قرار گرفتن در معرض طولانی مدت و تحت شرایط پتانسیل الکتروشیمیایی خاص، به ویژه در دما و غلظت بالا نشان می دهد.