¿A qué umbral específico de concentración de ácido sulfúrico una funda de acero inoxidable 316 de 1,2 milímetros requiere recocido posterior a la soldadura para evitar la corrosión intergranular en calentadores de inmersión eléctricos?

La soldadura de la unión de las bridas de montaje y los accesorios a la funda de acero inoxidable 316 debe ser realizada por los ingenieros de fabricación y el personal de control de calidad a cargo de los calentadores eléctricos de inmersión para uso en servicios de ácido sulfúrico. La soldadura genera calor que puede producir sensibilización, la formación de carburos de cromo en los límites de los granos en la zona -afectada por el calor. 316 sensibilizada pierde su resistencia a la corrosión y se vuelve susceptible a la corrosión intergranular que ataca preferentemente los límites de los granos produciendo una rápida pérdida de material y posible falla del calentador. El espesor de la pared de la funda controla el ritmo de enfriamiento después de la soldadura y la necesidad de recocido posterior-a la soldadura. En este trabajo determinamos el umbral de concentración de ácido sulfúrico que requiere recocido posterior a la soldadura para evitar el ataque de corrosión intergranular en una vaina 316 de 1,2 mm.

Mecanismo de sensibilización y corrosión intergranular en 316
Cuando el acero inoxidable 316 se calienta en un rango de temperatura de 450 grados a 850 grados (rango de sensibilización), los carburos de cromo tienden a precipitar en los límites de los granos. Esta precipitación da como resultado que las regiones cercanas a los límites de los granos se agoten en cromo y, por lo tanto, carezcan del 12% de cromo necesario para la producción de películas pasivas. En un ambiente corrosivo, estas zonas de agotamiento de cromo se corroen preferentemente, lo que resulta en un ataque de los límites de grano y, en última instancia, en la eliminación del material. Para una funda de pared delgada de 1,2 mm de espesor, la velocidad de enfriamiento después de la soldadura es rápida ya que la masa térmica es mínima y, por lo tanto, el calor se disipa rápidamente. Una pared delgada se enfriará desde la temperatura de soldadura hasta menos de 450 grados en segundos y pasará poco tiempo en el rango de sensibilización. Para vainas-de paredes gruesas (más de 3 mm), la velocidad de enfriamiento es más lenta, lo que aumenta el peligro de sensibilización. Sin embargo, para una pared de 1,2 mm, la velocidad de enfriamiento es generalmente lo suficientemente rápida como para evitar la sensibilización en circunstancias de soldadura por arco de tungsteno con gas convencional. La clave no es sólo el espesor de la pared, sino también el contenido de carbono del material 316. El 316L con bajo contenido de carbono (máximo 0,03% C) es particularmente resistente a la sensibilización independientemente del espesor de la pared. El estándar 316 (máximo 0,08 % de carbono) puede sensibilizarse si se enfría demasiado lentamente.

Concentración crítica de ácido sulfúrico para la detección de sensibilización
The intergranular corrosion of sensitised 316 is especially severe at certain concentrations of sulphuric acid. The Strauss test (ASTM A262 Practice E) is a test for sensitisation using boiling 16% sulphuric acid with copper sulphate. The most susceptible concentration of sulphuric acid to intergranular assault in service is between 10 and 40% at temperatures over 50°C. Below 10 % the acid is not active enough to target grain boundaries preferentially. Above 40% acid it becomes oxidising and repassivates the surface obscuring sensitisation. 1.2 mm 316 sheath in sulphuric acid. For 60-80°C the concentration threshold for the risk of intergranular corrosion is around 15-25%. A sensitised sheath may live for years without obvious attack below 15 per cent. At >25% de ácido, la tendencia oxidante del ácido puede prevenir el ataque intergranular pero las picaduras se convierten en una preocupación. Una vaina sensibilizada en el rango crítico del 15-25 % puede perder material a un ritmo de 0,5 a 2,0 mm/año a lo largo de los límites de los granos, perforando una pared de 1,2 mm en cuestión de meses. Por lo tanto, para aplicaciones con concentraciones de ácido sulfúrico entre 15% y 25% a temperaturas superiores a 50 grados, se recomienda encarecidamente el recocido posterior a la soldadura, a menos que el material sea 316L.

Matriz de requisitos de recocido para vainas 316 soldadas
La siguiente tabla ofrece recomendaciones para el recocido post-soldadura de vainas 316 de 1,2 mm según la concentración de ácido sulfúrico, la temperatura de funcionamiento y el grado específico de 316 utilizado. El conjunto de soldadura se calienta a una temperatura de 1050 grados durante 15 minutos y se enfría rápidamente (enfriamiento con agua o gas forzado).

Concentración de ácido sulfúrico Temperatura de funcionamiento Grado 316 ¿Se necesita recocido posterior a la soldadura? Recomendación alternativa
Menos del 10 por ciento de la temperatura de 316 o 316L No se permite soldadura estándar
10 – 15 % Por debajo de 60 grados 316L No preferido 316L
10 – 15% <60°C 316No, however 316L recommended Good without annealing
10 – 15% 60 – 90 grados 316L No Precaución contra ataques
10 – 15 % 60 – 90 grados 316 Sí Recocer o usar 316L 15 – 25 % Por debajo de 50 oC 316L No aceptable 316L 15 – 25 % Tabla 11.2.2.1.2. Composición y aplicaciones de 316 y 316L SS a temperaturas elevadasCualquier temperatura Cualquiera 316 N/A La sensibilización no es el modo de falla predominante; Las picaduras son dominantes
Más del 40%Cualquier temperatura Cualquiera 316 No aplicable Ácido comburente; No es probable que se produzca un ataque intergranular.
Para el rango de concentración crítico de 15-25% a temperaturas superiores a 50 grados, si se utiliza el estándar 316, se necesita recocido posterior a la soldadura de una funda 316 de 1,2 mm. Pero el recocido proporciona un margen adicional de seguridad incluso con 316L. Si no se realiza el recocido, la zona de unión de una brida soldada puede desarrollar corrosión intergranular penetrando la pared delgada en 3 a 12 meses, produciendo desprendimiento de la brida o fuga de la funda.

Consideraciones prácticas sobre el recocido de vainas de paredes delgadas
Se analizan las dificultades prácticas del recocido pos-soldadura de un tubo de 316 de 1,2 mm. Si el conjunto no está protegido adecuadamente, la alta temperatura de 1050 grados puede permitir la oxidación del cable de resistencia interna. El recocido debe realizarse en un horno de ambiente controlado utilizando argón o amoníaco disociado para evitar la oxidación. Alternativamente, la zona de soldadura se puede recocer localmente mediante calentamiento por inducción sin calentar todo el calentador. El aislamiento de MgO en los calentadores se expande de manera diferente que el acero y puede romper la funda, por lo que no es posible el recocido completo en horno de calentadores que previamente han sido estampados con aislamiento de MgO. Por lo tanto, el recocido debe realizarse después de la soldadura pero antes del estampado o localizado únicamente en el área de soldadura. Los ingenieros deben estipular que cualquier soldadura realizada en vainas 316 que vayan a funcionar en ácido sulfúrico del 15 al 25 por ciento debe ir seguida de un recocido por inducción localizado de la zona afectada por el calor. La zona de recocido se extenderá al menos 10 mm a cada lado de la soldadura. El recocido adecuado se puede verificar utilizando un medidor de ferrita o enviando una muestra de soldadura para la prueba ASTM A262 Práctica E. Un proveedor que no pueda realizar recocido posterior a la soldadura u ofrecer pruebas de verificación no deberá ser contratado para servicios de ácido sulfúrico en el rango de concentración crítica. El costo de una falla por corrosión intergranular, que generalmente es inesperada y sin previo aviso, es significativamente mayor que el costo de buenos procesos de recocido. Para instalaciones nuevas, elegir 316L, en lugar del 316 estándar, elimina el potencial de sensibilización para paredes de 1,2 mm en todas las condiciones, excepto en las más extremas, y se recomienda encarecidamente para cualquier servicio de ácido sulfúrico con una concentración superior al 10 %.