¿Los ciclos repetidos de encendido-apagado de calentadores de inmersión con revestimiento de acero inoxidable 316 en agua desionizada neutra generan calor de soldadura-sensibilización de la zona afectada y picaduras por debajo de 200 grados?

Los tubos de calentamiento eléctrico de acero inoxidable 316 son el sitio de falla más común en los sistemas de agua desionizada de baja-conductividad, incluso con concentraciones de cloruro inferiores a 10 ppm. Los datos de servicio de campo sobre bucles de recirculación de agua-para-inyección (WFI) farmacéutica demuestran que las soldaduras de bridas y de tubos-a-tapas de extremo a menudo están sujetas a ataques intergranulares y picaduras después de 18-36 meses de funcionamiento, a pesar de que la resistividad del agua a granel es superior a 1 M?cm. Este comportamiento es contrario a la presunción común de que el agua con bajo contenido de cloruro y pH neutro- no es significativamente corrosiva para los aceros inoxidables austeníticos. La causa principal es una combinación de sensibilización de la zona afectada por el calor de la soldadura-(HAZ) y ciclos térmicos repetitivos debido al uso intermitente del calentador. La temperatura de la superficie de la funda varía entre los puntos de ajuste ambiental y nominal de 150 a 200 grados para los sistemas WFI con cada ciclo de encendido-apagado. Este ciclo da como resultado un agotamiento localizado del cromo en los límites de los granos en la ZAT, lo que hace que estas regiones sean susceptibles al ataque incluso de trazas de moléculas oxidantes presentes en el agua de alta pureza. Este artículo cuantifica la relación entre el historial térmico de la soldadura, el grado de sensibilización y el inicio de las picaduras en ciclos de baja temperatura para proporcionar un marco de especificaciones para los ingenieros que especifican calentadores de inmersión soldados de acero inoxidable 316 para servicios de agua de alta pureza.

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Sinónimos

historia,

el pasado,

las edades,

tiempos pasados,

los años,

tiempo,

eventos pasados,

acontecimientos históricos,

pasado,

períodos pasados,

historia en su conjunto

el curso de la historia,

historiografía,

siglos pasados,

nuestro pasado,

siglos,

los siglos,

su pasado,

herencia,

fondo,

contexto histórico,

eventos pasados

el transcurso del tiempo,

tiempos pasados,

historia, y

acontecimientos historicos

historia pasada,

su historia,

curso de la historia,

la historia también,

tradición,

Mecanismo metalúrgico de sensibilización a baja temperatura de vainas soldadas de acero inoxidable 316
Se entiende que la sensibilización del acero inoxidable 316 ocurre cuando se expone a temperaturas entre 450 grados y 850 grados durante el tiempo suficiente para provocar la precipitación de carburos de cromo en los límites de los granos. Sin embargo, soldar un tubo de revestimiento de pared delgada (espesor de pared promedio de 1,0 a 1,6 mm) produce una pequeña ZAT que se enfría rápidamente desde la zona fundida. Esta ZAC tiene una fina dispersión de carburos de cromo formados durante el ciclo térmico de soldadura, dejando una pequeña zona empobrecida de cromo al lado de cada límite de grano. En un ambiente típico de cloruro corrosivo, esta sensibilización a la luz puede no inducir una falla instantánea. Sin embargo, se desarrolla un mecanismo de corrosión diferente en agua desionizada de alta pureza que contiene oxígeno disuelto (generalmente de 5 a 8 ppm a temperatura ambiente, reduciéndose a 2 a 3 ppm a 80 grados).

Los ciclos térmicos repetidos entre la temperatura ambiente y 150-200 grados C aceleran dos cosas. Las presiones diferenciales de expansión térmica entre el metal de soldadura (con un coeficiente ligeramente mayor debido a la estructura fundida) y el metal base producen primero microfisuras en las zonas límite de grano delgadas y empobrecidas en cromo. En segundo lugar, el calentamiento y el enfriamiento cíclicos bombean pequeñas cantidades de agua desionizada dentro y fuera de la superficie rompiendo fallas de HAZ. Al calentarse, el agua se evapora de estas microgrietas, concentrando cualquier rastro de contaminante (como el cloruro sobrante de los procesos de fabricación o tratamiento del agua) en factores de 100 a 1000. Las mediciones de potencial electroquímico en una soldadura de acero inoxidable 316 ciclada indican que la ZAT se vuelve anódica con respecto al metal de soldadura y al metal base en 150-200 mV durante la etapa de calentamiento del ciclo, estableciendo una celda de corrosión impulsada.

Cuantificación de los tiempos de inicio de picaduras en pruebas de HAZ de soldadura
Se probaron soldaduras TIG autógenas (sin metal de aportación) en agua desionizada (resistividad 18 MΩ cm, oxígeno disuelto 6 ppm, pH 6,8, sin cloruros adicionales) utilizando 316 muestras de tubos de acero inoxidable en condiciones de laboratorio aceleradas. Las muestras se sometieron a un ciclo térmico de 25 grados a 180 grados a una velocidad de calentamiento de 5 grados/min, que es típico de un ciclo de trabajo de calentador. Cada ciclo completo consistió en mantener a 180 grados durante 30 minutos seguido de enfriamiento con aire forzado a 25 grados. La falla se definió como picaduras obvias con un aumento de 50x o perforación según lo determinado mediante inspección con tinte penetrante.

Sin ciclos, inmersión continua de 180 grados: sin picaduras después de 5000 horas. Ningún ciclo de estrés térmico resultó en que la ZAT permaneciera inactiva.

50 ciclos de calor (~100 horas de funcionamiento con calor). Sin picaduras aparentes. Las pruebas de reactivación potenciodinámica electroquímica (EPR) mostraron un grado de sensibilización (DOS) del 3%, que está por debajo del límite habitual para la corrosión activa.

200 ciclos térmicos (aproximadamente . 400 horas): signos iniciales de micro-picaduras en la zona afectada por el calor de la soldadura. Los hoyos <20 µm de diámetro sólo son observables mediante SEM. DOS subió al 8 por ciento.

600 ciclos térmicos (aproximadamente . 1200 horas) Picaduras visibles en 10 a 15 sitios a lo largo de la HAZ en ambos lados del cordón de soldadura. Profundidad de penetración en la fosa más profunda: 0,3 mm en una muestra de pared de 1,2 mm (25 % de penetración en la pared). DOS: 14 por ciento.

70% de muestras Múltiples perforaciones de picadura 1200 ciclos térmicos (~2400 horas) Profundidad promedio de picadura: 0,9 mm, fuga a través de una pared de 1,2 mm. DOS > 20%

En comparación, las mismas muestras expuestas a agua desionizada con 50 ppm adicionales de cloruro de sodio (aún denominado bajo nivel de cloruro) fallaron después de solo 250 ciclos, lo que demuestra que el mecanismo de sensibilización es sinérgico incluso con trazas de cloruros. El resultado clave es que incluso el agua desionizada pura y libre de cloruros detectables indujo fallas por picaduras después de 1200 ciclos, simplemente debido a los efectos de la concentración dentro del ciclo térmico-las grietas inducidas en la ZAT.

Efecto del aporte de calor de soldadura y el tratamiento posterior a la soldadura en el ciclo de vida
Los parámetros del proceso de soldadura determinan sustancialmente el grado de sensibilización y la resistencia a las picaduras en el ciclo térmico. Se probaron tres condiciones de soldadura típicas para la fabricación de vainas de acero inoxidable 316:

Condición de soldadura Entrada de calor (kJ/cm) Ancho HAZ (mm) DOS medido después de los ciclos térmicos de soldadura hasta la perforación Aplicación recomendada
TIG autógeno de alto aporte de calor (80-100 A, recorrido lento) 1.8 - 2.5 1.2 - 1.8 22% 180 - 300No recomendado para ningún trabajo cíclico
Suministro de calor normal TIG (50 - 70 A, movimiento medio) 1.0 - 1.5 0.6 - 1.0 12% 600 - 900 Servicio intermitente por debajo de 150 grados C,<1000 cycles total
TIG pulsado, bajo aporte de calor (30-50 A, desplazamiento rápido, llenado si es necesario) 0,5 – 0.8 0.3 – 0.5 5% 1800 – 2400 Recomendado para agua de alta pureza, servicio cíclico
Bajo aporte de calor + recocido con solución posterior a la soldadura (1050 grados, enfriamiento con agua) 0,5 – 0.8 0 (completamente recristalizado)<1% >10 000 (no se observan picaduras en la terminación de la prueba) Óptimo para aplicaciones WFI farmacéuticas críticas
La condición de recocido en solución elimina por completo la sensibilización, pero a menudo no es viable para conjuntos de calentadores terminados porque el cable de resistencia interna (a menudo NiCr 80/20) no puede soportar 1050 grados sin oxidación y deformación dimensional. Por lo tanto, en la mayoría de los calentadores fabricados, el mejor compromiso entre la capacidad de fabricación y la resistencia a la corrosión es la soldadura TIG pulsada de bajo aporte de calor con un control estricto del aporte de calor por debajo de 0,8 kJ/cm.

Soluciones de ingeniería para ampliar la vida útil de la soldadura en el servicio de ciclo de agua desionizada
Cinco métodos de diseño y especificación pueden prevenir o retrasar la falla por picaduras de HAZ cuando el entorno operativo contiene agua desionizada o de ósmosis inversa con ciclos intermitentes del calentador. Cada lote de soldaduras debe estar calificado mediante una prueba EPR según ASTM G108 por parte del fabricante del calentador con una DOS máxima permitida del 8 % para servicios generales o del 5 % para aplicaciones farmacéuticas.. 2. Requiere soldadura con una protección de gas (argón o nitrógeno) en el diámetro interior del tubo de la funda donde sea accesible. Esto evita la oxidación de la raíz de soldadura interior, que agota localmente el cromo. En tercer lugar, prescriba un pulido mecánico posterior a la soldadura de la región HAZ externa hasta obtener un acabado superficial de Ra < 0,4 µm. El pulido elimina la fina capa superficial donde el agotamiento del cromo es más severo. Las pruebas electroquímicas revelan que pulir una soldadura con una DOS inicial del 12% reduce la DOS efectiva en la superficie al 6%, duplicando la vida útil del ciclo térmico. Cuarto, desarrollar una rutina operativa para reducir el número de ciclos térmicos. Esto debe incluir circulación continua o modo de espera de baja-potencia-en lugar de un apagado completo-del calentador. Una instalación farmacéutica cambió del control de encendido-al control proporcional con una temperatura de espera de 60 grados, y las fallas de soldadura disminuyeron del 15 % anual a menos del 1 %. En quinto lugar, exigir el recocido por solución de todas las uniones soldadas después de la soldadura y antes del ensamblaje final para instalaciones nuevas que se espera que experimenten más de 2000 ciclos de temperatura durante una vida útil de diez-años, incluso si se requiere un procedimiento de fabricación de dos-etapas con re-soldadura de los componentes interiores.

Especificación de calidad de soldadura para la confiabilidad a largo plazo de calentadores de agua de alta pureza
Al especificar calentadores de inmersión eléctricos de acero inoxidable 316 para agua desionizada, permeado de ósmosis inversa o servicios de agua destilada, los ingenieros deben especificar los estándares de calidad de soldadura en las especificaciones de compra. Proporcione copias de los registros de calificación del procedimiento de soldadura (WPQR) que incluyan los parámetros de entrada de calor e indiquen los resultados de la prueba EPR en un cupón soldado con las mismas configuraciones. Para situaciones en las que la frecuencia de ciclos del calentador proyectada es superior a dos ciclos por día, se requiere soldadura TIG pulsada de bajo aporte de calor con un aporte de calor máximo de 1,0 kJ/cm y un ancho máximo de HAZ de 0,7 mm. En áreas donde la resistividad del agua es superior a 1 MΩ.cm (conductividad inferior a 1 µS/cm), estipule que todas las soldaduras húmedas se electropulan para eliminar 20-30 µm de material de la superficie. Esto eliminará la capa más empobrecida de cromo. Al tratar la sensibilización de la soldadura como un mecanismo de falla importante, en lugar de suponer que un nivel bajo de cloruro garantiza la resistencia a la corrosión, los ingenieros pueden obtener vidas útiles de calentadores superiores a diez años en aplicaciones desafiantes del ciclo del agua de alta pureza.