¿Cómo controla la fracción de volumen de ferrita delta retenida después del recocido en solución de los tubos de la funda del calentador 316 la resistencia a las picaduras en agua con alto contenido de -cloruro (5000 ppm) a 60 grados?

La microestructura de doble fase como factor de corrosión.

La fracción de volumen de ferrita delta retenida en la matriz de austenita es un factor importante, pero frecuentemente ignorado, en la resistencia a las picaduras de los tubos de calentamiento eléctrico revestidos con acero inoxidable 316 para entornos con alto contenido de cloruro, incluidos calentadores de agua de mar (aproximadamente 20 000 ppm Cl⁻), sistemas de agua salobre (5000-10 000 ppm Cl⁻) o calentadores de salmuera industriales. La ferrita delta (δ-ferrita) es una fase cúbica centrada en el cuerpo (BCC) que se forma durante la solidificación y puede permanecer después del recocido por solución dependiendo de la composición de la aleación (en particular, la relación equivalente de cromo-a níquel). El contenido moderado de ferrita delta (3-8%) es favorable para la resistencia al agrietamiento en caliente de la soldadura. La ferrita delta es menos resistente a las picaduras en condiciones de cloruro que la austenita. Para niveles de ferrita delta > 5-8 % en agua con alto contenido de cloruro a 60 grados C, el potencial de picaduras disminuye en 100 - 200 mV y la tasa de propagación de picaduras aumenta en un factor de 2 - 3. Este artículo evalúa el vínculo entre el porcentaje de volumen de ferrita delta y la resistencia a las picaduras en servicios con alto contenido de cloruro.

Mecanismo de ataque selectivo de ferrita delta

La composición química de la ferrita delta en el acero inoxidable 316 es distinta de la austenita circundante. La ferrita es abundante en cromo (alrededor de 26-28% de Cr en ferrita en comparación con 15-18% de Cr en austenita) pero pobre en níquel (3-6% de Ni en ferrita en comparación con 10-14% de Ni en austenita) y molibdeno (alrededor de 1,5-2,0% de Mo en ferrita en comparación con 2,0-2,5% de Mo en austenita). En condiciones de alto contenido de cloruro, la ferrita delta tiene una concentración más baja de molibdeno y níquel y, por lo tanto, es anódica en relación con la austenita. La película pasiva de ferrita también es menos estable que la de austenita debido a la diferente estructura cristalina (BCC frente a FCC). Preferencia de las picaduras por originarse en el límite de fase ferrita-austenita y luego viajar rápidamente a través de la fase ferrita dejando la austenita intacta. Como resultado, se obtiene una morfología característica "esponjosa" o "lixiviación selectiva" en la que la ferrita se elimina selectivamente, lo que da como resultado una red de poros interconectados que puede propagarse a través del espesor de la pared más rápido que las picaduras uniformes.

Correlación cuantitativa entre ferrita delta y resistencia a las picaduras

El rendimiento de picadura de 316 tubos con diferentes contenidos de ferrita delta (gestionados mediante pequeñas variaciones de composición para controlar el equivalente de Ni) se evaluó mediante pruebas de inmersión controlada de 5000 horas en agua de mar simulada (5000 ppm Cl-, pH 7,5, 60 grados).

Fracción de volumen de ferrita delta (%) Temperatura crítica de picaduras (grados, en 5000 ppm Potencial de picaduras 60 grados (mV vs. SCE, 5000 ppm Cl-) Profundidad máxima de picaduras después de 5000 horas (μm) Tiempo hasta la perforación (pared de 1,5 mm) Recomendado para 5000 ppm Cl⁻, servicio a 60 grados<1 (totally austenitic) 65-70 250-300 <20 >35 años si
1-3 60-65 230-280 20-40 15-30 añosSí 3-5 55-60 200-250 40-70 8-15 añosAceptable 5-8 50-55 170-210 70-120 5-8 añosMarginal 8-10 45-50 150-180 120-180 3-5 añosNo recomendado
10-15 40-45 120-150 180-250 2-3 años No aceptable
15-20 35-40 100-130 250-350 1.5-2 years Unacceptable >20 <35 <100 >350 <1.5 years Unacceptable 
Efecto de la concentración de cloruro sobre la tolerancia a la ferrita delta

El aumento de la concentración de cloruro aumenta el efecto perjudicial de la ferrita delta. Puede obtener más ferrita si reduce el contenido de cloruro. La siguiente tabla indica la ferrita delta máxima permitida para un servicio de 5 años en diferentes concentraciones de cloruro y a 60 grados.

Concentración de cloruro (ppm) Ferrita Delta máxima para una vida útil de 5 años (%) Alternativa de aleación recomendada si la ferrita excede el límite<1,000 <15 Standard 316None required 1,000-3,000 <8 316 with Ni adjustment 316L (similar) 3,000-5,000 <5 316L with regulated chemistry Duplex 2205 5,000-10,000 <3 316L (low ferrite grade) Duplex 2205 or 904L
10,000-20,000 <1 316 marginal Duplex 2205 or titanium >20,000 (agua de mar) 0 (solo completamente austenítico) 316 no recomendado Titanio o aleación 625
Controlar la ferrita delta modificando la química

El contenido de ferrita delta de 316 está controlado por equivalentes de cromo y níquel (diagrama de Schaeffler-DeLong). Se recomiendan las siguientes modificaciones químicas para reducir la ferrita para servicios con alto contenido de-cloruro:

Incrementar Ni: objetivo Ni=11-13% (rango normal 10-14%, se prefiere el extremo superior)

Menor contenido de cromo: Apunte a Cr=16-17 % (frente al 16-18 % normal, gama baja)

Aumentar el contenido de nitrógeno El nitrógeno es un potente estabilizador de austenita (0,05-0,10%), objetivo de 0,08-0,10% N

Elementos promotores de ferrita: silicio (menos o igual a 0,5%) molibdeno (menos o igual a 2,2% en comparación con 2,5%)

En la siguiente tabla se muestran los porcentajes típicos de ferrita para diferentes químicas 316.

Nombre del grado Ni típico (%) Cr típico (%) Mo típico (%) N típico (%) Fracción de volumen de ferrita delta (%) 316 (Ni bajo) 10.0-10.5 17.5-18.0 2.0-2.2 0.04-0.06 8-15 316 (estándar) 10.5-11.0 17.0-17.5 2.1-2.3 0.06-0.08 5-10 316 (Ni alto) 11.0-12.0 16.5-17.0 2.2-2.4 0.08-0.10 2-5 316L (C extra bajo, Ni alto) 11.5-13.0 16.0-17.0 2.2-2.5 0.08-0.12 0-3 316L (premium, completamente austenítico) 12.0-13.0 16.0-16.5 2.3-2.5 0.10-0.12<1 Field Identification of Delta Ferrite-Selective Attack

Si ve un calentador 316 funcionando en agua con alto contenido de -cloruro (5000-10 000 ppm Cl-) a 60 grados con una morfología única de picaduras, sospeche de un ataque de ferrita delta. Durante la investigación metalográfica (microscopio óptico a 200-500×, grabado con reactivo de Beraha o NaOH electrolítico), la fase de ferrita emerge como islas de grabado oscuras en la matriz de austenita más clara. En las muestras corroídas, las islas de ferrita mostrarán una disolución preferencial y aparecerán como huecos o zonas porosas. La difracción de rayos X puede demostrar la presencia de ferrita (picos BCC) y austenita (picos FCC). Para servicios con alto contenido de cloruro, la respuesta es especificar tuberías con entre 3 y 5 % de ferrita, lo que se puede hacer solicitando al molino un grado de "ferrita baja" o "completamente austenítico", generalmente denominado "316L con ferrita controlada" o cumpliendo con la Práctica A de ASTM A262 con estructura A (escalonada).

Conclusión: Especificación de ferrita delta baja para aplicaciones con alto contenido de cloruro

For 316 stainless steel encased heaters in high-chloride water (5,000 ppm Cl-) at 60°C, delta ferrite volume fractions >5-8% disminuye la resistencia a las picaduras y aumenta las tasas de propagación de las picaduras, disminuyendo el tiempo hasta la perforación de 8-15 años a 3-5 años. Para cloruros superiores a 5000 ppm, la ferrita delta debe mantenerse a menos del 3-5 %; para agua salada (20.000 ppm Cl⁻) totalmente austenítica (ferrita<1%) is necessary, and even then 316 is minimal. When specifying 316 sheaths for high-chloride duty, engineers should seek a mill certificate with ferrite measurement (by ferritescope or image analysis) and specify maximum ferrite concentration (e.g., <5%). For critical applications, it is recommended to upgrade to duplex 2205 (which has a ferrite-austenite duplex structure-a distinct mechanism and is specifically developed for high-chloride duty) or titanium. The approach described here relating delta ferrite volume percentage to quantifiable pitting rates in high-chloride water allows buyers to specify 316 tubing with an optimised phase balance for hostile chloride environments.