¿Cómo controla la fracción de volumen de los carburos primarios después del recocido en solución a 1050 grados de la tubería de la funda del calentador 316 la resistencia a la corrosión intergranular en ácido nítrico en ebullición?

El parámetro de disolución de carburo para la conformidad con la práctica C de ASTM A262

Para los tubos de calentamiento eléctrico revestidos con acero inoxidable 316 utilizados en servicios de ácido oxidante (por ejemplo, calentadores de ácido nítrico en aplicaciones de procesamiento químico o baño de decapado), la fracción de volumen de carburos primarios (principalmente M23C6 y MC) que quedan en la microestructura es una función de la temperatura y el tiempo de recocido de la solución. Los carburos sólo pueden disolverse completamente mediante tratamientos de recocido en solución a temperaturas superiores a 1.040 grados y mediante enfriamiento rápido. La fracción de volumen de equilibrio de los carburos primarios en el estándar 316 (0,08 % C) a 1050 grados es aproximadamente 0,3-0,5 % para retenciones cortas (10-15 min) y cae por debajo del 0,1 % después de 60 min. Sin embargo, la descomposición parcial de los carburos produce zonas empobrecidas en cromo alrededor de los carburos residuales que son propensas al ataque intergranular (IGA) en ácido nítrico hirviendo. La fracción de volumen máxima de carburos primarios que se permite pasar la Práctica C de ASTM A262 (la prueba de ácido nítrico al 65% de ebullición o prueba de Huey) es aproximadamente 0,2%. En este artículo, se cuantifica el vínculo entre los parámetros de recocido en solución, la fracción de volumen de carburo primario y la velocidad de corrosión intergranular.

Mecanismo de ataque intergranular por carburos residuales

En 316, los carburos primarios son fases ricas en cromo- (Cr₂₃C₆ tiene aproximadamente un 90% de cromo en peso). Durante el recocido en solución a 1050 grados, los carburos se disuelven gradualmente y liberan cromo a la matriz de austenita. Si el enfriamiento desde la temperatura de recocido no es lo suficientemente rápido, los carburos reprecipitan en los límites de los granos al enfriarse a través del rango de sensibilización (450-850 grados). Sin embargo, la prueba de Huey está diseñada particularmente para detectar carburos residuales que no se han disuelto durante el recocido en solución y cualquier carburo que haya vuelto a precipitar. En la interfaz de un carburo remanente y la matriz de austenita, el contenido de cromo se reduce (localmente por debajo del 12 % Cr) y se forma una celda galvánica en el ácido nítrico fuertemente oxidante. La austenita circundante ataca preferentemente al carburo, que se disuelve provocando que el carburo se caiga dejando un hoyo o zanja. La fracción de volumen de carburos primarios no disueltos está relacionada con la pérdida de masa en la prueba de Huey.

Relación cuantitativa entre la velocidad de corrosión de la prueba de Huey y la fracción volumétrica de carburo

Las pruebas sistemáticas de tubos 316 a 1050 grados con diferentes períodos de recocido en solución seguidos de enfriamiento con agua y pruebas según ASTM A262 Práctica C (cinco ciclos de 48 horas en ebullición de HNO₃ al 65%) han establecido la siguiente relación:

Tiempo de recocido de la solución a 1050 grados (min.) Fracción de volumen de carburo primario (%) Prueba de Huey Tasa de corrosión (mm/año, promedio de 5 ciclos) ASTM A262 Práctica C Resultado recomendado para ácido nítrico en ebullición Servicio 5 (incompleto) 0.8-1.2 1.5-2.5 Fallo (IGA severo) No 5-10 0.4-0.8 0.8-1.5 Fallo (IGA) No 10-15 (mínimo normal) 0.2-0.4 0.4-0.8 Marginal (aprobado/fallado) límite)No recomendado 15-20 0.15-0.25 0.25-0.45 Aprobado (bien) Sí 20-30 0.10-0.20 0.20-0.35 Aprobado (bueno) Sí 30-45 0.05-0.12 0.15-0.25 Aprobado (excelente)Lo mejor para una vida útil prolongadaRecomendado45-600.02-0.080.10-0.20Pasado (bueno)60<0.02 (grain growth) 0.08-0.15 Pass (but danger of grain coarsening) Acceptable with management of grain size
Efecto del contenido de carbono sobre el tiempo de recocido requerido

El estándar 316 (0,08 % C máx.) requiere duraciones de recocido más largas para disolver los carburos que el 316L (0,03 % C máx.). Tabla 2 Períodos mínimos recomendados de recocido en solución a 1050 grados para contenidos de carbono variados

Contenido de carbono (% en peso) Tiempo mínimo de recocido a 1050 grados para la fracción de volumen de carburo<0.2% (min)Recommended Time for Huey Test Pass (minutes) Water Quench?5 10 Yes
0,020-0,030(316L)10 15 Sí 0.030-0.040 15 20 Sí 0.040-0.050 20 25-30 Sí 0.050-0.060 25 30-35 Sí 0,060-0,080 (estándar 316) 30 40-50 Sí
Especificaciones prácticas de recocido para servicio con ácido nítrico

Los parámetros de recocido en solución recomendados para calentadores enfundados 316 para uso en ácido nítrico hirviendo u otros ácidos severamente oxidantes son los siguientes.

Severidad del servicio Aleación recomendada Solución mínima Temperatura de recocido (grados) Tiempo mínimo de recocido (minutos) Método de enfriamiento Prueba de aceptación
HNO₃ intermitente diluido (<20%) 316L 1040 15 Water quench ASTM A262 Practice A (step structure)
Continuo 20-50 % HNO3 316L 1,050 20-30 Enfriamiento con agua ASTM A262 Práctica C (0,5 mm/año)
Constante, 50-65% HNO₃ 316L (bajo en carbono) 1,050-1,060 30-45 Enfriamiento con agua ASTM A262 Práctica C (<0.3 mm/year)
65% HNO₃ (entorno de prueba Huey) Ebullición 304L o 316L con muy bajo contenido de carbono 1,060 45-60 Enfriamiento con agua ASTM A262 Práctica C (<0.2 mm/year)
Validación de campo de disolución de carburo y resistencia IGA

El estudio metalográfico después del grabado con ácido oxálico electrolítico (ASTM A262 Práctica A) muestra la microestructura de calentadores que han fallado en servicio con ácido nítrico. La estructura en "escalones" (límites de grano lisos, sin zanjas) sugiere que la disolución del carburo y la resistencia al IGA son satisfactorias. Una estructura de 'zanja' (huecos grabados en los límites de los granos) sugiere sensibilización o carburos residuales y predice fallas en la prueba de Huey. ASTM A262 Práctica E (prueba de cobre-sulfato de cobre-ácido sulfúrico) es una prueba de detección simple para verificar la tubería entrante. Es más sensible a la sensibilización que a los carburos primarios, pero sigue siendo útil. La prueba decisiva es la propia prueba de Huey (Práctica C). Sin embargo, tardará entre 10 y 15 días en finalizar.

Conclusión: Definición de disolución completa de carburo para servicio con ácido nítrico

Para calentadores revestidos de acero inoxidable 316 en servicio con ácido nítrico hirviendo, la fracción de volumen de carburos primarios que quedan después del recocido en solución debe ser inferior al 0,2 % para cumplir con la práctica C de ASTM A262 y proporcionar una resistencia adecuada a la corrosión intergranular. para hacer esto. El 316 normal (0,08 % C) requiere recocido a 1050 grados durante 40 a 50 minutos y el enfriamiento con agua. 316L (0,03 % C) tarda 15-20 minutos. Los ingenieros que especifican vainas 316 para servicio con ácido oxidante deben necesitar confirmación de los parámetros de recocido de la solución (temperatura, duración, método de enfriamiento) y, para aplicaciones importantes, resultados de la prueba ASTM A262 Práctica C con la tasa de corrosión máxima indicada (p. ej., 0,3 mm/año). El marco desarrollado aquí vincula la fracción de volumen de carburo primario con tasas de corrosión medibles de la prueba Huey, lo que permite a los compradores especificar prácticas de recocido en solución que desarrollan microestructuras libres de carburo que son resistentes al ataque intergranular en los entornos de ácido nítrico más agresivos.