316 스테인리스강으로 용접된 전기 가열 튜브(튜브 섹션 결합, 엔드 캡 부착 또는 플랜지 장착 등)는 냉각 중에 열 영향부(HAZ)에서 온도 변화가 500~700도에 도달할 수 있습니다.- 이 온도 범위는 크롬 탄화물 석출에 대한 기존의 민감화 범위(550~850도)보다 낮지만 다중 용접 패스, 후속 작업의 잔열 및 두꺼운 튜브 섹션의 결합된 효과로 인해 크롬이 고갈된 입자 경계를 형성하기에 충분한 누적 열 노출이 발생할 수 있습니다-. 50~80도의 중간 온도에서 묽은 황산 서비스(0.5~5% H2SO₄)(화학적 산 세척조, 금속 마감 린스 탱크 및 연도 가스 탈황 스크러버에서 일반적)에서 이러한 민감화된 입자 경계는 빠른 입계 부식을 겪어 모재 금속에서 용접이 완전히 분리되거나 용접 융합 라인 바로 옆에 깊은 나이프{13}} 라인 공격이 형성됩니다. 공식이나 틈새 부식과 달리 입계 부식은 결정립 경계를 따라 균일하게 진행되어 벽이 얇아지는 현상이 감지되기 전에 기계적 무결성이 손실됩니다. 이 기사에서는 일반적인 제조 열 사이클에서 용접된 316 보호관의 감작 현상을 정량화하고 희석산 서비스에 대한 용접 사양 지침을 제공합니다.
묽은 황산에서 316의 입계 부식에 대한 임계 민감화 조건
오스테나이트계 스테인리스 강의 기존 민감화 테스트에서는 끓는 질산(Huey 테스트) 또는 Strauss 테스트(16% 황산의 황산구리-황산구리)를 사용하여 탄화크롬 침전을 감지합니다. 그러나 이러한 가속 테스트는 100도 이상에서 작동하며 많은 산업용 희석산 서비스를 대표하지 않는 농축된 산 조건을 사용합니다. 50~80도의 1~5% H2SO₄에서 입계 부식을 생성하는 데 필요한 감작 임계값(DOS)은 끓는 농축산보다 낮습니다. 선량 측정으로 보정된 전기화학적 전위차 재활성화(EPR) 테스트는 끓는 질산에서 검출에 필요한 8~10%와 비교하여 묽은 H2SO₄의 입계 부식이 3~5%만큼 낮은 DOS 값에서 시작되는 것을 보여줍니다.
다양한 용접 냉각 조건을 시뮬레이션하기 위해 316개 스테인리스강 외장 샘플(1.5mm 벽, 자생 TIG 용접)에 제어된 열 처리를 적용했습니다. 그런 다음 샘플을 70도에서 500시간 동안 2% H2SO₄에 노출시킨 후 금속학적으로 입계 부식 깊이를 측정했습니다.
| 시뮬레이션된 열 조건 | 500~700도에서의 등가 HAZ 시간(분) | EPR DOS(%) | 70도(μm)에서 2% H2SO₄에서 500시간 후 입자간 공격 깊이 | 2000시간 후 용접 무결성 |
|---|---|---|---|---|
| 급속 냉각(-용접 상태, 얇은 벽 1.0mm) | 0.5 | 2 | 8 | 손대지 않은 |
| 표준 냉각(-용접됨, 1.5mm 벽) | 2 | 4 | 22 | 손상되지 않은 작은 입자 경계 에칭 |
| 다중 패스(동일 조인트, 2.0mm 벽에 2개의 용접 패스) | 6 | 8 | 65 | 표면에서 일부 입자가-떨어짐 |
| 느린 냉각(퍼지 가스 부족, 벽 1.5mm) | 10 | 12 | 140 | 상당한 입계 균열, 30% 벽이 영향을 받음 |
| 용접 후{0}}응력 완화(500도, 2시간) | 120 (총) | 18 | 280 | 용접 박리 현상이 심함 |
| 용체화 어닐링(1050도, 용접 후 물 담금질) | 0(재결정) | <1 | 5 | 손대지 않은 |
중요한 발견은 벽 두께가 1.5mm이고 단일 패스 TIG 용접(500~700도 범위에서 약 2분의 누적 시간)을 사용하는 -표준 용접 316 외장 튜빙이 4~5%의 DOS를 생성한다는 것입니다. 이는 묽은 황산에서 500시간 후에 측정 가능한 입계 공격을 유발하기에 충분합니다. 더 무거운 벽 튜브(2.0mm 이상) 또는 다중{12}}패스 용접은 열에 더 오랫동안 노출되고 상당히 민감해집니다. 500도에서의 용접 후 응력 완화(때때로 잔류 응력을 줄이기 위해 지정됨)는 탄화물 석출 범위에 더 많은 시간을 추가하여 실수로 추가 민감성을 유발합니다.
나이프{0}}희석산 서비스에서 316개 용접에 인접한 라인 공격
희석된 H2SO₄에 노출된 용접 316 외장에서 관찰되는 특히 공격적인 형태의 입계 부식은 칼-선 공격(KLA)입니다. 이러한 국부적인 부식은 용접 융합 라인 바로 옆의 좁은 띠(폭 50~200μm) 내에서 발생합니다. 용접 중 온도는 크롬 탄화물을 용해할 만큼 충분히 높았지만 냉각 중 재석출이 가능할 만큼 충분히 낮았습니다. 그 결과 크롬이 극도로 고갈된 영역(Cr 8~10% 정도)이 우선적으로 부식되어 용접부에 평행하게 전파되는 깊은 홈이 형성됩니다.
60도에서 3% H2SO₄에 316개의 용접 쿠폰을 제어하여 침수 테스트한 결과 다음이 나타났습니다.
모재(용접부에서 10mm): 일반 부식률 0.03mm/년
용접 HAZ(융착선에서 1~2mm): 입계 공격 0.12mm/년(침투율)
나이프{0}} 라인 영역(융합 라인에서 50~200μm): 심화 속도 0.45mm/년, 200시간 후 홈 깊이 90μm
1.5mm 두께의 덮개의 경우 KLA 홈이 0.45mm/년으로 깊어지면 약 3.3년 안에 벽을 천공하게 됩니다. 실제로는 홈이 응력 집중 장치 역할을 하고 열 순환이나 진동으로 인해 홈 팁에 균열이 발생하기 때문에 파손이 더 빨리 발생합니다.
입자간 공격에 대한 산 농도 및 온도 임계값
황산에 민감한 316 보호관의 입계 부식 정도는 산 농도와 온도에 따라 크게 달라집니다. DOS가 8%인 샘플(2.0mm 벽 튜브의 다중{3}}패스 용접을 나타냄)에 대한 테스트를 500시간 동안 다양한 온도에서 다양한 H2SO₄ 농도에 노출시키고 입계 공격 깊이를 측정했습니다.
| H2SO₄ 농도(%) | 온도(도) | 입계 공격 깊이(μm) | 부식 형태 |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 50 | 12 | 온화한 입자 경계 에칭 |
| 0.5 | 80 | 35 | 얕은 입계 |
| 1 | 50 | 35 | 입계, 균일 |
| 1 | 80 | 110 | 깊은 입계, 입자 낙하 |
| 2 | 50 | 45 | 입계 |
| 2 | 80 | 140 | 심각함, 갈라짐 |
| 5 | 50 | 25 (감소) | 일반+입계혼합 |
| 5 | 80 | 60 | 혼합 모드 |
| 10 | 50 | 8 (추가 감소) | 균일한 일반 부식 |
민감화 316의 입계 부식에 가장 공격적인 환경은 70~80도의 희석된 H2SO₄(1~2%)입니다. 더 높은 산 농도(5% 이상)는 부식 메커니즘을 균일한(일반적인) 공격 방향으로 이동시키며, 이는 응력을 집중시키지 않기 때문에 피해가 적습니다. 낮은 온도(50도 미만)는 공격 속도를 5~10배 감소시킵니다. 1~2% H2SO₄, 70~80도 범위를 벗어난 응용 분야의 경우 감응형 316은 측정 가능한 DOS에도 불구하고 적절하게 작동할 수 있습니다.
금속 마감 및 화학 처리로 인한 현장 고장 사례
묽은 황산 서비스에서 파손된 316개의 스테인레스 스틸 외장 전기 가열 튜브를 조사한 결과 용접-관련 입계 부식이 74개 중 52개(70%)의 파손 원인으로 확인되었습니다. 세 가지 대표적인 사례가 패턴을 보여줍니다.
사례 1 – 금속 산세욕(2% H2SO₄, 75도, 간헐 작동). 엔드캡이 용접된 히터가 14개월 후에 고장났습니다. 검사 결과 엔드 캡 용접부에 KLA가 있는 것으로 나타났으며, 1.5mm 벽에 0.8mm 깊이의 홈이 있었습니다. 용접은 두 번의 패스로 이루어졌으며 용접 후 열처리는 없었습니다.- 단일-패스, 급속-냉각 용접 및 용액-어닐링 튜브를 사용한 교체 히터는 36개월 동안 지속되었습니다.
사례 2 - 배연탈황 스크러버 히터(1% H2SO₄, 65도, 연속). 플랜지 용접은 입계 균열로 인해 22개월 후에 실패했습니다. 플랜지는 용접 후 500도에서 응력이 완화되었습니다. 이는 실수로 316을 민감하게 만든 압력 용기의 표준 관행입니다. 용접 후 응력 제거 없이 제작되고 316L(0.02% C)을 사용하여 제작된 교체 히터는 48개월 후에도 입계 부식이 나타나지 않았습니다.
사례 3 – 케미컬 탱커 가열 코일(3% H2SO₄, 80도, 배치 작업). 용접된 튜브 조인트는 9개월 후 HAZ에서 완전히 분리되어 파손되었습니다. 튜빙은 두꺼운-게이지 2.5mm 벽을 갖춘 표준 316(0.06% C)이었으며 여러 번의 용접 패스가 필요했습니다. 2.0mm 벽과 단일-패스, 고속-궤도 용접을 갖춘 316L로 전환하면 서비스 수명이 60개월 이상 연장됩니다.
묽은황산 서비스에 대한 사양 언어
0.5%~5% 농도와 50도 이상의 온도에서 희석된 H2SO₄ 서비스를 위한 316 스테인리스 스틸 피복 전기 가열 튜브를 조달할 때 엔지니어는 다음 용접 및 재료 요구 사항을 포함해야 합니다. 민감화 경향을 줄이려면 316(0.08% C) 대신 최대 탄소 함량이 0.03%인 316L(UNS S31603)을 지정하십시오. 가능한 경우 급속 냉각(예열 없음, 적절한 퍼지 가스 흐름)과 함께 단일 패스 자동 TIG 용접을 사용하여 모든 용접을 수행해야 합니다. 벽 두께가 2.5mm 미만인 피복에는 다중{13}}패스 용접이 허용되지 않습니다. 내부 가열 요소가 아직 설치되지 않은 경우 최종 조립 전에 수행해야 하는 1050도의 완전 용체화 어닐링 및 물 담금질이 뒤따르지 않는 한 400~600도의 응력 완화를 포함한 모든 종류의 용접 후 열처리는 금지됩니다. 각 용접 로트(또는 직경과 벽 두께가 동일한 대표 튜브)의 쿠폰을 ASTM A262 Practice E(스트라우스 테스트)에 따라 72시간 후 최대 허용 입계 부식 깊이 30μm로 테스트하도록 요구하여 용접 품질을 확인합니다. H2SO₄ 농도가 1~2%이고 온도가 70~80도인 중요한 응용 분야의 경우 몰리브덴 및 니켈 함량이 더 높고 본질적으로 용접 조건에 관계없이 희석산의 민감화 및 입계 부식에 저항하는 904L(UNS N08904) 또는 합금 20(UNS N08020)으로 업그레이드하는 것이 좋습니다. 엔지니어는 범용 스테인리스강 용접 방식에 의존하지 않고 희석 황산 서비스에 특정한 설계 매개변수로 용접 민감성을 처리함으로써 용접 오스테나이트 스테인리스강의 가장 가혹한 환경 중 하나에서 히터 수명을 수개월에서 수년으로 연장할 수 있습니다.
