Pri kateri specifični kombinaciji koncentracije dušikove kisline in temperature zahteva 1,2-milimetrski plašč iz nerjavečega jekla 316 zmanjšanje moči pod 10 vatov na kvadratni centimeter, da se prepreči intergranularni napad pri uporabi pasivnega rezervoarja?

Pri končni obdelavi kovin in vesoljski proizvodnji procesni inženirji običajno uporabljajo dušikovo kislino kot medij za električne potopne grelnike v pasivnih rezervoarjih iz nerjavečega jekla. Raztopine za pasiviranje, običajno 20–40 % dušikove kisline, se običajno uporabljajo pri 40–60 stopinjah, da odstranijo prosto železo in ustvarijo homogeno prevleko iz kromovega oksida na delih iz nerjavečega jekla. 316 nerjavno jeklo ima v teh pogojih dobro odpornost proti koroziji, saj je dušikova kislina oksidacijska kislina, ki ohranja pasivni film. Vendar pa lahko pri povišanih temperaturah ali v prisotnosti kloridov ali redukcijskih kemikalij pride do intergranularnega napada, zlasti na zvarjenih ali občutljivih območjih ovoja. Grelniki pasivnih rezervoarjev so običajno zgrajeni z debelino stene 1,2 mm, da ustrezajo prostorskim zahtevam in zagotavljajo hiter prenos toplote. Članek navaja posebno kombinacijo koncentracije dušikove kisline in temperature, pri kateri je treba zmanjšati 1,2 mm ovoj iz 316 za gostoto vatov < 10 W/cm2, da se prepreči intergranularni napad.

Mehanizem intergranularnega napada pri 316, izpostavljenem dušikovi kislini
The intergranular attack of 316 in nitric acid is caused by the loss of chromium at the grain boundaries due to sensitisation by welding or earlier heat exposure. Nitric acid preferentially attacks these chromium-depleted zones and causes grain boundary corrosion, which can lead to full disintegration of the metal. The vulnerability to intergranular attack in nitric acid is concentration and temperature dependent Significant intergranular assault is observed in 20% nitric acid only at 70°C. In 30% nitric acid the threshold falls to 60° C. attack at above 50°C in 40% nitric acid. Attack is performed in 50% nitric acid >40 stopinj. Šibka točka 1,2-milimetrskega plašča z varjeno prirobnico ali nastavkom je toplotno-območje zvara. Uporabljena vatna gostota ima za posledico temperaturo površine plašča, ki je običajno 10–20 stopinj višja od temperature kisline v razsutem stanju. V 40-odstotni dušikovi kislini lahko pri polni temperaturi 55 stopinj površina ovoja doseže 70–75 stopinj, kar je nad pragom 50 stopinj za intergranularni napad. Nižja gostota vatov zmanjša dvig površinske temperature in lahko vzdržuje območje zvara pod pragom napada.

Kritični pragovi zmanjšanja za 1,2 mm plašč
Naslednje omejitve gostote vatov veljajo za 1,2 mm stenski ovoj za preprečevanje intergranularnega napada v območju toplotnega vpliva na podlagi potopnega testiranja zvarjenih vzorcev 316 v dušikovi kislini pri temperaturah in koncentracijah, pomembnih za delovanje pasivacije. Vrednosti so za 15-20 stopinjsko povečanje površinske temperature pri 10 W/cm², linearno v skali z gostoto v vatih.

Temperatura kisline v razsutem stanju Najvišja temperatura površine plašča za preprečevanje intergranularnega napada Koncentracija dušikove kisline Največja dovoljena vatna gostota za 1,2 mm ovoja (dvig za 15 stopinj pri 10 W/cm2) Priporočeno dejanje 20 % 40 stopinj 70 stopinj 20 W/cm2 Varno pri kakršni koli praktični gostoti vatov 20 % 50 stopinj 70 stopinj 13 W/cm2 Priporočeno znižanje nad 13 W/cm2
20% 60°C 70°C 7 W/cm² Derating needed 20%>65 stopinj 70 stopinj < 5 W/cm² Uporabite 316L ali žarjeni material
30 % 40 stopinj 60 stopinj 13 W/cm2 Varno pri skromni vatni gostoti
30 % 45 stopinj 60 stopinj 10 W/cm2 Mejno pri 10 W/cm2
30 % 50 stopinj 60 stopinj 7 W/cm² Potrebno zmanjšanje moči 30 % > 55 stopinj 60 stopinj < 5 W/cm² Uporabite 316L ali nadgradnjo zlitine
40% 30°C 50°C 13 W/cm² Acceptable 40% 35°C 50°C 10 W/cm² Marginal 40% 40°C 50°C 7 W/cm² Derating needed 40%>45 stopinj > 50 stopinj < 5 W/cm² Uporabite 316L ali nadgradnjo zlitine
50 % 25 stopinj 40 stopinj 10 W/cm2 Mejna vrednost 50 % 30 stopinj 40 stopinj 7 W/cm2 Zmanjšanje je potrebno 50 % nad 35 stopinj 40 stopinj pod 5 W/cm² 316 Ni priporočljivo
Za tipično 30-odstotno pasivno posodo za dušikovo kislino s temperaturo v razsutem stanju 50 stopinj je treba 1,2 mm ovoj iz 316 zmanjšati na približno 7 W/cm2, da ostane površina plašča pod 60 stopinj. Površina ovoja ima približno 65 stopinj C z uporabo običajne industrijske gostote vatov 10 W/cm2 . Interkristalni napad v območju, ki ga prizadene vročina zvara-, se lahko pojavi v 3–12 mesecih.

Varna delovna ovojnica za 1,2-milimetrski ovoj v pasivnem servisu
Najvišja sprejemljiva temperatura dušikove kisline v razsutem stanju za 1,2 mm ovoj iz 316 za različne gostote v vatih je podana v naslednji tabeli ob predpostavki razreda 316L (nizka vsebnost ogljika) ali žarjenega varjenega območja, da se zmanjša tveganje preobčutljivosti.

Koncentracija dušikove kisline Gostota v vatih 5 W/cm2 (dvig za 8 stopinj) Gostota v vatih 8 W/cm2 (dvig za 12 stopinj) Gostota v vatih 10 W/cm2 (dvig za 15 stopinj) Gostota v vatih 12 W/cm2 (dvig za 18 stopinj)
20 % Varno do 62 stopinj Varno do 58 stopinj Varno do 55 stopinj Varno do 52 stopinj
Varno do 57 stopinj 25 % Varno do 53 stopinj Varno do 50 stopinj Varno do 47 stopinj
30 % Varno do 52 stopinj Varno do 48 stopinj Varno do 45 stopinj Varno do 42 stopinj 35 % Varno do 47 stopinj Varno do 43 stopinj Varno do 40 stopinj Varno do 37 stopinj
40% do 42 stopinj do 38 stopinj do 35 stopinj do 32 stopinj 45% do 37 stopinj do 33 stopinj do 30 stopinj do 27 stopinj
50 % Varno do 32 stopinj Varno do 28 stopinj Varno do 25 stopinj Ni priporočljivo
Za pasivni rezervoar s 35 % dušikove kisline in temperaturo v razsutem stanju 45 stopinj bi 1,2-mm 316 ovoj pri 10 W/cm² dal temperaturo površine približno 60 stopinj, kar presega varno mejo 47 stopinj, omenjeno zgoraj. Grelec bi bil dovzeten za intergranularne napade. Z znižanjem vatne gostote na 5 W/cm2 se temperatura površine vzdržuje pri 53 stopinjah, kar je pod varno mejo 57 stopinj za 25-odstotno kislino, vendar nad mejo 47 stopinj za 35-odstotno kislino, kar kaže, da je potrebna kombinacija zmanjšanja moči in spremembe koncentracije.

Spremembe zasnove za preprečevanje intergranularnega napada
Na voljo so štiri konstrukcijske prilagoditve za preprečevanje intergranularnega napada, če pogoji procesa pasivizacije zahtevajo koncentracije dušikove kisline in temperature, ki bi presegle sprejemljive meje za 1,2 mm debel ovoj iz 316. Prva je določitev 316L (nizka vsebnost ogljika), ne navadnega 316. Nižja vsebnost ogljika omejuje precipitacijo kromovega karbida med varjenjem, zato je toplotno-prizadeto območje neobčutljivo za preobčutljivost tudi pri višjih temperaturah. 316L poveča intergranularni napadalni prag za 10-15 stopinj nad običajnim 316. Druga sprememba je po-varno žarjenje območja pritrditve prirobnice. Lokalizirano indukcijsko žarjenje na 1050 stopinj in kaljenje raztopita kromove karbide in obnovita odpornost proti koroziji. Naslednja sprememba je znižanje temperature kisline v razsutem stanju za 5–10 stopinj. Majhna znižanja temperature lahko močno podaljšajo življenjsko dobo brez vpliva na učinkovitost pasivizacije. Četrtič, povečati prehod kisline čez grelno površino. Turbulentni tok zmanjša dvig temperature površine plašča s 15 stopinj na 8-10 stopinj pri enaki gostoti vatov. Turbulentni tok uspešno zmanjša grelec brez zmanjšanja moči. Za pasivne rezervoarje, ki delujejo pri temperaturah nad 45 stopinj v 30–40 % dušikovi kislini, lahko inženirji razmislijo o nadgradnji na nerjavno jeklo z visoko vsebnostjo silicija, kot je Durimet 20 ali titanova zlitina. Ti materiali so skoraj neprepustni za intergranularne napade v dušikovi kislini, ne glede na zgodovino varjenja ali toplote. Ko določate grelnike za pasivizacijo, vedno navedite pravilno koncentracijo dušikove kisline, temperaturo v razsutem stanju in ali ima grelec privarjene priključke ali ne. Če proizvajalec priporoča 316 za 40 % dušikovo kislino pri 50 °C brez kakršne koli omembe zmanjšanja gostote vatov ali stopnje 316L, to ni popoln tehnični nasvet. Poteka postopoma in toplotno prizadeto območje varjenega 1,2 mm plašča se tanjša, dokler se prirobnica ne odlepi ali plašč ne pušča v dušikovi kislini. Pravilen postopek varjenja je veliko učinkovitejši preventivni ukrep kot pregled, saj napad včasih ni viden, dokler se iz območja zvara ne izgubi večja količina materiala.