Interkristallin korrosion i Hastelloy C276-rør: Hvorfor sensitivering opstår under svejsning og hvordan man undgår det

Interkristallin korrosion i Hastelloy C‑276-rør: Hvorfor sensitivering opstår under svejsning og hvordan den kan undgås

Hastelloy C‑276 (UNS N10276) er den mest anvendte nikkel-chrom-molybdæn-legering til ekstremt korrosive miljøer – fugtig klor, saltsyre, svovlsyre samt røggasdesulfureringssystemer. Dens ry for modstandsdygtighed over for spaltkorrosion, kreppekorrosion og spændingskorrosionsrevner er velbegrundet. Men der findes en sårbarhed, som ingeniører ofte overser: interkristallin korrosion (IGC) efter svejsning.

I modsætning til austenitiske rustfrie stålsorter (hvor sensitivisering som følge af udfældning af kromcarbid er almindelig), kan C‑276 også blive udsat for angreb langs korngrænserne under bestemte betingelser – ikke som følge af kromcarbid, men af molybdænrigt udfældede faser og korngrænse-segregation . Problemet er subtilt, men reelt. Et C‑276-rør, der svejses fremragende, kan fejle inden for få måneder langs en smal båndzone ved siden af svejsningen, mens resten af røret forbliver upåvirket.

Denne artikel forklarer, hvorfor sensitivisering opstår i Hastelloy C‑276 under svejsning, hvordan det kan påvises og – hvad der er vigtigst – hvordan det kan forebygges ved korrekte svejseprocedurer, valg af tilsværdemateriale og efter-svejse-varmebehandling.

Hvad er interkornlig korrosion i Hastelloy C‑276?

Interkornlig korrosion er en selektiv angribelse langs korngrænserne i legeringen, mens selve kornene forbliver stort set upåvirkede. I C‑276 sker dette, når:

• Legeringen opvarmes til et kritisk temperaturområde (typisk 600–1050 °C) – præcis det område, der opleves i varmeindvirkningszonen (HAZ) under svejsning.

• Under denne opvarmning udfældes sekundære faser ved korngrænserne.

• Disse udfældninger er enten:

  • Intermetaliske faser (mest almindeligt mu-fase – Ni₇(Mo,Cr)₆, og sigma-fase – FeCrMo),

  • Carbider (M₆C eller M₂₃C₆, hvor M = Mo, Cr, W)

• Udfældningen formindsker indholdet af chrom og molybdæn i de tilstødende korngrænser – netop de elementer, der giver korrosionsbestandighed.

• I en korrosiv miljø (oxiderende syrer, chlorider) opløses den udtørrede zone foretrukket, hvilket forårsager en smal rille eller revne langs grænsen.

Vigtigste punkt: I rustfrit stål 316L skyldes sensitivering dannelse af kromcarbider ved ca. 550–850 °C. I C‑276 er det farlige temperaturområde bredere (600–1050 °C) og omfatter molybdænrigt faser. Dette gør C‑276 mere mere tolerant end 304/316 i mange svejseforhold, men den er stadig sårbart, hvis afkølingen er langsom eller hvis basismetallet har en ustabil mikrostruktur.

Hvorfor sensitivering opstår under svejsning – mekanismen

Ved GTAW (TIG) eller GMAW (MIG)-svejsning af C‑276 udsættes den varmeindvirkede zone (HAZ) for en termisk cyklus:

• Toptemperatur nær smeltelinjen: ca. 1250–1350 °C (over løsningsglødningstemperaturen).

• Hurtig afkøling fra top til ca. 1000 °C – der sker ingen udfældning, da afkølingen er for hurtig.

• Langsom afkøling fra 1000 °C ned til 600 °C (næsen på TTT-diagrammet for C‑276). I dette område kan mu-fase (Ni₇(Mo,Cr)₆) udfælde, hvis afkølingshastigheden ikke er tilstrækkeligt høj.

Nedbørshastigheden afhænger af:

Resultatet: Efter svejsning bliver en smal bånd (typisk 1–2 mm bred) ved siden af svejsesmeltelinjen sensitiseret. I drift, hvis røret transporterer en korrosiv væske (f.eks. 10 % HCl ved 80 °C), starter angrebet i dette bånd og udvikler sig indad.

Visuelle og mikroskopiske tegn på interkornlig korrosion (IGC) i C‑276

• Visuel: Efter ætsning vises en mørk «knivlinje» eller en smal furge parallelt med svejsen, ofte på rørets indre diameter. I drift kan utætheder optræde som en fin revne langs svejsevarmeindvirkningszonen (HAZ).

• Mikroskopisk: Korngrænserne viser dyb ætsning eller revner. Elektronmikrosondeanalyse afslører Mo-rige udfældninger ved korngrænserne.

Standardtest for interkornlig korrosion (IGC) i C‑276: ASTM G28 – Jern(III)sulfat-svovlsyretest. En sensitiseret prøve vil vise stor vægttab (korrosionshastighed > 5 mm/år) og interkornlig revnedannelse.

Valg af tilsværsmetal: Den første forsvarslinje

Overraskende nok har tilsværsmetallet, der anvendes til svejsning af C‑276, en betydelig indvirkning på sensitiviteten i varmeindvirkningszonen (HAZ) i grundmaterialet. Her er grunden hertil:

• ERNiCrMo‑4 (matchende tilsværs, AWS A5.14) – nominel sammensætning: Ni 57 %, Cr 15,5 %, Mo 16 %, Fe 5 %, W 3,5 %. Dette tilsværs indeholder høje mængder Mo og W, som kan migrere ind i HAZ og faktisk reducere forøge tendensen til µ-faseudfældning.

• Overlegerede tilsværs som f.eks. ERNiCrMo‑10 (C‑22-type) eller ERNiCrMo‑13 (C‑59) giver endnu bedre modstandsdygtighed mod interkristallin korrosion (IGC) i HAZ.

Anbefaling: Ved svejset C‑276-rør til krævende anvendelse (især i sure miljøer) skal der anvendes ERNiCrMo‑4-tilsværs, men sørg for, at svejseproceduren omfatter en efter-svejse løsningsglødning hvis muligt. Hvis glødning ikke er praktisk mulig, overvej brug af ERNiCrMo‑10 som alternativ – det indeholder lavere molybdænindhold (13–15 % mod 15–17 %), men har bedre termisk stabilitet.

Brug ikke ERNiCr‑3 (Inconel 82) eller ERNiFeCr‑2 (Legering 800-tilsværs). De vil ikke opnå samme korrosionsbestandighed og kan forårsage galvanisk angreb.

Sådan undgår du IGC under svejsning: Praktiske trin

1. Kontroller varmetilførslen – lav, men ikke for lav

For lav varmetilførsel (<0,5 kJ/mm) resulterer i hurtig afkøling, hvilket kan give en ferritrig mikrostruktur (ikke et problem for IGC, men påvirker ductiliteten). For høj varmetilførsel (>1,5 kJ/mm) fremmer udfældning af mu-fase. Hold dig inden for det mellemste område.

2. Brug kvælstofrigt beskyttelsesgas

100 % argon er almindeligt, men ikke optimalt for C‑276. Tilføj 2–5 % kvælstof til beskyttelsesgassen. Kvælstof:

• Stabiliserer austenitfasen.

• Reducerer drivkraften for mu-faseudskillelse.

• Forbedrer spaltkorrosionsbestandigheden i svejsmetallet.

Brug ren argon uden kvælstof til rod-beskyttelse (bagudgassning) (for at undgå porøsitet).

3. Begræns mellemløbstemperatur – overvåg strengt

Gør ikke brug af "køl til berøring". Brug en kontakt-pyrometer. Efter hver svejsning skal røret køles, indtil temperaturen i varmeindflydningszonen (HAZ) er under 150 °C. Ved tykkere vægge (>5 mm) kan dette kræve tvungen luftkøling eller ventetid på flere minutter mellem svejsepassager.

4. Løsningsglødning efter svejsning – standarden

Den eneste måde at fuldstændigt eliminere sensitivisering på er at udføre en komplet løsningsglødning efter svejsning:

• Opvarm hele røret eller spoolen til 1120–1180 °C.

• Hold ved den påkrævede temperatur i tilstrækkelig tid (1 time pr. 25 mm tykkelse).

• Køl hurtigt af (vandafkøling eller tvungen luftafkøling).

Dette opløser alle udfældninger og gendanner en ensartet, korrosionsbestandig mikrostruktur. Det er dog ofte upraktisk ved svejsning i felten eller ved store samlinger. Hvis glødning ikke er mulig, skal de næste trin følges omhyggeligt.

5. Anvend en efter-svejse-pickling og passivering

Selvom udfældninger er til stede, fjerner en korrekt picklingbehandling (blanding af salpetersyre og fluorsyre) den overfladiske lag, der er mest udtømt. Dette eliminerer ikke interkristallin korrosion (IGC) dybt i væggen, men fjerner initieringsstederne. For C‑276 kan en picklingpasta eller -bad (20 % HNO₃ + 5 % HF), anvendt i 30–60 minutter, efterfulgt af grundig udskylning, betydeligt forlænge levetiden.

6. Brug en svejseproceskvalificering med korrosionstest

Ved al kritisk svejsning af C‑276 skal svejseprocesens kvalificering udføres ved hjælp af ASTM G28 Metode A. Godkendelseskriteriet:

• Korrosionshastighed ≤ 0,5 mm/år (nogle koder tillader op til 1,0 mm/år for ikke-kritisk service).

Hvis din prøveplade overstiger denne værdi, juster svejseparametrene (lavere varmetilførsel, lavere mellemlagstemperatur, tilføj nitrogen til beskyttelsesgassen), indtil den består.

7. Undgå flere termiske cyklusser

Reparations-svejsninger og flere svejsepassager over samme HAZ er særligt farlige. Hver termisk cyklus opvarmer den tidligere sensitiserede zone igen, ofte forværrende situationen. Hvis en reparations-svejsning er nødvendig, skal den gamle svejsning fuldstændigt fjernes med skrabning, og der skal anvendes en ny, godkendt svejseprocedure.

Sammenligning af C-276 med andre legeringer – hvorfor den stadig er god

Nogle ingeniører tror fejlagtigt, at C-276 er immun over for sensitisation. Det er den ikke, men den er langt mere modstandsdygtig end rustfrit stål af type 304/316. Sammenlign:

Ved de fleste svejsninger af C-276 med GTAW-svejsning og varmetilførsel under 1,2 kJ/mm samt mellempass-køling vil du se ingen påviselig interkristallin korrosion ifølge ASTM G28. Problemet opstår, når svejsere behandler C-276 som 316L – høj varmetilførsel, ingen mellempass-køling og flere svejseslag over varmt materiale.

Eksempel fra praksis: Røggasdesulfuriseringsanlæg (FGD) – absorberør

Problem: Et sæt C-276-rør (2″ schedule 40) blev svejset ind i en FGD-sprøjtehoved. Svejseren anvendte 100 % argonbeskyttelse, varmetilførsel på ca. 2,0 kJ/mm og ubegrænset mellemlagstemperatur (ofte >250 °C). Rørene blev monteret uden pikelbehandling. Efter 8 måneder opstod nålehul-lækager præcis langs svejsningens varmeindvirkede zone (HAZ).

Analyse: ASTM G28-test på en svejseprøve viste en korrosionshastighed på 8 mm/år (langt over grænsen på 0,5 mm/år). Metallografisk analyse afslørede my-fase ved korngrænserne i den varmeindvirkede zone.

Korrigerende foranstaltninger:

• Alle resterende svejsninger blev fraslibet og gen-svejset ved hjælp af en godkendt svejseprocesbeskrivelse (WPS): varmetilførsel 0,9 kJ/mm, mellemlagstemperatur ≤120 °C, beskyttelsesgas Ar+2 % N₂.

• Efter svejsning blev hver svejsezone piklet med en gel bestående af salpetersyre og fluorsyre.

• Nye testprøver bestod G28-testen med en korrosionshastighed på 0,3 mm/år.

Resultat: Det repareret sprøjtehoved har nu været i drift i 4 år uden yderligere lækager.

Inspektion og test efter svejsning – spring ikke over

For kritiske C-276-rørledninger kræves følgende tests efter svejsning:

Resume: Forebyggelseskontrolliste til svejsning af C‑276-rør

• Svejseproceduregodkendelse (WPS) godkendt med varmetilførsel på 0,5–1,2 kJ/mm og mellempasses temperatur ≤120 °C.

• Beskyttende gas: Ar + 2 % N₂ (rodgas: ren Ar).

• Tilførselsmetal: ERNiCrMo‑4 (eller ERNiCrMo‑10 til ekstra sikkerhedsmargin).

• Mellemliggende temperatur overvåget med pyrometer; tillad afkøling eller brug tvungen luft.

• Svejsepasser holdt på et minimum (undgå flere reparationer).

• Efter-svejse-pickling med HNO₃/HF-gel eller -bad.

• Kvalifikationstest i henhold til ASTM G28 – godkendt ≤0,5 mm/år.

• Produktionstest – tilfældig G28-test på svejseprøver.

• Dokumentation – MTR for tilstandsmetal, svejseprocedurens specifikation (WPS), procedurekvalificeringsrapport (PQR), G28-rapporter og PMI-dokumentation.

Afsluttende Ord

Hastelloy C‑276 er en af de mest tolerante nikkel-legeringer til svejsning, men den er ikke immun over for interkrystallin korrosion, hvis den svejses uansvarligt. Nøglen er at forstå, at dens sensitivitet skyldes udfældning af molybdænrig mu-fase i temperaturområdet 600–1000 °C – ikke kromkarbid. Kontroller din varmetilførsel, håndter mellemlagstemperaturen, brug kvælstofberiget beskyttelsesgas og kvalificer altid din WPS i henhold til ASTM G28. Når du følger disse fremgangsmåder, vil dine svejsninger på C‑276-rør levere årtier med modstandsdygtighed mod syre og chlorider – præcis som denne legering er berømt for.