Mellomkrystallin korrosjon i Hastelloy C276-rør: Hvorfor sensitivisering oppstår under sveising og hvordan man unngår den

Interkornlig korrosjon i Hastelloy C‑276-rør: Hvorfor sensibilisering oppstår under sveising og hvordan den kan unngås

Hastelloy C‑276 (UNS N10276) er den mest brukte nikkel-krom-molybden-legeringen for ekstremt korrosive miljøer – fuktig klor, saltsyre, svovelsyre og røykgassdesulfureringssystemer. Dens ry som motstandsdyktig mot sprekkekorrosjon, spaltekorrosjon og spenningskorrosjon er vel fortjent. Men det finnes en sårbarhet som ingeniører ofte overse: interkornlig korrosjon (IGC) etter sveising.

I motsetning til austenittiske rustfrie stål (der sensibilisering fra kromkarbidavsetninger er vanlig), kan også C‑276 bli utsatt for angrep langs korngranse under spesifikke forhold – ikke fra kromkarbid, men fra molybdenrikt avleiringer og korngranse-segregasjon . Problemet er subtilt, men reelt. Et C‑276-rør som sveises utmerket kan svikte innen få måneder langs en smal stripe ved siden av sveisen, mens resten av røret forblir upåvirket.

Denne artikkelen forklarer hvorfor sensibilisering oppstår i Hastelloy C‑276 under sveising, hvordan den kan oppdages og – viktigst av alt – hvordan den kan unngås gjennom riktige sveiseprosedyrer, valg av tilleggsstoff og etter-sveisevarmebehandling.

Hva er interkornlig korrosjon i Hastelloy C‑276?

Interkornlig korrosjon er selektivt angrep langs korngransegrensene i legeringen, mens kornene selv for det meste forblir uendret. I C‑276 oppstår dette når:

• Legeringen varmes opp til et kritisk temperaturområde (typisk 600–1050 °C) – akkurat det området som oppstår i varmeinnvirkningssonen (HAZ) under sveising.

• Under denne oppvarmingen utskilles sekundære faser ved korngrensene.

• Disse utskillelsene er enten:

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

  • Karbid (M₆C eller M₂₃C₆, der M = Mo, Cr, W)

• Nedbørden uttømmer de tilstøtende kornsgrensene for krom og molybden – nettopp de grunnstoffene som gir korrosjonsbestandighet.

• I et korrosivt miljø (oksiderende syrer, klorider) løses den uttømte sonen foretrukket opp, noe som fører til en smal rille eller sprekk langs grensen.

Hovedpunkt: I rustfritt stål av type 316L skyldes sensitivisering kromkarbider ved ca. 550–850 °C. I legering C‑276 er det farlige temperaturområdet bredere (600–1050 °C) og omfatter molybdenrike faser. Dette gjør at C‑276 mer er mer toleransefull enn 304/316 i mange sveisesituasjoner, men likevel sårbart hvis avkjølingen er langsom eller hvis grunnmetallet har en ustabil mikrostruktur.

Hvorfor sensitivisering oppstår under sveising – mekanismen

Under sveising av C‑276 med GTAW (TIG) eller GMAW (MIG) gjennomgår varmeinnvirket sone (HAZ) en termisk syklus:

• Topptemperatur nær smeltegrensen: ca. 1250–1350 °C (over temperatur for løsningsgløding).

• Rask avkjøling fra topptemperatur til ca. 1000 °C – ingen utfelling skjer, fordi avkjølingen er for rask.

• Sakte avkjøling fra 1000 °C ned til 600 °C (nosen på TTT-diagrammet for C-276). I dette temperaturområdet kan my-fase (Ni₇(Mo,Cr)₆) utskilles hvis avkjølingshastigheten ikke er tilstrekkelig rask.

Utskillelseshastigheten avhenger av:

Resultatet: Etter sveising blir en smal stripe (vanligvis 1–2 mm bred) ved siden av sveiseskjøtets smeltelinje sensitivert. I drift, hvis røret fører en korrosiv væske (f.eks. 10 % HCl ved 80 °C), starter angrepet i denne stripen og utvikler seg innover.

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

• Visuelt: Etter etsing vises en mørk «knivlinje» eller en smal furge parallelt med sveisen, ofte på rørets indre diameter. I drift kan lekkasje oppstå som en fin sprekk langs sveise-HAZ.

• Mikroskopisk: Kornbegrensene viser dyp etsing eller sprekkdannelse. Elektronmikrosonde avslører Mo-rike utfellinger ved kornbegrensene.

Standardtest for interkornkorrosjon (IGC) i C‑276: ASTM G28 – Jernsulfat-svovelsyretest. Et sensitivt prøveemne vil vise stor vekttap (korrosjonshastighet > 5 mm/år) og interkristallin sprøhet.

Valg av fyllmetall: Den første forsvarslinjen

Overraskende nok har fyllmetallet som brukes til sveising av C-276 en betydelig innvirkning på sensitiviteten i varmeinnvirkningssonen (HAZ) til grunnmetallet. Dette er grunnen til:

• ERNiCrMo-4 (tilsvarende fyllmetall, AWS A5.14) – nominell sammensetning: Ni 57 %, Cr 15,5 %, Mo 16 %, Fe 5 %, W 3,5 %. Dette fyllmetallet inneholder høye andeler Mo og W, som kan diffundere inn i varmeinnvirkningssonen og faktisk redusere øke tendensen til mufaseavsetning.

• Overlegerede fyllmetaller som ERNiCrMo-10 (C-22-type) eller ERNiCrMo-13 (C-59) gir enda bedre motstand mot interkristallin korrosjon (IGC) i varmeinnvirkningssonen.

Anbefaling: For sveiste C-276-rør i hardt driftsmiljø (spesielt i syrer) skal fyllmetallet ERNiCrMo-4 benyttes, men det må sikres at sveiprosedyren inkluderer en løsningsgløding etter sveising hvis det er mulig. Hvis gløding ikke er praktisk, bør ERNiCrMo‑10 vurderes som et alternativ – den har lavere molybdeninnhold (13–15 % mot 15–17 %) men bedre termisk stabilitet.

Ikke i bruk ERNiCr‑3 (Inconel 82) eller ERNiFeCr‑2 (fyllingslegering av legering 800). De vil ikke oppnå samme korrosjonsbestandighet og kan føre til galvanisk angrep.

Hvordan unngå interkristallin korrosjon (IGC) under sveising: praktiske tiltak

1. Kontroller varmetilførselen – lav, men ikke for lav

For lav varmeinntak (<0,5 kJ/mm) fører til rask avkjøling, som kan gi en mikrostruktur rik på ferritt (ikke et problem for interkristallin korrosjon, men påvirker duktiliteten). For høyt varmeinntak (>1,5 kJ/mm) fremmer mu-faseavsetning. Hold deg innenfor det mellomste området.

2. Bruk beskyttelsesgass med økt nitrogeninnhold

100 % argon er vanlig, men ikke optimalt for C-276. Tilsett 2–5 % nitrogen til beskyttelsesgassen. Nitrogen:

• Stabiliserer austenittfasen.

• Reduserer drivkraften for mu-faseavsetning.

• Forbedrer motstanden mot sprekkekorrupsjon i sveiseskummet.

For rotbeskyttelse (bakgass) bruk ren argon uten nitrogen (for å unngå porøsitet).

3. Begrens temperatur mellom passeringer – overvåk strengt

Ikke stol på «kjølig nok til å ta på». Bruk en kontakttermometer. Etter hver passering la røret kjøle ned til at temperaturen i varmeinnvirkningssonen (HAZ) er under 150 °C. Ved tykke vegger (>5 mm) kan dette kreve tvungen luftkjøling eller ventetid på flere minutter mellom passeringer.

4. Løsningsglødning etter sveising – gullstandarden

Den eneste måten å fullstendig eliminere sensibilisering er å utføre en fullstendig løsningsgløding etter sveising:

• Oppvarm hele røret eller spolen til 1120–1180 °C.

• Hold ved denne temperaturen i tilstrekkelig lang tid (1 time per 25 mm tykkelse).

• Kjøl raskt ned (vannkylning eller tvungen luftkjøling).

Dette løser opp alle utskiftninger og gjenoppretter en jevn, korrosjonsbestandig mikrostruktur. Det er imidlertid ofte upraktisk for sveising på stedet eller for store sammenstillinger. Når gløding ikke er mulig, må de neste trinnene følges nøye.

5. Utfør en etter-sveise-pikling og passivering

Selv om utskiftninger er til stede, fjerner en riktig piklingsbehandling (blanding av salpetersyre og hydrofluorsyre) den overflatelaget som er mest utarmet. Dette eliminerer ikke interkrystallin korrosjon (IGC) dypere i veggen, men fjerner initiationsstedene. For C‑276 kan en piklingspasta eller -bad (20 % HNO₃ + 5 % HF), påført i 30–60 minutter og etterfulgt av grundig skylling, betydelig forlenge levetiden.

6. Bruk en sveiseprosedyrekvalifisering med korrosjonstesting

For alle kritiske C-276-sveisinger må du kvalifisere sveiseprosedyren (WPS) ved hjelp av ASTM G28 Metode A. Akseptkriteriet er:

• Korrosjonshastighet ≤ 0,5 mm/år (noen standarder tillater opptil 1,0 mm/år for ikke-kritisk drift).

Hvis prøven din overskrider denne verdien, juster sveiseparametrene (lavere varmetilførsel, lavere mellompass-temperatur, tilsett nitrogen til beskyttelsesgassen) inntil kravet oppfylles.

7. Unngå flere termiske sykluser

Reparasjonssveiser og flere sveisepass over samme varmeinnvirkede sone (HAZ) er spesielt farlige. Hver termisk syklus oppvarmer på nytt den tidligere sensiterte sonen, ofte med verre resultat. Hvis en sveise-reparasjon er nødvendig, skal den gamle sveisen fjernes fullstendig ved groving, og det skal brukes en ny, kvalifisert sveiseprosedyre.

Sammenligning av C-276 med andre legeringer – hvorfor den fortsatt er god

Noen ingeniører tror feilaktig at C-276 er immun mot sensitering. Det er den ikke, men den er langt mer motstandsdyktig enn rustfritt stål av typene 304/316. Sammenligning:

For de fleste sveisinger av C-276 med GTAW, varmetilførsel <1,2 kJ/mm og mellomkjøling mellom passeringer, vil du se ingen påviselig interkristallin korrosjon (IGC) i henhold til ASTM G28. Problemet oppstår når sveivere behandler C‑276 som 316L – høy varmeinntak, ingen mellompasskjøling og flere sveipass over varmt materiale.

Eksempel fra praksis: Rørsystem for avsvovling av røykgass (FGD) i absorber

Problem: Et sett med C‑276-rør (2 tommer, schedule 40) ble sveid inn i en FGD-sprøytehode. Sveieren brukte 100 % argonbeskyttelse, varmeinntak på ca. 2,0 kJ/mm og ukontrollert mellompass-temperatur (ofte >250 °C). Rørene ble montert uten passivering. Etter 8 måneder oppsto pinhole-lekkasjer nøyaktig langs sveiforsterkningens varmeberørte sone (HAZ).

Analyse: ASTM G28-test på en sveiprøve viste en korrosjonshastighet på 8 mm/år (langt over grensen på 0,5 mm/år). Metallografi avdekket my-fase ved korngrensene i den varmeberørte sonen (HAZ).

Korrigerende tiltak:

• Alle resterende sveier ble fraslipt og nyssveid ved hjelp av en kvalifisert sveiprogramspesifikasjon (WPS): varmeinntak 0,9 kJ/mm, mellompass-temperatur ≤120 °C og beskyttelse med Ar+2 % N₂.

• Etter sveising ble hver sveisona passivert med en gel av salpetersyre–fluorsyre.

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

Resultatet: Den reparerte headeren har nå vært i drift i 4 år uten ytterligere lekkasjer.

Inspeksjon og testing etter sveising – ikke hoppe over

For kritiske C‑276-rør, kreves følgende tester etter sveising:

Sammendrag: Forebyggelsessjekkliste for sveising av C‑276-rør

• WPS kvalifisert med varmeinntak på 0,5–1,2 kJ/mm, mellompass ≤120 °C.

• Beskyttelsesgass: Ar + 2 % N₂ (rotgass: ren Ar).

• Tillegsmetal: ERNiCrMo‑4 (eller ERNiCrMo‑10 for ekstra margin).

• Mellomleggstemperatur overvåket med pyrometer; tillat avkjøling eller bruk tvungen luft.

• Sveiseskritt holdes på minimum (unngå flere repareringspass).

• Etter-sveisingssyring med HNO₃/HF-gel eller -bad.

• Kvalifikasjonstest i henhold til ASTM G28 – godkjent ved ≤ 0,5 mm/år.

• Produksjonstesting – tilfeldig G28 på sveiseprøver.

• Dokumentasjon – MTR for fyllmetall, sveiseprosedyrespesifikasjoner (WPS), prosedyrekvalifiseringsrapporter (PQR), G28-rapporter og PMI-dokumentasjon.

Siste ord

Hastelloy C‑276 er en av de mest tolerante nikkellegeringene når det gjelder sveising, men den er ikke immun mot mellomkrystallin korrosjon hvis den sveises uten omhu. Nøkkelen er å forstå at dens sensitivitet skyldes utfelling av molybdenrik mu-fase i temperaturområdet 600–1000 °C – ikke kromkarbid. Kontroller varmetilførselen, overvåk mellompass-temperaturen, bruk nitrogenriket beskyttelsesgass og kvalifiser alltid din WPS i henhold til ASTM G28. Når du følger disse praksisene, vil sveiseskjøtene i dine C‑276-rør levere flere tiår med motstandsdyktighet mot syrer og klorider – en egenskap som denne legeringen er kjent for.