The Effect of Welding on the Corrosion Resistance of the Lean Duplex Stainless Steel LDX 2101 in Hot Concentrated Nitric Acid. And a Review of Non-Destructive Testing Methods for Detecting Sigma Phase in Duplex Stainless Steels

Abstract

Det lavlegerte duplex rustfrie stålet LDX 2101® (EN 1.4162, UNS S32101) har blitt foreslått som en erstatning til det austenittiske rustfrie stålet 304L (EN 1.4306, UNS S30403) til bruk i salpetersyremiljø. Tidligere korrosjonstester av legeringen har vist lovende resultater, men disse inkluderte ikke sveiste prøver. Denne oppgaven er en teoretisk studie av effekten sveising har på korrosjonsmotstanden til LDX 2101, med fokus på uønskede sekundærfaser. I tillegg har den forventede oppførselen til LDX 2101 i varm konsentrert salpetersyre blitt forutsagt på bakgrunn av relevante studier av oppførselen til andre duplex rustfrie stål i Huey testen (ASTM A262 Practice C). En enkel mikrostrukturell undersøkelse og en påfølgende Huey test har også blitt utført på ubehandlede og slipte prøver fra LDX 2101 plater som var sveist med tre ulike buesveisemetoder, disse platene var levert av Yara International. Det ble i tillegg utført en evaluering av åtte ulike NDT metoder, hvor den teoretiske bakgrunnen til teknologiene ble presentert. Metodenes nøyaktighet og evne til å påvise sigmafase i duplex rustfrie stål har blitt vurdert, i tillegg til deres potensiale for bruk i feltundersøkelser.

Kromnitrider ser ut til å være den eneste skadelige utfellingen som kan dannes i den varmepåvirkede sonen (HAZ) i LDX 2101 under sveising. Tilrettelagte sveiseprosedyrer virker derimot å kunne motvirke både formasjon og vekst av denne fasen. Det virker derfor lite sannsynlig at sveising vil redusere korrosjonsmotstanden til LDX 2101 i varm konsentrert salpetersyre i stor grad. Austenittinnholdet ser ut til å være høyt i HAZ for de tre testede platene, og bredden på HAZ virker å ligge mellom 0.1 - 0.4 mm. En grundigere undersøkelse (f.eks. SEM/EDS) vil være nødvendig for å kunne konkludere med hvilke faser som er til stede i prøvene. Den gjennomsnittlige korrosjonshastigheten i Huey-testen lå mellom 0.325 - 0.414 mm/år. Sveiseoksider førte ikke til en drastisk økning i korrosjonshastighet. En undersøkelse av de korroderte overflatene må gjennomføres for å kunne påvise og analysere eventuelle lokale korrosjonsangrep.

Feltmetallografi ble identifisert som den mest nøyaktige og anvendelige NDT metoden. For et høyt antall av komponenter, burde feltmetallografi og ferritescope brukes i fellesskap for å redusere testetider. Røntgendiffraksjon viste seg å være den mest anvendelige metoden til å påvise sigmafase i komponenter med tykkvegget gods. Per dags dato er Mössbauer spektroskopi, KPFM, ultralyd, DL-EPR og hardhetstesting ikke anvendelige til å påvise sigmafase i duplex rustfrie stål på grunn av stor unøyaktighet, underutviklede prosedyrer eller kontroversielle syn rundt helse, miljø og sikkerhet.

The lean duplex stainless steel LDX 2101® (EN 1.4162, UNS S32101) has been suggested as a replacement for the austenitic stainless steel 304L (EN 1.4306, UNS S30403) in nitric acid service. Initial corrosion tests have shown promising results. However, the tests did not involve welded joints. This thesis involves a theoretical study on the effect of welding on the corrosion resistance of LDX 2101, with particular focus on detrimental secondary phases. Furthermore, the expected behavior of welded LDX 2101 in hot concentrated nitric acid has been predicted by reviewing relevant studies on duplex stainless steels in the Huey test (ASTM A262 Practice C). A simple microstructural examination and subsequent Huey test have also been conducted on as-received and ground samples from three different arc-welded LDX 2101 plates provided by Yara International. In addition, eight different NDT methods have been reviewed. The theoretical background of the technologies has been presented. The methods' accuracy and ability to detect sigma phase in duplex stainless steels have been examined, as well as their potential for in-situ examination.

Chromium nitride appears to be the only detrimental phase that may form in the heat-affected zone (HAZ) of LDX 2101 during welding. However, proper welding procedures should be sufficient to inhibit the formation and growth of this phase. Hence, welding is predicted to be unlikely to cause a significant reduction in the corrosion resistance of LDX 2101 in hot concentrated nitric acid. The austenite content in the HAZ of the three received samples appears to be good, and the HAZ width seems to be between 0.1 - 0.4 mm. A more thorough examination (e.g., SEM/EDS) must be conducted to conclude which phases are present. The average corrosion rates in the Huey test were between 0.325 - 0.414 mm/year. The presence of weld oxides did not have a deleterious effect. An examination of the corroded surfaces must be conducted to investigate the presence of localized attacks and their penetration depth.

Field metallography was determined as the most accurate and viable NDT-method. For large numbers of components, ferritescopes should be used in unison with field metallography to reduce test-times. The most viable option for thick-walled components was X-ray diffraction. Currently, Mössbauer spectroscopy, KPFM, ultrasound, DL-EPR, and hardness testing are not viable for in-situ detection of sigma phase in duplex stainless steels due to inaccuracies, underdeveloped procedures, or health and safety controversy.