Miten ei--metallioksidiinkluusioten tilavuusosuus 316:n lämmittimen vaippaletkun ohjauskuopan aloituspaikan tiheydestä tyhjiökaarisulatuksen jälkeen korkean-puhtauden vedessä 90 asteessa

Inkluusiopopulaatio ainoana pisteen alkumekanismina vähäkloridiympäristöissä{0}}

With 316 stainless steel clad electric heating tubes in high purity water applications such as pharmaceutical water systems, semiconductor rinse tanks or high pressure boiler feedwater when the chloride levels are under 10 ppm, conventional chloride-induced pitting is not expected. However the pitting does occur in these conditions and the beginning sites are virtually solely non-metallic oxide inclusions (mainly alumina, Al2O3 and spinels) rather than manganese sulphides. The oxide inclusion volume fraction of a normal electric-arc furnace (EAF) 316 is usually 0.01–0.05%. Vacuum arc remelting (VAR) or electroslag remelting (ESR) reduce the oxide inclusion volume percentage to less than 0.002% (a 10-25 fold reduction). A 316 sheath with an oxide inclusion volume fraction >0,01 % erittäin puhtaassa vedessä 90 asteessa tuottaa 10-50 kuoppia/cm2 1000 tunnissa, mutta VAR-käsitelty materiaali<0.002% inclusions is pit-free for >10 000 tuntia. Tässä artikkelissa tutkittiin käyttöiän, kuopan initiaatiotiheyden ja oksidin inkluusiotilavuusosuuden vaikutusta erittäin -puhtaiseen veteen.

Oksidin inkluusiomekanismin aiheuttama teräksen pistekäyttäytyminen

Toisin kuin mangaanisulfidisulkeumat, jotka ovat sähkökemiallisesti aktiivisia ja aiheuttavat pistesyöpymistä liukenemalla, oksidisulkeumat (Al2O3, MgO·Al2O3) ovat inerttejä eristeitä. Niillä on mekaaninen ja geometrinen rooli pisteen muodostumisen alkaessa. Oksidiinkluusio ja austeniittisen matriisin välinen rajapinta eroaa lämpölaajenemiskertoimen suhteen (CTE Al2O3=8×10-6 / aste vs . 316 ≈ 17 × 10-6 / aste ). Tämä CTE:n yhteensopimattomuus aiheuttaa raon (raon) inkluusion ja matriisin välille kuumennus- (90 asteeseen asti) ja jäähdytysjaksojen aikana. Tämä rako on täynnä vettä ja kloridi-ioneja (jopa klo<10 ppm) and constitutes the differential aeration cell that causes pitting. The pit then propagates by normal chloride driven mechanisms, but the bulk chloride is low. The number of pits is related to the number of oxide inclusions exposed at the surface.

Oksidin inkluusiotilavuusosuuden ja kuopan tiheyden kvantifioinnin välinen suhde 90 asteessa

Eri teräksen tuotantoprosesseista (EAF, AOD, VAR) peräisin olevan 316-putken kontrolloidut upotuskokeet erittäin puhtaassa vedessä (8 ppm Cl-, 15 µS/cm johtavuus, pH 7,0) 90 asteessa 5 000 tunnin ajan ovat osoittaneet seuraavat kuoppa-aloitustiheydet.

Normaali oksidin inkluusiotilavuusosuus (%) teräksenvalmistusprosessissa. Koko Inkluusioalue (µm) Kuoppia/cm² 5 000 tunnin jälkeen 90 asteessa Maksimisyvyys 5 000 tunnin kuluttua (µm) Aika ensimmäiseen vakaaseen kuoppaan (h) Suositeltu huolto erittäin puhtaalle vedelle
VAR (tyhjiökaari uudelleensulatettu)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10 000 paras ESR (uudelleensulatettu sähkökuona) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5 000-10 000 Erinomainen AOD (argon-happipoisto) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2, 000-5 000 Hyväksyttävä
AOD + kalsiumhoito 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1, 000-3 000 marginaali
EAF (sähkökaariuuni, vakio) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500Ei suositella
EAF (huono laatu) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Ei hyväksyttävää
Kloridipitoisuuden vaikutus inkluusioon{0}}indusoituun pistekorjauskynnykseen

Pistojen muodostumista oksidisulkeutumien kohdalla nopeuttaa jopa minimaalisten kloridien läsnäolo. Alla oleva taulukko havainnollistaa suurinta sallittua oksidipitoisuuden tilavuusprosenttia 5 vuoden käytölle kloridipitoisuuden funktiona 90 asteessa.

Kloridipitoisuus (ppm) Suurin sallittu oksidin inkluusiotilavuusosuus (%) Ehdotettu teräksenvalmistusreitti Vaihtoehto, jos ylitys<1 0.020 AOD or betterNone 1-5 0.010 AOD + calcium therapyNone 5-10 0.005 AOD (premium) or ESR None 10-20 0.003 ESR or VAR 316L with electropolishing 
20-50 0.002 VARUpäivitys 316 litraan, passivointi50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Sisällys-High Purity Water Servicen valvottu eritelmä

Hankinta-asiakirjoissa olevien 316-vaippaisten lämmittimien eritelmien tulee sisältää seuraavat tiedot:

Käyttö Enimmäismäärä kloridia (ppm) Vaadittu teräksenvalmistusprosessi Suurin oksidin inkluusiotilavuusosuus Varmistusmenetelmä
Farmaseuttinen WFI (injektionesteisiin käytettävä vesi)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Puolijohdehuuhtelu (ultrapure)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Korkeapaineinen{0}}kattilan syöttövesi<5 ESR or AOD premium <0.005% (50 ppm) ASTM E45 Method A General high purity industrial <10 AOD with calcium treatment <0.010% (100 ppm) ASTM E45

Ostajilla, jotka tarvitsevat sisällyttämistä valvotun 316, on kolme varmennustekniikkaa. Ensimmäinen on ASTM E45 (Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel), joko menetelmä A (huonoin kenttä) tai menetelmä D (kuvaanalyysi). Korkean puhtausasteen sovelluksissa tyypin B (alumiinioksidi) inkluusioiden enimmäisvakavuus on 0,5. Toinen on pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM) energiaa hajottavalla röntgenspektroskopialla (EDS) kiillotetulla poikki-leikkauksella (500-1000×) ja laskee sulkeumat 10 näkökentässä. Hyväksymiskynnys on alle 10 sulkeumaa/mm 2 suurempi kuin 2 µm. Kolmas testi on yksinkertaistettu upotuskoe, jossa putkinäyte upotetaan erittäin puhtaaseen veteen (10 ppm Cl⁻) 90 asteessa 1 000 tunniksi. Jos kuoppia on näkyvissä, inkluusiopitoisuus on liian korkea.

Oksidisulkeumien aiheuttamien kuoppien kenttätunnistus

Oksidisulkeumat ovat todennäköinen syy 316-lämmittimen kuoppaan korkealaatuisessa vedessä, jossa klorideja on alle 10-20 ppm. Mikroskooppisesti (200{14}}500×) kuoppakohta paljastaa Al 2 O 3 - tai spinelliinkluusiota kuopan sydämessä, joka on usein osittain irronnut. Kuopat ovat pieniä (halkaisija 10–100 µm), lukuisia ja tasaisesti jakautuneita. Kuopan keskustan EDS-tutkimus varmistaa O:n ja Al:n. Korjaus näihin ongelmiin on määrittää VAR tai ESR-luokan 316 tulevia ostoja varten. Lämmitin ei ole korjattavissa, ja se on korvattava inkluusioohjatulla letkulla.

Johtopäätös: VAR/ESR 316:n nimitys korkean puhtausvesipalvelun osalta

316 ruostumattomasta teräksestä käärittyihin lämmittimiin erittäin puhtaassa vedessä (kloridit<10 ppm) at 90°C, the dominant pitting initiation mechanism is galvanic crevice attack at non-metallic oxide inclusions. Standard EAF steel with 0.015-0.03% oxide inclusion volume fractions produces 5-20 pits/cm2 and perforation in 2-5 years in 5,000 hours. VAR or ESR processing decreases the oxide inclusion volume percentage to <0.002-0.005% and increases the pit-free life to >10 000 tuntia. Jos 316 vaippaa on määritelty käytettäväksi farmaseuttisissa, puolijohde- tai ultra{4}}puhdasvesilämmityssovelluksissa, insinöörien on tarvitseva VAR- tai ESR-luokan materiaalia ja testattava inkluusiosisältö ASTM E45:n mukaan vakavuusrajoilla<0.5 for Type B inclusions. The framework described correlates oxide inclusion volume percentage with measurable pit initiation density and service life. Buyers may now select 316 tubing that resists pitting even in the most aggressive high purity water situations.