Kuinka primaaristen tina-inkluusioten tilavuusosuus tyhjiössä-kaari-uudelleensulatetussa (VAR) 316 litran lämmittimen vaippaletkussa säätelee kuopan alkamisaikaa hapetetussa korkean -puhtausluokan vedessä 90 asteessa

Inkluusiostabiilisuus voimakkaasti hapettavissa olosuhteissa

The pitting resistance of 316L stainless steel sheathed electric heating tubes used in oxygenated high-purity water systems like auxiliary cooling systems of nuclear power plants, pharmaceutical water-for-injection (WFI) heaters or semiconductor ultrapure water (UPW) heaters containing dissolved oxygen of 2-8 ppm is controlled by titanium nitride (TiN) inclusions rather than manganese sulphide (MnS) or aluminium oxide (Al2O3). Under very oxidising conditions, the MnS inclusions are quickly oxidised and dissolved at a high oxygen potential and are thus harmless. Al₂O₃ inclusions are inert. TiN inclusions are semi-conducting however and galvanically cathodic to the 316L matrix. The cathodic reaction (reduction of oxygen) is effective on the TiN surface in oxygenated water generating a galvanic couple that causes the anodic dissolution of the surrounding matrix and therefore the pitting initiation. Even in VAR grade 316L (vacuum arc remelted, very low inclusion content), TiN volume fractions as low as 0.0005-0.001% (5-10 ppm Ti) can lead to pits after 5,000-10,000 hours at 90°C. Pit initiation times are >50 000 tuntia alle 0,0002 % (2 ppm Ti). Tässä artikkelissa määritetään yhteys TiN-inkluusiotilavuusosuuden (säädetty titaanipitoisuudella) ja kuoppa-aloitusajan välillä hapetetussa erittäin puhtaassa vedessä 90 oC:ssa.

TiN-indusoitujen pisteytysmekanismi hapetetussa vedessä

TiN is a highly electrically conductive material with high electrochemical potential. In oxygenated water, the cathodic reaction (O2 + 2H2O + 4e- -->4OH-) tapahtuu mieluiten TiN-pinnoilla, koska niillä on pienempi hapen vähennyspotentiaali verrattuna 316L:n passiiviseen pinnoitteeseen. Paikallinen liukeneminen inkluusio{4}}matriisin rajapinnassa johtuu TiN-katodin ja viereisen 316L-matriisin (anodin) välisestä galvaanisesta virrasta. Jos pieni kuoppa alkaa, aggressiivinen paikallinen kemia saa sen kasvamaan, vaikka TiN-hiukkanen hajoaisi. Kuopan aloitusaika on kääntäen verrannollinen TiN-inkluusiokokoon ja -tiheyteen. Ti-6Al-4V:n (VAR 316L) TiN:n sisällyttämiselle pääasiallinen inkluusio on TiN (jäännös Ti:stä, jota käytetään hapettimena tai Ti-pitoisuudessa), jonka koko on yleensä 1-5 μm.

TiN-tilavuusosuuden ja kuopan aloitusaikojen välisen suhteen kvantifiointi

Seuraavat kuoppa-aloitusajoitukset on määritetty kontrolloidulla-pitkäaikaisella upotustestillä VAR 316L -letkulle eri jäännöstitaanitasoilla (ja siten TiN-tilavuusosuuksilla) happipitoisessa (5 ppm O2) erittäin -puhtaassa vedessä (1 uS/cm,<1 ppb Cl-, 90 C) for up to 50 000 hours.

Residual Titanium (ppm) TiN Volume Fraction (%)TiN Inclusion Density (per mm2, >1 µm) TiN-kokoalue (µm) Kuopan aloitusaika 90 asteessa (tuntia, 5 ppm O2) Suurin kuoppasyvyys 10 000 tunnin jälkeen (µm) Suositellaan 90 asteen hapetettuun korkean{7}}puhtausasteen palveluun<2 (Ti-free) <0.0002 <0.1 N/A >50 000 (ei pisteitä)<5 Best 2-5 0.0002-0.0005 0.1-0.5 1-2 30,000-50,000 5-15 Excellent 5-10 0.0005-0.001 0.5-2 1-3 15,000-30,000 15-30 Yes 10-20 0.001-0.002 2-5 2-4 8,000-15,000 30-50 Acceptable 20-30 0.002-0.003 5-10 2-5 5,000-8,000 50-80 Marginal 30-50 0.003-0.005 10-20 2-6 3,000-5,000 80-120 Not recommended 50-80 0.005-0.008 20-40 3-8 1,500-3,000 120-200 No >80 >0.008 >40 >5 <1,500 >200 nro
Liuenneen hapen vaikutus TiN{0}}indusoituun pistesyöpymiseen

Korkeampi liuennut happi nopeuttaa katodista prosessia TiN:ssä ja lyhentää kuopan alkamisaikaa.

Dissolved Oxygen (ppm) Pit Initiation Time at 10 ppm Ti (hrs)Pit Initiation Time (hours) at 30 ppm TiMaximum Ti for 10,000h Life at Given O_2 Level (ppm) 0.5 >50,000 15,000-25,000 50 1 35,000-50,000 10,000-15,000 40 2 25,000-35,000 8,000-12,000 30 5 15, 000-20,000 5,000-8,000 20 8 10,000-15,000 4,000-6,000 15 10 8,000-12,000 3,000-5,000 10 Käytännön suosituksia erittäin puhtaille vedenlämmittimille

316 litran koteloituille lämmittimille hapetetussa korkealaatuisessa vedessä 90 asteessa suositellut titaanirajat ovat:

Huoltotyyppi Liuotettu happi (ppm) Ti, ppm 10 000 h Pit-Free Life Steelmaking Practice -tarkastusmenetelmä
Pharmaceutical WFI (matala O2)<1 40 VAR (standard) ICP-MS for Ti Pharmaceutical WFI (high O2) 5-8 15 VAR (low Ti) ICP-MS for Ti Semiconductor UPW (high O2) 8-10 10 VAR (ultra-low Ti) GDMS analysis
Ydinapujäähdytyksen 2-5 25 VAR- tai ESR-toimittajan sertifiointi
Yleinen korkean puhtauden teollinen 2-5 30 AOD + matala Ti Mill -sertifikaatti
TiN sisällyttäminen ja Ti-sisällön vahvistus

Ostajilla, jotka haluavat tarkat TiN-rajat, on kaksi varmennustapaa. Ensimmäinen on titaanipitoisuuden kemiallinen tutkiminen induktiivisesti kytketyllä plasmamassaspektrometrialla (ICP-MS) tai hehkupurkausmassaspektrometrialla (GDMS). Hyväksyntä: Ti < 10-15 ppm erittäin puhtaaseen käyttöön. Toinen on metallografinen tutkimus pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) 1 000 -5 000 × kiillotetussa poikkileikkauksessa, jossa lasketaan TiN-sulkeumat (tunnistetaan morfologialla - kulmikas, kuutio, kullankeltainen takaisinsirontaelektronitilassa). Hyväksyminen:<1-5 inclusions TiN per mm2 greater than 2 µm.

Johtopäätös: Ultra Low Ti Spec happipitoisille erittäin puhtaille vedenlämmittimille

Tulokset osoittavat, että pistesyöpymistä tapahtuu 316 litran ruostumattomasta teräksestä päällystetyissä lämmittimissä happipitoisessa (5 ppm O2) erittäin -puhtausvedessä 90 asteessa, kun TiN-sulkeumat ovat vain 0,0005-0,001 % (5-10 ppm Ti). Kun Ti-pitoisuus on alle 2-3 ppm, kuopan aloitusajat ovat yli 50 000 tuntia. Insinöörien, jotka käyttävät 316 litran vaippaa farmaseuttiseen WFI:hen, puolijohteiden UPW:hen tai ydinapulämmitykseen, on määritettävä tyhjiökaariuudelleensulatus (VAR) enintään 10-15 ppm:n titaanipitoisuudella, joka on validoitu ICP-MS:n tai GDMS:n avulla. (Ti ei kontrolloitu, tavallisesti 20-50 ppm) normaalilla 316L:lla kuoppaa hapetettuun erittäin puhtaaseen veteen 2-5 vuodessa 90 asteessa, mikä saastuttaa erittäin puhtaan järjestelmän. Tässä annettu menetelmä, joka korreloi TiN:n tilavuusprosenttia (jäännös Ti:stä) kuopan initiaatiojaksoihin happipitoisessa vedessä, mahdollistaa sen, että asiakkaat voivat valita erittäin vähän titaania sisältävää 316L:tä, joka kestää inkluusio-indusoitua pistesyöpymistä vaativimmissakin erittäin puhtaissa ja happipitoisissa olosuhteissa.