Ako reguluje objemový podiel inklúzií ne-kovových oxidov po pretavení vákuovým oblúkom 316 rúrky ohrievača hustotu miesta iniciácie jamy vo vode s vysokou-čistotou pri 90 stupňoch

Inklúzna populácia ako jediný mechanizmus iniciácie kôstok v prostredí s nízkym-chloridom

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 % vo vode s vysokou čistotou pri 90 stupňoch vytvorí 10-50 jamiek/cm2 za 1 000 hodín, ale materiál ošetrený VAR s<0.002% inclusions is pit-free for >10 000 hodín. V tomto článku sa skúmal vplyv životnosti, hustoty iniciácie jamiek a objemového podielu oxidových inklúzií na vodu vysokej-čistoty.

Jamkové správanie ocele vyvolané mechanizmom inklúzie oxidov

Na rozdiel od inklúzií sulfidu mangánu, ktoré sú elektrochemicky aktívne a rozpúšťaním vyvolávajú jamku, oxidové inklúzie (Al2O3, MgO·Al2O3) sú inertné izolátory. Hrajú mechanickú a geometrickú úlohu pri vzniku jamkovej korózie. Rozhranie medzi oxidovou inklúziou a austenitickou matricou sa líši koeficientom tepelnej rozťažnosti (CTE Al2O3=8×10−6 / stupeň vs. 316 ≈ 17×10−6 / stupeň ). Tento nesúlad CTE spôsobuje medzeru (štrbinu) medzi inklúziou a matricou pri zahrievaní (až do 90 stupňov) a chladiacich cykloch. Táto štrbina je vyplnená vodou a chloridovými iónmi (aj pri<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.

Vzťah medzi objemovou frakciou oxidových inklúzií a kvantifikáciou hustoty jamiek pri 90 stupňoch

Kontrolované ponorné testy 316 rúrok z rôznych procesov výroby ocele (EAF, AOD, VAR) vo vode s vysokou čistotou (8 ppm Cl⁻, 15 µS/cm vodivosť, pH 7,0) pri 90 stupňoch počas 5 000 hodín stanovili nasledujúce hustoty iniciácie jamiek.

Normálny objemový podiel oxidových inklúzií (%) v procese výroby ocele Veľkosť rozsahu vtrúsenín (µm) Jamky/cm² po 5 000 hodinách pri 90 stupňoch Maximálna hĺbka jamy po 5 000 h (µm) Čas do prvej stabilnej jamy (h) Odporúčaná služba pre vodu s vysokou čistotou
VAR (vákuový oblúk pretavený)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10 000 Najlepšie ESR (pretavená elektrotroska) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5 000-10 000 Výborná AOD (oduhličená argónom a kyslíkom) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2 000 – 5 000 Prijateľné
AOD + liečba vápnikom 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1 000 – 3 000 marginálne
EAF (elektrická oblúková pec, štandard) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1, 500 Neodporúča sa
EAF (zlá kvalita) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Neprijateľné
Vplyv koncentrácie chloridov na inklúziu-Práh vyvolaného pittingu

Začiatok jamkovej korózie v oxidových inklúziách je urýchlený prítomnosťou aj minimálnych chloridov. Nižšie uvedená tabuľka ilustruje maximálne povolené percento objemu oxidov pre 5-ročnú prevádzku ako funkciu koncentrácie chloridov pri 90 stupňoch.

Koncentrácia chloridu (ppm) Maximálny povolený objemový podiel inklúzie oxidu (%) Navrhovaný postup výroby ocele Alternatívny v prípade prekročenia<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 VARUpgrade na 316L, pasivácia50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Inclusion-Kontrolovaná špecifikácia pre služby s vysokou čistotou vody

Špecifikácie pre 316 plášťových ohrievačov pre aplikácie s vysokou-čistou vodou v obstarávacích dokumentoch by mali obsahovať nasledovné:

Použitie Maximálny obsah chloridov (ppm) Požadovaný proces výroby ocele Maximálny objemový podiel inklúzií oxidov Metóda overovania
Farmaceutická WFI (voda na injekciu)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Oplach polovodičov (ultračistý)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Napájacia voda-do kotla<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

Kupujúci, ktorí potrebujú kontrolu zahrnutia 316, majú tri overovacie techniky. Prvým je ASTM E45 (štandardné skúšobné metódy na stanovenie obsahu inklúzií v oceli), buď metóda A (najhoršie pole) alebo metóda D (analýza obrazu). Pre aplikácie s vysokou čistotou je špecifikovaná maximálna tvrdosť 0,5 pre inklúzie typu B (oxid hlinitý). Druhým je rastrovacia elektrónová mikroskopia (SEM) s energeticky disperznou röntgenovou spektroskopiou (EDS) na leštenom priereze (500 – 1 000×), ktorý počíta inklúzie v 10 zorných poliach. Akceptačný prah je menší ako 10 inklúzií na mm2 väčší ako 2 µm. Tretí test je zjednodušený ponorný test, pri ktorom sa vzorka hadičky ponorí do vysoko čistej vody (10 ppm Cl⁻) pri 90 stupňoch na 1000 hodín. Ak sú viditeľné jamky, obsah inklúzií je príliš vysoký.

Identifikácia jamiek z oxidových inklúzií v teréne

Oxidové inklúzie sú pravdepodobnou príčinou bodkovania ohrievača 316 vo vysoko kvalitnej vode, kde je obsah chloridov nižší ako 10-20 ppm. Mikroskopicky (200-500×) miesto jamky odhalí inklúziu Al 2 O 3 alebo spinel v srdci jamky, pričom inklúzia je často čiastočne uvoľnená. Jamky sú drobné (priemer 10–100 µm), početné a rovnomerne rozložené. EDS vyšetrenie stredu jamiek overuje O a Al. Oprava týchto problémov je špecifikovať VAR alebo ESR-grade 316 pre budúce nákupy. Ohrievač nie je opraviteľný a musí byť nahradený hadičkami s riadenou inklúziou.

Záver: Označenie VAR/ESR 316 pre službu s vysokou čistotou vody

Pre ohrievače z nehrdzavejúcej ocele 316 zabalené vo vode s vysokou čistotou (chloridy<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 hodín. Ak je 316 plášťov špecifikovaných na použitie vo farmaceutických, polovodičových alebo ultra{4}}čistých vodách, inžinieri musia potrebovať materiál triedy VAR alebo ESR a otestovať obsah podľa ASTM E45 s limitmi závažnosti.<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.