Как се променя обемната част на не-метални оксидни включвания след вакуумно дъгово претопяване на 316 нагревателна обвивка на тръбопровода за контролна яма на мястото на иницииране на плътността във вода с висока-чистота при 90 градуса

Включващата популация като единственият механизъм за иницииране на питинг в среда с ниски-хлориди

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% във вода с висока чистота при 90 градуса ще генерира 10-50 ямки/cm2 за 1000 часа, но третираният с VAR материал с<0.002% inclusions is pit-free for >10 000 часа. В тази статия е изследвано влиянието на експлоатационния живот, плътността на образуване на яма и обемната част на включването на оксид върху водата с висока-чистота.

Питинг поведение на стомана, предизвикано от механизъм на включване на оксид

За разлика от включванията на манганов сулфид, които са електрохимично активни и предизвикват питинг чрез разтваряне, оксидните включвания (Al₂O3, MgO·Al2O3) са инертни изолатори. Те играят механична и геометрична роля при появата на питинг. Интерфейсът между включването на оксид и аустенитната матрица се различава по коефициента на топлинно разширение (CTE на Al2O3=8×10−6 / градус спрямо . 316 ≈ 17×10−6 / градус). Това несъответствие на CTE причинява празнина (пукнатина) между включването и матрицата при цикли на нагряване (до 90 градуса) и охлаждане. Тази пукнатина е пълна с вода и хлоридни йони (дори при<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.

Връзка между обемната фракция на включването на оксид и количественото определяне на плътността на ямата при 90 градуса

Тестове с контролирано потапяне на тръби 316 от различни производствени процеси на стомана (EAF, AOD, VAR) във вода с висока чистота (8 ppm Cl⁻, 15 µS/cm проводимост, pH 7,0) при 90 градуса за 5000 часа са установили следните плътности на иницииране на ямата.

Обемна фракция на нормално включване на оксид (%) в процеса на производство на стомана Размер Диапазон на включванията (µm) Питс/cm² след 5 000 часа при 90 градуса Максимална дълбочина на вдлъбнатината след 5 000 часа (µm) Време до първата стабилна яма (h) Препоръчително обслужване за вода с висока чистота
VAR (претопено чрез вакуумна дъга)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10 000 Най-добро ESR (претопено чрез електрошлака) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5,000-10 000 Отлично AOD (аргон-кислородно декарбуризирано) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2,000-5,000 Приемливо
AOD + лечение с калций 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1,000-3000 Маргинално
EAF (електрическа дъгова пещ, стандарт) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500 Не се препоръчва
EAF (лошо качество) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Неприемливо
Влияние на концентрацията на хлорид върху прага-предизвикан питинг

Началото на питинг при оксидни включвания се ускорява от наличието дори на минимални хлориди. Таблицата по-долу илюстрира максимално допустимия обемен процент на включване на оксид за 5 години експлоатация като функция на концентрацията на хлорид при 90 градуса.

Концентрация на хлорид (ppm) Максимално допустима обемна фракция на включване на оксид (%) Предложен маршрут за производство на стомана Алтернативен при превишаване<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 до 316L, пасивиране50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Включване-Контролирана спецификация за високочиста вода

Спецификациите за нагреватели с обвивка 316 за приложения с висока-чиста вода в документите за обществената поръчка трябва да включват следното:

Приложение Максимален хлорид (ppm) Необходим процес на производство на стомана Максимална обемна част на включване на оксид Метод на проверка
Фармацевтичен WFI (вода за инжекции)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Изплакване на полупроводници (свръхчисто)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Захранваща-вода за котел под високо налягане<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

Купувачите, които се нуждаят от контролирано включване 316, имат три техники за проверка. Първият е ASTM E45 (Стандартни методи за изпитване за определяне на съдържанието на стомана), или метод A (най-лошото поле), или метод D (анализ на изображението). За приложения с висока чистота е посочена максимална строгост от 0,5 за включвания от тип B (алуминиев оксид). Втората е сканираща електронна микроскопия (SEM) с енергийно дисперсионна рентгенова-спектроскопия (EDS) върху полирано напречно-срез (500-1000×), преброяващо включвания в 10 зрителни полета. Прагът на приемане е по-малък от 10 включвания на mm 2, по-големи от 2 µm. Третият тест е опростен тест с потапяне, при който проба от тръби се потапя във вода с висока чистота (10 ppm Cl⁻) при 90 градуса за 1000 часа. Ако се виждат ямки, съдържанието на включения е твърде високо.

Полева идентификация на питинг от оксидни включвания

Включванията на оксиди са вероятната причина за питинг на нагревател 316 във висококачествена вода, където хлоридите са по-малко от 10-20 ppm. Микроскопски (200-500×) мястото на вдлъбнатината ще разкрие включване на Al 2 O 3 или шпинел в сърцето на вдлъбнатината, като включването често е частично изместено. Ямките са малки (диаметър 10–100 µm), многобройни и равномерно разпределени. EDS изследването на центъра на ямата потвърждава O и Al. Решението за тези проблеми е да се посочи VAR или ESR-клас 316 за бъдещи покупки. Нагревателят не подлежи на ремонт и трябва да бъде заменен с тръба с контролирано включване.

Заключение: Определяне на VAR/ESR 316 за високочиста вода

За нагреватели с обвивка от неръждаема стомана 316 във вода с висока чистота (хлориди<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 часа. Ако 316 обвивки са определени за използване във фармацевтични, полупроводникови или свръх-приложения за нагряване на вода, тогава инженерите трябва да се нуждаят от материал с клас VAR или ESR и да тестват за съдържание на включване към ASTM E45 с ограничения на тежестта<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.