Kako se volumni udio uključaka ne-metalnih oksida nakon ponovnog taljenja vakuumskog luka 316 gustoće mjesta inicijacije kontrolne jame plašta grijača u vodi visoke-čistoće na 90 stupnjeva

Inkluzivna populacija kao jedini mehanizam inicijacije pittinga u okruženjima s niskim-kloridom

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% u vodi visoke čistoće na 90 stupnjeva stvorit će 10-50 jamica/cm2 u 1000 sati, ali materijal tretiran VAR-om s<0.002% inclusions is pit-free for >10 000 sati. U ovom radu istražen je utjecaj životnog vijeka, gustoće inicijacije jama i volumnog udjela oksidnih inkluzija na vodu visoke-čistoće.

Rupičasto ponašanje čelika izazvano mehanizmom uključivanja oksida

Za razliku od inkluzija manganovog sulfida koje su elektrokemijski aktivne i otapanjem izazivaju piting, inkluzije oksida (Al₂O3, MgO·Al₂O3) su inertni izolatori. Oni igraju mehaničku i geometrijsku ulogu u nastanku pitinga. Međusklop između oksidne inkluzije i austenitne matrice razlikuje se u koeficijentu toplinske ekspanzije (KTŠ Al2O3=8×10−6 / stupanj prema . 316 ≈ 17×10−6 / stupanj ). Ova neusklađenost CTE-a uzrokuje jaz (pukotinu) između inkluzije i matrice nakon ciklusa zagrijavanja (do 90 stupnjeva) i hlađenja. Ova pukotina je ispunjena vodom i kloridnim ionima (čak i na<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.

Odnos između volumnog udjela inkluzije oksida i kvantifikacije gustoće udubljenja na 90 stupnjeva

Testovi kontroliranog uranjanja cijevi 316 iz različitih procesa proizvodnje čelika (EAF, AOD, VAR) u vodi visoke čistoće (8 ppm Cl⁻, vodljivost 15 µS/cm, pH 7,0) na 90 stupnjeva tijekom 5000 sati utvrdili su sljedeće gustoće inicijacije jame.

Normalni volumni udio inkluzija oksida (%) u procesu proizvodnje čelika. Veličina Raspon inkluzija (µm) Pits/cm² nakon 5000 sati na 90 stupnjeva Maksimalna dubina jamica nakon 5000 h (µm) Vrijeme do prvog stabilnog pita (h) Preporučena usluga za vodu visoke čistoće
VAR (pretopljeno vakuumskim lukom)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10 000 Najbolji ESR (pretopljen elektrošljakom) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5,000-10 000 Izvrstan AOD (dekarburiziran argon-kisik) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2,000-5,000 Prihvatljivo
AOD + liječenje kalcijem 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1,000-3,000 Marginalno
EAF (elektrolučna peć, standard) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500 Nije preporučljivo
EAF (loša kvaliteta) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Neprihvatljivo
Utjecaj koncentracije klorida na prag-inducirane pitinga

Početak pitinga na oksidnim inkluzijama ubrzava prisutnost čak i minimalnih klorida. Donja tablica ilustrira najveći dopušteni postotak volumena uključenog oksida za 5 godina rada kao funkciju koncentracije klorida na 90 stupnjeva.

Koncentracija klorida (ppm) Maksimalno dopušteni volumni udio uključenog oksida (%) Predložena ruta proizvodnje čelika Alternativna ako se prekorači<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 VAR Nadogradnja na 316L, pasivizacija50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Uključivanje-Kontrolirana specifikacija za uslugu visoke čistoće vode

Specifikacije za 316 obložene grijače za-vode visoke čistoće u dokumentima o nabavi trebaju uključivati ​​sljedeće:

Primjena Maksimalni klorid (ppm) Potreban postupak proizvodnje čelika Maksimalni volumni udio uključenog oksida Metoda verifikacije
Farmaceutski WFI (voda za injekcije)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Ispiranje poluvodiča (ultrapisto)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Visokotlačna{0}}voda za napajanje 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

Kupci kojima je potrebno uključivanje kontrolirano 316 imaju tri tehnike provjere. Prva je ASTM E45 (Standardne ispitne metode za određivanje sadržaja inkluzija čelika), ili Metoda A (najgore polje) ili Metoda D (analiza slike). Za primjene visoke čistoće maksimalna ozbiljnost od 0,5 navedena je za inkluzije tipa B (aluminij). Druga je skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) s energetski disperzivnom spektroskopijom X-zraka (EDS) na poliranom poprečnom-presjeku (500-1000×) brojeći inkluzije u 10 vidnih polja. Prag prihvatljivosti je manji od 10 inkluzija po mm 2 većih od 2 µm. Treći test je pojednostavljeni test uranjanja gdje je uzorak cijevi uronjen u vodu visoke čistoće (10 ppm Cl⁻) na 90 stupnjeva tijekom 1000 sati. Ako su vidljive jamice, sadržaj inkluzije je previsok.

Terenska identifikacija pitinga iz oksidnih uključaka

Uključci oksida su vjerojatni uzrok 316 grijača pittinga u visokokvalitetnoj vodi gdje su kloridi manji od 10-20 ppm. Mikroskopski (200-500×) mjesto udubljenja otkrit će inkluziju Al 2 O 3 ili spinela u srcu udubine, a inkluzija se često djelomično pomakne. Jamice su sitne (promjera 10-100 µm), brojne i ravnomjerno raspoređene. EDS pregled središta jame potvrđuje O i Al. Rješenje za ove probleme je navesti VAR ili ESR-grade 316 za buduće kupnje. Grijač se ne može popraviti i mora se zamijeniti cijevima s kontrolom uključivanja.

Zaključak: Oznaka VAR/ESR 316 za usluge visoke čistoće vode

Za grijače omotane od nehrđajućeg čelika 316 u vodi visoke čistoće (kloridi<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 sati. Ako se 316 omotača specificira za upotrebu u farmaceutskim, poluvodičkim ili ultra-primjenama za grijanje čiste vode, tada inženjeri moraju trebati materijal VAR ili ESR stupnja i testirati sadržaj inkluzije prema ASTM E45 s ograničenjima ozbiljnosti<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.