Як змінюється об’ємна частка включень не-металевих оксидів після вакуумно-дугового переплаву 316 трубки оболонки нагрівача на щільність місця ініціації контрольної ями у воді високої-чистості при 90 градусах

Інклюзивна популяція як єдиний механізм ініціації піттингу в середовищах із низьким вмістом{0}}хлориду

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% у воді високої чистоти при 90 градусах створить 10-50 піт/см2 за 1000 годин, але оброблений VAR матеріал з<0.002% inclusions is pit-free for >10 000 годин. У цій статті досліджено вплив терміну служби, щільності ініціації ямки та об’ємної частки оксидних включень на воду високої-чистоти.

Точкова поведінка сталі, спричинена механізмом включення оксиду

На відміну від включень сульфіду марганцю, які є електрохімічно активними та викликають пітінг шляхом розчинення, оксидні включення (Al₂O₃, MgO·Al₂O3) є інертними ізоляторами. Вони відіграють механічну та геометричну роль у виникненні пітингу. Межа розділу між включенням оксиду та аустенітною матрицею відрізняється коефіцієнтом теплового розширення (КТР Al2O3=8×10−6/градус проти . 316 ≈ 17×10−6/градус). Ця невідповідність КТР викликає зазор (щілину) між включенням і матрицею при циклах нагрівання (до 90 градусів) і охолодження. Ця щілина заповнена водою та іонами хлориду (навіть 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.

Зв’язок між об’ємною часткою включення оксиду та кількісним визначенням щільності ямки під кутом 90 градусів

Контрольовані випробування зануренням труб 316 із різних процесів виробництва сталі (EAF, AOD, VAR) у воду високої чистоти (8 ppm Cl⁻, 15 мкСм/см провідність, рН 7,0) при 90 градусах протягом 5000 годин встановили наступну початкову щільність котловану.

Нормальна об’ємна частка включень оксиду (%) у сталеплавильному процесі Розмір Діапазон включень (мкм) Піти/см² після 5000 годин при 90 градусах Максимальна глибина ямок після 5000 годин (мкм) Час до першої стабільної ямки (год) Рекомендоване обслуговування для високочистої води
VAR (вакуумно-дуговий переплав)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10 000 Найкращий ESR (електрошлаковий переплав) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5 000-10 000 Відмінний AOD (декарбуризований аргон-кисень) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2 000-5 000 Прийнятний
AOD + лікування кальцієм 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1,000-3000 Гранично
EAF (дугова електропіч, стандартна) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500 Не рекомендується
EAF (погана якість) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 неприйнятно
Вплив концентрації хлориду на поріг-індукованого піттингу

Початок піттингу на оксидних включеннях прискорюється присутністю навіть мінімальних хлоридів. У наведеній нижче таблиці показано максимально допустимий об'ємний відсоток включень оксиду протягом 5 років служби як функцію концентрації хлориду при 90 градусах.

Концентрація хлориду (ppm) Максимально допустима об’ємна частка включення оксиду (%) Запропонований маршрут виробництва сталі Альтернативний у разі перевищення<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, passivation50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Включення-Контрольована специфікація для обслуговування високочистої води

Специфікації для нагрівачів із оболонкою 316 для -застосувань високочистої води в закупівельній документації мають містити наступне:

Застосування Максимальна кількість хлоридів (ppm) Необхідний процес виробництва сталі Максимальна об’ємна частка включення оксиду Метод перевірки
Pharmaceutical WFI (вода для ін'єкцій)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Промивання напівпровідників (надчистий)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Живильна вода-котла високого тиску<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

Покупці, які потребують контрольованого включення 316, мають три методи перевірки. Перший — ASTM E45 (Стандартні методи випробувань для визначення вмісту включень у сталі), або метод A (найгірше поле), або метод D (аналіз зображення). Для застосувань з високою чистотою максимальний рівень серйозності 0,5 вказано для включень типу B (оксид алюмінію). Другий – скануюча електронна мікроскопія (SEM) з енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією (EDS) на полірованому поперечному -зрізі (500-1000×) із підрахунком включень у 10 полях зору. Поріг прийнятності становить менше 10 включень на мм 2 більше 2 мкм. Третє випробування — це спрощене випробування зануренням, коли зразок трубки занурюють у воду високої чистоти (10 ppm Cl⁻) при 90 градусах на 1000 годин. Якщо видно ямки, вміст включень занадто високий.

Польова ідентифікація пітингу з оксидних включень

Оксидні включення є ймовірною причиною 316 пітингу нагрівача у високоякісній воді, де хлоридів менше 10-20 ppm. Мікроскопічно (200-500×) місце ямки виявить включення Al 2 O 3 або шпінелі в центрі ямки, причому включення часто частково зміщується. Ямки дрібні (діаметром 10–100 мкм), численні й рівномірно розподілені. Перевірка EDS центру ями перевіряє O та Al. Щоб вирішити ці проблеми, потрібно вказати VAR або ESR-grade 316 для майбутніх покупок. Нагрівач ремонту не підлягає і повинен бути замінений на трубку з контрольованим включенням.

Висновок: Позначення VAR/ESR 316 для високочистої води

Для обігрівачів із нержавіючої сталі 316 у воді високої чистоти (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 годин. Якщо 316 оболонок призначено для використання у фармацевтичних, напівпровідникових або над-пристроях для нагріву надчистої води, тоді інженерам потрібен матеріал класу VAR або ESR і перевірка вмісту включень відповідно до ASTM E45 з обмеженнями суворості<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.