Cum funcţionează fracţiunea de volum a incluziunilor de oxid ne-metalic după retopirea cu arc de vid a tubului de înveliş al încălzitorului 316 controlează densitatea locului de iniţiere a gropii în apă de-puritate ridicată la 90 de grade

Populația de incluziune ca singurul mecanism de inițiere a gropilor în medii cu-cloruri scăzute

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% în apă de înaltă puritate la 90 de grade va genera 10-50 de gropi/cm2 în 1.000 de ore, dar materialul tratat VAR cu<0.002% inclusions is pit-free for >10.000 de ore. În această lucrare, a fost investigată influența duratei de viață, a densității de inițiere a gropii și a fracției de volum de includere a oxidului asupra apei cu puritate ridicată-.

Comportamentul la pitting al oțelului indus de mecanismul de includere a oxidului

Spre deosebire de incluziunile de sulfură de mangan care sunt active electrochimic și induc pitting prin dizolvare, incluziunile de oxid (Al₂O₃, MgO·Al₂O₃) sunt izolatori inerți. Ele joacă un rol mecanic și geometric în apariția pitting-ului. Interfața dintre incluziunea de oxid și matricea austenitică diferă ca coeficient de dilatare termică (CTE al Al2O3=8×10−6 / grad vs. 316 ≈ 17×10−6 / grad). Această nepotrivire a CTE provoacă un decalaj (crăpătură) între incluziune și matrice la ciclurile de încălzire (până la 90 de grade) și de răcire. Această crăpătură este umplută cu apă și ioni de clorură (chiar și la<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.

Relația dintre fracția de volum de includere a oxidului și cuantificarea densității gropii la 90 de grade

Testele de imersie controlată a tuburilor 316 din diferite procese de producție de oțel (EAF, AOD, VAR) în apă de înaltă puritate (8 ppm Cl⁻, 15 µS/cm conductivitate, pH 7,0) la 90 de grade timp de 5.000 de ore au stabilit următoarele densități de inițiere a gropii.

Fracție normală de volum de includere a oxidului (%) în procesul de fabricare a oțelului Dimensiune Interval de incluziuni (µm) Gropi/cm² după 5.000 de ore la 90 de grade Adâncimea maximă a gropii după 5.000 h (µm) Timpul până la prima groapă stabilă (h) Serviciu recomandat pentru apă de înaltă puritate
VAR (arc de vid retopit)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10.000 cel mai bun ESR (electrozgură retopită) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5,000-10.000 AOD excelent (argon-oxigen decarburat) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2,000-5.000 Acceptabil
AOD + tratament cu calciu 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1,000-3.000 Marginal
EAF (cuptor cu arc electric, standard) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500Nerecomandat
EAF (calitate proastă) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Inacceptabil
Influența concentrației de clorură asupra includerii-Pragul de pitting indus

Începutul pitting la incluziunile de oxid este accelerat de prezența chiar și a unor cloruri minime. Tabelul de mai jos ilustrează procentul de volum maxim admisibil de incluziune de oxid pentru 5 ani de funcționare în funcție de concentrația de clorură la 90 de grade.

Concentrația de clorură (ppm) Fracțiunea de volum maximă permisă de includere a oxidului (%) Calea propusă de fabricare a oțeluluiAltern dacă depășire<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 la 316L, pasivare50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Includere-Specificație controlată pentru serviciul de apă de înaltă puritate

Specificațiile pentru încălzitoarele cu manta 316 pentru aplicații cu apă de înaltă puritate-din documentele de achiziție ar trebui să includă următoarele:

Aplicație Clorura maximă (ppm) Procesul de fabricare a oțelului necesar Fracția de volum maximă de includere a oxidului Metoda de verificare
WFI farmaceutic (apă pentru preparate injectabile)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Clătire semiconductoare (ultrapură)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Apa de alimentare de înaltă presiune-cazanului<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

Cumpărătorii care au nevoie de includere controlată 316 au trei tehnici de verificare. Primul este ASTM E45 (Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel), fie Metoda A (câmpul cel mai prost), fie Metoda D (analiza de imagine). Pentru aplicațiile cu puritate ridicată este specificată o severitate maximă de 0,5 pentru incluziunile de tip B (alumină). Al doilea este microscopia electronică cu scanare (SEM) cu spectroscopie cu raze X-con dispersie de energie (EDS) pe o secțiune transversală lustruită (500-1.000×) care numără incluziunile în 10 câmpuri vizuale. Pragul de acceptare este mai mic de 10 incluziuni pe mm2 mai mare de 2 µm. Al treilea test este un test de imersie simplificat în care o probă de tub este scufundată în apă de înaltă puritate (10 ppm Cl⁻) la 90 de grade timp de 1.000 de ore. Dacă gropile sunt vizibile, conținutul de incluziune este prea mare.

Identificarea pe teren a pitting-ului din incluziuni de oxid

Incluziunile de oxid sunt cauza probabilă a pipătării unui încălzitor 316 în apă de înaltă calitate, unde clorurile sunt mai mici de 10-20 ppm. Microscopic (200-500×) locul gropii va dezvălui o incluziune de Al 2 O 3 sau spinel în inima gropii, incluziunea fiind adesea parțial dislocată. Gropile sunt minuscule (diametrul 10–100 µm), numeroase și distribuite uniform. Examinarea EDS a centrului carierei verifică O și Al. Soluția pentru aceste probleme este să specificați VAR sau ESR-grade 316 pentru achiziții viitoare. Încălzitorul nu este reparabil și trebuie înlocuit cu tuburi controlate de incluziune.

Concluzie: Desemnarea VAR/ESR 316 pentru serviciul de apă de înaltă puritate

Pentru încălzitoarele din oțel inoxidabil 316 învelite în apă de înaltă puritate (cloruri<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 de ore. Dacă sunt specificate 316 teci pentru utilizare în aplicații farmaceutice, semiconductoare sau de încălzire a apei ultra-pură, atunci inginerii trebuie să aibă nevoie de material de calitate VAR sau ESR și să testeze conținutul de includere conform ASTM E45 cu limite de severitate.<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.