In che modo la frazione di volume delle inclusioni di ossido non metallico dopo la rifusione dell'arco sotto vuoto della tubazione della guaina del riscaldatore 316 controlla la densità del sito di inizio del pozzo in acqua ad elevata purezza a 90 gradi

La popolazione di inclusione come unico meccanismo di inizio del pitting in ambienti a basso-cloruro

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 >Lo 0,01% in acqua ad elevata purezza a 90 gradi genererà 10-50 buchi/cm2 in 1.000 ore, ma il materiale trattato VAR con<0.002% inclusions is pit-free for >10.000 ore. In questo articolo è stata studiata l'influenza della durata di servizio, della densità di inizio fossa e della frazione volumetrica di inclusione di ossido sull'acqua ad elevata purezza.

Comportamento alla vaiolatura dell'acciaio indotto dal meccanismo di inclusione dell'ossido

A differenza delle inclusioni di solfuro di manganese che sono elettrochimicamente attive e inducono vaiolatura per dissoluzione, le inclusioni di ossido (Al₂O₃, MgO·Al₂O₃) sono isolanti inerti. Svolgono un ruolo meccanico e geometrico nell'insorgenza della vaiolatura. L'interfaccia tra l'inclusione di ossido e la matrice austenitica differisce nel coefficiente di dilatazione termica (CET di Al2O3=8×10−6 / grado vs . 316 ≈ 17×10−6 / grado ). Questa mancata corrispondenza del CTE provoca uno spazio vuoto (fessura) tra l'inclusione e la matrice durante i cicli di riscaldamento (fino a 90 gradi) e di raffreddamento. Questa fessura è piena di acqua e ioni cloruro (anche a<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.

Relazione tra frazione volumetrica di inclusione di ossido e quantificazione della densità dei pozzi a 90 gradi

Test di immersione controllata di tubi 316 provenienti da vari processi di produzione dell'acciaio (EAF, AOD, VAR) in acqua ad elevata purezza (8 ppm Cl⁻, conduttività 15 µS/cm, pH 7,0) a 90 gradi per 5.000 ore hanno stabilito le seguenti densità di inizio fossa.

Frazione volumetrica normale delle inclusioni di ossidi (%) nel processo di produzione dell'acciaio Intervallo di dimensioni delle inclusioni (μm) Alveoli/cm² dopo 5.000 ore a 90 gradi Profondità massima di alveoli dopo 5.000 ore (μm) Tempo fino al primo alveolo stabile (h) Servizio consigliato per acqua ad elevata purezza
VAR (rifusione ad arco sotto vuoto)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10.000 Migliore ESR (rifusione elettroscoria) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5.000-10.000 Eccellente AOD (decarburazione argon-ossigeno) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2.000-5.000 Accettabile
AOD + trattamento con calcio 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1.000-3.000 Marginale
EAF (forno elettrico ad arco, standard) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500Non consigliabile
EAF (cattiva qualità) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Inaccettabile
Influenza della concentrazione di cloruro sulla soglia di inclusione-indotta dalla vaiolatura

L'inizio della vaiolatura nelle inclusioni di ossidi è accelerato dalla presenza anche minima di cloruri. La tabella seguente illustra la percentuale massima consentita del volume di inclusione di ossido per un servizio di 5 anni in funzione della concentrazione di cloruro a 90 gradi.

Concentrazione di cloruro (ppm) Frazione volumetrica massima consentita di inclusione di ossidi (%) Percorso di produzione dell'acciaio proposto Alternativo in caso di superamento<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 VARAggiornamento a 316L, passivazione50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
Inclusione 316-Specifica controllata per il servizio idrico ad elevata purezza

Le specifiche per i riscaldatori con guaina 316 per applicazioni con acqua ad elevata-purezza nei documenti di appalto dovrebbero includere quanto segue:

Applicazione Cloruro massimo (ppm) Processo di produzione dell'acciaio richiesto Frazione volumetrica massima di inclusione di ossido Metodo di verifica
WFI farmaceutico (acqua per preparazioni iniettabili)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Risciacquo dei semiconduttori (ultrapuro)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Acqua di alimentazione della caldaia ad alta-pressione<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

Gli acquirenti che necessitano del controllo dell'inclusione 316 hanno tre tecniche di verifica. Il primo è ASTM E45 (metodi di prova standard per la determinazione del contenuto di inclusioni dell'acciaio), metodo A (campo peggiore) o metodo D (analisi dell'immagine). Per applicazioni ad elevata purezza è specificata una gravità massima di 0,5 per le inclusioni di tipo B (allumina). Il secondo è la microscopia elettronica a scansione (SEM) con spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) su una sezione trasversale lucida- (500-1.000×) che conta le inclusioni in 10 campi visivi. La soglia di accettazione è inferiore a 10 inclusioni per mm 2 superiori a 2 µm. Il terzo test è un test di immersione semplificato in cui un campione di tubo viene immerso in acqua ad elevata purezza (10 ppm Cl⁻) a 90 gradi per 1.000 ore. Se i buchi sono visibili, il contenuto di inclusione è troppo alto.

Identificazione sul campo della vaiolatura da inclusioni di ossido

Le inclusioni di ossidi sono la causa probabile della vaiolatura di un riscaldatore 316 in acqua di alta qualità in cui i cloruri sono inferiori a 10-20 ppm. Microscopicamente (200-500×) il sito della fossa rivelerà un'inclusione di Al 2 O 3 o spinello nel cuore della fossa, l'inclusione spesso parzialmente rimossa. Le fossette sono minuscole (diametro 10–100 µm), numerose e uniformemente distribuite. L'esame EDS del centro del pozzo verifica O e Al. La soluzione a questi problemi è specificare VAR o grado ESR 316 per acquisti futuri. Il riscaldatore non è riparabile e deve essere sostituito con un tubo con inclusione controllata.

Conclusione: designazione VAR/ESR 316 per servizio idrico ad elevata purezza

Per riscaldatori avvolti in acciaio inossidabile 316 in acqua ad elevata purezza (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 ore. Se le guaine 316 vengono specificate per l'uso in applicazioni farmaceutiche, semiconduttori o di riscaldamento dell'acqua ultra-pura, gli ingegneri devono aver bisogno di materiale di grado VAR o ESR e testare il contenuto di inclusione secondo ASTM E45 con limiti di gravità<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.