Hogyan szabályozza az elsődleges ónzárványok térfogathányada vákuum-ív-újraolvasztott (VAR) 316 literes fűtőburkolatú csőben a gödör beindulási idejét 90 fokos oxigéntartalmú, nagy-tisztaságú vízben

Befogadási stabilitás erősen oxidáló körülmények között

The pitting resistance of 316L stainless steel sheathed electric heating tubes used in oxygenated high-purity water systems like auxiliary cooling systems of nuclear power plants, pharmaceutical water-for-injection (WFI) heaters or semiconductor ultrapure water (UPW) heaters containing dissolved oxygen of 2-8 ppm is controlled by titanium nitride (TiN) inclusions rather than manganese sulphide (MnS) or aluminium oxide (Al2O3). Under very oxidising conditions, the MnS inclusions are quickly oxidised and dissolved at a high oxygen potential and are thus harmless. Al₂O₃ inclusions are inert. TiN inclusions are semi-conducting however and galvanically cathodic to the 316L matrix. The cathodic reaction (reduction of oxygen) is effective on the TiN surface in oxygenated water generating a galvanic couple that causes the anodic dissolution of the surrounding matrix and therefore the pitting initiation. Even in VAR grade 316L (vacuum arc remelted, very low inclusion content), TiN volume fractions as low as 0.0005-0.001% (5-10 ppm Ti) can lead to pits after 5,000-10,000 hours at 90°C. Pit initiation times are >50 000 óra 0,0002% alatt (2 ppm Ti). Ez a cikk számszerűsíti a kapcsolatot a TiN zárványtérfogat-frakciója (titánkoncentrációval szabályozva) és a 90 oC-os, oxigénnel dúsított, nagy tisztaságú vízben való gödör iniciálásáig eltelt idő között.

A TiN{0}}indukált lyukképződés mechanizmusa oxigénnel dúsított vízben

TiN is a highly electrically conductive material with high electrochemical potential. In oxygenated water, the cathodic reaction (O2 + 2H2O + 4e- -->4OH-) előnyösen TiN felületeken fordul elő, mivel ezek alacsonyabb oxigéncsökkentési túlpotenciállal rendelkeznek, mint a 316L-en lévő passzív bevonat. A zárvány{4}}mátrix interfészén a lokalizált feloldódást a TiN katód és a szomszédos 316 literes mátrix (anód) közötti galvánáram okozza. Ha egy kis gödör keletkezik, az agresszív helyi kémia akkor is megnöveli, ha a TiN részecske elszakad. A gödör iniciálási ideje fordítottan arányos a TiN zárvány méretével és sűrűségével. A Ti-6Al-4V-ben (VAR 316L) lévő TiN beépítése esetén a fő zárvány a TiN (a TiN-ből, amelyet dezoxidálószerként vagy Ti-tartalmú hulladékként alkalmaznak), és mérete általában 1-5 μm.

A TiN térfogatfrakciója és a gödörkezdési idők közötti kapcsolat számszerűsítése

A következő gödör-indítási időzítéseket a VAR 316L csövek ellenőrzött, hosszú távú bemerítési vizsgálatával határozták meg különböző maradéktitánszinttel (és így TiN térfogatfrakciókkal) oxigénnel dúsított (5 ppm O2) nagy-tisztaságú (1 uS/cm) vízben,<1 ppb Cl-, 90 C) for up to 50 000 hours.

Residual Titanium (ppm) TiN Volume Fraction (%)TiN Inclusion Density (per mm2, >1 µm) TiN mérettartomány (µm) Gödör beindítási ideje 90 fokon (óra, 5 ppm O2) Maximális kátyúmélység 10 000 óra után (µm) 90 fokos, oxigénnel ellátott, nagy tisztaságú{7}} szolgáltatáshoz ajánlott<2 (Ti-free) <0.0002 <0.1 N/A >50 000 (nincs gödröcske)<5 Best 2-5 0.0002-0.0005 0.1-0.5 1-2 30,000-50,000 5-15 Excellent 5-10 0.0005-0.001 0.5-2 1-3 15,000-30,000 15-30 Yes 10-20 0.001-0.002 2-5 2-4 8,000-15,000 30-50 Acceptable 20-30 0.002-0.003 5-10 2-5 5,000-8,000 50-80 Marginal 30-50 0.003-0.005 10-20 2-6 3,000-5,000 80-120 Not recommended 50-80 0.005-0.008 20-40 3-8 1,500-3,000 120-200 No >80 >0.008 >40 >5 <1,500 >200 sz
Az oldott oxigén hatása a TiN{0}}indukált lyukképződésre

A magasabb oldott oxigén felgyorsítja a katódos folyamatot a TiN-en, lerövidítve a gödör beindulási idejét.

Dissolved Oxygen (ppm) Pit Initiation Time at 10 ppm Ti (hrs)Pit Initiation Time (hours) at 30 ppm TiMaximum Ti for 10,000h Life at Given O_2 Level (ppm) 0.5 >50,000 15,000-25,000 50 1 35,000-50,000 10,000-15,000 40 2 25,000-35,000 8,000-12,000 30 5 15, 000-20,000 5,000-8,000 20 8 10,000-15,000 4,000-6,000 15 10 8,000-12,000 3,000-5,000 10 Gyakorlati ajánlások nagy tisztaságú vízmelegítőkhöz

A 316 literes, 90 fokos, oxigenizált, kiváló minőségű vízben burkolt fűtőtesteknél az ajánlott titán határértékek a következők:

Szolgáltatás típusa oldott oxigén (ppm) Ti, ppm 10 000h Pit-Free Life Steelgyártási gyakorlat ellenőrzési módszere
Gyógyszerészeti WFI (alacsony O2)<1 40 VAR (standard) ICP-MS for Ti Pharmaceutical WFI (high O2) 5-8 15 VAR (low Ti) ICP-MS for Ti Semiconductor UPW (high O2) 8-10 10 VAR (ultra-low Ti) GDMS analysis
Nukleáris segédhűtés 2-5 25 VAR vagy ESR beszállítói tanúsítvány
Általános nagy tisztaságú ipari 2-5 30 AOD + alacsony Ti Mill cert
TiN felvétel és Ti tartalom ellenőrzése

A pontos TiN határértékeket igénylő vásárlóknak kétféle ellenőrzési lehetőség áll rendelkezésére. Az első a titántartalom kémiai vizsgálata induktív csatolású plazma tömegspektrometriával (ICP-MS) vagy izzítókisüléses tömegspektrometriával (GDMS). Elfogadás: Ti < 10-15 ppm nagy tisztaságú szolgáltatáshoz. A második metallográfiai vizsgálat pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) 1000-5000×-es a csiszolt keresztmetszeten-, a TiN zárványok számlálásával (amelyeket morfológiailag szögletes, köbös, aranysárga visszaszórt elektronmódban ismer fel). Elfogadás:<1-5 inclusions TiN per mm2 greater than 2 µm.

Következtetés: Ultra Low Ti Spec oxigéntartalmú, nagy tisztaságú vízmelegítőkhöz

Az eredmények azt mutatják, hogy a 316 literes rozsdamentes acél tokozású fűtőberendezésekben 90 fokos, oxigénnel dúsított (5 ppm O2) nagy-tisztaságú vízben lyukak keletkeznek, amikor a TiN-zárványok 0,0005-0,001%-a (5-10 ppm Ti). 2-3 ppm alatti Ti-tartalom esetén a gödör keletkezési ideje meghaladja az 50 000 órát. A gyógyszerészeti WFI-hez, félvezető UPW-hez vagy nukleáris segédfűtéshez 316 literes burkolatot használó mérnököknek meg kell határozniuk a vákuumíves újraolvasztást (VAR) legfeljebb 10-15 ppm titánkoncentrációval, amelyet ICP-MS vagy GDMS hitelesít. (Ti nem szabályozott, általában 20-50 ppm) normál 316L esetén 2-5 éven belül 90 fokos, oxigénnel dúsított nagy tisztaságú vízben gödörbe kerül, ami a nagy tisztaságú rendszer szennyeződését okozza. Az itt megadott módszer, amely a TiN térfogatszázalékát (a maradék Ti-ből) korrelálja az oxigéndús vízben lévő gödör iniciálási periódusaival, lehetővé teszi az ügyfelek számára, hogy olyan ultraalacsony titán 316L-t adjanak meg, amely ellenáll a zárvány okozta lyukképződésnek a legigényesebb, nagy tisztaságú, magas oxigéntartalmú beállítások mellett is.