Како запремински удео примарних ТиН инклузија у вакуум{0}}лучно-претопљеном (ВАР) 316Л грејачу омотача контролише време иницијације јаме у води високе-чистоће са кисеоником на 90 степени

Стабилност укључивања у условима јаког оксидирања

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 сати испод 0,0002% (2 ппм Ти). Овај чланак квантификује везу између запреминске фракције ТиН инклузије (регулисане концентрацијом титанијума) и времена до иницијације јаме у оксигенованој води високе чистоће на 90оЦ.

Механизам рупичења изазваног ТиН-у у води са кисеоником

TiN is a highly electrically conductive material with high electrochemical potential. In oxygenated water, the cathodic reaction (O2 + 2H2O + 4e- -->4ОХ-) се првенствено дешава на ТиН површинама јер оне поседују нижи препотенцијал редукције кисеоника у поређењу са пасивним премазом на 316Л. Локализовано растварање на интерфејсу инклузије-матрице је узроковано галванском струјом између ТиН катоде и суседне 316Л матрице (аноде). Ако се отвори мала јама, агресивна локална хемија ће учинити да расте чак и ако се честица ТиН одвоји. Време иницијације јаме је обрнуто пропорционално величини и густини ТиН инклузије. За укључивање ТиН-а у Ти-6Ал-4В (ВАР 316Л), главна инклузија је ТиН (од заосталог Ти који се користи као деоксидатор или отпада који садржи Ти) величине обично 1-5 μм.

Квантификовање односа између запреминске фракције ТиН и времена иницијације јаме

Сљедећа времена покретања јаме су утврђена контролисаним дуготрајним{0}}тестирањем ВАР 316Л цијеви са различитим нивоима заосталог титана (а самим тим и запреминским удјелом ТиН) у оксигенираној (5 ппм О2) води високе{4}} чистоће (1 уС/цм,<1 ppb Cl-, 90 C) for up to 50 000 hours.

Residual Titanium (ppm) TiN Volume Fraction (%)TiN Inclusion Density (per mm2, >1 µм) Опсег величине ТиН-а (µм) Време иницијације јаме на 90 степени (сати, 5 ппм О2) Максимална дубина удубљења после 10.000 х (µм) Препоручено за 90 степени оксигенисану високо-услугу чистоће<2 (Ti-free) <0.0002 <0.1 N/A >50.000 (без удубљења)<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 бр
Утицај раствореног кисеоника на питинг изазван ТиН-

Већи растворени кисеоник убрзава катодни процес на ТиН, скраћујући период за покретање јаме.

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 Практичне препоруке за бојлере високе чистоће

За грејаче у кућишту од 316Л у води високог квалитета са кисеоником на 90 степени препоручене границе титана су:

Врста услуге Растворени кисеоник (ппм) Ти, ппм за 10.000 х јаме-Метода верификације у пракси производње челика у слободном веку
Фармацеутски ВФИ (низак О2)<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
Сертификат добављача за нуклеарно помоћно хлађење 2-5 25 ВАР или ЕСР
Опште индустријске високе чистоће 2-5 30 АОД + лов Ти Милл сертификат
Укључивање ТиН-а и верификација Ти садржаја

Купци који желе прецизна ограничења ТиН имају два начина верификације. Прво је хемијско испитивање садржаја титанијума масеном спектрометријом индуктивно спрегнуте плазме (ИЦП-МС) или масеном спектрометријом усијаног пражњења (ГДМС). Прихватање: Ти < 10-15 ппм за услугу високе чистоће. Друго је металографско испитивање скенирајућим електронским микроскопом (СЕМ) на 1.000-5.000× на полираном попречном пресеку-, рачунајући ТиН инклузије (препознате по морфологији-угаоном, кубичном, златно-жутом у режиму повратно расејаних електрона). Прихватање:<1-5 inclusions TiN per mm2 greater than 2 µm.

Закључак: Ултра Лов Ти Спец за грејаче воде високе чистоће са кисеоником

Резултати показују да се питтинг јавља у грејачима обложеним нерђајућим челиком од 316Л у оксигенираној (5 ппм О2) води високе -чистоће на 90 степени када су инклузије ТиН само 0,0005-0,001% (5-10 ппм Ти). За садржај Ти испод 2-3 ппм, времена покретања јаме су већа од 50.000 сати. Инжењери који користе омоте од 316Л за фармацеутски ВФИ, полупроводнички УПВ или нуклеарно помоћно грејање морају специфицирати вакуумско лучно претапање (ВАР) са максималном концентрацијом титана од 10-15 ппм потврђеном ИЦП-МС или ГДМС. (Ти није контролисан, обично 20-50 ппм) за нормалан 316Л ће пасти у оксигенисану воду високе чистоће за 2-5 година на 90 степени изазивајући контаминацију система високе чистоће. Овде дата методологија, која повезује запремински проценат ТиН (од заосталог Ти) са периодима иницијације у јами у води са кисеоником, омогућава купцима да специфицирају ултра-ниски титанијум 316Л који је отпоран на удубљење изазвано укључивањем у најзахтевнијим поставкама високе чистоће и високог кисеоника.