Kako volumski delež vključkov primarnega titanovega nitrida (TiN) v cevki ovoja grelnika 316L nadzoruje mesta iniciacije pitinga v klorirani morski vodi pri 40 stopinjah

Vključek,-najbolj odporen na poškodbe v oksidativnih pogojih

The use of chlorine (normally 0.5-2 ppm residual) as a biocide results in highly oxidising conditions for 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in chlorinated seawater service (e.g., marine heat exchangers, cooling systems for coastal power plants or offshore platform heaters). Under these conditions, the common pitting initiators, manganese sulphide (MnS) inclusions, are oxidised rapidly and dissolved, but primary titanium nitride (TiN) inclusions become the dominant pitting initiator sites. TiN inclusions are hard, angular and electrically conducting. During solidification , precipitation of chromium-rich carbides and nitrides occurs leading to depletion of chromium and molybdenum at their edge in the surrounding austenite matrix . TiN inclusions >5-10 µm jedrne jamice v klorirani morski vodi pri 40 stopinjah v 500-1000 urah. Material z volumskimi deleži TiN<0.001% (essentially TiN free) remains pitting free for >10.000 ur. Ta članek ocenjuje statistično povezavo med vsebnostjo vključkov TiN, gostoto iniciacije jame in življenjsko dobo v klorirani morski vodi.

TiN povzročena jamica v oksidacijskih pogojih: Mehanska študija

Titan je pogosto dodan 316L kot stabilizacijski element (316Ti) ali kot stranski-proizvod pri izdelavi-deoksidiranega jekla s titanom. Posledica strjevanja pri visoki temperaturi je nastanek primarnih vključkov titanovega nitrida (TiN), ki so običajno veliki 2-20 µm in imajo oglato kubično obliko. Medtem ko se MnS aktivno topi, je TiN termodinamično stabilen v avstenitni matrici. TiN{10}}matrični vmesnik pa ima različne funkcije, ki dajejo prednost luknjanju. Prvič, med strjevanjem se titanovi nitridi oborijo pri visokih temperaturah in okoliško tekoče jeklo postane osiromašeno s kromom in molibdenom, pri čemer nastane cona-revne-raztopljene snovi, široka 0,5-3 µm, s Cr samo 12-14% (v primerjavi z. 17-18% mase). Drugič, sam delec TiN je polprevoden in lahko deluje kot katoda ter tako povzroči anodno raztapljanje sosednje matrike. Tretjič, kotna oblika TiN ustvari razpoko na vmesniku vključne matrike. V klorirani morski vodi (visok oksidacijski potencial) delci TiN delujejo kot zelo učinkovita katoda in s kromom osiromašeni matriks v njegovi bližini se prednostno raztopi.

Korelacija volumskega deleža TiN in luknjičaste korozije v klorirani morski vodi

Testiranje nadzorovane izpostavljenosti cevi 316L z različnimi vsebnostmi vključkov TiN (iz različnih postopkov izdelave jekla) je pokazalo naslednje gostote iniciacije jam v sintetični klorirani morski vodi (prosti klor 1,5 ppm, 20.000 ppm Cl -, pH 8,0) pri 40 stopinjah 5000 ur:

Volumenski delež vključkov TiN (％) Razpon velikosti vključkov TiN (µm) Morfologija TiN Gostota jame po 5000 urah (pits/cm2) Največja globina jamice po 5000 urah (µm) Čas do prve stabilne jamice (ure) Priporočljivo za storitve s klorirano morsko vodo<0.0005 (Ti-free 316L) None None <0.1 <10 >10,000 Best 0.0005-0.001 1-3 Few, fine 0.1-0.5 10-25 5,000-10,000 Excellent 0.001-0.002 2-5 Scattered 0.5-2 20-40 2,000-5,000 Acceptable 0.002-0.005 3-8 Moderate 2-5 30-60 1,000-2,000 Marginal 0.005-0.010 5-12 Frequent 5-15 50-80 500-1,000 Not recommended 0.010-0.020 8-15 Numerous, angular 15-40 60-100 200-500 Unacceptable >0.020 >15 Extensive, clusters >40 >100 <200 Unacceptable
Primerjava vključkov TiN in MnS v kloriranih okoljih

Kloriranje drastično spremeni relativno agresivnost različnih vrst vključkov. Spodnja tabela primerja začetek luknjanja iz MnS v primerjavi s TiN v neklorirani in klorirani morski vodi pri 40C.

Vrsta vključka Volumski delež (%) Stopnja luknjanja neklorirane morske vode (mm/leto) Stopnja luknjanja v klorirani morski vodi (1,5 ppm Cl2, mm/leto) Prevladujoči način okvare MnS (sulfid) 0.01 0.5-1.0<0.05 (MnS oxidized/dissolved) MnS is protective (oxidised to MnO)
TiN (nitrid) 0.001 0.05-0.10 0.3-0.8 TiN postane bolj agresiven (galvansko)
Mešano (oboje) 0,005 vsak 0.5-1.0 0.5-1.0 (TiN prevladuje) Sprememba iz MnS v TiN začetek
Al 2 O 3<0.05 <0.05 0.005 Unchanged (inert)
Praktične specifikacije za uporabo 316L v klorirani morski vodi

Za oplaščene grelnike 316L, ki se uporabljajo pri servisiranju klorirane morske vode (0,5-2 ppm Cl₂, 40 stopinj), naslednja merila zmanjšajo luknjičasto piting, povezano s TiN:

Preostali klor (ppm) Temperatura morske vode (oC) Največji dovoljeni volumski delež TiN (%) Priporočena praksa izdelave jekla Alternativni material 0.5 30 0.005 AOD + obdelava s kalcijem 316L sprejemljivo 0.5-1.0 30 0.003 AOD + nizek Ti (izogibajte se deoksidaciji Ti) 316L z nadzorom 0.5-1.0 30-40 0.001 VAR (pretaljeno z vakuumskim oblokom) Duplex 2205 1.0-2.0 30 0.002 ESR (elektrožlindra pretopljena) Duplex 2205 1.0-2.0 30-40 0.0005 (Ti-free) VAR + Ti-free praksa Duplex 2205 ali titanium2.0 Kateri koli Ti-free (ni priporočljivo 316) N/A Titanium ali Alloy 625
Preverjanje vsebine vključitve TiN

Ta dokument predstavlja postopke preverjanja za kupce za nizko-TiN 316L za storitve klorirane morske vode. Najprej kemijska preiskava vsebnosti titana: Ti<0.005% (50 ppm) usually correlates to TiN volume fraction <0.001%. The second is the metallographic inspection (ASTM E45) with a scanning electron microscopy (SEM) for the direct counting of TiN inclusions (morphology-angular, cubic, gold-yellow colour in the reflected light). The acceptability threshold is less than 5 TiN inclusions per mm² greater than 2 µm. The third is an accelerated pitting test in which a sample is exposed to synthetic chlorinated seawater at 40°C for 1,000 hours. Acceptance criterion: No pits deeper than >20 μm.

Terenska identifikacija luknjanja, povzročenega s TiNI

Če so jamice osredotočene na oglate zlato obarvane vključke (videne pod metalurškim mikroskopom pri 500x), so vključki TiN verjeten vzrok za luknjičaste vključke grelnika 316L v klorirani slani vodi v 1-2 letih. Analiza EDS preverja Ti in N. Jamice so na splošno majhne (10–50 µm široke), a globoke, pogosto z delci TiN, ki ostanejo na dnu jame. Sosednja kovina ne kaže več znakov rje. Rešitev za takšne okvare je izbira 316L brez titana (titan<0.005%) for future purchases. Temporary mitigation can be achieved by electropolishing of the sheath surface, removing the surface layer with exposed TiN inclusions.

Zaključek: uporaba 316L brez TiN-za grelnike klorirane morske vode

Glavna mesta začetka luknjičaste luknjice za grelnike iz nerjavečega jekla 316L v klorirani slani vodi pri temperaturi 40 stopinj so glavni vključki titanovega nitrida (TiN). Volumski deleži TiN, večji od 0,002-0,005 %, povzročijo gostoto jam 2-15 jamic na cm2 v 1.000–5.000 urah, kar povzroči perforacijo v 2–5 letih. Za ovoje iz 316L, ki se uporabljajo v pomorskih ali obalnih aplikacijah z dezinfekcijo s klorom, je treba zahtevati vsebnost Ti pod 0,005 % (brez Ti), slediti je treba praksam izdelave jekla, ki preprečujejo deoksidacijo Ti (po možnosti Al ali Si deoksidacijo), in če gre za kritično storitev, je treba določiti ponovno taljenje VAR ali ESR, da zmanjšate populacije vključkov TiN pod 0,001 %. Tukaj povezujemo volumski odstotek TiN z merljivo gostoto iniciacije jam in življenjsko dobo v klorirani morski vodi, kar kupcem omogoča, da izberejo 316L cevi, ki so odporne na luknjičaste vključke v najbolj sovražnih oksidacijskih morskih okoljih.