Bagaimanakah Pecahan Isipadu Kemasukan TiN Utama dalam Vakum-Arka-Lebur Semula (VAR) Tiub Sarung Pemanas 316L Mengawal Masa Permulaan Lubang dalam Air Ketulenan Tinggi Beroksigen-pada 90 darjah

Kestabilan Kemasukan dalam Keadaan Sangat Mengoksida

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 jam di bawah 0.0002% (2 ppm Ti). Artikel ini mengukur hubungan antara pecahan isipadu kemasukan TiN (dikawal oleh kepekatan titanium) dan masa untuk memulakan lubang dalam air ketulenan tinggi beroksigen pada 90oC.

Mekanisme Pitting TiN-Teraruh dalam Air Beroksigen

TiN is a highly electrically conductive material with high electrochemical potential. In oxygenated water, the cathodic reaction (O2 + 2H2O + 4e- -->4OH-) lebih baik berlaku pada permukaan TiN kerana ia mempunyai potensi lebihan pengurangan oksigen yang lebih rendah berbanding dengan salutan pasif pada 316L. Pembubaran setempat pada antara muka matriks-masuk disebabkan oleh arus galvanik antara katod TiN dan matriks 316L (anod) bersebelahan. Jika lubang kecil bermula, kimia tempatan yang agresif akan menjadikannya berkembang walaupun zarah TiN pecah. Masa permulaan lubang adalah berkadar songsang dengan saiz dan ketumpatan kemasukan TiN. Untuk kemasukan TiN dalam Ti-6Al-4V (VAR 316L), kemasukan utama ialah TiN (dari sisa Ti yang digunakan sebagai deoxidiser atau Ti yang mengandungi sekerap) dengan saiz biasanya 1-5 μm.

Mengira hubungan antara pecahan isipadu TiN dan masa permulaan pit

Pemasa permulaan pit berikut telah ditetapkan dengan ujian rendaman jangka panjang{0}}terkawal tiub VAR 316L dengan paras titanium sisa yang berbeza (dan seterusnya pecahan volum TiN) dalam air ketulenan tinggi-yang beroksigen (5 ppm O2) (1 uS/cm,<1 ppb Cl-, 90 C) for up to 50 000 hours.

Residual Titanium (ppm) TiN Volume Fraction (%)TiN Inclusion Density (per mm2, >1 µm) Julat Saiz TiN (µm) Masa Permulaan Pit pada 90 darjah (jam, 5 ppm O2) Kedalaman Pit Maksimum selepas 10,000j (µm) Disyorkan untuk 90 darjah Beroksigen Tinggi-Perkhidmatan Ketulenan<2 (Ti-free) <0.0002 <0.1 N/A >50,000 (tiada pitting)<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 No
Pengaruh Oksigen Terlarut pada TiN-Pitting Teraruh

Oksigen terlarut yang lebih tinggi mempercepatkan proses katodik pada TiN, memendekkan tempoh untuk permulaan pit.

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 Syor Praktikal untuk Pemanas Air Ketulenan Tinggi

Untuk pemanas bersalut 316L dalam air berkualiti tinggi beroksigen pada 90 darjah had titanium yang disyorkan ialah:

Jenis Perkhidmatan Oksigen Terlarut (ppm) Ti, ppm untuk Pit 10,000j-Kaedah Pengesahan Amalan Pembuatan Keluli Kehidupan Percuma
WFI Farmaseutikal (O2 rendah)<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
Penyejukan tambahan nuklear 2-5 25 pensijilan VAR atau ESR Pembekal
Perindustrian ketulenan tinggi am 2-5 30 AOD + pensijilan Ti Mill rendah
Kemasukan TiN dan Pengesahan Kandungan Ti

Pembeli yang mahukan had TiN yang tepat mempunyai dua cara pengesahan. Yang pertama ialah pemeriksaan kimia kandungan titanium dengan spektrometri jisim plasma (ICP{1}}MS) yang digabungkan secara induktif atau spektrometri jisim nyahcaj (GDMS) Penerimaan: Ti < 10-15 ppm untuk perkhidmatan ketulenan tinggi. Yang kedua ialah penyiasatan metalografi dengan mengimbas mikroskop elektron (SEM) pada 1,000-5,000× pada bahagian silang-yang digilap, mengira kemasukan TiN (diiktiraf oleh sudut morfologi, padu, kuning emas dalam mod elektron berselerak belakang). Penerimaan:<1-5 inclusions TiN per mm2 greater than 2 µm.

Kesimpulan: Spesifikasi Ultra Rendah Ti untuk Pemanas Air Ketulenan Tinggi Beroksigen

Keputusan menunjukkan bahawa pitting berlaku dalam pemanas bersalut keluli tahan karat 316L dalam air ketulenan tinggi-beroksigen (5 ppm O2) pada 90 darjah apabila kemasukan TiN serendah 0.0005-0.001% (5-10 ppm Ti). Untuk kandungan Ti di bawah 2-3 ppm, masa permulaan pit lebih besar daripada 50,000 jam. Jurutera yang menggunakan sarung 316L untuk WFI farmaseutikal, semikonduktor UPW atau pemanasan tambahan nuklear mesti menentukan peleburan semula arka vakum (VAR) dengan kepekatan titanium 10-15 ppm maksimum yang disahkan oleh ICP-MS atau GDMS. (Ti tidak terkawal, biasanya 20-50 ppm) untuk 316L biasa akan dibuang dalam air ketulenan tinggi beroksigen dalam 2-5 tahun pada 90 darjah menyebabkan pencemaran sistem ketulenan tinggi. Metodologi yang diberikan di sini, mengaitkan peratus volum TiN (dari baki Ti) kepada tempoh permulaan pit dalam air beroksigen, membolehkan pelanggan menentukan titanium 316L ultra-rendah yang tahan terhadap pitting akibat kemasukan dalam tetapan ketulenan tinggi dan oksigen tinggi yang paling menuntut.