Bagaimanakah Pecahan Isipadu Kemasukan Titanium Nitrida (TiN) Utama dalam Tiub Sarung Pemanas 316L Mengawal Tapak Permulaan Pitting dalam Air Laut Berklorin pada 40 darjah

Kemasukan Paling Tahan Kerosakan-Dalam Keadaan Mengoksida

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 >Lubang nukleat 5-10 µm dalam air laut berklorin pada 40 darjah dalam 500-1,000 jam. Bahan dengan pecahan isipadu TiN<0.001% (essentially TiN free) remains pitting free for >10,000 jam. Makalah ini menilai hubungan statistik antara kandungan kemasukan TiN, ketumpatan permulaan pit dan hayat perkhidmatan dalam air laut berklorin.

Pitting Teraruh TiN Di Bawah Keadaan Pengoksidaan: Kajian Mekanistik

Titanium sering ditambahkan pada 316L sebagai unsur penstabil (316Ti) atau sebagai-hasil sampingan titanium-pembuatan keluli ternyahoksida. Pemejalan pada suhu tinggi mengakibatkan pembentukan rangkuman utama titanium nitrida (TiN), yang biasanya bersaiz 2-20 µm dan mempunyai bentuk padu bersudut. Manakala MnS larut secara aktif TiN adalah stabil secara termodinamik dalam matriks austenit. Antara muka matriks-TiN, bagaimanapun, mempunyai pelbagai ciri yang memihak kepada pitting. Mula-mula, semasa pemejalan, titanium nitrida memendakan pada suhu tinggi dan keluli cecair di sekelilingnya menjadi berkurangan dalam kromium dan molibdenum, membentuk-zon miskin terlarut 0.5-3 µm lebar dengan Cr serendah 12-14% (vs. 17-1814%}}} pukal). Kedua, zarah TiN itu sendiri adalah separa pengalir dan boleh bertindak sebagai katod, dengan itu menyebabkan pembubaran anodik matriks jiran. Ketiga, bentuk sudut TiN menghasilkan retakan pada antara muka matriks kemasukan. Dalam air laut berklorin (berpotensi pengoksidaan tinggi) zarah TiN bertindak sebagai katod yang sangat cekap dan matriks habis kromium di kawasan kejiranannya larut secara keutamaan.

Korelasi pecahan isipadu TiN dan kakisan pitting dalam air laut berklorin

Ujian pendedahan terkawal bagi tiub 316L dengan kandungan kemasukan TiN yang berbeza-beza (daripada prosedur pembuatan keluli yang berbeza) telah menunjukkan ketumpatan permulaan pit berikut dalam air laut berklorin sintetik (klorin bebas 1.5 ppm, 20,000 ppm Cl -, pH 8.0) pada 400 darjah selama: 5,

Pecahan Isipadu Kemasukan TiN (％)Julat Saiz Kemasukan TiN (µm) Ketumpatan Lubang Morfologi TiN selepas 5,000 jam (pit/cm2) Kedalaman Lubang Maksimum selepas 5,000 jam (µm) Masa ke Lubang Stabil Pertama (jam) Disyorkan untuk Perkhidmatan Air Laut Berklorin<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
Perbandingan kemasukan TiN dan MnS dalam persekitaran berklorin

Pengklorinan secara drastik mengubah keagresifan relatif pelbagai jenis kemasukan. Jadual di bawah membandingkan permulaan pitting daripada MnS berbanding TiN dalam air laut tidak berklorin berbanding air laut berklorin pada 40C.

Jenis Kemasukan Pecahan isipadu (%)Kadar Pengadukan Air Laut Tidak Berklorin (mm/tahun)Kadar Pengadukan dalam Air Laut Berklorin (1.5 ppm Cl2, mm/tahun)Mod kegagalan dominan MnS (sulfida) 0.01 0.5-1.0<0.05 (MnS oxidized/dissolved) MnS is protective (oxidised to MnO)
TiN (nitrida) 0.001 0.05-0.10 0.3-0.8 TiN menjadi lebih agresif (galvanik)
Campuran (kedua-duanya) 0.005 setiap satu 0.5-1.0 0.5-1.0 (TiN adalah dominan)Tukar daripada permulaan MnS kepada TiN
Al 2 O 3<0.05 <0.05 0.005 Unchanged (inert)
Spesifikasi praktikal untuk perkhidmatan 316L dalam air laut berklorin

Untuk pemanas bersarung 316L yang digunakan dalam perkhidmatan air laut berklorin (0.5-2 ppm Cl₂, 40 darjah ), kriteria berikut meminimumkan pitting berkaitan TiN:

Baki Klorin (ppm) Suhu Air Laut (oC) Pecahan Isipadu TiN Maks yang Dibenarkan (%)Bahan Alternatif Amalan Pembuatan Keluli yang Disyorkan 0.5 30 0.005 AOD + rawatan kalsium 316L boleh diterima 0.5-1.0 30 0.003 AOD + Ti rendah (elakkan penyahoksidaan Ti) 316L dengan pemantauan 0.5-1.0 30-40 0.001 {7} Duplex arc VAR (vaculageleks)2205 1.0-2.0 30 0.002 Duplex Remelled dicairkan semula) Dupleks 2205 1.0-2.0 30-40 0.0005 (Ti-percuma) VAR + Ti-amalan percuma Dupleks 2205 atau titanium2.0 Sebarang Ti-percuma (tidak disyorkan 316) N/A Titanium atau Aloi 625
Pengesahan Kandungan Kemasukan TiN

Kertas kerja ini membentangkan prosedur pengesahan untuk pembeli untuk-TiN 316L rendah untuk perkhidmatan air laut berklorin. Pertama, pemeriksaan kimia untuk kandungan titanium: 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.

Pengenalpastian Medan Pitting TiNInduced

Jika lubang berpusat di sekeliling rangkuman berwarna emas bersudut (dilihat di bawah mikroskop metalurgi pada 500x), rangkuman TiN adalah punca yang mungkin menyebabkan adukan pemanas 316L dalam air masin berklorin dalam masa 1-2 tahun. Analisis EDS mengesahkan Ti dan N. Lubang biasanya kecil (10-50 µm lebar) namun dalam, selalunya dengan zarah TiN ditinggalkan di bahagian bawah lubang. Logam bersebelahan tidak menunjukkan bukti karat lagi. Penyelesaian kepada kegagalan tersebut adalah dengan memilih 316L bebas-Ti (titanium<0.005%) for future purchases. Temporary mitigation can be achieved by electropolishing of the sheath surface, removing the surface layer with exposed TiN inclusions.

Kesimpulan: Penggunaan TiN-Percuma 316L untuk Pemanas Air Laut Berklorin

Tapak permulaan pitting utama untuk pemanas bersalut keluli tahan karat 316L dalam air masin berklorin pada suhu 40 darjah ialah kemasukan titanium nitrida (TiN) utama. Pecahan isipadu TiN yang lebih besar daripada 0.002-0.005% menghasilkan ketumpatan lubang 2-15 pit setiap cm2 dalam masa 1,000-5,000 jam, mengakibatkan penembusan dalam tempoh 2-5 tahun. Untuk sarung 316L yang digunakan dalam aplikasi marin atau pantai dengan pembasmian kuman klorin, kandungan Ti di bawah 0.005% (bebas Ti) mesti diperlukan, amalan pembuatan keluli yang mengelakkan penyahoksidaan Ti (sebaik-baiknya penyahoksidaan Al atau Si) perlu diikuti, dan jika perkhidmatan kritikal terlibat, pencairan VAR atau ESR hendaklah ditentukan untuk mengurangkan kemasukan TiN0% di bawah 0%. Di sini, kami mengaitkan peratusan volum TiN dengan ketumpatan permulaan pit yang boleh diukur dan hayat perkhidmatan dalam air laut berklorin, membolehkan pembeli memilih tiub 316L yang menentang pitting akibat kemasukan dalam tetapan marin pengoksidaan yang paling bermusuhan.