Hvernig stjórnar rúmmálshlutfalli aðal TiN-innihalds í lofttæmi-boga-endurbræddu (VAR) 316L hitaslíðurslöngur upphafstíma gryfjunnar í súrefnisríku háu-hreinu vatni við 90 gráður

Stöðugleiki við innlimun við mjög oxandi aðstæður

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 klukkustundir undir 0,0002% (2 ppm Ti). Þessi grein mælir tengslin milli rúmmálshlutfalls TiN (stýrt af títanstyrk) og tíma þar til hola hefst í súrefnisríku háhreinu vatni við 90oC.

Mechanism of TiN-framkallað gryfju í súrefnisríku vatni

TiN is a highly electrically conductive material with high electrochemical potential. In oxygenated water, the cathodic reaction (O2 + 2H2O + 4e- -->4OH-) gerist helst á TiN yfirborði vegna þess að þeir búa yfir minni súrefnisminnkunarmöguleika samanborið við óvirka húðina á 316L. Staðbundin upplausn við innlimunar-fylkisviðmótið stafar af galvanískum straumi milli TiN bakskautsins og aðliggjandi 316L fylkisins (skaut). Ef lítil hola fer af stað mun árásargjarn staðbundin efnafræði gera það að verkum að það vaxa jafnvel þótt TiN ögnin brotni í burtu. Upphafstími holunnar er í öfugu hlutfalli við stærð og þéttleika TiN-innihalds. Fyrir TiN innifalið í Ti-6Al-4V (VAR 316L) er aðal innifalið TiN (úr leifar Ti sem notað er sem afoxunarefni eða Ti sem inniheldur rusl) með stærð venjulega 1-5 μm.

Að mæla sambandið milli TiN rúmmálshlutfalls og upphafstíma hola

Eftirfarandi upphafstímar fyrir gryfju hafa verið staðfestir með stýrðri langtímadýfingarprófun á VAR 316L slöngum með mismunandi títanleifum (og þar með TiN rúmmálshlutum) í súrefnisríku (5 ppm O2) há-hreinleika vatni (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) TiN Stærðarsvið (µm) Upphafstími hola við 90 gráður (klst., 5 ppm O2) Hámarks gryfjadýpt eftir 10.000 klst. (µm) Mælt með fyrir 90 gráðu súrefnisbundna há-hreinleikaþjónustu<2 (Ti-free) <0.0002 <0.1 N/A >50.000 (engin gryfja)<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 nr
Áhrif uppleysts súrefnis á TiN-framkallað hola

Hærra uppleyst súrefni flýtir fyrir katódískum ferli á TiN, sem styttir tímabilið til að hefja gryfju.

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 Hagnýtar ráðleggingar um háhreina vatnshitara

Fyrir 316L innbyggða hitara í súrefnisríku hágæða vatni við 90 gráður eru ráðlögð títanmörk:

Þjónustutegund Uppleyst súrefni (ppm) Ti, ppm fyrir 10.000 klst. gryfju-Staðfestingaraðferð fyrir stálframleiðslu án endurgjalds
Lyfjafræðilegt WFI (lágt 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
Kjarnorkukæling 2-5 25 VAR eða ESR birgir vottun
Almennt háhreint iðnaðar 2-5 30 AOD + lágt Ti Mill vottorð
TiN Inclusion og Ti Content Staðfesting

Kaupendur sem vilja nákvæm TiN-takmörk hafa tvær leiðir til sannprófunar. Sú fyrsta er efnafræðileg athugun á títaninnihaldi með inductive coupled plasma mass spectrometrie (ICP-MS) eða glow discharge mass spectrometrie (GDMS) Samþykki: Ti < 10-15 ppm fyrir háhreinleikaþjónustu. Annað er málmfræðileg rannsókn með skönnun rafeindasmásjár (SEM) í 1.000-5.000× á slípuðum þversniði-, þar sem TiN innifalið er talið (þekkt af formgerð-hyrndum, teningum, gullgulum í bakdreifðri rafeindaham). Samþykki:<1-5 inclusions TiN per mm2 greater than 2 µm.

Ályktun: Ultra Low Ti Spec fyrir súrefnisríka vatnshitara með miklum hreinleika

Niðurstöðurnar sýna að gryfjumyndun á sér stað í 316L ryðfríu stáli hjúpuðum hitara í súrefnisríku (5 ppm O2) há-hreinleika vatni við 90 gráður þegar TiN-innihaldið er allt að 0,0005-0,001% (5-10 ppm Ti). Fyrir Ti-innihald undir 2-3 ppm eru upphafstímar holunnar lengri en 50.000 klukkustundir. Verkfræðingar sem nota 316L slíður fyrir lyfjafræðilega WFI, hálfleiðara UPW eða kjarnorkuupphitun verða að tilgreina lofttæmibogaendurbræðslu (VAR) með hámarksstyrk 10-15 ppm títan sem staðfest er af ICP-MS eða GDMS. (Ti ekki stjórnað, venjulega 20-50 ppm) fyrir venjulega 316L mun grýta í súrefnisríkt háhreint vatn á 2-5 árum við 90 gráður sem veldur mengun á háhreinleikakerfinu. Aðferðafræðin sem gefin er upp hér, sem tengir rúmmálsprósenta TiN (frá leifar Ti) við upphafstímabil hola í súrefnisríku vatni, gerir viðskiptavinum kleift að tilgreina ofurlítið títan 316L sem er ónæmt fyrir gryfju af völdum innfellingar í mest krefjandi hárhreinleika, hásúrefnisstillingum.