Af hverju standa 316 ryðfríu stáli slíður rafmagnshitunarrör með myllu-glæðu yfirborði betri en súrsuðum eða raffáguðum áferð við há-hitastig og há-hreint vatnsoxunarþjónusta yfir 250 gráður?

Val á yfirborðsáferð 316 slíðra úr ryðfríu stáli í kerfum sem eru háð háhitavatni, eins og ofurkritískum vatnsoxun (SCWO) reactors, pressurized water reactor (PWR) hjálparrásum og ofur-ofurkritískum ketilsmatarvatnshitara, krefst viðsnúnings á hefðbundinni tæringartækniþekkingu. Rafslípaðir eða súrsaðir yfirborð gefa betri holuþol í vökva sem inniheldur klóríð við lágan hita, með því að útrýma innfelldum járnagnum og óvirkum filmugöllum. Hins vegar, við hitastig yfir 250 gráður í miklu hreinu vatni (leiðni < 0,1 µS/cm, uppleyst súrefni < 10 ppb) breytist tæringarkerfið frá staðbundinni gryfju yfir í víðtæka oxun og mögulega álagstæringarsprungu. Þunn, króm-ríka óvirka filman sem myndast af sjálfu sér á mala-glæðu yfirborði (fengin með lokaglæðingu í stýrðu andrúmslofti eða lofti fylgt eftir með loftkælingu) hefur betri viðloðun, hitastöðugleika og viðnám gegn losun en tilbúið þykknað eða efnafræðilega breytt með því að tína oxíðslög við þessar aðstæður sem eru fengnar með rafpússingu eða tínslu. Þessi grein mælir oxunarhegðun 316 slíðra úr ryðfríu stáli með þremur aðskildum yfirborðsáferð við 280-320 gráður í afloftuðu háhreinu vatni og veitir upplýsingar um val á frágangi fyrir háhita kjarnorku- og yfirkritískt vatn.

Aðferð oxíðfilmumyndunar er mismunandi eftir yfirborðsundirbúningi
Oxíðútfellingin sem er innfædd á 316 ryðfríu stáli vex með nokkrum aðferðum, allt eftir yfirborðsundirbúningi eftir endanlega rörmyndun. Endanleg hitameðhöndlun er framkvæmd í oxandi umhverfi (lofti eða stýrðri blöndu af köfnunarefni með snefilsúrefni) við 1010–1120 gráður og -glóða yfirborðið er kælt með hraða sem myndar tvíhliða oxíð sem er um það bil 50–150 nm að þykkt. Ytra lagið er aðallega járnoxíð (Fe₂O₃ og Fe₃O₄ – hematít og magnetít, í sömu röð) en innra lagið er krómríkt (Cr₂O₃ eða FeCr₂O₄ spínel). Þetta oxíð vex við háan hita sem leiðir til fullkominnar grindar sem passa við undirliggjandi málm og lítillar afgangsálags við málm-oxíðsnertingu.

Súrsaðir yfirborð eru meðhöndlaðir með blöndu af saltpéturs- og flúorsýru eftir glæðingu. Háhitaoxíðið er fjarlægt að fullu með sýrublöndunni til að skilja eftir ber málm. Þá virkjar málmurinn sjálfkrafa í lofti við umhverfishita og myndar mun þynnra oxíð (1,5-3 nm) sem er fyrst og fremst króm-ríkt af mjög litlu járni. Þessi þunna óvirka filma er einstaklega verndandi gegn klóríðárás við lágt hitastig, en hún hefur ekki nauðsynlegan hitastöðugleika og þykkt fyrir háhitavatnsoxunarþjónustu.

Raffæging er rafskautsupplausn yfirborðs í raflausn (venjulega blanda af fosfór- og brennisteinssýrum) sem leysir upp þunnt lag af málmi (20-50 µm) og framleiðir slétt, ljómandi yfirborð með óvirkri filmu svipað og á súrsuðu yfirborði en enn meira af krómi{4}}. Rafslípað yfirborðið hefur lægsta yfirborðsgrófleika (Ra allt að 0,1 µm) og hæsta hlutfall króms -til- járns í óvirku filmunni, venjulega 1,8–2,2, samanborið við 1,2–1,5 fyrir súrsaða yfirborð og 0,8–1,0 fyrir flöt sem hefur verið gljáðuð.

Háhitavatnsoxunarhegðun við 280–320 gráður
Stýrðar tæringarprófanir voru gerðar í endurhringrásum með -hreinni vatnslykkjum (0,06 µS/cm leiðni, 5 ppb uppleyst súrefni, pH 6,5 við 25 gráður, flæðihraði 0,5 m/s) við 300 gráður í allt að 5000 klukkustundir. Mælingar á þyngdaraukningu og lýsingu á oxíðhúðinni með beitartíðni röntgengeislun (GIXRD) og rafeindasmásjá gefa sambærileg gögn.

Yfirborðsfrágangur Upphafleg yfirborðsgrófleiki Ra (µm) Oxíðþykkt við 5000 klst. við 300 gráður (µm) Oxíðlosun (þyngdartap vegna flögnunar, mg/cm²) Málmtap (µm skarpskyggni) Ríkjandi oxíðfasamylla-glýt){4.6 – 8} (loftkælt) (loftkælt)<0.05 0.8 – 1.2 Spinel (FeCr2O4) + haematite
Magnetít (Fe₃O₄) tæmt króm Súrsað (HNO₃/HF) 0,4 – 0.8 2.2 – 3.1 0.12 – 0.25 1.6 – 2,4
Rafslípaðir 0.1 – 0.3 2.8 – 3.8 0.30 – 0.55 2.1 – 3.0 Króm-auðugir hnúðar sem eru felldir inn í segulefnisfylki
Mill-glæðing + post-pólskur (vélrænn í Ra 0,2 um) 0.2 - 0.3 1.4 - 2.0 0.06 - 0.10 0.9 - 1.4 spínel + minniháttar magnetít
Þynnasta og viðloðandi oxíðið er alltaf framleitt á -glöðu yfirborði myllunnar eftir langan tíma í háhitavatni. Helsti greinarmunurinn er upphafleg uppbygging oxíðanna. Há-myllaoxíðið veitir sniðmát sem stuðlar að myndun þétts, samfellds spinelfasa (FeCr₂O₄) við framtíðarþjónustu. Hitastuðullinn (CTE) spínels er um 8,5 × 10⁻⁶/K, sem passar vel við CTE úr 316 ryðfríu stáli (16 × 10⁻⁶/K við 300 gráður hvað varðar víddarbreytingar, en kristallfræðilega samhæft). Aftur á móti leiða súrsuðum og rafpússuðum yfirborðum til myndunar segulíts (Fe3O4) með CTE upp á ~ 12 × 10-6 /K, sem veldur meiri hitaálagi meðan á hitauppstreymi stendur og aukin tilhneigingu til losunar.

Sprungunæmi fyrir streitutæringu í háhitavatni
Upphaf streitutæringarsprungu (SCC) í 316 ryðfríu stáli í há-hreinu vatni við 300–350 gráður er vel-skjalfest í umhverfi sjóðandi vatnsreactors (BWR) og hefur mikil áhrif á yfirborðsáferð auk almennrar oxunar. U-beygjusýni með hverri yfirborðsáferð voru prófuð með hægum álagshraðaprófun (SSRT) við 300 gráður í loftlausu vatni (uppleyst súrefni 20 ppb). Sprungudýpt og tími þar til SCC sprungubyrjun var mæld.

Yfirborðsfrágangur Tími fram að SCC ræsingu (klst., 300 gráður) Sprungudýpt eftir 2000 klst. (µm) Leifar yfirborðsspennu (MPa) Sprunguformgerð
Mill-annealed >3000 (engin ræsing sést) 0 Engin +25 (þjappað)
Súrsað 1800 – 2400 50 – 90 Millikornótt, greinótt +10 (tog)
Rafslípað 1100 – 1600 120 – 200Kynt, skarpt +50 til +80 (tog)
Rafslípun hefur í för með sér aukningu á togspennu afgangsálags yfirborðslagsins vegna mismunaupplausnar streitu og óspennta málmsins. Þessar togspennur (venjulega 50–80 MPa) bætast við álagða og hitaspennu, sem leiðir til þess að SCC myndast. Súrsun leiðir almennt til þess að yfirborð eru nánast hlutlaus eða lítillega þjappuð, á meðan mylluglæðing leiðir oft til þess að yfirborð er í vægu þrýstiálagi vegna framleiðslu oxíðs við kælingu. Viðnám myllu-glæðu slíðranna gegn ræsingu SCC á súrsuðum og rafslípuðum flötum í háhita og háhreinu vatni er rakið til nærveru stöðugs spínoxíðs í tengslum við þjöppunarafgangsálag.

Forrits-sértækar frágangsvalkostir fyrir há-vatnsþjónustu
Eftirfarandi ákvörðunarfylki til að velja yfirborðsáferð fyrir 316 ryðfríu stáli slíður, sem fall af vinnsluhitastigi, hreinleika vatnsins og væntanlegu ríkjandi tæringarferli er gefið upp.

Rekstrarhitastig (gráða) Vatnshreinleiki / efnafræði Ríkjandi tæringarkerfi Ráðlagður yfirborðsfrágangur Rökstuðningur < 100 Hvaða klóríðstig sem er Hreinsun, sprunga Fáður eða súrsaður Hámarks gryfjuþol Óveruleg oxun
100 – 200 < 50 ppm klóríð Pitting + miðlungs oxun Súrsað eða vélrænt slípað Jafnvægi, koma í veg fyrir rafslípun > 180 gráður 200 – 250 Hár hreinleiki (< 0.5 µS/cm) Oxidation + possible SCS Mill-annealed or mill-annealed + light mechanical polished Transition zone; mill-annealed preferred
250 – 350 Kjarnorkustig hár hreinleiki Almenn oxun + SCCErafslípun og súrum gúrkum frábending, aðeins möl-glödd
350 – 500 (ofurkritískt H2O)Hvað sem er Hreinleiki Spalling, þykkur oxíðvöxtur Kornastærðarstýrður, mylluglæðing Ákjósanleg oxíðviðloðun gróft korn nauðsynlegt
Hvaða hitastig sem er Klóríð > 500 ppm Hýðing óháð frágangi Uppfærsla í ofur-austenítískt eða Ni álfelgur 316 ryðfrítt stál ekki ásættanlegt
Fyrir hjálparkerfi í kjarnaofnum með þrýstivatni (venjulegt vinnsluhitastig 280–320 gráður) og ofurgagnrýna vatnsoxunarofna (400–600 gráður), ættu forskriftir skýrt að tilgreina mala-glaðan yfirborðsfrágang án viðbótar súrsun eða raffægingu. Lokaglæðing skal vera í lofti eða í stýrðu oxandi andrúmslofti og skal fylgt eftir með loftkælingu að stofuhita. Engin sýruhreinsun skal framkvæma eftir glæðingu nema að fjarlægja grófa mengun sem myndi nást með mildri basískri hreinsun eða sítrónusýruhreinsun sem ræðst ekki á basaoxíðið.

Tæknilýsing fyrir háhitavatnshitara (hagnýt)
Þegar pantað er 316 rafhitunarrör úr ryðfríu stáli til notkunar yfir 250 gráður í háhreinu vatni, skulu verkfræðingar tilgreina eftirfarandi frágangsstaðla. Yfirborð slíðrunnar skal vera í því ástandi sem myllu-glóðað er eins og framleitt er með lokagræðsluaðferðinni. Ytra slíðurflöturinn skal ekki sýrður, raffægður eða efnafræðilega bjartur eftir lokaglæðingu. Ef þörf er á hreinsun eftir-glæðingu til að fjarlægja smurefni eða meðhöndlunarmerki, má aðeins nota mild basísk hreinsiefni eða 5-10% sítrónusýrulausnir við hitastig undir 50 gráðum og hreinsunin skal ekki fjarlægja innfædda há-hitaoxíðið. Útvegsaðilinn skal skrá lokaglæðingarumhverfið (loft eða köfnunarefni með 2–5% súrefni) og kælihraða (loftkælt, ekki vatnsslökkt). Yfirborðsgrófleiki skal vera Ra 0,5–1,5 µm. Áferð sléttari en Ra 0,4 µm er ekki ásættanleg þar sem hann er afleiðing vélrænnar eða efnafræðilegrar fægingar sem fjarlægir gagnlega myllaoxíðið. Fyrir forrit sem fela í sér hitauppstreymi sem eru meira en 1000 hringrásir á milli umhverfis og 300 gráður, verður -glýjuð slíðurinn einnig að gangast undir for-oxunarmeðferð (500 klukkustundir við 300 gráður í gufu eða há-hreinleikavatni) áður en endanlega samsetningin verður stöðug. Ef verkfræðingar hafna venjulegu vali á rafslípuðum flötum við lág-hitaklóríðþjónustu og tilgreina mala-glýttan áferð í há-hita og háhreinu vatni, er hægt að ná yfir 50.000 klst endingartíma slíðra við aðstæður þar sem slípaðir hitarar bregðast við með því að oxíð 01 klst.