Comment la fraction volumique des inclusions non-d'oxyde métallique après la refusion à l'arc sous vide de 316 tubes de gaine chauffante contrôle-t-elle la densité du site d'initiation de la fosse dans de l'eau de haute-pureté à 90 degrés

Population d'inclusion comme seul mécanisme d'initiation des piqûres dans les environnements à faible -chlore

With 316 stainless steel clad electric heating tubes in high purity water applications such as pharmaceutical water systems, semiconductor rinse tanks or high pressure boiler feedwater when the chloride levels are under 10 ppm, conventional chloride-induced pitting is not expected. However the pitting does occur in these conditions and the beginning sites are virtually solely non-metallic oxide inclusions (mainly alumina, Al2O3 and spinels) rather than manganese sulphides. The oxide inclusion volume fraction of a normal electric-arc furnace (EAF) 316 is usually 0.01–0.05%. Vacuum arc remelting (VAR) or electroslag remelting (ESR) reduce the oxide inclusion volume percentage to less than 0.002% (a 10-25 fold reduction). A 316 sheath with an oxide inclusion volume fraction >0,01 % dans de l'eau de haute pureté à 90 degrés générera 10 à 50 piqûres/cm2 en 1 000 heures, mais le matériau traité VAR avec<0.002% inclusions is pit-free for >10 000 heures. Dans cet article, l'influence de la durée de vie, de la densité d'initiation des fosses et de la fraction volumique d'inclusion d'oxyde sur l'eau de haute pureté -a été étudiée.

Comportement par piqûre de l'acier induit par le mécanisme d'inclusion d'oxyde

Contrairement aux inclusions de sulfure de manganèse qui sont électrochimiquement actives et induisent des piqûres par dissolution, les inclusions d'oxydes (Al₂O₃, MgO·Al₂O₃) sont des isolants inertes. Ils jouent un rôle mécanique et géométrique dans l'apparition des piqûres. L'interface entre l'inclusion d'oxyde et la matrice austénitique diffère par le coefficient de dilatation thermique (CTE de Al2O3=8×10−6 / degré vs. 316 ≈ 17×10−6 / degré ). Cette inadéquation du CTE provoque un écart (crevasse) entre l'inclusion et la matrice lors des cycles de chauffage (jusqu'à 90 degrés) et de refroidissement. Cette crevasse est remplie d'eau et d'ions chlorure (même à<10 ppm) and constitutes the differential aeration cell that causes pitting. The pit then propagates by normal chloride driven mechanisms, but the bulk chloride is low. The number of pits is related to the number of oxide inclusions exposed at the surface.

Relation entre la fraction volumique d'inclusion d'oxyde et la quantification de la densité des piqûres à 90 degrés

Des tests d'immersion contrôlés de tubes 316 provenant de divers processus de production d'acier (EAF, AOD, VAR) dans de l'eau de haute pureté (8 ppm Cl⁻, conductivité 15 µS/cm, pH 7,0) à 90 degrés pendant 5 000 heures ont établi les densités d'initiation de fosse suivantes.

Fraction volumique normale d'inclusion d'oxyde (%) dans le processus de fabrication de l'acier Plage de taille des inclusions (µm) Piqûres/cm² après 5 000 heures à 90 degrés Profondeur maximale de la fosse après 5 000 h (µm) Temps jusqu'à la première piqûre stable (h) Service recommandé pour l'eau de haute pureté
VAR (refusion à l'arc sous vide)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10 000 Meilleur ESR (refondu sous laitier électrolytique) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5 000-10 000 Excellent AOD (argon-oxygène décarburé) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2 000-5 000 Acceptable
AOD + traitement au calcium 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1, 000-3 000 Marginal
EAF (four à arc électrique, standard) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500 Déconseillé
EAF (mauvaise qualité) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 Inacceptable
Influence de la concentration de chlorure sur l'inclusion-Seuil de piqûres induites

Le début des piqûres au niveau des inclusions d'oxydes est accéléré par la présence de chlorures, même minimes. Le tableau ci-dessous illustre le pourcentage de volume d'inclusion d'oxyde maximum autorisé pour 5 ans de service en fonction de la concentration de chlorure à 90 degrés.

Concentration de chlorure (ppm) Fraction volumique maximale admissible d'inclusion d'oxyde (%) Voie de fabrication de l'acier proposéeAlternative en cas de dépassement<1 0.020 AOD or betterNone 1-5 0.010 AOD + calcium therapyNone 5-10 0.005 AOD (premium) or ESR None 10-20 0.003 ESR or VAR 316L with electropolishing 
20-50 0.002 VARMise à niveau vers 316L, passivation50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 Inclusion-Spécification contrôlée pour le service d'eau de haute pureté

Les spécifications relatives aux 316 réchauffeurs à gaine pour les applications d'eau de haute pureté-dans les documents d'approvisionnement doivent inclure les éléments suivants :

Application Chlorure maximum (ppm) Procédé de fabrication de l'acier requis Fraction volumique maximale d'inclusion d'oxyde Méthode de vérification
WFI pharmaceutique (eau pour injection)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
Rinçage des semi-conducteurs (ultrapur)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
Eau d'alimentation de chaudière à haute-pression<5 ESR or AOD premium <0.005% (50 ppm) ASTM E45 Method A General high purity industrial <10 AOD with calcium treatment <0.010% (100 ppm) ASTM E45

Les acheteurs ayant besoin d'une inclusion contrôlée 316 disposent de trois techniques de vérification. La première est ASTM E45 (Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel), soit la méthode A (pire champ) ou la méthode D (analyse d'image). Pour les applications de haute pureté, une sévérité maximale de 0,5 est spécifiée pour les inclusions de type B (alumine). La seconde est la microscopie électronique à balayage (MEB) avec spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS) sur une section transversale polie- (500-1 000 ×) comptant les inclusions dans 10 champs de vision. Le seuil d'acceptation est inférieur à 10 inclusions par mm 2 supérieures à 2 µm. Le troisième test est un test d'immersion simplifié dans lequel un échantillon de tube est immergé dans de l'eau de haute pureté (10 ppm Cl⁻) à 90 degrés pendant 1 000 heures. Si des creux sont visibles, la teneur en inclusions est trop élevée.

Identification sur le terrain des piqûres provenant des inclusions d'oxydes

Les inclusions d'oxydes sont la cause probable d'une piqûre de chauffage 316 dans une eau de haute qualité où les chlorures sont inférieurs à 10-20 ppm. Au microscope (200-500×) le site de la fosse révélera une inclusion d'Al 2 O 3 ou de spinelle au cœur de la fosse, l'inclusion étant souvent partiellement délogée. Les piqûres sont minuscules (diamètre 10–100 µm), nombreuses et uniformément réparties. L'examen EDS du centre de la fosse vérifie O et Al. La solution à ces problèmes consiste à spécifier le grade VAR ou ESR 316 pour les achats futurs. Le radiateur n'est pas réparable et doit être remplacé par un tube à inclusion contrôlée.

Conclusion : Désignation du VAR/ESR 316 pour le service d'eau de haute pureté

Pour radiateurs enveloppés d'acier inoxydable 316 dans de l'eau de haute pureté (chlorures<10 ppm) at 90°C, the dominant pitting initiation mechanism is galvanic crevice attack at non-metallic oxide inclusions. Standard EAF steel with 0.015-0.03% oxide inclusion volume fractions produces 5-20 pits/cm2 and perforation in 2-5 years in 5,000 hours. VAR or ESR processing decreases the oxide inclusion volume percentage to <0.002-0.005% and increases the pit-free life to >10 000 heures. Si les gaines 316 sont spécifiées pour une utilisation dans des applications pharmaceutiques, de semi-conducteurs ou de chauffage d'eau ultra-pure, les ingénieurs doivent alors avoir besoin d'un matériau de qualité VAR ou ESR et tester le contenu d'inclusion selon ASTM E45 avec des limites de gravité.<0.5 for Type B inclusions. The framework described correlates oxide inclusion volume percentage with measurable pit initiation density and service life. Buyers may now select 316 tubing that resists pitting even in the most aggressive high purity water situations.